基于LiOH凈化密封艙空氣檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

史振宇，江偉斌

(1.海裝武漢局駐武漢地區(qū)第三軍事代表室，湖北 武漢 430000；2.海洋電磁探測(cè)與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430064；3.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

完全與大氣相互隔離形成的環(huán)境為密封空間[1],但一個(gè)完全封閉的空間,人員呼吸、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)等時(shí)刻產(chǎn)生CO2,因此必須配備高效的CO2吸收系統(tǒng)。CO2吸收系統(tǒng)不僅可以保障人員的生命安全,還可以提高隱蔽性和作戰(zhàn)效能。從艙室內(nèi)CO2凈化效果來(lái)看,LiOH吸收技術(shù)能夠?qū)ε撌覂?nèi)CO2濃度進(jìn)行較好的控制。目前我國(guó)密閉艙室用LiOH吸收罐內(nèi)的產(chǎn)品是采用傳統(tǒng)成型工藝將LiOH原材料固化后經(jīng)機(jī)械加工成大小不規(guī)則的顆粒狀填充至濾罐內(nèi),工藝簡(jiǎn)單,該顆粒狀LiOH強(qiáng)度低,移動(dòng)過(guò)程中隨時(shí)易破碎成粉末,使用時(shí)LiOH粉塵隨風(fēng)道逸出嚴(yán)重。為此,本文基于PLC設(shè)計(jì)了空氣檢測(cè)系統(tǒng),能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)CO2凈化效果,具有生產(chǎn)效率高、故障率低的特點(diǎn),且可實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的可視化和模塊化[2]。

1 密封艙凈化工藝流程

首先建立密閉環(huán)境模擬性能密封艙,采用多孔LiOH吸收劑,在保持CO2高吸收率條件下產(chǎn)生低的LiOH粉塵率[3]。與傳統(tǒng)的LiOH原材料固化工藝相比,多孔LiOH吸收劑產(chǎn)生的粉塵大大減少,但仍然不可避免,因此設(shè)計(jì)粉塵傳感器對(duì)其加以檢測(cè)。

在模擬密封艙安裝CO2氣瓶,模擬人以25 L/h的平均呼吸速率排放CO2,將PM粉塵濃度傳感器與CO2濃度傳感器同時(shí)布置在密封艙上、下兩端,密封艙的起始CO2濃度(體積分?jǐn)?shù))為0.03%。系統(tǒng)開(kāi)啟后風(fēng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn),濃度傳感器監(jiān)測(cè)CO2的濃度,溫度傳感器檢測(cè)溫度的變化。將信號(hào)反饋給控制臺(tái)進(jìn)行計(jì)算,使密封艙CO2濃度(體積分?jǐn)?shù))保持在0.6%～0.8%,濕度保持在30%～60%,溫度保持在25 ℃～32 ℃,采用壓力表時(shí)刻檢測(cè)密封艙室的壓力。

2 密封艙空氣檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件要求

為了滿(mǎn)足密封艙的反應(yīng)環(huán)境與過(guò)程檢測(cè)控制要求,用西門(mén)子的200SMART作為系統(tǒng)的控制核心設(shè)計(jì)了一個(gè)密封艙空氣檢測(cè)系統(tǒng)。由S7-200SMART CPU提供一個(gè)以太網(wǎng)端口和一個(gè)RS485端口(端口0),標(biāo)準(zhǔn)型CPU額外支持SBCM01信號(hào)板(端口1),信號(hào)板可通過(guò)STEP7-Micro/WIN SMART軟件組態(tài)為RS232通信端口或RS485通信端口,200SMART系列PLC能夠滿(mǎn)足本項(xiàng)目的完整功能要求。除控制模塊外,系統(tǒng)中還包括傳感器、風(fēng)機(jī)等,其組成如圖1所示。

圖1 密封艙空氣檢測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

2.2 PLC軟件檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

基于西門(mén)子PLC強(qiáng)大的功能,將全部控制功能分為幾個(gè)符合工藝控制規(guī)律的子功能塊。子程序執(zhí)行完畢自動(dòng)返回,具有更好的組織程序結(jié)構(gòu),便于調(diào)試和閱讀[4]。在此項(xiàng)目中,將凈化檢測(cè)項(xiàng)目分解為L(zhǎng)iOH的反應(yīng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)輸出、粉塵傳感器檢測(cè)、流量控制器檢測(cè)和風(fēng)機(jī)控制五個(gè)功能塊。主程序梯形圖如圖2所示,給定一個(gè)虛擬地址SM0.0對(duì)應(yīng)的是設(shè)備的啟動(dòng)按鈕,當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕設(shè)備開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 主程序梯形圖

LiOH的反應(yīng)控制是此實(shí)驗(yàn)的核心部分,在反應(yīng)時(shí),控制臺(tái)采集溫度、濕度傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)[5]。在STEP7-MicroWIN SMART中添加S_ITR指令塊,LiOH實(shí)驗(yàn)條件輸入指令如圖3所示,溫度、濕度數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的工程值在觸摸屏上顯示。

圖3 LiOH實(shí)驗(yàn)條件輸入指令

由于使用LiOH無(wú)法避免粉塵外溢,因此需要監(jiān)測(cè)密閉空間內(nèi)的粉塵濃度,PM2.5達(dá)到0.018 mg/m3,PM10達(dá)到0.023 mg/m3,滿(mǎn)足其中一個(gè)粉塵濃度條件PLC就會(huì)發(fā)出警報(bào)。

傳感器的讀取和寫(xiě)入可以通過(guò)以下方式進(jìn)行:粉塵濃度傳感器的模擬輸出可以直接連接到PLC模擬輸入接口,讀取粉塵濃度信息。PLC模擬輸出需要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,因此需要匹配適當(dāng)?shù)妮斎敕秶头直媛?需要注意的是,不同型號(hào)的粉塵傳感器可能具有不同的讀寫(xiě)方式和通訊協(xié)議。本系統(tǒng)中采用的粉塵傳感器的讀取與寫(xiě)入梯形圖如圖4、圖5所示。

圖4 粉塵濃度傳感器讀取梯形圖

圖5 粉塵濃度傳感器寫(xiě)入梯形圖

密封艙的空氣混合氣體主要是CO2與N2,因此,需要對(duì)這兩種氣體的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。首先對(duì)CO2與N2的濃度讀取程序進(jìn)行復(fù)位操作,然后用N2與CO2流量計(jì)讀取瞬時(shí)流量并且與控制臺(tái)PLC進(jìn)行通訊,PLC將數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示屏上。N2與CO2的瞬時(shí)流量讀取指令分別如圖6、圖7所示。

圖6 N2瞬時(shí)流量讀取指令

圖7 CO2瞬時(shí)流量讀取指令

控制風(fēng)機(jī)向LiOH輸送CO2使其與之充分反應(yīng),使用PLC來(lái)控制風(fēng)機(jī)的啟停、故障報(bào)警等功能[6]。首先將風(fēng)機(jī)接入電源輸入端口,并將風(fēng)機(jī)的控制信號(hào)接入PLC的數(shù)字輸入端口;然后在PLC的編程軟件中編寫(xiě)邏輯代碼來(lái)控制風(fēng)機(jī)的啟停。在編寫(xiě)邏輯代碼時(shí),應(yīng)考慮安全因素。例如,在啟動(dòng)風(fēng)機(jī)之前,需要檢查風(fēng)機(jī)的狀態(tài),確保它沒(méi)有故障或危險(xiǎn)。

3 密封艙監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

密封艙檢測(cè)控制系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)顯示在威綸通觸摸屏上,通過(guò)威綸通的UtilityManager實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的界面搭建,上位機(jī)監(jiān)控界面如圖8所示。

圖8 上位機(jī)監(jiān)控界面

上位機(jī)界面主要包括密封艙的實(shí)時(shí)溫度顯示、按鈕操作、設(shè)定窗口和累計(jì)流量控制等,以及機(jī)器工作前的數(shù)據(jù)預(yù)設(shè),還有運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)采集的CO2、N2濃度和瞬時(shí)流量、PM2.5粉塵濃度等的顯示。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套基于PLC的密封艙空氣檢測(cè)系統(tǒng),介紹了該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,使用PLC控制檢測(cè)密封空間內(nèi)CO2的濃度。在吸附CO2上運(yùn)用了多孔LiOH吸收劑,在保持CO2高吸收率條件下獲得低LiOH粉塵率。使用PLC控制檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè),并且可以在檢測(cè)到高濃度CO2時(shí)立即觸發(fā)報(bào)警或采取其他安全措施,從而提高了檢測(cè)效率。