（系统分析与集成专业论文）可燃性气体报警系统的研究与开发.pdf

南京信息工程大学硕士学位论文 摘要 油库是石化供应链中重要的一个环节，油库系统的安全至关重要。 在油库日常的生产操作环节中不可避免的存在易燃易爆气体，若任由这 些气体在环境中积聚或泄漏，易造成爆炸、燃烧等恶性事故，因此必须 及时排除。目前，我国可燃性气体报警系统一方面以单片机开发报警器 居多，其精度、稳定性和扩展性不佳，难以适应信息化发展的要求；另 一方面，报警器多数以发出声光报警的方式提示操作人员进行排风操作， 自动化程度较低。随着自动化与信息化技术在石化行业的广泛推广和应 用，对可燃性气体报警系统提出了更高的要求。 本文基于某公司石化行业的可燃性气体报警系统项目，旨在提高报 警系统的信息化和自动化水平，以满足用户的需求。根据控制系统发展 状况与当前可燃性报警系统发展趋势，我们提出了相应开发方案，并结 合公司实际情况与要求，选择了以下位机硬件采集控制和上位机软件监 控的架构。在下位机系统中，通过p l c ( 可编程逻辑控制器) 来采集现 场模拟量信号，处理现场数字量信号。在r s 4 8 5 串行通信标准基础上采 用m o d b u s 通信协议实现p l c 与气体探测器通信读取数据，通过通讯 卡实现p l c 与p c 机的p r o f i b u s 通信，并通过对继电器的控制来控制 风机开关，以实现自动控制。在上位机器监视系统中，我们采用i f i x 组 态软件开发人机界面，生产实时状况，不仅直观形象，也方便操作人员 进行监控和记录查询等操作。 实践证明，本可燃性气体报警系统数据采集高效、准确，运行稳定， 降低了劳动强度，提高了工作效率，体现了信息化促进工业化的特点， 达到了预期设计效果。 关键词：可燃性气体报警，p l c ，m o d b u s ，组态软件 南京信息工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t o i ld e p o ti sa ni m p o r t a n ts t e pi nt h ep e t r o c h e m i c a li n d u s t r ys u p p l y c h a i n ，s ot h es e c u r i t yo ft h eo i ld e p o ts y s t e mi sv e r yi m p o r t a n t t h e i n f l a m m a b l eg a sa n de x p l o s i v eg a se x i s tu n a v o i d a b l yi nt h ed a i l yp r o d u c t i o n l i n ka n do p e r a t i o nl i n ko fo i ld e p o t t h eg a s a c c u m u l a t i o na n dl e a k i n gi n t h ee n v i r o n m e n tw i l le a s i l yc a u s em a l i g n a n ta c c i d e n t ss u c ha se x p l o s i o n ， c o m b u s t i o n ，e t c s ot h em u s tb ee l i m i n a t e di nt i m e a tp r e s e n t ，t h ef l a m m a b l e g a sa l a r m i n gs y s t e m s i nc h i n aa r ed e v e l o p e db ym c ub e e f s ，s ot h e i r a c c u r a c y , s t a b i l i t y , a n de x p a n s i b i l i t ya r en o tv e r yg o o d ，w h i c hi sd i f f i c u l tt o m e e tt h er e q u i r e m e n to ft h ed e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i z a t i o n a l s o ，m o s t o ft h ea n n u n c i a t o r so n l ya l a r mb ys e n d i n go u ts o u n da n dl i g h tt os u g g e s tt h e o p e r a t o rt ot a k et h eo p e r a t i o no fd i s c h a r g i n gt h eg a s ，t h ea u t o m a t i cd e g r e eo f w h i c hi sr e l a t i v e l yl o w w i t ht h ew i d e l yp o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no f a u t o m a t i o na n di n f o r m a t i z a t i o no nf o s s i l i z a t i o ni n d u s t r y , h i g h e rr e q u i r e m e n t s a r ep r o p o s e dt of l a m m a b l eg a sa l a r m i n gs y s t e m s t h i sp a p e rb a s e do nac e r t a i nc o m p a n y sp r o je c to ff l a m m a b l eg a s a l a r m i n gs y s t e mo nf o s s i l i z a t i o ni n d u s t r y , i ta i m st oi m p r o v et h ei n f o r m a t i o n a n da u t o m a t i o nl e v e lo ft h ea l a r m i n g s y s t e mi nc a s et om e e tt h eu s e r s r e q u i r e m e m s a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n ts t a t u so f c o n t r o ls y s t e ma n dt h e c u r r e n t d e v e l o p m e n tt r e n d o ff l a m m a b l eg a sa l a r m i n gs y s t e m s ，w e p r o p o s e dr e l e v a n te x p l o i t a t i o np l a n c o m b i n e d 、i t ht h ec o m p a n y sp r a c t i c a l s i t u a t i o na n dr e q u i r e m e n t s ，w ec h o o s et h es t r u c t u r et h a ti n f e r i o rh a r d w a r e s y s t e mc o l l e c ta n dc o n t r o l ，s u p e r i o rs o f t w a r es y s t e mm o n i t o r i nt h ei n f e r i o r h a r d w a r es y s t e m ，p l cc o l l e c t st h ef i e l da n a l o gs i g n a la n dp r o c e s s e st h ef i e l d d i g i t a ls i g n a l o nt h er s 4 8 5s e r i a lc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d ，w er e a l i z et h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n dg a sd e t e c t o rb yu s i n gm o d b u sp r o t o c o l ， r e a l i z et h ep r o f i b u sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n dp cb y c o m m u n i c a t i o nc a r d ，r e a l i z et h ea u t o m a t i cc o n t r o lt of a n sb yc o n t r o l l i n gt h e r e l a y i nt h es u p e r i o rs o f t w a r es y s t e m ，w eu s ei f i xc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et o d e v e l o pt h es y s t e mt os u p p o r tt h eg u e s t st o f i n do u tt h er e a l - t i m er u n n i n g i i 南京信息工程大学硕士学位论文 s i t u a t i o no ft h ef i e l di nt i m e ，w h i c hn o to n l yb ev i s u a lb u ta l s ob ec o n v e n i e n t f o rt h eo p e r a t o r s o p e r a t i o ns u c ha sm o n i t o r i n g ，r e c o r d i n g ，q u e r y i n ga n de t c a c t u a lu s e ss h o wt h a tf l a m m a b l eg a sa l a r m i n gs y s t e m sc a nc o l l e c t d a t ae f f i c i e n t l ya n da c c u r a t e l y , a n dr u n ss t e a d i l y i td e c r e a s e st h ew o r k i n g i n t e n t i o n ，i m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fw o r k ，a n dr e f l e c t s t h ef e a t u r et h a t i n f o r m a t i o np r o m o t e si n d u s t r i a l i z a t i o n 1 1 1 ep e r s p e c t i v ep u r p o s ei sc a r d e d o u t k e yw o r d s ：f l a m m a b l eg a sa l a r m i n g ；p l c ；m o d b u s ；c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e i i i 南京信息工程大学硕士学位论文 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发 表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。 作者签名： e l期：! 璺生! 丝 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书 馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 南京信息工程大学硕士学位论文 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 作者签名： 日 期：9 孓匆! 哆 导师签名： e l 期：c ! 墨：笸： ! 南京信息工程大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 近二十年以来，随着改革开放的逐渐深化，石油成品油作为一种重要的能源和 化工原料，走向了市场。各级油库在作业、经营、管理的各个层面上都越来越明显 地表现出了品种增加、交易密集、进出频繁、信息量大且错综复杂等特点。这种形 势，对油库的工艺条件、安全保障、关键设备的技术含量及可靠性、基于自动化和 信息化基础之上的监控管理手段等方面都提出了更高的标准、更新的要求。在市场 经济规则下，遵循和实现这些要求，无论是对于保障油库安全，提高作业效率，真实 而准确地掌握进、出、存信息，改进和提高油库内部管理水平；还是对于以标准条 件进行规范的石油经济贸易、维护石油商品流通中各环节间公平合理的经济利益、 确立良好的贸易信誉，均十分重要。 油库是石化供应链中重要的一环，它上与生产企业衔接、下与市场相连，在供 应链中起到承上启下的重要作用，油库系统的安全不容忽视，油库的生产运作不可 避免地存在着各种易燃易爆气体。这些气体一旦泄漏并积聚在周围环境中，将成为 燃烧、爆炸等恶性事故的隐患。为了防患于未然，需要采用性能可靠的可燃气体检 测报警监控装置对工艺装置或储运设施环境中的可燃气体浓度进行严密监测，以确 保安全生产。 可燃性气体报警系统是油库罐区自动化系统的重要组成部分，它与现场控制层 有机结合，共同实现对罐区的各种气体浓度的检测，对油库区的安全起到重要的保 障作用。因此在全国各大油田、油库、炼油厂等都得到广泛的应用。 1 2 国内外可燃气体报警系统概况 国外在上世纪3 0 年代已经开始开发气体传感器和相应的报警系统，加上人们 安全意识的增强，对环境安全性和生活舒适性的要求不断提高，气体传感器和可燃 性气体报警系统得到了较快的发展。日本在报警器方面起步较早，发展迅速，其 国内使用液化石油气的用户现在己达2 千多万户，同时家用燃气报警器开始推广。 目前，日本燃气报警器的研制、开发和销售发展迅速，可燃性气体报警器普及率很 南京信息工程大学硕士学位论文 高，现在已有9 9 1 的液化石油气用户装上报警器。 在我国，可燃气体的安全问题也越来越被人们所认识。许多生产厂家逐渐开发 生产了可燃气体探测器、报警控制器。在研究、分析国外同类产品的有关技术资料 的同时，我国制定了相应的国家标准。目前，国内石化行业的可燃性气体报警系统 主要有分布式结构报警系统和以单片机技术集成开发的报警器。其原理是在油田的 油气集输泵站中，外输泵房、计量泵房和压缩机房等场所安装可燃气体检测报警器， 在气体浓度达到报警限值时，报警器提示工作人员采取措施1 。但大部分报警器本 身只能以声光报警的方式提醒，部分油库工作人员是根据自己的判断开启油气集输 泵站室内安装的防爆轴流风机，以降低工作场所内积聚的可燃气体浓度。然而，轴 流风机的控制都是人为操作，具有很大的随意性，不利于及时排风坦1 。当前，只有 少部分油库的报警器集成了自动排风系统，且都是以单片机技术开发，虽然价格便 宜，但是稳定性和扩展性不够理想，满足不了用户的需求。 1 3 本文所做的主要工作 根据项目的相关背景和技术发展现状，在结合工程实践的基础上，本文作者和 公司的有关工作人员一起开发了本可燃性气体报警系统。本文作者参与了可燃性气 体报警系统的设计开发，主要做了以下几方面的工作： ( 1 ) 参与了系统的需求分析，并在此基础上参与了系统整体的设计工作。对系统 的功能需求进行了分析。 ( 2 ) 学习并研究了系统的主要硬件：探测器和p l c 的原理，并在系统开发过程中 学习了硬件选型方面的知识。 ( 3 ) 参与了s 7 3 0 0 p l c 系列的安装、组态、配置、连接、编程方法和调试手段， 并对p l c 输入输出点进行了合理的分配。完成了p l c 数据采集和处理数字 量信号、模拟量信号的程序。 ( 4 ) 对串行通信和现场总线技术进行了相关的研究，利用m o d b u s 通信协议实 现了p l c 对继电器的控制以及与可燃气体探测器的基于r s 4 8 5 的通信。 ( 5 ) 利用组态软件i f i x 开发出了系统上位监控软件。 ( 6 ) 安装调试了开发系统，测试了传感器元件、p l c 系统的硬件模块等设各的功 能；调试了系统的软件程序，包括下位机数据采集程序的调试和上位机监控 软件的调试。 一2 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章系统构架及设计选型 2 1 系统设计的原则 根据该石油分公司的要求和可燃性气体报警监控系统的特点，本系统设计需要 遵循以下原则： ( 1 ) 技术先进成熟：应用国内先进、成熟的技术，选择工程中广泛使用的主 流产品，其技术性能居同类产品的领先水平。在系统集成、设备选型和配置上充分 考虑各设备之间、各系统之间的合理搭配与连接关系、连接方式，力争系统集成最 优化。 ( 2 ) 安全可靠：本系统采用的设备、器材、部件均是经国际认证或我国有关 产品质量检测中心检测合格、具有准产证的产品。方案中对系统防爆、接地、防外 界电磁干扰等设计均符合国家有关标准、规范和要求。设备有足够的过载保护能力， 能保证系统能高效、可靠、安全、平稳地运行。 ( 3 ) 便于管理维护：所选设备、部件、电子元器件等都达到标准化、模块化， 便于管理维护。 ( 4 ) 冗余性：系统设计开放性原则是指在硬、软设备的互连上，系统升级、 扩充和更新上，应用目标和功能变化上，以及在其它外界环境变化上，要有较强的 适应能力。系统可根据需要进行扩展升级，在升级扩展时，保持系统总体布局保持 不变，只需增加接入相应设备，避免破坏原来的投资，加大升级成本。 ( 5 ) 可操作性：确保系统对用户的友好性、可操作性是指系统应尽量便于用 户的理解、学习、掌握和使用；人机界面友好，具有很强的在线帮助功能，提供图 形化的人机交互界面和实时地图操作和维护。 ( 6 ) 经济性：整个系统既要尽可能采用国内外最先进的产品，又要合理搭配， 减少冗余，降低成本。在满足系统需求的前提下，应尽可能选用价格便宜的设备， 以便节省投资，即选用性能价格比优的设备。 ( 7 ) 灵活性：系统的设计要采用模块化的结构，要求硬件配置灵活，软件组 态方便，易于系统扩展；支持多种工业标准及多厂商软硬平台，构成开放式系统。 ( 8 ) 标准性：结构的标准性，在进行系统结构和规划时，采用符合国际标准 的布局和结构，为系统集成和应用开发打下基础。 3 南京信息工程大学硕士学位论文 2 2 系统的需求分析 根据该石油分公司信息化建设规划的要求，试点油库可燃气体报警子系统主要 实现以下功能： ( 1 ) 可燃性气体浓度的实时监测 根据信息规划的要求，本系统应实现对可燃性气体的实时浓度进行监测，并采 集系统相关的动态实时数据以供观测。 ( 2 ) 报警值设定 对系统检测的相关气体的报警值进行设定，使气体浓度在开始报警到采取相关 措施的时间内被控制在最低爆炸限度以内。 ( 3 ) 排风控制 当监测测点发出报警信息后，上位软件可以自动开启对应点的风机进行排风。 ( 4 ) 远程监控 通过企业内部网实现对现场的监控。根据用户需要，可以通过w e b 发布实时 监控数据，使用户可以通过浏览器实现远程监控。 ( 5 ) 监测记录查询 在上位机上，可以查询历史上出现的报警的开始时间、恢复时间及油气浓度值， 同时可以按设定的查询条件进行查询；也可以以历史曲线图的方式显示单个或多个 参数的变化趋势，同时可以观察到各参数间的相互影响，为事故追溯和趋势分析提 供强有力的技术支持。 ( 6 ) 监测记录打印 根据企业的实际需要可以将报警记录按报表表格方式进行打印存档。 2 3 设计方案讨论 可燃气体报警系统在重点检测区域如泵房、发油平台等油气易聚集的地方安装 可燃气探测器，将测试信号通过现场总线接入系统，通过对区域内的可燃气体进行 监测，一旦超过报警值则，通过报警控制器报警，将报警信号传送到监控中心，系 统会自动将报警写入日志并要求填写处理情况。从而保障库区的安全生产。 根据目前可燃性气体报警系统的发展，我们对以下三种设计方案并进行分析比 较，从中选出最佳开发方案。 南京信息工程大学硕士学位论文 2 3 1 方案一 本方案提出设计一个可燃性气体报警控制器，其采用单片机作为控制芯片， 结合现场总线技术通过对监测的数据进行采集分析后进行相关监控的处理，从而将 系统的功能集成到一个报警控制器之中4 】【5 】【6 1 【7 】【8 】【9 1 0 工作人员通过该可燃性气体报 警控制器对现场实行监控。 其结构图如图2 1 所示。 图2 1 从图中我们可以看到，该可燃气体报警监控系统加入了联动排风控制系统， 由单片机根据采集到的现场信号对报警模块和排风模块进行控制，实现及时的报警 加联动排风，其控制电路原理如图2 2 所示。 图2 2 其原理为采用单片机为控制核心，外围电路有实时时钟芯片、e e p r o m 存储 器，可以用来保存定时启动轴流风机的时间表，使系统可以实现定时排风的功能。 显示驱动芯片可以直接驱动4 位数码管显示屏正常工作时数码管显示的时间时和 分。利用看门狗电路提供单片机复位信号和防电磁干扰措施；输入电路部分是取自 监测报警仪的一级继电器报警信号，经过4 路光电隔离器输入至单片机口，单片机 输出控制风机的信号经反相驱动器驱动直流继电器，控制接触器的线圈实现风机控 制。电路中可以采用语音芯片实现语音提示报警。 采用该方案设计可燃性气体报警监控系统可以实现以下功能： 可以对气体浓度进行监测，当浓度超限时报警，同时其输出的控制信号送 一 一 。弘至糕 南京信息工程大学硕士学位论文 至控制器，由控制器自动启动轴流风机排风，在浓度降低后排风机停止运行，能够 较好地实现报警器报警和自动控制排风的功能。 当报警信号输入到控制器后，控制器分辨是哪一个点报警，从而可以用语 音报警的方式说出报警的位置，具备语音报警功能。 采用联动排风控制系统可以及时排除工作场所内积聚的可燃气体，使安全 生产可以得到本质化的实现，有不错的经济效益和社会效益，推广应用的前景比较 好。 该方案可以满足报警系统的要求，监控功能强，且经济实用，但稳定性和扩 展性不佳，无法达到信息化管理的要求。 2 3 2 方案二 基于目前国内可燃性气体报警监控的现状，提出对油库安装可燃气体报警系统 的方案。本方案结构图如图2 3 所示： 数 据 应 用 痿 隘 控 层 现 场 仪 表 屡 _ 一 用户翔尸艟务器 i j j ， ，7 。jp ，? 中x 疑镪鳃 工作站蟊 i ，一一3 翻 打印机 甲一竺 圈眦 。法粤耪嫠糍 ll l 柱棚器n 胃燃性气体鞭警攘椭器 图2 3 在本方案中，系统有三层架构组成，分别为现场仪表层、监控层和数据应用层。 6 南京信息工程大学硕士学位论文 1 ) 现场仪表层： 采集现场的可燃气体浓度信号。包括可燃气体探测器和相关的连接设备。根据 要求，需要在现场安装若干智能型可燃气体探测器检测可燃气体的浓度，它们接受 2 4 v d c 供电，输出为4 2 0 m a ，现场l e d 浓度数字显示可选。其中，现场气体探测 器可以使用原有4 2 0 m a 输出的探测器。 2 ) 监控层： 根据公司的要求和试点油库的具体情况，采用的监控层的设备有气体报警控制 器、工作站过程监控计算机。气体报警控制器保留油库原有设备，新增信号分配器 和p l c 。工作站为过程监控计算机，在系统软件和组态软件的支持下，通过与气体 报警控制器的通讯，进行集中实时的数据采集处理、过程监控及报警管理，提供完 整的生成报告，根据已发生的状态建立历史档案，生成区域画面，直观地了解装置 区域内各监测点的浓度值及报警状态，及时地处理现场状况。 工作站将通过接口 与其他系统进行通讯和交换数据，系统配备必须的键盘、鼠标、打印机等外围设备。 3 ) 数据应用层： 根据客户的需要，定制数据应用层用户软件。如采用w e b 方式，用户可以通过 浏览器查看油库的可燃气体报警状况，实现了用户的远程监视的功能，以便用户及 时了解油库的情况，提高工作效率和降低劳动强度。 本方案充分考虑了公司的实际情况，其先期采用的探测器大部分采用的是4 2 0 m h 信号，因此在此基础上采用此系统架构进行开发不仅能实现报警提示的功能， 也是十分经济实用的。但是其也有明显的缺点，即：只能通过报警装置产生声光报 警来提示工作人员进行相关的排风操作，而工作人员从收到报警信息到进行实际操 作需要时间，这也为安全留下了隐患，因为一旦未及时操作而发生爆炸，将产生严 重的后果。如果通过降低报警设置值来保证工作人员排风操作的及时性，又势必会 增加系统不必要的报警次数，从而正常的工作，降低生产效率。 2 3 3 方案三 本方案在充分吸收了前面两种方案优点的基础上提出来的。在采用方案一的框 架的基础上，引入方案二的联动排风功能，对每个监测点进行检测的同时，可以通 过继电器控制对应点的风机开关，从而进行排风控制，实现自动控制排风的功能。 其结构如图2 4 。 一7 一 南京信息工程大学硕士学位论文 一 用户 用户躲务器 i 彩f f 移 。，一，一， 1 ： i _ 懒鋈i飞。 1举厂1。整羟悟母耪二二机 摄栩器l 风f0 】探测器! 风讥2豫删器n 风机n 图2 4 具体做法是系统在油罐区、泵棚、轻油发油台等易出现油气聚集的地方区域设 置可燃气体探测器。可燃气体探测器将所监控地点的油气浓度转换成标准信号 ( 4 2 0 m a ) ，经气体报警控制器对数据处理，若可燃气体浓度超过设定的安全范围， 则以声光报警及显示方式发出警报来提醒工作人员，同时可以开启对应的报警点的 风机进行排风，当气体浓度回到安全范围时，风机停止。 仪表层采用标准r s 一4 8 5 串口通信标准，m o d b u s 通信协议，p l c 与p c 机之间通 过通讯卡实现p r o f i b u s 通信，从而将底层数据传送到过程监控计算机，实时将油 气浓度显示在监视器上，对现场的监测点进行实时监控、报警查询、排风控制，使 管理人员能够方便、及时、准确地知道要监视的现场情况、进行历史报警查询以及 进行排风操作，而p l c 通过发送关断信号给继电器实现对风机的开关操作。 本方案的设计可以实现真正的报警排风自动化，开发该系统将使得工作效率得 到提高，劳动强度得到降低。 2 4 控制系统总结 我们对本系统采用的控制系统进行总结与比较，在此基础上分别讨论d c s 、 f c s 、s c a d a 系统，最终选出适合本系统的控制系统。 8 南京信息工程大学硕士学位论文 2 4 1d c s 控制系统 集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 将控制功能分散化、管理操作功能 高度集中化，吸收了模拟控制仪表的特点而发展起来的一种新型数字综合控制系 统。 d c s 分为三大部分，带i o 板的控制器、通讯网络和人机界面( h m i ) 。控 制器是d c s 的核心部件，它相当于一台p c 机。有的d c s 的控制器本身就是 p c 机。它主要有c p u 、r a m 、e 2 e p r o m 和r o m 等芯片，还有两个接口，一 个向下接收i o 总线来的信号，另一个接口是向上把信号送到网络上与人机界面 相连。控制器中安装有操作系统功能块、组态软件和通讯软件。 通讯网络把过程站和人机界面连成一个系统。通讯网络有几种不同的结构形 式。如总线形、环形和星形。总线形在逻辑上也是环形的。星形的只适用于小系统。 不论是环形还是总线形，一般都采用广播式。其它一些协议方式已用的较少。 集散控制系统以微型计算机作为过程控制工具，完成连续控制和顺序控制功 能。用上位计算机实行数据处理、监视、控制。采用c r t ( 操作站) 图像和操作 站为中心的人机联系装置实现集中显示和操作，用数据通信电缆将各设备联系起 来。概括地说，集散控制系统是将控制功能分散开来，构成一些以微型计算机为中 心的子系统，然后用上位计算机来管理( 监视、操作) 这些子系统。 d c s 采用标准化、模块化和系列化的设计，它具有以通讯网络为纽带的集中 显示的特点，而操作管理、控制相对分散，配置灵活、组态方便，同时是具有高可 靠性的实时系统n o 儿n 1 1 2 m 引。 2 4 2f c s 控制系统 现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 是基地式气动信号控制 系统、电动模拟信号控制系统、计算机集中式数字控制系统、集散控制系统d e s 之后的第五代控制系统。现场总线控制系统由具有信号的输入、输出、运算、控制、 自校验、自诊断等功能为一体的智能仪表，和能够进行现场级设备互连、全数字化、 双向、多站式通信网络为基本组成。f c s 以控制技术、智能仪表技术、计算机网络 技术以及数字通信技术为主要技术支撑，目前己成为世界范围内工业自动化领域广 为关注的热点，正越来越多地显现出其强大的生命力。 9 南京信息工程大学硕士学位论文 与d c s 相比，f c s 控制系统采用彻底的分散性结构，将d c s 控制系统中处于控 制室的控制站功能( 输入输出、运算、控制等) 化整为零，控制模块和各种输入输出 模块分散到各现场设备，分散在生产现场的设备本身就可完成传感测量、计算处理、 控制调节、自校验、自诊断等功能，在现场总线上构成分散的控制回路，可以灵活 组态，易于系统的扩建和维护【1 引，d c s 与f c s 的系统结构图如图2 5 和图2 6 所示。 同时，由于f c s 控制系统采用多变量、多点、多站的数字信号传输，相对于传统 d c s 系统采用的4 - 2 0 m a 信号，传输的精度更高，抗干扰性更强。此外，由于现场 总线控制采用的系统结构是有别于传统集散系统采用的一对一的多分支式结构，网 络拓扑类型有总线型、树型等，设备在一对双绞线上实现多挂接的系统结构，使得 系统的使用与维护更经济、更便捷。 现j 而酸器t 蚓舻执“) 图2 5 2 4 3s c a d a 控制系统 图2 6 声援场 捌等 s c a d a 系统( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ) ，即数据采集 与监视控制系统。s c a d a 系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系 统。它可以对现场的运行设备进行监视与控制，以实现数据采集、设备控制、测量、 参数调节以及各类信号报警等各项功能。s c a d a 系统主要是由p l c 和p c 机组成 的。p l c 由继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数字处理、顺序控制方面具 有一定优势，初期主要侧重于开关量顺序控制方面。随着8 位、1 6 位、3 2 位微 1 0 南京信息工程大学硕士学位论文 处理器的应用，使它在技术和功能上发生了飞跃，在初期逻辑运算功能的基础上增 加了数值运算、闭环调节、通信等功能，特别是通信功能的增强，实现了p l c 与 上位计算机之间连接成网络，构成上下位机的控制系统。 用s c a d a 控制系统时，p l c 承担了现场控制站的工作，p c 机承担操作站和 工程师站的工作。在安装有p l c 系统软件的p c 机上可以离线( 或在线) 编辑 p l c 的控制程序( 一般采用梯形图) ，控制程序下载到p l c 后，p l c 独立完成现 场数据的采集、逻辑控制、模拟控制等。而操作站的各种功能都可以通过“实时监 控软件”+ “p c 机”来实现，在安装有实时监控软件的p c 机上可以方便对生产 过程进行监控。 上位机p c 机的优势是计算、图像处理、操作的方便程度、数据管理，下位 机p l c 的优势是过程控制。把二者结合并充分发挥二者的优势，具有一定的实际 意义。另外，通过采用模块化结构设计组态软件又可方便地把二者结合构成完整可 靠的控制系统，系统软件采用成熟的组态软件开发，使系统的开发、调试以及对系 统功能的升级较为方便。另外生产数据的及时采集和开放性处理，能够完善生产管 理，便于组成企业管理系统。 2 4 4 控制系统小结 综上所述，我们可以看出：d c s 控制系统开放性好，系统功能强大，对于大 型控制系统具有绝对的优势；缺点是：各厂家的d c s 系统在网络协议方面各自不 同，因而不同厂家的系统之间基本上不能进行数据交换，此外，系统的各个组成部 分，如现场控制站、人机界面工作站、各类功能站及软件等都是各个d c s 厂家的 专有技术和产品，不同公司产品之间不能互换，不能互操作，对于用户来说，购买 成本、运行成本及维护成本都很高【15 】【1 6 】。因此，一般中型、小型系统很少采用。 f c s 系统是开放式系统，用户可以选择不同厂商、不同品牌的各种设备连入现 场总线，达到最佳的系统集成，实现信息处理现场化，数字智能现场装置的广泛采 用，使得控制器功能与重要性相对减弱，系统投资起点低。但是f c s 目前仍处于应 用研究阶段，仅通过的现场总线标准含八种类型，每个总线协议都有一套软件、硬 件支撑，要实现不同总线之间的相互兼容和操作是不可能的。另外，f c s 其可靠性、 稳定性等方面还需要，。泛验证。 s c a d a 控制系统的适用范围比较广泛，小到几十点大到上千点，系统构建非 南京信息工程大学硕士学位论文 常灵活。随着p l c 技术的发展，在工业生产过程中完全可以采用s c a d a 控制系 统来实现d c s 系统的控制功能。与d c s 系统相比，s c a d a 控制系统开发周期 短，投资成本低。在中小型控制系统中具有不可替代的优势，被广泛采用。 我们充分考虑系统开发的成本以及系统对稳定性和扩展性的要求，在本系统的 开发应优先选用s c a d a 控制系统。 2 5 系统设计的总结与选型 根据控制方式，我们可以把前面三个方案分为单片机控制和p l c 控制2 种方 式，这两种方式搭建的系统各自的特点总结如表2 1 所示： 表2 1 控制方式单片机进口p l c 可靠性一般很高 结构一路一个探头一台报警控制器控制所有探头 优缺点一路损坏不影响其它； 若报警器损坏则全部不能探 不利于系统扩展测； 标准工业总线输出； 模块化结构，方面接入控制系 统； 方便系统扩展 免费保修期 1 年 3 年以上 投资和控制的路数成正比关系，1 0与控制的路数关系不大，1 0 路 路以下价格占优以上价格占优 适用1 0 路以下，小型油库，没有统l o 路以上，大中型油库，有统 一的控制系统一的控制系统 从上表中我们可以看出，采用单片机控制的方式设计系统，其系统可靠性一 般，当一条监测电路损坏时对其它路没有影响，在1 0 路以下的系统开发中价格方 面有很大优势，适用于小型油库的监控。 采用进口p l c 控制方式设计的系统，其可靠性很好，高于前者，一个报警控 制器可以控制所有路，并且采用了标准工业总线输出和模块化的结构，十分方便接 入自动控制系统扩展系统，方便加入排风控制系统实现自动控制浓度。其保修期长 达3 年以上，可以很好的节约维修成本。在大中型油库监控的应用中，无论价格还 是系统设计上都较前者有优势。 结合公司的实际情况，我们决定在先期的试点油库采用方案三。方案三的系统 1 2 南京信息工程大学硕士学位论文 架构设计不仅能满足系统的功能需求，实现对可燃性气体实时浓度监测，监测记录 查询，排风自动控制和监测记录打印；同时与实际情况相结合，很好的节约了开发 成本和维护成本。 2 6 本系统的功能与特点 本可燃性气体报警监控系统在设计的过程中，以安全、可靠、实用和可扩展性 为原则进行设计的。因此使本系统具有先进性、完善性、灵活性等特点。 ( 1 ) 提高控制系统的精度 由于对油气浓度进行监测而进行报警，因此计量精度要求非常高。因为很小的 测量误差都会带来很大的容量误差。我们从系统软硬件两方面考虑，在硬件上选择 采用先进的国际知名工控产品；软件上尽量提高精度，使误差停留在允许的范围内 的基础上尽量达到最小。 ( 2 ) 易操作性 系统具有友好的人机界面，可以进行图形与数据双重显示，操作简单、方便。 工作人员只需经过短时间的培训，就能够熟练操作。 ( 3 ) 可靠性 可燃性气体报警监控系统需要测量、传输数据准确，运行稳定，出现故障要有 缓解措施，能够及时解救，快速恢复正常运行，在抗干扰性方面要有一定的措施， 保证系统可靠运行。 ( 4 ) 安全性 安全是生产头等重要的事情，所以本系统需要严格考虑系统的安全性。采用必 要的安全机制，选用达到防爆等级的设备，实现自动排风的功能，确保操作的及时 性，进而保证整个油库的安全。 2 7 本章小结 本章给定了系统的设计原则，对系统进行了需求分析，分析讨论了d c s 、f c s 、 s c a d a 控制系统模型的开发适用范围，在此基础上提出了三种系统设计方案，通过 分析比较，选用s c a d a 控制系统，进口p l c 控制的方案三。 一1 3 南京信息工程大学硕士学位论文 第三章系统的硬件开发与实现 3 1 可燃气体探测器的原理、选型及安装 3 1 1 探测器气敏元件的分类 ( 1 ) 从敏感原理上区分，气敏元件有烧结半导体型、催化燃烧型、热线型、热传 导型、电化学型、固体电解质型、红外原理等多种类别；从使用区域看，有家庭 商业、工业现场应用等。 烧结半导体型、热线型：通常应用于可燃性气体和有机蒸气气体探测，及氨、 硫化氢、氮氧化合物等毒性气体和二氧化碳、臭氧气体，如燃气泄漏报警器、抽油 烟机和空气清新机及工业生产、环保、汽车、家庭等一氧化碳泄漏检测报警，其特 点是灵敏度高，输出信号大、选择性良好，但输出信号非线性。 热传导型、催化燃烧：广泛应用于工业现场、采矿作业易燃易爆气体探测及高 性能家用燃气泄漏报警器，其特点是稳定可靠，在可燃气体量程v o l l e l 内，输出 线性信号；该类传感器的应用通常既好又简单，使用寿命长，相对红外气体传感器 经济。 接触燃烧法原理的传感器有以下几个优点：1 在0 100 量程范围内， 有较好的线性；2 测量精度较高，响应时间短，能满足工程需要；3 对环境温 度补偿容易；4 抗干扰能力较强，但为保证其正常工作，背景气体中必须含有9 以上的氧气。接触燃烧法的传感器检测原理是r3r4 信号输出基于可燃性气体 与催化元件接触产r1r2 发生燃烧，发出的热量与可燃性气体的电源输入度成正 比，使催化元件( r3 ) 的阻值发生变化。r3 是经过催化处理的检测元件，r4 是经过钝化处理的补偿元件，它们都安装在相同的环境中。当无可燃性气体与传感 器接触时，桥路平衡，无输出；当有可燃性气体与传感器接触时，可燃性气体就会 在检测元件上产生无焰燃烧，元件( r3 ) 的温度升高，阻值发生变化，桥路失去 平衡，输出与可燃性气体的浓度成正比的信号，送入二次仪表进行显示、报警。 红外方法：红外气体传感器由于价格昂贵，通常应用在要求较高的石化、电力、 暖通空调等工业现场作易燃易爆气体、二氧化碳气体探测。傅立叶变换型红外 ( f t i r ) 仪表是利用分光光度技术探测气体的。当红外光通过样气时被样气吸收， 1 4 南京信息工程大学硕士学位论文 该仪表通过分析其吸收光谱来决定它的组成。到目前为止，毫无疑问f t i r 在通常 的应用中是最精确的气体技术，它具有良好的灵敏度和极低的误报警。没有消耗备 件，因此后期维护费用远远低于其他技术。但是，由于价格昂贵，f t i r 通常被置 于中心位置并通过采样管与各个测量点相连；每个测量点的气样被依次泵吸过来。 因此在气体泄漏和探测之间存在着显著的时间滞后现象。另外，活泼气体( 像h f ， c 1 2 ，h c i ，和n h 3 ) 很容易被吸附到采样管上而导致探测仪表无法“看见”气体 泄漏。机械故障也是f t i r 仪表的一个问题一旋转光闸损耗或轧住了，泵坏了。 电化学：常用于氧、毒性气体探测，主要用于检测烟气、尾气、废气等环境污 染气体，如c o 、h 2 s 、n h 3 、s o x 、n o x 、c 1 2 、h c i 、h c n 、h 2 及其他化合物 蒸气，其特点是灵敏度高，选择性好，低浓度输出线性好，适用与低含量p p m 范 围。对于便携式的仪器，电化学型传感器有许多优点，它的能源消耗低，对气体的 响应快，不受湿度的影响。同时，传感器是周期的暴露在气体中，使传感器的寿命 最大化。因此，对于便携式的仪器，电化学型传感器是最好的选择。电化学型传感 器的寿命期望值为二年，然而，由于应用不当它的寿命可能更短。传感器更换的费 用是很高的，特别是当使用的数目很大时。目前我国这类气体传感器，主要依靠进 口。 我们对以上气敏元件进行一下小结，将其检测对象和特点进行分类总结，如 表3 1 所示： 从中我们可以看出可以用于可燃气体检测的主要有四种：红外线式、半导体 式、催化燃烧式，热导式。从检测对象上我们可以进一步细化：烧结半导体式可以 检测多种可燃气体；催化燃烧式可以检测可燃气体或蒸气：热导式检测的可燃气体 主要是检测其热导与空气差别较大的氢气等；红外线式检测的可燃气体根据其滤光 技术而定。 总结的说，在选用可