電力隧道環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有毒氣體在線監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)及實(shí)施要點(diǎn)

陳曉勇

摘 要：電力隧道環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為保障電力隧道安全、可靠運(yùn)行的重要信息化、智能化系統(tǒng)，由若干個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。本文對(duì)有毒氣體在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)進(jìn)行解構(gòu)和分析，通過分析系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理等，以指導(dǎo)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)安裝實(shí)施提供參考。

關(guān)鍵詞：電力隧道;環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng);有毒氣體在線監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：U456.3;U459.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）31-0085-03

Integrated Monitoring System for Electric Tunnel Environment

Design and Implementation of Toxic Gas Online Monitoring

CHEN Xiaoyong

（Chongqing Yiwei Technology Co.， Ltd.，Chongqing 40000）

Abstract： As an important information and intelligent system to ensure the safe and reliable operation of power tunnel， the comprehensive monitoring system of power tunnel environment is composed of several subsystems. In this paper， the toxic gas on-line monitoring subsystem was deconstructed and analyzed， through the analysis of system composition， working principle， etc.， to guide the system scheme design， and provide a reference for system installation and implementation.

Keywords： power tunnel;environmental comprehensive monitoring system;toxic gas online monitoring

1 概述

電力隧道環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般由電纜本體測(cè)溫子系統(tǒng)，電子井蓋防盜報(bào)警子系統(tǒng)，視頻監(jiān)控子系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)、水泵、燈光聯(lián)動(dòng)控制子系統(tǒng)，有毒氣體監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，無(wú)線通信子系統(tǒng)，以及電纜本體的局部放電、環(huán)流監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)等組成。各個(gè)子系統(tǒng)既各自實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能，又為一個(gè)整體系統(tǒng)平臺(tái)服務(wù)，且各個(gè)子系統(tǒng)的功能互為補(bǔ)充。例如，電子井蓋防盜報(bào)警子系統(tǒng)和視頻監(jiān)控子系統(tǒng)互為聯(lián)動(dòng)補(bǔ)充，本文闡述的有毒氣體監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)控制子系統(tǒng)也互為聯(lián)動(dòng)補(bǔ)充。

電力隧道建設(shè)通常處于城市市政管網(wǎng)交叉密布中，往往和市政雨水、污水、排氣等相關(guān)通道互為交叉。受大雨影響，污水、雨水排入隧道集水井中沒有及時(shí)排出，可能導(dǎo)致隧道滲漏。腐質(zhì)在集水井中腐敗，產(chǎn)生甲烷、硫化氫等有毒氣體。由于隧道常年處于封閉狀態(tài)，因此，其可能會(huì)出現(xiàn)空氣中氧氣含量不足，一氧化碳超標(biāo)或甲烷、硫化氫等有毒氣體無(wú)法及時(shí)排出等情況。一旦有檢修人員或臨時(shí)施工人員進(jìn)入隧道，會(huì)導(dǎo)致重大安全事故。建設(shè)有毒氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)即是為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道空氣中有毒氣體含量，并聯(lián)動(dòng)排風(fēng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)將有毒氣體排除，輸入新風(fēng)，保障進(jìn)入隧道人員的人身安全。

2 系統(tǒng)構(gòu)架

電力隧道有毒氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為電力隧道環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)，主要由四部分構(gòu)成：前端氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分、數(shù)據(jù)分析處理部分和聯(lián)動(dòng)通風(fēng)部分。

系統(tǒng)工作原理即前端氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集部分實(shí)時(shí)采集信號(hào)，并將信號(hào)傳輸至管理中心服務(wù)器，服務(wù)器通過對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，做出是否啟動(dòng)通風(fēng)設(shè)備的決定，并發(fā)出指令啟動(dòng)通風(fēng)設(shè)備。

2.1 前端氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集部分

硫化氫是一種易燃的酸性氣體，無(wú)色，濃度較低時(shí)有臭雞蛋氣味，有劇毒。一氧化碳在一些工業(yè)可燃性場(chǎng)所時(shí)，會(huì)與氧氣混合，遇到火源會(huì)發(fā)生爆炸。在電力隧道這種相對(duì)封閉的環(huán)境中，當(dāng)一氧化碳達(dá)到一定濃度時(shí)，會(huì)有損人體健康，危害作業(yè)安全，為有毒、有害氣體。甲烷對(duì)人基本無(wú)毒，但濃度過高時(shí)，會(huì)使空氣中的氧含量明顯降低，使人窒息。

這三種氣體在封閉空間內(nèi)和氧氣混合，達(dá)到一定濃度時(shí)，易燃易爆。因此，這三種氣體濃度較高時(shí)，不但對(duì)人體有巨大的毒性傷害，還可能導(dǎo)致隧道發(fā)生可燃?xì)怏w爆炸，造成重大財(cái)產(chǎn)損失。

氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集部分由硫化氫氣體探測(cè)器、氧氣氣體探測(cè)器、一氧化碳?xì)怏w探測(cè)器、甲烷氣體探測(cè)器四種探測(cè)器組成。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸部分

系統(tǒng)的傳輸部分由三部分構(gòu)成：模擬量轉(zhuǎn)RS485信號(hào)、RS485轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通過光纖傳輸?shù)焦芾碇行摹?/p>

前端氣體監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)時(shí)輸出模擬量信號(hào)，并將信號(hào)輸入專用的模擬量接收模塊。模擬量接收模塊對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行編碼確認(rèn)，通過RS485總線方式傳輸?shù)?85轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模塊。

以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模塊將RS485信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將數(shù)據(jù)傳入中心機(jī)房綜合應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行數(shù)字處理。隧道通常較長(zhǎng)，因此，數(shù)字傳輸采用光纖加光設(shè)備的方式。

2.3 數(shù)據(jù)分析處理部分

數(shù)據(jù)分析處理分成兩部分：自動(dòng)控制部分和遠(yuǎn)程手動(dòng)控制部分。

自動(dòng)控制部分及綜合應(yīng)用服務(wù)器對(duì)傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)設(shè)立閾值，并通過邏輯編輯。當(dāng)個(gè)體氣體濃度超過閾值時(shí)，服務(wù)器系統(tǒng)自動(dòng)判定濃度超標(biāo)，并發(fā)出告警信號(hào)，且自動(dòng)下發(fā)啟動(dòng)通風(fēng)指令。

遠(yuǎn)程手動(dòng)控制模式則是綜合管理服務(wù)器系統(tǒng)通過設(shè)定的單色氣體閾值和實(shí)時(shí)采集氣體濃度對(duì)比，發(fā)生濃度超標(biāo)后發(fā)出告警信號(hào)，值班人員根據(jù)數(shù)值進(jìn)行判斷，通過控制軟件客戶端手動(dòng)控制下發(fā)啟動(dòng)通風(fēng)指令。

2.4 聯(lián)動(dòng)通風(fēng)部分

綜合管理服務(wù)器系統(tǒng)下發(fā)的指令為數(shù)字信號(hào)，通過交換設(shè)備傳輸至以太網(wǎng)轉(zhuǎn)485模塊，將數(shù)字指令轉(zhuǎn)換成RS485信號(hào)進(jìn)行傳輸。

風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)是通過弱電繼電器聯(lián)動(dòng)控制模塊控制風(fēng)機(jī)控制箱內(nèi)的交流接觸裝置，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

模擬量接收模塊實(shí)時(shí)采集交流接觸裝置狀態(tài)反饋信號(hào)，并通過控制軟件客戶端實(shí)時(shí)顯示風(fēng)機(jī)狀態(tài)，服務(wù)器發(fā)出指令后，風(fēng)機(jī)不會(huì)正常運(yùn)行，避免風(fēng)險(xiǎn)。

系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

3 設(shè)備選型

電力隧道內(nèi)的電磁環(huán)境較為復(fù)雜，因此氣體在線監(jiān)測(cè)傳感器本身采集的信息是否準(zhǔn)確決定了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。在選擇傳感器時(shí)，既需要考察其采集信息的準(zhǔn)確可靠性，還需要關(guān)注數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

對(duì)于氣體探測(cè)器的選型，本文建議采用固態(tài)金屬氧化物技術(shù)的氣體探測(cè)器[1]。其傳感器通常由金屬氧化錫構(gòu)成，通過改變電阻反映某種氣體的存在。該類型探測(cè)器具備的優(yōu)點(diǎn)符合電力隧道的工作環(huán)境：①該類型探測(cè)器的傳感器壽命長(zhǎng)，避免短時(shí)間頻繁更換傳感器;②氣體類型探測(cè)較廣、反應(yīng)速度快、具備實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的條件。

傳感器采集信息的輸出信號(hào)采用模擬信號(hào)輸出方式。所謂模擬信號(hào)是指用連續(xù)變化的物理量表示的信息，如溫度、濕度、壓力、長(zhǎng)度、電流、電壓等，其信號(hào)的幅度，或頻率，或相位隨時(shí)間作連續(xù)變化，或在一段連續(xù)的時(shí)間間隔內(nèi)，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值的信號(hào)[2]。傳感器采用4～20mA直流信號(hào)，在復(fù)雜電磁環(huán)境下具備較強(qiáng)的抗干擾能力，且保證較長(zhǎng)的傳輸距離。

硫化氫、一氧化碳、甲烷等為可燃?xì)怏w，因此氣體探測(cè)器的選型還需要考慮防爆等級(jí)。

模擬量接收模塊、繼電器聯(lián)動(dòng)控制模塊數(shù)據(jù)傳輸在電力隧道中的安裝位置處于一級(jí)匯聚點(diǎn)上，模擬量接收模塊距離傳感器或者風(fēng)機(jī)控制箱的距離較近，繼電器控制模塊可能就安裝于風(fēng)機(jī)控制箱內(nèi)交流接觸裝置旁。這類設(shè)備距離上一級(jí)匯聚點(diǎn)通常距離較遠(yuǎn)，且相對(duì)分散。因此，其和上一級(jí)數(shù)據(jù)通信傳輸，建議采用工業(yè)控制總線485方式。

典型的RS485工業(yè)總線傳輸具備以下特點(diǎn);完全符合隧道復(fù)雜電磁環(huán)境下的中短距離控制指令的傳輸;模擬量接收模塊、繼電器聯(lián)動(dòng)模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)指令不多，RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps，完全可以滿足其需求;RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性;RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為1 200m，符合隧道控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的特點(diǎn);既保證通信穩(wěn)定性，又考慮到系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

4 數(shù)字指令傳輸

數(shù)字指令傳輸指將模擬量接收模塊和繼電器聯(lián)動(dòng)模塊的模擬信號(hào)指令轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，主要為了解決隧道內(nèi)各個(gè)控制匯聚點(diǎn)到中心機(jī)房的通信問題。

電力隧道通常較長(zhǎng)，且一般設(shè)置一個(gè)中心控制機(jī)房位于隧道一端。隧道內(nèi)各個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)和中心控制機(jī)房之間的采集信號(hào)和發(fā)送指令都通過光纜傳輸。由于隧道內(nèi)匯聚節(jié)點(diǎn)較多，光纜接頭較多，為了保證通信鏈路的可靠性和穩(wěn)定性，建議各個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)的光交換設(shè)備采用環(huán)網(wǎng)交換設(shè)備，在一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的情況下，以保證隧道其他匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)正常通信使用。

5 綜合管理服務(wù)器

為保證電力系統(tǒng)內(nèi)的信息安全，綜合管理服務(wù)器要求采用LINIX操作系統(tǒng);由于氣體監(jiān)測(cè)傳感器輸出的為模擬量信號(hào)，綜合管理服務(wù)器系統(tǒng)需要對(duì)采集的模擬量信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次計(jì)算和調(diào)整，并準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地顯示出所監(jiān)測(cè)氣體的濃度值。

6 實(shí)施要點(diǎn)

實(shí)施要點(diǎn)即在項(xiàng)目實(shí)時(shí)過程中，除了項(xiàng)目構(gòu)建符合整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)架外，還需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，因地制宜，在調(diào)整設(shè)備安裝方式、安裝范圍的情況下保證系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。下面就系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的實(shí)施要點(diǎn)進(jìn)行分析。

6.1 前端設(shè)備的安裝位置

隧道中有毒氣體的產(chǎn)生和釋放主要來(lái)源在于隧道中設(shè)置的集水坑內(nèi)的殘留腐敗物，因此，有毒氣體監(jiān)測(cè)傳感器的安裝位置以靠近集水坑為最佳，可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集附近空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。若隧道內(nèi)兩個(gè)相鄰集水坑距離較遠(yuǎn)，則選擇在兩個(gè)相鄰集水坑中部低洼地段設(shè)置為宜。

6.2 前端設(shè)備的安裝高度

前端設(shè)備主要由氧氣、硫化氫、一氧化碳、甲烷四種探測(cè)器構(gòu)成，根據(jù)化學(xué)分子式得出四種氣體的分子質(zhì)量由大到小分別為硫化氫（34）、氧氣（32）、一氧化碳（28）、甲烷（16）。因此，在墻面上垂直安裝傳感器設(shè)備高度由高到低分別為甲烷、一氧化碳、氧氣、硫化氫。

空氣的分子質(zhì)量為29，硫化氫的密度比空氣大，所以，在安裝硫化氫探測(cè)器時(shí)，應(yīng)安裝在距離地面300～500mm，具體高度則要考慮電纜溝可能出現(xiàn)的因排水不及時(shí)導(dǎo)致傳感器被浸濕的情況。其他三個(gè)設(shè)備依次向上，且傳感器向下安裝。

由上文可知，傳感器模擬量選型通常采用4～20mA電流信號(hào)，通常采用3線制的方式，即直流供電正負(fù)極，信號(hào)輸出正極，電源負(fù)極與信號(hào)輸出負(fù)極共用的方式。要求采用防火阻燃屏蔽線，以增強(qiáng)信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力，建議傳感器采集信號(hào)距離模擬量采集模塊距離不大于100m，以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性。

7 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)電力隧道有毒氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理進(jìn)行分析介紹，并結(jié)合作者在相關(guān)工程實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)成文，以供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐毓龍，G.Heiland.金屬氧化物氣敏傳感器（V）[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，1996（4）：93-99.

[2]沈利榮，孫廣，宋楠.基于4～20mA電流環(huán)的井下供電與信號(hào)傳輸方案研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013（3）：96-98.