基于虛擬儀器的可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

近年來(lái)，全國(guó)燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展迅猛，液化氣、天然氣等易燃、易爆、有毒氣體的種類(lèi)和應(yīng)用范圍都顯著增加，它們易流動(dòng)、易燃燒。在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸過(guò)程中，有毒、易爆氣體的泄漏是可能存在的，具體泄漏位置較難查詢(xún)，易造成重大火災(zāi)、爆炸、中毒事故，給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成損失。為了防患于未然，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置可燃、有毒氣體檢測(cè)報(bào)警器，及時(shí)檢測(cè)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，采取有力措施，防止事故的發(fā)生便顯得尤為重要。本系統(tǒng)采用目前流行的NI公司虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW作為軟件編程環(huán)境，研究基于LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃?xì)怏w的遠(yuǎn)程檢測(cè)、報(bào)警、輸出控制等功能，從而便捷、直觀(guān)、安全、快速地檢測(cè)和控制可燃?xì)怏w泄露現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

1系統(tǒng)功能及構(gòu)建思路

本設(shè)計(jì)為基于PC—DAQ的虛擬儀器系統(tǒng)。以L(fǎng)abVIEW8.6為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用具有USB接口的多功能數(shù)據(jù)采集卡LabJackU12及傳感器完成對(duì)工作場(chǎng)所多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣體信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理、濃度測(cè)量、控制信號(hào)輸出等功能。

選用繼電器、蜂鳴器等電氣元件來(lái)完成排風(fēng)扇、電磁閥對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的報(bào)警控制功能。利用在Web上發(fā)布HTML文件的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w的遠(yuǎn)程檢測(cè)，可以使用戶(hù)在本地或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上瀏覽并且操作LabVIEW程序面板，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程報(bào)警及自動(dòng)或人工控制。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，被控對(duì)象是揚(yáng)聲器、排風(fēng)扇和電磁閥。系統(tǒng)采用多個(gè)氣敏傳感器工作現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大、濾波后，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)，控制程序根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)的氣體濃度值與系統(tǒng)給定閾值作比較。若超出參考值，采集卡將輸出控制信號(hào)，并開(kāi)啟揚(yáng)聲器、指示燈進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)排風(fēng)扇，關(guān)閉電磁閥，進(jìn)行處理。

2.1傳感器

本系統(tǒng)中采用MC—112型傳感器，它是一種催化燃燒式傳感器。其工作原理是：氣敏材料在通電狀態(tài)下，可燃性氣體在催化劑作用下氧化燃燒，產(chǎn)生的熱量使電熱絲升溫，從而使其電阻值發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量鉑絲的電阻變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。此種傳感器在任何環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對(duì)爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測(cè)，具有輸出信號(hào)線(xiàn)性好，指數(shù)可靠，價(jià)格便宜，不會(huì)與其他非可燃性氣體發(fā)生交叉感染等特點(diǎn)。MC—112型傳感器普遍應(yīng)用于石油化工廠(chǎng)造船廠(chǎng)浴室、廚房等處的可燃?xì)怏w的監(jiān)測(cè)和報(bào)警。

2.2測(cè)量電路

測(cè)量電路主要由傳感器和信號(hào)調(diào)理電路組成，氣敏傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后通過(guò)采集卡的模擬通道輸入計(jì)算機(jī)，并由LabVIEW程序計(jì)算得到濃度測(cè)量值。調(diào)理電路的作用是把傳感器采集的溫濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),并將其放大，以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集卡A/D輸入端電氣參數(shù)要求。

本系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理采用雙恒流源法，其設(shè)計(jì)圖如圖2所示。根據(jù)氣敏傳感器的特性，其電阻值隨著濃度的變化而變化，在反饋放大器中設(shè)計(jì)了兩個(gè)相同的恒流源，其值用IS表示。其中R(T)是氣敏傳感器根據(jù)感知的所測(cè)濃度所變化的阻值，標(biāo)準(zhǔn)電阻RN=100Ω。根據(jù)采集濃度的不同，即電阻阻值的不同，轉(zhuǎn)換的電壓值也不同。

電磁閥電路組成，排風(fēng)電路部分采用380V/750W的循環(huán)風(fēng)機(jī),并應(yīng)用繼電器和交流接觸器對(duì)其進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)中選用的繼電器的型號(hào)是hrs1H—S—DC5V，繼電器線(xiàn)圈需要較大的電流才能使繼電器吸合，一般的集成電路不能提供這樣大的電流，因此必須進(jìn)行擴(kuò)流，即驅(qū)動(dòng)。采集卡把控制電壓輸出給控制三極管基極，繼電器線(xiàn)圈作為集電極負(fù)載而接到集電極和正電源之間。當(dāng)輸入為+FCc(5V)時(shí)，三極管飽和，繼電器線(xiàn)圈有相當(dāng)大的電流流過(guò)，則繼電器吸合(ON)，220V的交流電導(dǎo)通，此時(shí)交流接觸器的主觸點(diǎn)吸合，使380V的循環(huán)風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作，完成對(duì)循環(huán)風(fēng)機(jī)的開(kāi)啟控制。在此過(guò)程中，三極管有放大和開(kāi)關(guān)兩個(gè)作用。采集卡有輸出保持作用，當(dāng)希望系統(tǒng)停止工作時(shí)，采集卡輸出為0V，三極管截止，繼電器線(xiàn)圈無(wú)電流流過(guò)，則繼電器釋放(OFF)，220V交流電斷開(kāi)，交流接觸器的主觸點(diǎn)釋放，循環(huán)風(fēng)機(jī)停止工作。聲光報(bào)警和電磁閥電路都由采集卡U12的輸出控制端AO1完成，當(dāng)軟件將AO1置1，三極管VT1，VT3導(dǎo)通，報(bào)警燈點(diǎn)亮，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲,并且電磁閥關(guān)閉。

2.3數(shù)據(jù)采集卡選擇

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡是實(shí)現(xiàn)將檢測(cè)信號(hào)從模擬信號(hào)變成計(jì)算機(jī)能接收和處理的數(shù)字信號(hào)功能的硬件，其選用在整個(gè)硬件選用的過(guò)程中占據(jù)了重要位置。這是因?yàn)樗粌H關(guān)系到與其他硬件設(shè)備之間的性能匹配，而且還涉及到應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的難易程度以及應(yīng)用環(huán)境的具體要求。綜合考慮本系統(tǒng)待定參數(shù)的特征，以及數(shù)據(jù)采集板的可靠性、精度和性?xún)r(jià)比等因素，我們選擇了美國(guó)LabJACK公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集板LabJACKU12。它是一種可以與帶USB接口的計(jì)算機(jī)通訊的多功能模擬、數(shù)字和定時(shí)I/O數(shù)據(jù)通訊設(shè)備。

2.4控制電路

本系統(tǒng)的控制電路如圖3所示。整個(gè)電路由排風(fēng)電路和電磁閥電路組成，排風(fēng)電路部分采用380V/750W的循環(huán)風(fēng)機(jī)，并應(yīng)用繼電器和交流接觸器對(duì)其進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)中選用的繼電器的型號(hào)是hrs1H—S—DC5V，繼電器線(xiàn)圈需要較大的電流才能使繼電器吸合，一般的集成電路不能提供這樣大的電流，因此必須進(jìn)行擴(kuò)流，即驅(qū)動(dòng)。采集卡把控制電壓輸出給控制三極管基極，繼電器線(xiàn)圈作為集電極負(fù)載而接到集電極和正電源之間。當(dāng)輸入為+VCC(5V)時(shí)，三極管飽和，繼電器線(xiàn)圈有相當(dāng)大的電流流過(guò)，則繼電器吸合(ON)，220V的交流電導(dǎo)通，此時(shí)交流接觸器的主觸點(diǎn)吸合，使380V的循環(huán)風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作，完成對(duì)循環(huán)風(fēng)機(jī)的開(kāi)啟控制。在此過(guò)程中，三極管有放大和開(kāi)關(guān)兩個(gè)作用。采集卡有輸出保持作用，當(dāng)希望系統(tǒng)停止工作時(shí)，采集卡輸出為0V，三極管截止，繼電器線(xiàn)圈無(wú)電流流過(guò)，則繼電器釋放(OFF)，220V交流電斷開(kāi)，交流接觸器的主觸點(diǎn)釋放，循環(huán)風(fēng)機(jī)停止工作。聲光報(bào)警和電磁閥電路都由采集卡U12的輸出控制端AO1完成，當(dāng)軟件將AO1置1，三極管VT1，VT3導(dǎo)通，報(bào)警燈點(diǎn)亮，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，并且電磁閥關(guān)閉。

3軟件設(shè)計(jì)

可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控程序采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，將系統(tǒng)劃分成幾個(gè)相互獨(dú)立的功能模塊，各模塊內(nèi)部分別完成確定的任務(wù)，模塊之間相對(duì)獨(dú)立而又通過(guò)系統(tǒng)的框架協(xié)議相互聯(lián)系。為了使各模塊之間按照系統(tǒng)的框架協(xié)議協(xié)調(diào)動(dòng)作和相互通信，以及實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，設(shè)計(jì)了提供用戶(hù)接口的主控程序。在用戶(hù)通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤(pán)發(fā)出指令后，主控程序通過(guò)統(tǒng)一調(diào)度各功能模塊實(shí)現(xiàn)用戶(hù)意圖。

3.1系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的前面板分為顯示、操作和報(bào)警三個(gè)功能區(qū)域。

顯示包括數(shù)值顯示、波形顯示及表頭監(jiān)控顯示。數(shù)值顯示顯示傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)；波形顯示以曲線(xiàn)形式直觀(guān)地反映現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境濃度的變化；表頭監(jiān)控顯示用時(shí)間控件顯示當(dāng)前時(shí)間，水平滑動(dòng)條顯示當(dāng)前的環(huán)境濃度，指示燈顯示報(bào)警的具體情況并伴隨有BEEP聲音提醒。

用戶(hù)在操作區(qū)域完成測(cè)試和程序響應(yīng)用戶(hù)的操作，并完成參數(shù)保存、測(cè)控、查詢(xún)、生成報(bào)表和打印等功能。

報(bào)警區(qū)域的功能可對(duì)被測(cè)指標(biāo)與預(yù)先設(shè)定的極限值進(jìn)行比較，若超出極限值，系統(tǒng)報(bào)警。報(bào)警區(qū)域的設(shè)置為用戶(hù)提供了有效的監(jiān)測(cè)手段，可避免因設(shè)備故障而造成的損失。

為了讓前面板更加美觀(guān)以及對(duì)圖表控件初始化，程序使用大量的屬性節(jié)點(diǎn)對(duì)控件的顏色、可見(jiàn)性、閃爍、比例進(jìn)行設(shè)置。

3.2數(shù)據(jù)采集模塊

圖4所示是本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊的框圖程序。數(shù)據(jù)采集模塊用于完成對(duì)數(shù)據(jù)采集卡LabJackU12的驅(qū)動(dòng)以及各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，如通道設(shè)置、增益、讀寫(xiě)狀態(tài)等。實(shí)現(xiàn)方法是在LabVIEW界面下調(diào)用采集卡LabJackU12提供的AIsimple函數(shù)，通過(guò)采集卡AI0，AI1，AI2，AI3四個(gè)通道同時(shí)對(duì)四個(gè)不同采集點(diǎn)濃度信號(hào)進(jìn)行采集。之后連接解析簇函數(shù)unbundle函數(shù)解析出一維電壓值數(shù)組，再由索弓嗷組函數(shù)IndexArray給函數(shù)四個(gè)索引端口連接索引值，element參數(shù)輸出該索引值對(duì)應(yīng)的電壓值。最后四路電壓求平均，求出傳感器采集的現(xiàn)場(chǎng)四個(gè)點(diǎn)的電壓值，經(jīng)過(guò)換算得出現(xiàn)場(chǎng)濃度。

3.3系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制子程序?qū)蓚€(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)排風(fēng)扇和電磁閥、揚(yáng)聲器的相關(guān)電路輸入控制電壓，圖5所示是系統(tǒng)的控制子程序。

該系統(tǒng)調(diào)用了EAnalogout函數(shù)，此函數(shù)可以同時(shí)輸出兩個(gè)模擬通道電壓。分別在analogout0,analogout1端口連接排風(fēng)扇和電磁閥、揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，采集的濃度參數(shù)經(jīng)軟件程序處理后，在analogout0,analogout1輸出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)指令進(jìn)行相應(yīng)的操作。

3.4系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)現(xiàn)

LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)功能主要建立在DataSocket技術(shù)、Web服務(wù)器和TCP、UDP協(xié)議基礎(chǔ)上。本測(cè)控系統(tǒng)采用在Web上發(fā)布HTML文件的方法實(shí)現(xiàn)烤房的遠(yuǎn)程測(cè)控，也可以使本地或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)瀏覽并且操作LabVIEW程序面板，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

4結(jié)語(yǔ)

有安全才有發(fā)展，有安全才有效益。廠(chǎng)礦住宅可根據(jù)具體環(huán)境及需要的功能選擇合適的可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以確保人身與生產(chǎn)安全。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以應(yīng)用于實(shí)際，具有方便、快捷、直觀(guān)等特點(diǎn)，相信會(huì)給用戶(hù)耳目一新的感覺(jué)。