基于PLC的食堂燃氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

邱國寶 孟祥印 周 倫 唐 波

（西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院智能機電技術(shù)研究所)

基于PLC的食堂燃氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

邱國寶*孟祥印 周 倫 唐 波

（西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院智能機電技術(shù)研究所)

某大型食堂的燃氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)采用SIEMENS公司的S7-200系列CPU 224CN為控制器，配合功能擴展模塊EM231和ES2000T-C催化接觸式可燃氣體探測器，實現(xiàn)燃氣泄漏的檢測和供氣閥門的連鎖控制。配置的TD400C文本顯示屏實時顯示各關(guān)鍵測點的燃氣濃度，并實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和報警控制等人機交互功能。

燃氣泄漏 監(jiān)控系統(tǒng) 可燃氣體探測器 食堂 檢測 連鎖控制

學(xué)校、大型廠區(qū)和事業(yè)單位的食堂環(huán)境嘈雜、人流量大，燃氣泄漏不易被人察覺。一旦發(fā)生爆炸事故，人員傷亡嚴重。如2014年3月3日中午12時左右，中石化東莞石油公司食堂因液化氣瓶泄漏引發(fā)爆炸，當(dāng)時就造成1人死亡，20多人受傷。

為預(yù)防爆炸、火災(zāi)和人身中毒事故的發(fā)生，保障人民生命財產(chǎn)安全，在食堂廚房安裝一套燃氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)意義重大。

本文以某大型廠區(qū)的食堂為例，設(shè)計并實現(xiàn)了基于PLC的燃氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)中的可燃氣體探測器檢測燃氣泄漏的濃度，并經(jīng)過PLC處理后在文本顯示器中顯示。燃氣濃度超過一定閾值時，PLC則啟動報警，并連鎖控制開啟相關(guān)軸流風(fēng)機，同時切斷入口電磁閥，停止供氣。該燃氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)功能可靠，經(jīng)濟實用，便于推廣。

1 燃氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)組成與功能

根據(jù)食堂面積、用氣量大小、泄漏探測器一般的探測范圍等因素，確定監(jiān)控系統(tǒng)由8個 （3個備用）可燃氣體探測器、3個軸流風(fēng)機、1個聲光報警器、1個燃氣入口控制電磁閥和1個帶文本顯示器的PLC控制箱組成。圖1具體地顯示了系統(tǒng)設(shè)備布局和各設(shè)備的相互關(guān)系。

其中一樓安裝2個探測器、1個風(fēng)機聯(lián)動控制箱 （用于控制1#防爆軸流風(fēng)機）。當(dāng)檢測到食堂一層2個可燃氣體探測器任意一個輸出信號超出報警閾值 （一般為15%或20%LEL）時，PLC控制器自動遠程啟動食堂一層的1臺軸流風(fēng)機，并切斷入口電磁閥；當(dāng)2臺可燃氣體探測器輸出信號均沒有達到報警閾值時，自動遠程關(guān)閉食堂一層的軸流風(fēng)機，此時可以手動復(fù)位燃氣入口電磁閥。

二樓安裝3個探測器和1個風(fēng)機聯(lián)動控制箱（控制2#和3#防爆軸流風(fēng)機）。當(dāng)接收到食堂二層3個可燃氣體探測器任意一個輸出信號超出報警閾值時，PLC控制器自動遠程啟動食堂二層的2個0.55 kW軸流風(fēng)機，切斷供氣電磁閥；當(dāng)3個可燃氣體探測器輸出信號均沒有達到報警閾值時，自動遠程關(guān)閉食堂二層的2臺軸流風(fēng)機，此時可手動復(fù)位供氣電磁閥。

圖1 燃氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備布局和各設(shè)備相互關(guān)系

2 監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)I/O點設(shè)置如下：

模擬量輸入信號 （AI） 8個，即可燃氣體探測器信號8路 （每個探測器1路）；開關(guān)量輸出信號 （DO）5個，即聲光報警輸出1路，軸流風(fēng)機控制3路，電磁切斷閥控制1路。

據(jù)此，并考慮到成本和可靠性等因素，系統(tǒng)選用性價比較高的西門子S7-200系列 CPU 224CN為控制器，其板載14路DI、10路DO；擴展2個模擬量輸入模塊EM231，每個模塊提供4路AI。

文本顯示設(shè)備是一種低成本的人機交互界面（HMI），特別適用于簡單操作和應(yīng)用。系統(tǒng)選用TD400C文本顯示器，它能與S7-200 CPU無縫兼容，成本低廉，組態(tài)簡單。它能背光液晶顯示2行大字體或 4行小字體，分辨率為 192×64。通過TD/CPU電纜與 S7-200相連，電纜既用于給TD400C供電，也是二者數(shù)據(jù)通信的橋梁。

ES2000可燃氣體探測器采用進口氣體敏感元件做傳感器，具有精度高、可靠性好等特點。探測器可輸出4～20 mA標(biāo)準電流信號，便與PLC自動化系統(tǒng)連接，隔爆型防爆，可用于1、2區(qū)危險場所。該探測器為催化接觸燃燒式，在較寬的環(huán)境溫度下能穩(wěn)定工作，并能對爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進行檢測，適用于廠區(qū)大型食堂油煙較多、濕熱較重的環(huán)境。

CPU 224CN通過模擬量輸入模塊EM231處理探測器ES2000采集的現(xiàn)場泄漏濃度信號，信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換、數(shù)值變換后傳送到TD400C文本顯示屏上實時顯示。同時PLC比較泄漏濃度與報警濃度，一旦泄漏濃度達到甚至超過報警濃度值，則觸發(fā)聲光報警，啟動電磁閥切斷氣源，啟動防爆軸流風(fēng)機進行送風(fēng)。整個監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖如圖 2所示。

圖2 燃氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能和要求，由PLC控制器及其擴展模塊來完成各種信號的采集、數(shù)據(jù)的處理、控制指令的傳送和外圍設(shè)備的連鎖控制，并把數(shù)據(jù)送給顯示屏來顯示現(xiàn)場狀態(tài)。PLC程序使用SIEMENS公司的STEP7-Micro/WIN編輯，設(shè)計中采用模塊化方式進行軟件編寫，通過組織塊、功能塊、數(shù)字塊等模塊的調(diào)用，保證程序結(jié)構(gòu)簡潔明了。燃氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)程序流程如圖 3所示。

圖 3 系統(tǒng)程序流程

PLC接收電流信號范圍為0～20 mA，可燃氣體探測器傳送的電流信號范圍為4～20 mA。查詢S7-200硬件選型手冊中關(guān)于模擬量輸入EM231模塊的技術(shù)特性，對于單極性的工程量，20 mA對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值應(yīng)為32 000；實際測量時若無燃氣泄漏，現(xiàn)場儀表輸出4 mA電流，A/D轉(zhuǎn)換后寄存器的值為6400。因此，預(yù)設(shè)的報警濃度需先經(jīng)過換算程序然后才送入寄存器，再將其與現(xiàn)場儀表輸入電流值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的實時測量值進行比較，判斷是否觸發(fā)報警。以下為該系統(tǒng)的換算程序部分：

其中 VD0為初始化濃度報警值；VD104、VD108、VD112均為中間計算寄存值； VW100為存放屏幕上輸入的報警濃度值對應(yīng)AD轉(zhuǎn)換值。

3HMI設(shè)計

系統(tǒng)采用TD400C作為人機交互界面。TD400C使用TD/CPU電纜直接與S7-200 CPU連接，進行一對一網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。使用TD400C的“診斷”或“TD設(shè)置”菜單可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址、波特率和其他參數(shù)。

TD400C的組態(tài)可以通過STEP7-Micro/WIN中的Keypad Designer實現(xiàn)，如自定義鍵盤，設(shè)計文本顯示屏幕和報警信息等。組態(tài)完畢后，下載到CPU中，在STEP7-Micro/WIN數(shù)據(jù)塊中會以參數(shù)塊的形式顯示TD配置信息、報警信息以及用戶信息等，在PLC程序中會自動形成兩個子程序。

子程序TD_CTRL_0由SM0.0調(diào)用以確保每個掃描周期都能實施對TD400C的所有更新 （例如報警或改變語言設(shè)置）；子程序TD_ALM_0用于調(diào)用報警信息。用戶菜單不受程序控制，可以通過面板上的按鍵修改以及查看所有已定義的畫面信息。

根據(jù)實際，本HMI設(shè)計定義了 “一樓監(jiān)控狀態(tài)”、“二樓監(jiān)控狀態(tài)”、“報警設(shè)置”、“歷史查看”等界面。組態(tài)后的主界面（一樓監(jiān)控狀態(tài)）如圖4所示。

圖4 TD400C主界面

4 結(jié)語

以某大型廠區(qū)的食堂為對象，組建基于PLC的食堂燃氣泄漏監(jiān)測報警系統(tǒng)，實現(xiàn)了燃氣泄漏濃度采集、數(shù)據(jù)處理、泄漏報警、風(fēng)機控制、燃氣通道控制等功能。目前，該系統(tǒng)已投入使用半年，運行穩(wěn)定，安全可靠，滿足了用戶需求，確保了該廠區(qū)食堂用氣安全。

Realization of PLC-based Gas Leakage Monitoring System in the Dinning Hall

Qiu Guobao Meng Xiangyin Zhou Lun Tang Bo

The CPU 224CN belong to SIEMENS S7-200 is used as controller of the gas leakage monitoring system built in a large dining hall.Combining functional extended module EM231 and the catalytic contact-type combustible gas sensor,ES2000T-C,it is capable of detecting the gas leakage and realizing the chain control for gas valves.The concentration of leaked gas at each critical checkpoint can be monitored and shown simultaneously on a TD400C text display screen.The monitoring system also provides human-computer interaction functions such as parameters setup and alarming control.

Gas leakage；Monitoring system；Combustible gas sensor；Dining hall;Detection;Chain control

TQ 056.8

2014-03-05）

*邱國寶，男，1991年生，碩士研究生。成都市，610031。