固定式氣體檢測報警儀遠(yuǎn)程智能診斷技術(shù)探析

王晨煜，江元媛，王俊超，李 正

（重慶氣礦，重慶 404300）

1 固定式氣體檢測儀應(yīng)用現(xiàn)狀及工作原理

工業(yè)經(jīng)濟(jì)的急速發(fā)展推動著社會的高質(zhì)量進(jìn)步，與此同時安全事故也給社會及人民的生命、財產(chǎn)、環(huán)境帶來嚴(yán)重危害。在石油化工、煤炭、冶金等多種行業(yè)中，爆炸、中毒等嚴(yán)重安全事故多數(shù)是因氣體泄漏引發(fā)的，氣體檢測作為有效的環(huán)境安全監(jiān)測手段，氣體檢測報警儀配備在高危工業(yè)行業(yè)中尤其重要，在石化產(chǎn)品生產(chǎn)現(xiàn)場隨處可見氣體檢測報警儀的身影。氣體檢測報警儀通常分為便攜式氣體檢測報警儀和固定式氣體檢測報警儀兩種，其中，便攜式氣體檢測報警儀可根據(jù)工作需求被工作人員隨身攜帶，固定式氣體檢測報警儀則多用于石化產(chǎn)品生產(chǎn)現(xiàn)場，用于對易燃易爆或有毒有害氣體的全天候監(jiān)控，通過聲光報警的方式提示高危場所的值班人員。

在石化生產(chǎn)過程中，需要進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測的環(huán)境氣體主要分為三類，分別是可燃?xì)怏w（易燃易爆）、有毒氣體及氧氣。各類固定式氣體檢測報警儀的主要工作原理大致相同，由電化學(xué)傳感器或光學(xué)傳感器將環(huán)境中含有的被測氣體組分轉(zhuǎn)換成電信號，利用電子部件和顯示屏幕以濃度單位顯示出來。

以可燃?xì)怏w檢測儀為例，當(dāng)空氣中含有的可燃?xì)怏w組分（如甲烷等）擴(kuò)散到氣體檢測儀的傳感器表面上，在傳感器表面催化劑作用下，會很快發(fā)生無焰燃燒反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量使傳感器的鉑絲電阻值變大，檢測橋路輸出一個差壓信號。這個電壓信號的大小與可燃?xì)怏w組分濃度成正比例關(guān)系，經(jīng)過電子部件放大后，通過電壓電流轉(zhuǎn)換并把可燃?xì)怏w爆炸下限值以內(nèi)的百分含量（%LEL）轉(zhuǎn)換成4～20mA 標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。

有毒氣體檢測儀是采用電化學(xué)傳感器，利用控制電位電解法原理，在電解池內(nèi)安裝了工作電極、對電極和參比電極等三種電極，并加入一定量的極化電壓。更換不同的電化學(xué)傳感器并改變極化電壓值，可檢測出各類不同有毒氣體組分。被測氣體透過薄膜到達(dá)工作電極，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，此時傳感器會有小股電值流輸出，電流值的大小與有毒氣體組分濃度成正比關(guān)系，該電流信號經(jīng)電路處理轉(zhuǎn)換成電壓，電壓信號經(jīng)放大器進(jìn)行電壓電流轉(zhuǎn)換，并將有毒氣體檢測范圍內(nèi)的含量（ppm 值）轉(zhuǎn)換成4～20mA 標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。

氧氣檢測儀則是利用伽伐尼原電池原理，在原電池內(nèi)裝置了陽極和陰極，分別為鉛和銀，采用薄膜與外環(huán)境隔開，空氣中的氧氣組分通過薄膜到達(dá)陰極，發(fā)生氧化還原反應(yīng)。傳感器將有個與氧氣濃度成正比關(guān)系的mV 級電壓輸出，電壓信號經(jīng)放大器進(jìn)行電壓電流轉(zhuǎn)換，并將氧氣的百分比（0～30%）以內(nèi)含量轉(zhuǎn)換成4～20mA 標(biāo)準(zhǔn)信號輸出[1]。

2 固定式氣體檢測儀常見故障分析及處理

固定式氣體檢測報警儀作為檢測石化生產(chǎn)場所中重點(diǎn)關(guān)注氣體含量的計量儀器，需保障其檢測結(jié)果的準(zhǔn)確可靠性，以便及時發(fā)現(xiàn)有毒或易燃?xì)怏w泄漏，有效預(yù)防人身傷害或爆炸事故的發(fā)生，因此開展氣體檢測報警儀的正確使用、日常維護(hù)及定期檢定非常重要。

2.1 日常使用注意事項

由于大部分氣體檢測報警儀采用電化學(xué)傳感器，電化學(xué)反應(yīng)受溫度、濕度影響較大，一般氣體檢測報警儀在溫度0℃～40℃、相對濕度小于等于85%的環(huán)境條件下進(jìn)行氣體監(jiān)控較為準(zhǔn)確可靠。盡管制造廠商在氣體檢測報警儀內(nèi)部均會采取一些溫、濕度補(bǔ)償措施，在極端環(huán)境條件下，其檢測結(jié)果的輸出響應(yīng)依然可能存在較大誤差，如傳感器內(nèi)部進(jìn)水或濕度過高，傳感器表面聚集水汽，硫化氫、二氧化碳等氣體易溶于水，縮小了目標(biāo)氣體進(jìn)入的通道，可能導(dǎo)致無法及時提示工作人員有毒氣體的泄漏[2]。

2.2 常見故障分析及處理

氣體檢測報警儀通常由探頭、控制器（DCS）及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成，探頭故障主要指傳感器、電路組件及信號感應(yīng)模塊等故障，會造成檢測儀探測無反應(yīng)、反應(yīng)慢、零點(diǎn)漂移和亂報警等故障現(xiàn)象?？刂破鞯闹饕饔檬墙o現(xiàn)場工作的檢測儀表部分供電、對探頭探測回傳的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)傳輸故障通常是由供電電壓不穩(wěn)、電流及信號傳輸線纜故障等原因引起的，可能導(dǎo)致現(xiàn)場儀表或控制器無顯示、控制器顯示故障等現(xiàn)象[3]。最常見的故障主要有以下幾種：

1.零點(diǎn)漂移。固定式氣體檢測儀常出現(xiàn)顯示值不為零，在零點(diǎn)上下正負(fù)一點(diǎn)點(diǎn)的現(xiàn)象。出現(xiàn)零點(diǎn)漂移時，首先應(yīng)檢查檢測儀周圍是否存在被測氣體或其他干擾氣體，隨后排查傳感器零點(diǎn)電壓是否偏高，通入標(biāo)準(zhǔn)零點(diǎn)氣體進(jìn)行校準(zhǔn)，使主機(jī)顯示為零。若無法調(diào)整零點(diǎn)，可能是內(nèi)部傳感器故障。若氣體檢測報警器受過高濃度被測氣體或干擾氣體、高溫氣體或有機(jī)溶劑等侵蝕，或者傳感器使用年限已超廠商給出的壽命預(yù)期，應(yīng)考慮更換傳感器。

2.示值誤差較大。氣體檢測儀傳感器使用時間越久、使用環(huán)境中被測氣體頻繁或是傳感器安裝在極端環(huán)境時，會出現(xiàn)傳感器線性衰減，示值誤差增大的現(xiàn)象。此類故障的處理需通入標(biāo)準(zhǔn)氣體按廠家說明書要求進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)整，如果通過標(biāo)定校準(zhǔn)，顯示值仍然達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度，說明傳感器已失效需更換。

3.反應(yīng)慢或無響應(yīng)。氣體檢測儀通入被測氣體后無響應(yīng)現(xiàn)象或反應(yīng)較慢，應(yīng)首先排查探頭是否堵塞，傳感器的進(jìn)氣通道受阻會導(dǎo)致氣體檢測儀靈敏度下降，反應(yīng)變慢。若非堵塞原因?qū)е?，清理堵塞傳感器組件透氣孔后故障現(xiàn)象未消除，則可能是內(nèi)部傳感器老化或失效，可更換傳感器判斷傳感器是否失效。

4.現(xiàn)場檢測儀顯示數(shù)值和控制器顯示數(shù)值不一致?，F(xiàn)場檢測儀或控制器上的顯示數(shù)值主要由傳感器輸出的4～20mA 電流值決定，若顯示數(shù)值不一致，首先應(yīng)檢測傳感器4～20mA 電流輸出是否正常，若電流正常，則檢查現(xiàn)場檢測儀的量程和控制器設(shè)置的量程是否一致。如果電流輸出正常、設(shè)置量程一致，則故障原因為數(shù)據(jù)信號傳輸故障。

3 遠(yuǎn)程智能診斷技術(shù)可行性分析

各個石化生產(chǎn)現(xiàn)場隨處可見固定式氣體檢測報警儀在運(yùn)行，傳統(tǒng)的固定式氣體檢測報警儀均為模擬量輸出的非智能儀表，因其成本較低且運(yùn)行穩(wěn)定，在往年的改造項目中被大規(guī)模運(yùn)用，是目前石化生產(chǎn)現(xiàn)場的主要儀表類型。但模擬量傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有限，測試維護(hù)需要到現(xiàn)場操作，數(shù)據(jù)監(jiān)控維度很小，且易發(fā)生信號漂移，傳統(tǒng)固定式氣體檢測報警儀的運(yùn)行維護(hù)及維修成本，每年需要耗費(fèi)各石化企業(yè)大量的人力和財力。隨著時代的發(fā)展，尤其是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的提出，部分石化生產(chǎn)現(xiàn)場選擇智能檢測儀表，但其成本較高，功能不一定能夠滿足所有現(xiàn)場所需，且需要更專業(yè)的人員對其進(jìn)行維護(hù)才能使其穩(wěn)定運(yùn)行。國內(nèi)目前僅存在傳統(tǒng)固定式氣體檢測報警儀和智能固定式氣體檢測報警儀兩類產(chǎn)品，沒有傳統(tǒng)固定式檢測儀向智能固定式檢測儀改造的中間產(chǎn)品，要實現(xiàn)石化生產(chǎn)場所數(shù)字儀表的轉(zhuǎn)型，僅能通過更換全套設(shè)備來完成。而石化企業(yè)需要控制成本完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型，如何通過對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行低成本改造就能達(dá)到數(shù)字化的要求，從而實現(xiàn)人員精簡，降低維護(hù)費(fèi)用，節(jié)約時間成本是目前行情迫切需要考慮的問題[4]。

結(jié)合現(xiàn)有固定式氣體儀的使用現(xiàn)狀及安裝條件，本文提出一種固定式氣體檢測報警儀數(shù)字化改造的思路：在不改動儀表的情況下，將固定式氣體檢測報警儀的輸出信號進(jìn)行數(shù)字化匹配，實現(xiàn)固定式氣體檢測報警儀從現(xiàn)場儀表到上控站位系統(tǒng)的全鏈路數(shù)據(jù)監(jiān)控。根據(jù)現(xiàn)有的安裝條件，數(shù)字信號的傳輸模式如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模式

但數(shù)字信號其實能夠傳遞更多的數(shù)據(jù)。在不影響目前已安裝設(shè)備的正常運(yùn)行情況下，研究開發(fā)一種固定式氣體檢測報警儀遠(yuǎn)程診斷模塊，運(yùn)用模擬信號分離技術(shù)，實現(xiàn)模擬儀表到數(shù)字儀表的轉(zhuǎn)變；通過模塊的智能切換I/O，實現(xiàn)固定式氣體檢測報警儀的在線校準(zhǔn)功能；開發(fā)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，使其實現(xiàn)多維度的數(shù)據(jù)監(jiān)控及智能診斷功能；整合現(xiàn)場儀表到上位控制系統(tǒng)的通訊技術(shù)，實現(xiàn)模電數(shù)電的高精度轉(zhuǎn)化及上下位的資源匹配；重定義數(shù)組實現(xiàn)自動查找并糾正固定式氣體檢測報警儀上位各個層級組態(tài)不一的功能。通過數(shù)字化改造的方式，可以實現(xiàn)固定式氣體檢測報警儀的遠(yuǎn)程自動診斷及數(shù)據(jù)自動校準(zhǔn)功能（如圖2 所示），從而更好地匹配未來生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，并能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,實現(xiàn)天然氣站場固定式報警儀的遠(yuǎn)程診斷和在線校準(zhǔn)[5]。

圖2 數(shù)字化改造后的數(shù)據(jù)傳輸模式

4 結(jié)語

在固定式氣體檢測報警儀上應(yīng)用遠(yuǎn)程智能診斷技術(shù)后，操作及管理人員無需到現(xiàn)場便能進(jìn)行故障判斷、儀表校準(zhǔn)等操作，可以提高工作質(zhì)量，節(jié)省人工成本。通過固定式氣體檢測報警儀在線診斷技術(shù)的應(yīng)用，能夠及時發(fā)現(xiàn)固定式氣體檢測報警儀存在的問題，并能通過遠(yuǎn)程及時解決部分問題，消除安全隱患，提升安防設(shè)備管理水平。