鋼鐵企業(yè)煤氣泄漏無線監(jiān)測系統(tǒng)的設計及應用

魯紹軍，薛冬晨，謝紅艷,李 泉

（1河北省首鋼遷鋼公司動力作業(yè)部，2河北省首鋼遷鋼公司能源部，河北遷安 064404）

1 引言

煤氣是鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的重要二次能源，它的主要成分是一氧化碳，煤氣的充分回收和合理利用不僅對鋼鐵企業(yè)降低成本具有重要意義，而且對于減少污染物排放具有重要的環(huán)保意義。在煤氣的回收和使用過程中，為了去除管道內(nèi)煤氣凝結(jié)的水分，需要在管道上安裝煤氣排水器，煤氣排水器的作用是收集和排出煤氣管道中的冷凝水，當煤氣壓力頻繁波動時，若補水不及時，排水器容易被擊穿，將導致煤氣外漏。由于煤氣輸送管線長，覆蓋區(qū)域廣，管道沿線排水器較多，而且主要分布在廠區(qū)的的主干道兩側(cè)，一旦出現(xiàn)煤氣泄漏將會造成重大人員傷亡事故。

為了提高煤氣防護的能力,在煤氣水封容易泄露的地方安裝煤氣報警器,一旦發(fā)生煤氣泄漏，立即發(fā)出報警，警示路人迅速撤離。除此之外還需要立即通知專業(yè)人員進行處理，因此還需將檢測信號傳送到專業(yè)維護值班室，由于管道沿線排水器安裝分散，區(qū)域廣大，如果采用有線通信不但投入成本高，而且施工不方便，本文所敘述的煤氣管網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)采用了跳頻電臺無線網(wǎng)絡。該監(jiān)測系統(tǒng)由1個主站配有9個分站組成，72個監(jiān)測點位.一旦現(xiàn)場發(fā)生泄漏并超過報警值，不僅現(xiàn)場配有語音聲光報警器通知附近人群，而且從測控中心同時報警并顯示泄漏位置，運行人員第一時間接到報警通知可立即趕往現(xiàn)場進行處理，大大減小了發(fā)生煤氣泄漏時所造成的危害。

2 系統(tǒng)原理

如圖1所示系統(tǒng)共分9個子站，每個子站帶16路模擬量輸入端，每站帶8臺煤氣探頭，分布于相鄰的4個煤氣排水器旁邊，每個排水器設置獨立的語音報警器，一個服務器接收端設在配水動力管道班，架設天線接收無線信號，子站采用密封防爆箱保護性安裝。每個探頭檢測到的4～20 mA信號用硬線送到就近子站的模擬量輸入端，信號經(jīng)過子站處理轉(zhuǎn)換后由無線電臺發(fā)送到遠程主站，發(fā)生煤氣泄漏時可以實現(xiàn)現(xiàn)場和遠程站同時報警。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)分三個子系統(tǒng)構(gòu)成：（1）監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡：設置在監(jiān)測區(qū)域，探測節(jié)點上的傳感器定時采集煤氣排水器所在區(qū)域煤氣含量，向TransNET節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，現(xiàn)場煤氣報警器將模擬信號傳給信號隔離采集器、信號隔離轉(zhuǎn)換器，經(jīng)RS232接口與MDS900無線傳輸模塊相連，通過MDS900透明數(shù)據(jù)傳輸終端內(nèi)置嵌入式處理器對數(shù)據(jù)進行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到無線網(wǎng)絡。（2）跳頻電臺遠程數(shù)傳網(wǎng)絡：TransNET 900建立主站與分站之間的連接，將接收到的數(shù)據(jù)封裝后，經(jīng)跳頻網(wǎng)絡傳送到測控中心。（3）上位機，測控中心的TransNET網(wǎng)絡通過全向天線接收來自各節(jié)點的數(shù)據(jù)，通過RS232接口與上位機連接，測控中心服務器接收到MDS900網(wǎng)絡終端傳來的連接申請，先進行認證，認證通過后接受傳來的數(shù)據(jù)并進行處理。數(shù)據(jù)接收和處理由上位機軟件進行管理。煤氣報警監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲圖如圖2所示。

圖1遷鋼動力廠無線煤氣報警系統(tǒng)示意圖

圖2 煤氣報警監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲圖

4 硬件設計

無線傳輸系統(tǒng)采用的是“集中管理-分散監(jiān)測”，集散式報警監(jiān)控系統(tǒng)由中央管理工作站(終端監(jiān)控)、無線通信網(wǎng)絡、現(xiàn)場數(shù)據(jù)終端、子站、從站處理站、語音聲光報警器、CO報警探測器等幾部分組成。

煤氣排水器在線監(jiān)測系統(tǒng)中，有一臺工業(yè)計算機放在管理中心，設置一臺MDS900主站，與現(xiàn)場分站通訊，現(xiàn)場放置10臺分站，負責采集現(xiàn)場72個煤氣探頭。集中采集煤氣泄漏值通過分站送到主站。

4.1 智能型可燃氣體檢測部分

該系統(tǒng)使用的PⅠCKETER系列現(xiàn)場檢測探頭，是采用單片機控制的智能型探測器。具有現(xiàn)場濃度顯示、現(xiàn)場報警指示燈指示、現(xiàn)場直流接點輸出（可連接控制現(xiàn)場報警器）、催化燃燒方式傳感器（可燃性氣體檢測探頭）、（4～20）mA 變送器、零點負漂移自動調(diào)整（無零點負漂移）、零點正漂移補償?shù)裙δ?，同時保證檢測探頭工作輸出穩(wěn)定。

在易發(fā)生泄漏的水封圍擋內(nèi)安裝語音煤氣報警探測器（含聲光報警器），當檢測氣體濃度超標時,發(fā)出高音報警響聲及紅色危險信號閃光。語音報警器由封裝好的芯片和音箱組成，當接到報警信號時開始播放，如“有煤氣泄漏，請注意安全”（內(nèi)容可根據(jù)實際需要錄音）。也適用于夜間及噪音場所，對相關(guān)人員起到警示作用。煤氣報警探頭采用RVVP3×1.5 mm控制電纜與子站相連接，子站負責為煤氣報警探頭提供24 V直流電源。

4.2 數(shù)據(jù)采集部分

數(shù)據(jù)采集部分由信號隔離采集器和信號隔離轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。

信號隔離采集器需要直流24 V供電，具有模擬量采集功能，可以16路信號隔離采集。把煤氣檢測探頭輸出的4～20 mA信號接到該采集器的輸入端，提供給RS485通訊接口，可以實時采集煤氣報警儀檢測到的煤氣濃度。

轉(zhuǎn)換器由直流24 V供電，該轉(zhuǎn)換器負責把RS485信號轉(zhuǎn)換成RS232信號，目的是與MDS900分站連接，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的傳輸。轉(zhuǎn)換原理如圖3。

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊原理圖

4.3 隔離凈化電源

隔離凈化電源的作用是讓控制設備、變流設備和其它裝置與供電系統(tǒng)隔離，獨立工作。外部提供的220 V交流電，有時不太干凈，經(jīng)過隔離凈化電源后，可以濾掉干擾，提供輸出干凈的直流24 V電源，從而提高設備的安全和防護能力。凈化后的直流24 V電源輸入到直流分配器，被分為16路電源信號，每一路都獨立輸出直流24 V。當有一路煤氣報警儀超負載時，只是這一路暫時停止，不至于將總電源燒壞，避免影響其它15路報警器的實時通訊。一旦負載正常，又開始正常供電，并且恢復正常通訊。

4.4 無線傳輸系統(tǒng)

無線傳輸系統(tǒng)采用的是“集中管理-分散監(jiān)測”，采用MDS900電臺，有一個主站和10個分站組成，該電臺具備跳頻擴頻功能，傳輸距離可達到35 km，抗干擾能力強，實時采集現(xiàn)場的氣體檢測數(shù)據(jù)。MDS TransNET 900是專業(yè)的數(shù)傳電臺，工作于（900～1000）MHz頻段，可以實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的點對多點通信，它的特點在于長距離、穩(wěn)定、可靠。全雙工的工作模式，采用先進的擴頻跳頻技術(shù)，采用了DSP芯片，具有信道編碼，前向糾錯功能。運用了CPFSK數(shù)字調(diào)制方式，相干解調(diào)，均衡軟判決等技術(shù)，大大提高了設備增益，產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾性，傳輸速率遠遠超過普通數(shù)傳臺。設備本身為用戶提供一個115.2K的串口，串口RS-232/RS-485可選，本設計由串口RS-232接入。

4.5 全向天線

在水平方向圖上表現(xiàn)為360°都均勻輻射，也就是平常所說的無方向性；在垂直方向圖上表現(xiàn)為有一定寬度的波束，一般情況下波瓣寬度越小，增益越大。全向天線在移動通信系統(tǒng)中一般應用于郊縣大區(qū)制的站型，覆蓋范圍大。全向天線可以接受來自各個角度的信號并向各個角度發(fā)射信號，應用范圍廣泛，大部分無線產(chǎn)品都是將全向天線作為設備上的標準配置。全向天線在各個方向上的延伸性是一樣的，這些信號疊加后最終組成了一個以天線為球心的球體。

4.6 上位監(jiān)控系統(tǒng)

由一臺主機來接收MDS900主站提供的數(shù)據(jù)，通過RS232接入主機，監(jiān)測各物理煤氣檢測點、檢修過程跟蹤、實時數(shù)據(jù)收集、事件日志、人機界面、報表生成和打印、歷史數(shù)據(jù)查詢、與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。

5 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件基于WⅠNDOWS平臺，界面采用動態(tài)畫面和區(qū)域圖動態(tài)畫面，人機界面友好，功能強大，采用分級式煤氣報警監(jiān)測，管理人員借助煤氣監(jiān)控系統(tǒng)軟件，通過區(qū)域圖界面將看到某個位置煤氣泄漏的濃度。一級報警動態(tài)顯示在區(qū)域圖上某個地理位置上，顏色為黃色；二級報警顏色為紅色，同時發(fā)出聲音報警,并顯示此濃度值，把報警事件及濃度值紀錄下來以備將來查用。通過歷史報警數(shù)據(jù)為我們分析出什么位置極易泄漏煤氣，這樣既節(jié)約了時間，又為我們避免了不必要的直接經(jīng)濟損失。

圖4 煤氣報警監(jiān)控系統(tǒng)軟件基本結(jié)構(gòu)

設置界面菜單有5個二級菜單，分別是：安裝區(qū)域名稱設置、安裝地點名稱設置、串口設置、棒圖最大值設置、煤氣報警二級上下限設置。

安裝區(qū)域名稱設置主要是某個區(qū)域名稱設置；安裝地點名稱設置是水封某個地理位置上安裝的煤氣報警儀的名稱；串口設置是接收或發(fā)送無線裝置的RS232口設置；棒圖最大值設置是煤氣濃度值最大值；煤氣報警上下限設置是煤氣報警值上限和下限的設置。

實時顯示界面菜單有三個二級菜單：棒圖實時顯示界面、區(qū)域圖實時顯示界面、主界面實時顯示。

二級菜單的棒圖實時顯示界面是顯示煤氣報警濃度值，以棒圖顯示煤氣濃度；區(qū)域圖實時顯示界面是地理位置圖，一個平面結(jié)構(gòu)地理圖一旦有報警在地理位置上將有一個暈圈在不停閃爍，證明該處有煤氣濃度超標。黃色為一級報警，紅色為二級報警；主界面實時顯示將用文本框形式顯示從現(xiàn)場發(fā)送來的實時煤氣泄漏的濃度值。當煤氣濃度信號及報警位置信號發(fā)送至遠程監(jiān)控計算機上后，通過監(jiān)控機上的煤氣顏色顯示及報警信號，實時監(jiān)測所有點位的煤氣泄漏的濃度。一級報警動態(tài)顯示在區(qū)域圖上某個地理位置上顏色為黃色，二級報警顏色為紅色同時發(fā)出聲音報警,并顯示此濃度值,把報警事件及濃度值記錄下來，系統(tǒng)具有歷史報警數(shù)據(jù)保存功能以備將來查用。當檢測氣體濃度超標時,現(xiàn)場發(fā)出語音報警響聲及紅色危險信號閃光，對周圍人員起到警示作用。相關(guān)專業(yè)人員能夠立即發(fā)現(xiàn)具體的煤氣泄漏點的物理位置，使事故得到及時處理，避免造成重大安全事故。

遠程監(jiān)控站是專用的監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)應具有以下功能：

（1）實時性 — 現(xiàn)場的氣體檢測數(shù)據(jù)能實時發(fā)送到監(jiān)控中心服務器，每秒采集一次現(xiàn)場數(shù)據(jù)，150 ms采集一個子站數(shù)據(jù)，每1.5s對整個環(huán)網(wǎng)所有煤氣報警探頭實現(xiàn)一次數(shù)據(jù)采集。

（2）實用性 — 氣體監(jiān)測系統(tǒng)的實時報警，便于維護、更新、管理。

（3）應急性 — 氣體監(jiān)測的實時報警便于應急指揮。

（4）安全性 — 氣體監(jiān)測的實時報警能被大量存儲，便于事后分析，查找隱患、規(guī)避風險。

（5）規(guī)范性 — 安全符合國家標準和行業(yè)標準

6 結(jié)語

本系統(tǒng)采用跳頻電臺無線網(wǎng)絡，把整個鋼廠的煤氣管道水封集散式的監(jiān)控起來，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性強、精度高、實時性強，可以有效監(jiān)測泄漏氣體的位置及含量值，并已經(jīng)在實際生產(chǎn)中得以驗證。該系統(tǒng)的投入使用，改變了以往依靠人工持報警儀巡檢各個管道是否有煤氣泄漏的管理模式，實現(xiàn)了煤氣在線監(jiān)測系統(tǒng)集中監(jiān)控，極大的提高了煤氣管道煤氣泄漏生產(chǎn)管理水平，是在首鋼遷鋼工業(yè)控制及監(jiān)測領域首次較大規(guī)模的無線遙測技術(shù)。建立煤氣水封氣體泄漏遙測遙信系統(tǒng)后，提高了煤氣管道水封氣體泄漏的預防技術(shù)水平，改善了生產(chǎn)管理模式，具有較大的實用價值。

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[2何玉潔.數(shù)據(jù)庫原理與應用教程[M].北京:機械工業(yè)出版社，2008.

[3]Jack S.Moderncommunicationcircuits.McGraw Hill Company,1986

[4葛紉秋.微型計算機接口技術(shù)及其應用.甘肅:蘭州大學出版社,1993

[5]HerbertT.Donald S.Principlesofcommunicationsystems.McGraw-Hill,1986