防爆正壓柜控制部分冗余設(shè)計(jì)淺談

(江蘇爾樂(lè)電氣科技有限公司,江蘇 啟東 226200)

1 引言

隨著石油化工、金屬冶煉、化學(xué)制藥等行業(yè)的飛速發(fā)展，防爆正壓柜在體系控制中的利用越來(lái)越廣泛。它的防爆原理是：正壓柜(主腔內(nèi))通入一定壓力的新鮮空氣或惰性氣體，使周?chē)目扇夹詺怏w不能進(jìn)入外殼內(nèi)部，從而阻止點(diǎn)燃源與爆炸性氣體接觸，達(dá)到防止爆炸的目的。 隨著技術(shù)的進(jìn)步，防爆正壓柜的技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)，尤其是其自動(dòng)控制系統(tǒng)，由原先壓差儀表，通過(guò)繼電器進(jìn)行控制，向著微機(jī)控制方向發(fā)展，使防爆正壓柜整體的性能得到不斷提高。下面以單片機(jī)為例，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)分析。

2 防爆正壓柜的氣壓控制[1]

防爆正壓柜由柜體和正壓充氣控制系統(tǒng)裝置兩部分組成，防爆正壓柜氣源由正壓充氣控制裝置進(jìn)入柜體充氣并達(dá)到安全起動(dòng)要求(100Pa≤ Δp≤400Pa);當(dāng)?shù)蛪簣?bào)警時(shí)，正壓控制裝置會(huì)輸出信號(hào)報(bào)警，必要時(shí)會(huì)切斷正壓柜電源。正壓柜在控制系統(tǒng)的控制下，通入保護(hù)氣體，正壓柜主腔內(nèi)壓力高于正壓腔外的壓力，形成微正壓的安全小環(huán)境，從而阻止了可燃性危險(xiǎn)氣體進(jìn)入正壓腔內(nèi)，保證內(nèi)裝普通儀表和電器元件的安全運(yùn)行。

正壓柜工作時(shí)，先進(jìn)行5倍正壓柜主腔容積量的換氣，此過(guò)程，是通過(guò)進(jìn)氣防爆電磁閥和排氣防爆電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的；換氣結(jié)束，氣壓在設(shè)定值范圍內(nèi)，用遵循PID控制律的小口徑防爆電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)氣壓穩(wěn)定。

3 正壓柜的氣壓控制過(guò)程的實(shí)現(xiàn)

正壓柜的控制系統(tǒng)，根據(jù)壓差儀器反饋的信號(hào)值與設(shè)定值之間的偏差，通過(guò)執(zhí)行元件(防爆電磁閥)進(jìn)行調(diào)節(jié)的，實(shí)現(xiàn)正壓柜主腔的氣壓在設(shè)定的范圍內(nèi)，從而達(dá)到防爆要求。

3.1 確定換氣時(shí)間

正壓柜開(kāi)始工作時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行換氣，使其內(nèi)部的爆炸性氣體排到規(guī)定的安全值范圍內(nèi)。

氣體流量公式[2]

其中：

qs——自由狀態(tài)流量L/min；

S——排氣管有效截面積mm2;

p1——正壓柜殼內(nèi)絕對(duì)壓力：MPa;

Δp——壓差(MPa)，Δp=p1-p0;

T1——正壓外殼內(nèi)熱力學(xué)溫度K;

p0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

此處換氣的正壓值?。害=400Pa，可以通過(guò)公式求得氣體流量qs;由正壓柜主腔的容積V;可得5倍換氣時(shí)間t=5V/qs。這是能夠估算出大概換氣時(shí)間，以便，在實(shí)際操作中，確定較正確的換氣時(shí)間。

3.2 控制過(guò)程

通過(guò)單片機(jī)設(shè)定程序，對(duì)正壓柜的氣壓系統(tǒng)進(jìn)行控制。正壓柜開(kāi)始工作后，單片機(jī)發(fā)出開(kāi)閥指令氣壓控制系統(tǒng)開(kāi)啟進(jìn)氣閥與排氣閥，進(jìn)行換氣，經(jīng)過(guò)設(shè)定時(shí)間t后，檢測(cè)主腔內(nèi)的正壓值。如主腔的正壓值在設(shè)定的范(100Pa≤Δp≤400Pa)，則關(guān)閉進(jìn)氣閥與排氣閥，并開(kāi)啟工作電源(主腔通電)，使正壓柜進(jìn)入工作狀態(tài)。如此時(shí)的正壓值不在設(shè)定的范圍內(nèi)：(1)主腔的正壓值小于設(shè)定范圍下限(100Pa)，檢查氣源壓力，柜體及排氣管泄漏量，并作相應(yīng)調(diào)整，直到主腔的正壓值在設(shè)定的范圍內(nèi)，再關(guān)閉進(jìn)氣閥與排氣閥， 并開(kāi)啟工作電源；(2)主腔的正壓值大于設(shè)定范圍的上限(400Pa)，關(guān)閉進(jìn)氣閥，直到主腔的正壓值在設(shè)定的范圍內(nèi)，再關(guān)閉排氣閥，并開(kāi)啟工作電源。

氣壓控制系統(tǒng)，進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，由PID控制系統(tǒng)通過(guò)小口徑防爆進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥，對(duì)正壓柜氣壓值穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)控制，使其正壓值維持在設(shè)定值附近(Δp=200Pa)，從而使正壓柜處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。在特殊情況下，如正壓值不在其設(shè)定的范圍(100Pa≤Δp≤400Pa)，單片機(jī)通過(guò)設(shè)定的程序，對(duì)進(jìn)氣閥與排氣閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到正壓值在設(shè)定的范圍內(nèi)。

3.3 PID控制過(guò)程[3]

圖1 PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

比例-積分-微分(PID)控制器是常用的控制器，特點(diǎn)是大多數(shù)PID控制器是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)的，而且，當(dāng)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型不知道時(shí)， PID控制就顯得特別有用。

PID控制器的一般表達(dá)式：

由于本被控對(duì)象(正壓柜)的數(shù)學(xué)模型不知，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，確定相關(guān)參數(shù)(Kp，Ki，Kd)，實(shí)現(xiàn)PID控制。

3.4 正壓柜的控制部分

由進(jìn)氣閥控制，排氣閥控制，PID控制和電源控制等組成，都通過(guò)單片機(jī)運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)根據(jù)氣壓控制過(guò)程的要求，編制適當(dāng)?shù)牡目刂瞥绦?，按要求現(xiàn)實(shí)設(shè)定控制，從而，使正壓柜處穩(wěn)定正常的工作狀態(tài)。

4 單片機(jī)冗余控制過(guò)程[2-3]

4.1 單片機(jī)控制

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 主程序流程圖

圖3 PID控制

其中

set1=100Pa,set2=400Pa,set3=250Pa,set4=200Pa。

5倍換氣量的時(shí)間：t(為了確保換氣充分，必要時(shí)設(shè)定1.2t作為換氣時(shí)間)，程序運(yùn)行的基本過(guò)程與控制過(guò)程運(yùn)行相一致；達(dá)到正常工作狀態(tài)后，進(jìn)入PID控制運(yùn)行狀態(tài)。

PID程序運(yùn)行過(guò)程：對(duì)已進(jìn)入設(shè)定的狀態(tài)(100Pa

當(dāng)正壓值超過(guò)400Pa時(shí)，排氣閥開(kāi)啟，進(jìn)行排氣(PID控制的調(diào)節(jié)閥處于關(guān)閉狀態(tài))，直到正壓值小于400Pa為止；當(dāng)正壓值小于100Pa時(shí)，進(jìn)氣閥開(kāi)啟，進(jìn)行進(jìn)氣(PID控制的調(diào)節(jié)閥處于全開(kāi)狀態(tài))，并開(kāi)啟聲光報(bào)警，提醒值班工作人員，直到正壓值大于100Pa為止；如碰到正壓值持續(xù)下降，降到50Pa以下，則自動(dòng)切斷正壓柜主腔電源。

在單片機(jī)控制系統(tǒng)外，還設(shè)立人工操作系統(tǒng)(按鈕)，必要時(shí)，進(jìn)行特定操作，人工操作系統(tǒng)(按鈕)的優(yōu)先級(jí)高于單片機(jī)控制系統(tǒng)；一般人工操作按鈕主要是：進(jìn)氣開(kāi)啟與關(guān)閉按鈕，排氣開(kāi)啟與關(guān)閉按鈕，電源開(kāi)啟與關(guān)閉按鈕(這些按鈕是防爆的，安裝在正壓柜的副腔內(nèi))。

4.2 控制冗余設(shè)計(jì)(雙CPU并聯(lián)冗余控制)

CPU模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，一旦出現(xiàn)故障，整個(gè)控制系統(tǒng)就癱瘓，為此設(shè)計(jì)用兩個(gè)功能與結(jié)構(gòu)完全相同CPU模塊實(shí)現(xiàn)冗余控制，這樣就提高了核心控制系統(tǒng)的安全可靠性，又方便了調(diào)試與維修。冗余系統(tǒng)采用了兩套CPU處理器模塊，一個(gè)處理器模塊作為主處理器，另外一個(gè)作為從處理器。正常情況下，由主處理器執(zhí)行程序，控制I/O設(shè)備，從處理器不斷監(jiān)測(cè)主處理器狀態(tài)。如果主處理器出現(xiàn)故障，從處理器立即接管對(duì)I/O的控制，繼續(xù)執(zhí)行程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的冗余控制。

兩個(gè)CPU模塊的控制輸出端，分別與兩個(gè)三態(tài)邏輯電路門(mén)相連，兩個(gè)三態(tài)邏輯電路門(mén)輸出端并聯(lián)接入相應(yīng)的控制電路，兩個(gè)三態(tài)門(mén)的EN控制使能端，又分別與一個(gè)(或兩個(gè)，可以相互獨(dú)立)觸發(fā)器狀態(tài)輸出端相連，控制三態(tài)處于導(dǎo)通或高阻狀態(tài)，觸發(fā)器的控制端與CPU模塊故障輸出相連；當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)，其中一個(gè)主要的CPU模塊，控制運(yùn)行狀態(tài)，而當(dāng)主要的CPU模塊發(fā)生故障時(shí)，發(fā)出故障信號(hào)，通過(guò)觸發(fā)器，使其輸出狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而使原先處于導(dǎo)通狀態(tài)的三態(tài)門(mén)變成高阻狀態(tài)，先前處于高阻狀態(tài)的三態(tài)門(mén)處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而完成從主要的CPU模塊控制，切換成備用的CPU模塊進(jìn)行控制，使防爆正壓柜的控制系統(tǒng)處于連續(xù)穩(wěn)定的工作狀態(tài)(即生產(chǎn)不受影響)。同時(shí)，由原主要的CPU模塊控制的觸發(fā)器等電路，也切換到由備用的CPU模塊控制狀態(tài)。雙CPU模塊的冗余控制，是解決一個(gè)CPU模塊發(fā)生故障時(shí)，正壓柜控制系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行的有效方法。

5 結(jié)論

以上所述的正壓柜控制部件的設(shè)計(jì)，是根據(jù)一般性原則進(jìn)行的，其原理具有普遍通用性；而其實(shí)現(xiàn)方法，可由多種方式進(jìn)行：(1)控制部件也可由DSP，PLC等來(lái)完成；(2)雙機(jī)并聯(lián)冗余控制電路，也可由其他的連接方式與相應(yīng)的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，能實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的穩(wěn)，準(zhǔn)，快原則即可；(3)控制規(guī)律也可不同方式完成，如在知道被控對(duì)象確定參數(shù)情況下，可由狀態(tài)控制法，設(shè)計(jì)控制律，可使控制更為精準(zhǔn)。總之，正壓柜控制部件的設(shè)計(jì)，原則上，能使正壓柜達(dá)到正常有效運(yùn)行就可行。