探討氨氣探測與水噴霧聯動控制的合理性及可行性

趙燕萍 呂雙波 楊軒

摘 要：目前有關液氨泄漏事故的預警、事故處理中關鍵環節大多還未實現自動化控制。在這樣的處理方法中，人員需要穿戴防護服，并從控制室到達泄漏點。一方面是貽誤事故處理的時機;另一方面是現場極易發生中毒事故。本文基于掌握有毒氣體探測報警系統、水噴霧滅火系統以及火災自動報警控制系統等相關規范要求的前提下，探索對泄漏點周圍進行有毒氣體濃度自動檢測，基于PLC原理，應用有毒氣體濃度探測信號，與集中火災報警系統聯動，進行報警并聯鎖啟動水噴霧系統。

關鍵詞：氨;泄漏;水噴霧;火災自動報警;PLC;聯動

1 基于PLC控制原理，氨氣檢測與水噴霧聯動啟動方案的工藝流程介紹

雖然液氨在各類企業中應用較多，但目前有關液氨泄漏事故的預警、事故處理中關鍵環節大多還未實現自動化控制。常用的做法是通過在氨泄漏點附近設置氨有毒氣體檢測報警探頭，實現現場泄漏檢測和報警的功能，并將報警信號傳輸到DCS控制室和現場操作室，人員接到報警信號后，通過手動啟動消防栓、水炮或者自動噴水、水噴霧系統進行處理。在這樣的處理方法中，人員需要穿戴防護服，并從控制室到達泄漏點。一方面是貽誤事故處理的時機，造成影響范圍擴大;另一方面是現場的事故處理人員極易發生中毒事故。如能對現場的手動水噴霧裝置的控制系統進行改造，和氨有毒氣體檢測信號進行聯鎖，在自動控制的情況下，可以節省事故處理時間和降低傷亡。自動聯鎖控制的工藝介紹如下：

1.1 氨有毒氣體探測報警系統

利用PLC原理，進行氨有毒氣體探測報警的設計理念為：發生氨氣泄漏時，安裝在保護區域現場的氨有毒氣體探測器，利用氣敏傳感器原理，將探測到的氨氣的濃度參數轉變成電信號，經數據處理后，傳輸到氨有毒氣體報警控制器，控制器對接收到的氨有毒氣體濃度參數與設定值進行比對處理后，經判斷，如為一級濃度報警（100%OEL或5%IDLH）[6]，則顯示并記錄發出報警信號的部位、報警時間、報警濃度信息等，同時，驅動現場的聲光警報裝置，發出聲光警報。如為二級濃度報警（200%OEL或10%IDLH）[6]，且同區域同時有2個及以上相互獨立的報警信號外，則除了一級濃度報警情況下的控制外，氨有毒氣體探測報警控制器將報警信號傳輸到集中火災報警控制器。[7]。

1.2 水噴霧系統聯鎖啟動控制流程

氨球罐屬于室外場所，結合《水噴霧滅火系統技術規范的要求》，本文探討以電動啟動方式進行自啟的水噴霧系統。其控制過程為：

集中火災報警控制器結合接收到的報警信號，進行邏輯分析后，輸出電信號打開水噴霧系統雨淋閥前的電磁閥，電磁閥開啟后，雨淋閥出水側壓力開關遠程啟動水泵。水流經雨淋閥，充滿末端管道，經水霧噴頭噴出。[4]

1.3 聯鎖控制的工藝流程

聯鎖控制過程的關鍵點，是將氨有毒氣體探測報警系統中探測報警控制器的輸出信號進行調試，使之符合火災報警控制器對接收信號要求。氨有毒氣體探測器推薦使用的為紅外氣體探測器[2][4]。從原理上，其聯鎖控制過程可以實現。聯動啟動方案的工藝流程如下：

2 PLC聯鎖控制系統的構成

根據上文所述，聯動控制系統主要由2個子系統組成：（1）氨有毒氣體探測報警控制系統;（2）聯動開啟水噴霧的控制系統。

2.1 PLC聯鎖控制系統的基本組成

PLC聯鎖控制系統的基本組成如下：

2.2 PLC聯鎖控制系統的結構形式及PLC的機型選擇

PLC的硬件結構有整體式和模塊式，按照應用環境分，又可分為集中式和分布式。[1]根據適用范圍，氨有毒氣體探測報警系統和集中火災報警控制系統均選用整體集中式結構形式。

在機型選擇方面，生產PLC的廠家很多（國內外均有），可根據點數、容量、功能需求進行選擇。在本文論述的2個子系統中，PLC1選擇西門子S7-200系列。而需要聯動水噴霧啟動的集中火災報警系統，PLC2選擇西門子S7-300系列。

2.3 硬件構成

采用S7-200和S7-300系列PLC組成控制系統的硬件。

S7-200的CPU模板需要完成氨有毒氣體泄漏檢測數據的輸入、存儲、數據比較、報警、定位和人機界面交互功能，實現模式為自動模式。

S7-300的CPU模板需要接收S7-200的報警輸出信號和定位信號，并完成對相應位置的水噴霧滅火系統的控制功能，以及人機界面交互功能。實現模式有手動和自動模式。

手動模式下，操作人員需到達電磁閥處，旋轉電磁閥的手動操作機構，將電磁閥打開即可。此種操作模式只是水噴霧系統的一種手動模式，除了在電磁閥選型時，選用帶手動功能的電磁閥外，其他方面均不產生影響，不再分析。

自動模式下，S7-300的CPU模板完成信號處理和對水噴霧系統的控制。

CPU模板通過內部總線與輸入/輸出模塊箱實現通信。CPU接收報警信號，并將需要開啟的位置信息通過總線傳遞給輸出模塊箱，經變送后輸出，通電開啟電磁閥。并接收電磁閥、電磁閥后的壓力開關和水泵出口管上壓力開關的反饋信息，以判斷水噴霧吸收防護系統的執行情況。

2.4 程序設計

PLC的軟件包括系統軟件和應用軟件。采用整體式結構形式的PLC，在出廠時，對于不同的品牌、型號，生產廠家對系統軟件已經編制、打包。用戶只需要結合現場的控制目標，運用廠家提供的程序設計語言編制應用軟件即可，也可將自身的目標控制需求，由廠家編制應用軟件，進行安裝、調試后使用。

S7系列PLC可采用多種編程器，一般可分為簡易型和智能型。智能型編程器采用計算機進行編程操作，將專用的編程軟件裝入計算機內，可直接采用梯形圖語言編程，由廠家的安裝人員進行編寫、調試后可以投入使用。

3 結論

液氨作為一種危險化學品，是很多行業的生產原料，對其可能發生的泄漏和毒害事故進行預警和自動化防護，在目前主要依靠手動報警和事故處理的實際情況下，不失為一種有效的事故預防和處理措施的進步與提升。本文立足于PLC控制系統的原理，認為氨有毒氣體探測與水噴霧吸收防護自動化聯鎖控制系統的應用可以實現，而在實際應用中，企業需要實現的功能可能更復雜、具體，且該系統的核心——集中火災探測報警系統，作為企業全廠消防系統的控制中心，需要聯鎖控制更多的消防系統，因此，在進行全廠性設計和應用的時候，還需進行全局化考慮和設計。

參考文獻：

[1]周亞軍，張衛.電氣控制及PLC原理及應用.西安：西安電子科技大學出版社，2016.

[2]楊揚，陳亮.有毒氣體檢測報警系統的研究.科技風，2019.

[3]涂建煌，朱鵬.火災自動報警與消防聯動控制系統的主要電子設備探討.探索與觀察，2017.

[4]張曄.可燃有毒氣體檢測報警器安裝使用注意事項.中國計量，2015.

[5]中華人民共和國國家標準.水噴霧滅火系統技術規范（GB50219-2014）.

[6]中華人民共和國國家標準.石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測設計標準（GBT50493-2019）.

[7]中華人民共和國國家標準.火災自動報警系統設計規范（GB50116-2013）.

作者簡介：趙燕萍（1985—），女，漢族，河南鄭州人，本科，中級工程師，安全評價師。