CN203915838U - 一种无线网络油气抑爆控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无线网络油气抑爆控制器，由上位机系统、下位机系统和给上位机系统、下位机系统供电的电源模块组组成，上位机系统通过无线连接下位机系统；本控制器利用火源传感器和烟雾传感器对油气田现场进行数据采集，利用nRF905无线模块实现油气田现场和控制室的数据传输，利用MCU作为控制处理单元，利用12864液晶作为抑爆控制器状态的显示输出，并辅以声光报警、风机调控等功能模块，是一种新型无线油气抑爆装置。本实用新型的有益效果是采用无线方式完成对系统的供电及通信功能，系统结构简单。

Description

一种无线网络油气抑爆控制器

技术领域

本实用新型属于油气抑爆控制设备技术领域，涉及一种无线网络油气抑爆控制器。

背景技术

随着经济的快速发展，工业生产规模不断扩大，对油气能源产品的需求也会越来越多，而石油化学工业的原料、多数中间体、产品的易燃易爆特性决定了石油化工生产易发生火灾、爆炸事故的固有特点，再加上物料在生产过程中多数位置温度超过其自燃点，泄露出来，就会自燃着火，高压生产使物料更加容易泄露，增加了危险性，任何地方疏忽，都可能酿成火灾爆炸事故。基于工业消防安全要求，我国有关厂家在吸收国外先进消防安全监控技术的基础上，通过开发研制和配套应用，形成了工业生产过程中专用的综合性消防安全监测系统，它们包括工业专用SL-M300消防安全网络化监测系统、SL-C300远程网络客户服务中心系统、SL-S200工业消防水喷雾灭火系统、SL-D500工业专用多级报警线型感温探测器。现代石油化工生产，由于采用了自动控制、信号报警、安全联锁和工业电视等一系列先进手段，在正常情况下安全生产是有保障的。

目前，中小型油气田的消防安全监测系统还不是很完善，大型的工业生产过程专用的综合性消防安全监测系统投资巨大，而且操作系 统复杂且功能单一，尤其是对事故的处理往往紧紧依靠在预防上，一旦预测报警没有到位，事故就无法阻止。本课题的研究着力从预报和抑制两个方面同时入手，阻止事故的发生和将事故消灭在发生初期，为抑制事故的发生提供了第二道防护技术手段。

针对油气泄露在工业生产现场可能出现的爆炸抑制技术的研究则显得格外重要。油气爆炸抑制技术一般分为阻隔爆技术、抑爆技术和泄爆技术三类，目前可燃油气抑爆技术已从被动泄压抑爆转向主动抑爆、阻爆技术。相对于泄爆、隔爆等安全措施而言，油气抑爆可避免爆炸冲击波对周围人员及建构物的破坏，也可减少有毒气体、未燃物、火焰等排放到大气中造成二次爆炸或污染，是一种更为安全、环保、有效的防爆方法。

传统设备通常是通过有线介质来完成对系统的供电及通信功能，而由于油气场所通常存在环境恶劣、布线不易以及危险性大等特点，如果能通过无人值守达到监测监控的目的就大大提高了操作人员的安全性。随着无线信息技术的发展，无线介质网络以低功耗、布网简单、易操作、成本低等特点，越来越多的融入到了生活的各个领域。本实用新型控制器是基于单片机的应用系统，根据任务设计要求，该控制器应用于以甲烷(CH4)为主的油气田。甲烷在传输管道里不与空气接触，也没有火源，故不会自动着火；但是一旦甲烷气体泄漏，达到甲烷的爆炸极限即浓度在5％～16％时，星火般的明火也会引发爆炸。为了避免爆炸事故的发生以及减少事故爆炸产生的损失，需要传感器实时对油气田场所进行探测，执行装置迅速动作。再者，整个 控制器要正常运行工作，而且本控制器所涉及的硬件电路均是直流供电，一个稳定的直流电源也不容忽视。此外，为了更好的实现控制器整体的效果，还设计了显示模块、报警模块。

实用新型内容

本实用新型的目的在提供一种无线网络油气抑爆控制器，解决了现有的网络油气抑爆控制器通过有线介质来完成对系统的供电及通信功能，系统布网复杂的问题。

本实用新型所采用的技术方案是由上位机系统、下位机系统和给上位机系统、下位机系统供电的电源模块组组成，上位机系统通过无线连接下位机系统；

所述上位机系统包括上位机MCU控制芯片，上位机MCU控制芯片分别连接火源检测传感器、气体传感器、一级风扇、二级风扇、上位机声音报警模块、上位机报警灯、AD转换模块、抑爆装置、上位机无线模块，所述电源模块组分别连接上位机MCU控制芯片、火源检测传感器、气体传感器、一级风扇、二级风扇、上位机声音报警模块、上位机报警灯、AD转换模块、抑爆装置和上位机无线模块，给上位机各模块供电；

所述下位机系统包括下位机MCU控制芯片，下位机MCU控制芯片分别连接下位机无线模块、液晶显示模块、独立按键模块、下位机声音报警模块和下位机报警灯，所述电源模块组分别连接下位机MCU控制芯片、下位机无线模块、液晶显示模块、独立按键模块、下位机声音报警模块和下位机报警灯，给下位机各模块供电。

进一步，所述电源模块组包括主电源，主电源的12V输出口分别连接12V转5V电源模块和备用电源，12V转5V电源模块的5V输出口连接5V转3.3V电源模块。

进一步，所述上位机MCU控制芯片和下位机MCU控制芯片型号为STC89C52RC单片机。

进一步，所述上位机无线模块和下位机无线模块型号为nRF905。

本实用新型的有益效果是采用无线方式完成对系统的供电及通信功能，系统结构简单。

附图说明

图1是本实用新型一种无线网络油气抑爆控制器结构示意图；

图2是本实用新型MCU最小系统电路原理图；

图3是本实用新型火源检测传感器电路原理图；

图4是本实用新型声音报警模块电路原理图；

图5是本实用新型报警灯电路原理图；

图6是本实用新型一级风扇电路原理图；

图7是本实用新型二级风扇电路原理图；

图8是本实用新型气体传感器电路原理图；

图9是本实用新型AD转换模块电路原理图；

图10是本实用新型无线模块电路连接原理图；

图11是本实用新型抑爆装置电路原理图；

图12是本实用新型主电源电路原理图；

图13是本实用新型12V转5V电源模块电路原理图；

图14是本实用新型备用电源电路原理图；

图15是本实用新型5V转3.3V电源模块电路原理图；

图16是本实用新型液晶显示模块电路原理图；

图17是本实用新型独立按键模块电路原理图；

图18是本实用新型下位机程序流程图；

图19是本实用新型上位机程序流程图；

图20是本实用新型无线数据发送流程图；

图21是本实用新型无线数据接收流程图；

图22是本实用新型液晶显示程序流程图。

图中，101.上位机MCU控制芯片，102.火源检测传感器，103.气体传感器，104.一级风扇，105.二级风扇，106.上位机声音报警模块，107.上位机报警灯，108.AD转换模块，109.抑爆装置，110.上位机无线模块，201.下位机MCU控制芯片，202.下位机无线模块，203.液晶显示模块，204.独立按键模块，205.下位机声音报警模块，206.下位机报警灯，301.主电源，302.12V转5V电源模块，303.备用电源，304.5V转3.3V电源模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型针对油气田易发生油气泄漏、火灾、爆炸等事故，设计了一种无线网络油气抑爆控制器。本控制器利用火源传感器和烟雾传感器对油气田现场进行数据采集，利用nRF905无线模块实现油气田现场和控制室的数据传输，利用MCU作为控制处理单元，利用 12864液晶作为抑爆控制器状态的显示输出，并辅以声光报警、风机调控等功能模块，是一种新型无线油气抑爆装置。通过实验，证明本控制器可以及时速度准确的进行危险事故的预测、消除和处理。对于保障和提高油气田场所的安全性有一定的借鉴价值。本系统可根据实际应用环境更换传感器，具有很好的通用性。

本实用新型一种无线网络油气抑爆控制器，其由上位机系统、下位机系统和给上位机系统、下位机系统供电的电源模块组组成；

如图1所示，所述上位机系统包括上位机MCU控制芯片101，上位机MCU控制芯片101分别连接火源检测传感器102、气体传感器103、一级风扇104、二级风扇105、上位机声音报警模块106、上位机报警灯107、AD转换模块108、抑爆装置109、上位机无线模块110，所述电源模块组分别连接上位机MCU控制芯片101、火源检测传感器102、气体传感器103、一级风扇104、二级风扇105、上位机声音报警模块106、上位机报警灯107、AD转换模块108、抑爆装置109和上位机无线模块110，给上位机各模块供电；

所述下位机系统包括下位机MCU控制芯片201，下位机MCU控制芯片201分别连接下位机无线模块202、液晶显示模块203、独立按键模块204、下位机声音报警模块205和下位机报警灯206，所述电源模块组分别连接下位机MCU控制芯片201、下位机无线模块202、液晶显示模块203、独立按键模块204、下位机声音报警模块205和下位机报警灯206，给下位机各模块供电。

所述电源模块组包括主电源301，主电源301的12V输出口分别 连接12V转5V电源模块302和备用电源303，12V转5V电源模块302的5V输出口连接5V转3.3V电源模块304。

本实用新型正常情况下为单电源供电，接通电源，液晶显示模块203初始化，显示各个模块正常状态，气体传感器103预热30S左右开始正常工作，若气体传感器103检测到气体浓度异常，上位机声音报警模块106和下位机声音报警模块205开始报警，上位机报警灯107和下位机报警灯206开始灯光报警，液晶显示模块203显示气体浓度异常，一级风扇104启动，若气体浓度过大，报警，以及液晶显示提示浓度过大，一级风扇104、二级风扇105均启动，直到气体浓度恢复正常时，各种警报信号才会消除。若火源检测传感器102检测到明火，抑爆装置109会直接动作，当浓度超标和明火同时出现时，由于使用了单片机的中断，按照终端的优先级，抑爆装置109优先快速动作，风机装置再执行动作。若市电发生突发事件，则系统会自动切换到与之相关联的备用电源303，使系统仍能继续工作。

各模块硬件电路：

上位机MCU控制芯片101和下位机MCU控制芯片201：以STC系列单片机为核心的最小控制系统。该方案的优点是：应用灵活，价格便宜，硬件结构简单，软件编程容易上手，空股指功能较多，适用性和通用性强。STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。本控制器采用STC89C52作为系统的MCU，其自带程序存储器，因此只需再接上 复位电路和时钟电路，同时将接高电平，ALE、信号不用，就构成MCU最小系统，MCU最小系统电路原理如图2所示。

本最小系统的特点是：

(1)受集成度所限，只能用于小型控制单元。

(2)大量的I/O口线可供使用。

(3)存储器的容量有限。

(4)适于在大批量生产的应用系统中使用。

火源检测传感器102：火焰是物质着火产生的灼热发光的气体部分，物质燃烧到发光阶段是物质的全然阶段，在这一阶段中，火焰热辐射含有大量的红外线和紫外线。利用紫外线传感器用于检测早期燃烧的明火，优点是反应速度极快，灵敏性好，适用于火灾起始阶段很短，火灾发展迅速的场合。利用火源传感器对燃烧时火源的热辐射以及火源的频率进行探测，可避免爆炸事故的进一步扩大，从而最大程度的保障人身和财产安全。火源检测传感器102输出为数字量，及高电平1和低电平0。正常情况下，传感器输出为低电平；当传感器检测到火源时，输出高电平。考虑本控制器为抑爆控制器，要求在检测到火源后能迅速的进行处理，结合单片机的外部中断0功能，实现抑爆控制器的迅速性。然而，中断有两种触发方式：下降沿触发和低电平触发。故，火源传感器模块电路采用如图3所示电路。在传感器的信号输出端接一个8050三极管，正常情况下，传感器无输出，三级换不导通，UV为高电平；当检测到火源时，传感器输出高电平，三极管导通，UV为低电平。火源检测传感器102电路原理如图3所示。

上位机声音报警模块106和下位机声音报警模块205：以蜂鸣器为核心，添加驱动电路，构成报警电路。该方案的优点是成本较低，硬件结构简单，控制方便。本控制器声光报警模块主要针对特殊紧急情况下的警示，采用蜂鸣器和发光二极管实现报警功能。声音报警模块电路原理如图4所示，当单片机相关引脚输出低电平时，蜂鸣器鸣叫，如图5所示为报警灯电路原理图，此时上位机报警灯107和下位机报警灯206的发光二极管点亮。

一级风扇104和二级风扇105：针对于油气田现场的甲烷浓度，本控制器设计风机调控模块。如图6所示为一级风扇104电路原理图，图7所示为二级风扇105电路原理图，当烟雾传感器采集的数据超过软件程序设定的阈值时，单片机FS1、FS2输出相应执行动作电平，若为低电平，则会执行风机启动，实现多级风机调控。

气体传感器103：本控制器致力于事故的预报和抑制，需要对现场甲烷气体浓度进行实时监测并显示。采用MQ-4，如图8所示为气体传感器103电路原理图，通过烟雾传感器模拟量输出段，得到模拟量，再进过A/D转换为数字量，再送进单片机进行数据处理以及实时数据显示。

AD转换模块108：A/D0809是8位逐次逼近型A/D转换器，由8路模拟开关、地址锁存译码器、A/D转换器和三态输出缓冲器组成。由于本控制器只采集一路模拟量，故直接将A、B、C引脚直接接地即选择IN0模拟输入通道，CLK引脚我们选择用软件定时器使I/O输出一个方波即可，这样就省去了硬件电路外接的分频器，OE为高电 平时允许转换好的数据输出，故直接接VCC，ALE在上升沿时进行地址锁存，START在上升沿时清零，在下降沿时开始进行数据转换，并且在转换期间START保持低电平，故将START和ALE连接在一起，可以在上升沿时地址进行锁存并且在下降沿时自动进行数据转换。将A/D转换后的8位数据输入到P0口，在单片机内进行数据处理。如图9所示为AD转换模块108电路原理图。

上位机无线模块110和下位机无线模块202：以nRF905进行无线传输介质。该方案的优点是：功耗低，体积小，传输距离远，障碍穿透性能强，通信稳定，抗干扰性强，多种低功率工作模式，节能设计更方便，成本低。nRF905是单片射频收发芯片，工作于ISM频段(433MHz)，芯片内置功率放大器、晶体振荡器、调制器和频率合成器等功能模块，通信频道与输出功率可通过软件编程进行设置。芯片能耗低，以10dBm的功率发射时，工作电流仅30mA，接收时工作电流只有12.5mA，多种工作模式，待机模式下电流仅为12.5μA，节能设计方便。其ShockBurst技术可在通讯时自动生成前导码和CRC校验位。nRF905适用于许多无线通信的场合，如无线数据传输系统、家庭自动化、报警及安全系统、无线门禁系统、遥感监测等。如图10所示为无线模块电路连接原理图。1引脚VCC接+3.3V电源，13引脚GUN、14引脚GUN接地，4引脚uCLK不接，其余引脚与单片机I/O口连接。

抑爆装置109：当本控制器系统检测到火源时，MCU控制抑爆装置迅速动作。抑爆装置需要大于500mA的电流进行驱动，进过实 验测试，一级放大难以满足要求，故采用二级放大，且为了使三极管Q8到同事电流最大，在Q7的集电极只接阻值为330Ω的电阻。如图11所示为抑爆装置109电路原理图，当火源检测传感器102输出为低电平时，系统响应中断，在POP端输出低电平，使抑爆装置在20mS内迅速执行动作，将事故损失降低到最小。

电源模块：以+12V蓄电池为电源，通过稳压电路，可得到+5V，从而可驱动单片机和各模块电路。该方案的优点是：投资较少，免维护，对温度等环境因素要求不高，输出电压较稳定。电源模块3中，主电源301电路原理图如图12、12V转5V电源模块302电路原理图如图13、备用电源303电路原理图如图14和5V转3.3V电源模块304电路原理图如图15。因为火源检测传感器102工作电压为7V以上，而本控制器所涉及到的其他模块元器件的工作电压为5V和3.3V，所以采用7805和AMS1117稳压芯片进行稳压。又考虑到本控制器对电源稳定性的要求，故本控制器主电源301采用220V经变压器降压到9V，再经整流滤波电路、7812稳压芯片稳压后得到12V电源、对控制器进行供电；备用电源303则采用+12V蓄电池，同时也经过整流7805和AMS1117稳压芯片稳压得到控制器所需电压。备用电源303继电器与主电源301电路进行联动，即继电器的常开端和主电源301连接，常闭端与备用电源303连接，从而达到主电源301和备用电源303的自动切换。

液晶显示模块203：采用LCD128642液晶模块构成显示电路。该方案的优点是硬件电路简单，可显示汉字及图形，内置8192个中 文汉字、128个字符及64X256点阵显示RAM。可与MCU直接接口，可以提供两种连接MCU方式：串行和并行连接方式。并且还具有其他功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。本控制器采用12864液晶并行方式显示输出。如图16所示液晶显示模块203电路原理图，VDD、BLK引脚接地，VCC、BLA引脚接+5V，RS、R/W、E引脚接单片机的控制线，D0-D7数据口与单片机P0口连接，PSB、RST引脚则本控制器的实际情况直接接+5V，进行硬件置高，减少单片机I/O的占用，以及软件程序的编写。

独立按键模块204：按键电路可分为独立式按键和矩阵式键盘。本控制器采用独立式按键。如图17所示，I/O口常态为高电位，按下按键时为低电位。结合软件编程，采用扫描法实现按键的识别。

软件程序设计：下位机程序流程图如图18所示，其主要职责在于采集气体传感器103和火源检测传感器102的信号，待信号采集完毕即发送信号至上位机，等待处理结果，收到上位机系统的处理信号后及执行相应动作。

上位机程序流程图如图19所示。其主要职责在于处理下位机系统发送的火源检测传感器102的信号，考虑单片机处理数据的顺序性和对爆炸事故的决定性首先处理火源信号，处理显示存在火源即存在爆炸的必然条件，需要及时报警显示并及时执行灭火动作，其次检测浓度信号，浓度一旦超标即存在爆炸的安全隐患，需要及时报警显示并执行风扇动作，稀释浓度。

nRF905无线数据传输在软件设计过程中也分为两部分：数据的 发送与数据的接受，在实际使用过程中此模块成对存在，此发彼收，彼发此收的全双工工作模式，故每个模块都需要具备收发两部分程序。如图20所示为无线数据发送流程图，图21为无线数据接收流程图。

本设计以LCD12864作为显示，液晶显示子程序流程图如图22所示。本次显示模块子为成品模块，只需要写入单片机显示程序。程序中首先对显示模块初始化，之后指定显示的起始位置，开始显示字符串，显示完毕后判断是否需要换行，如需要换行需要设置其行列号，最后判断是否显示完毕，完毕则回到屏幕左上角。

本实用新型的功能有：利用MQ-4催化式燃烧气敏元件的原理，进行可燃性气体浓度的探测，可早期发现潜在危险因素。利用火源传感器对燃烧时火源的热辐射以及火源的频率进行探测，可避免爆炸事故的进一步扩大，从而最大程度的保障人身和财产安全。不间断电源功能，整个控制器的电源由主电源和备用电源构成，能实现主、备用电源的自动切换、电源工作状态指示以及各模块的供电。抑爆功能，当检测到环境中存在明火时，抑爆装置迅速动作。声光报警功能，当MQ-4和火源传感器采集的信号数据超过单片机所设定的阈值，相应的指示灯就会点亮，同时报警器鸣叫报警。多级风机调速功能，通过MQ-4对环境气体浓度的检测，单片机的判断，控制风机的启动。液晶显示功能，当控制器正常运行工作时，液晶显示屏上将会显示控制器的运行状态信息和实时参数以及执行装置动作的状态。

本实用新型控制器无论在可靠性、安全性，还是所组成器件的特 征、实施的控制方法、工作方式、工作地点、体积、重量、设备调试等许多方面，是大型监测系统是所无法比拟的，而且由于单片机操作维护简单，减少了对操作人员专业知识的要求，有利于系统的推广。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施方式而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种无线网络油气抑爆控制器，其特征在于：由上位机系统、下位机系统和给上位机系统、下位机系统供电的电源模块组组成，上位机系统通过无线连接下位机系统；

所述上位机系统包括上位机MCU控制芯片(101)，上位机MCU控制芯片(101)分别连接火源检测传感器(102)、气体传感器(103)、一级风扇(104)、二级风扇(105)、上位机声音报警模块(106)、上位机报警灯(107)、AD转换模块(108)、抑爆装置(109)、上位机无线模块(110)，所述电源模块组分别连接上位机MCU控制芯片(101)、火源检测传感器(102)、气体传感器(103)、一级风扇(104)、二级风扇(105)、上位机声音报警模块(106)、上位机报警灯(107)、AD转换模块(108)、抑爆装置(109)和上位机无线模块(110)，给上位机各模块供电；

所述下位机系统包括下位机MCU控制芯片(201)，下位机MCU控制芯片(201)分别连接下位机无线模块(202)、液晶显示模块(203)、独立按键模块(204)、下位机声音报警模块(205)和下位机报警灯(206)，所述电源模块组分别连接下位机MCU控制芯片(201)、下位机无线模块(202)、液晶显示模块(203)、独立按键模块(204)、下位机声音报警模块(205)和下位机报警灯(206)，给下位机各模块供电。

2.按照权利要求1所述一种无线网络油气抑爆控制器，其特征在于：所述电源模块组包括主电源(301)，主电源(301)的12V输出口分别连接12V转5V电源模块(302)和备用电源(303)，12V转5V电源模块(302)的5V输出口连接5V转3.3V电源模块(304)。

3.按照权利要求1所述一种无线网络油气抑爆控制器，其特征在于：所述上位机MCU控制芯片(101)和下位机MCU控制芯片(201)型号为STC89C52RC单片机。

4.按照权利要求1所述一种无线网络油气抑爆控制器，其特征在于：所述上位机无线模块(110)和下位机无线模块(202)型号为nRF905。