基于CAN和RS485总线工业用可燃性气体报警系统.docx
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基于CAN和RS485总线工业用可燃性气体报警系统
摘要
在炼油厂、加油站、化工厂等对可燃性气体浓度要求很高的场所,需要一款能准确检测可燃性气体浓度并报警的可燃性气体报警系统。
本文首先对课题的来源和背景作了简单的介绍,并且分析了气体报警系统设计的目的和意义。
其次对气体报警系统的工作原理、功能要求作了概述,并依据设计要求对气体报警系统进行了总体设计。
系统采用CAN总线与RS485总线相结合的两级通讯网络,主控制器、CAN/485转换器、气体探测器和控制模块相结合的三层结构模式。
气体探测器和控制模块相结合的最下层网络,利用气体传感器对各个区域的气体浓度进行检测并进行数据处理,通过CAN/485转换器传送到主控器,实现终端显示,报警,打印等功能。
同时根据信号分析得到结论,对报警系统的可靠性进行了具体设计。
硬件方面,首先采用了一些性能优良的新型器件对各种防干扰电路进行了设计,并考虑了电路的电磁兼容,比如各种滤波电路、隔离电路和防雷电路等;然后对控制器机箱外壳和通讯线路等进行了设计。
软件设计中主要采用了数字滤波以及干扰避开法等防干扰措施。
关键词:
气体报警系统;电磁兼容;CAN/485;可靠性
Abstract
It’sdemandinginmanyplaces,suchasoilrefinery,fillingstationandchemicalplant,soasystemwhichcantestthecombustiblegasisnecessary.
First,itintroducesthesourceandbackgroundinthethesisandanalysisthepurposeofthesystem.Thenworkingprincipleandfunctionalrequirementsarepresented,andoveralldesigniscompletedbasedongasalarmsystem.It’susedCANbusandRS485bus,structuremodelhasthreelayerswhichincludescontroller,CAN/485convert,gasdetectorandcontrolmodule.Thebottomaregasdetectorandcontrolmodule.GassensorsareusedtotestthegasandthenthedatawillbedeliveredtothecontrollerthroughtheCAN/485.Terminalcancompletethedisplay,alarm,printandotherfunctions.
Alarmsystemisdesignedbasedontheconclusionwhichisgotfromthesignalanalysis.Somenewdevicesareusedinthesystemtoreduceinterference.GiventheEMCofcircuit,suchasfiltercircuit,isolationcircuitandprotectioncircuit,chassisshellandcommunicationlinesaredesigned.Thesoftwaredesignmainlyadoptsdigitalfiltering,interferenceavoidingmethodandantiinterferencemeasures.
Keywords:
Combustiblegasalarm;ElectromagneticCompatibility,;CAN/485;eliability
目录
第1章绪论1
1.1论文研究来源、目的和意义1
1.2可燃性气体报警器的国内外现状2
1.3本设计主要任务2
第2章可燃性气体检测报警系统的方案设计4
2.1方案论证4
2.2系统工作原理4
2.3系统功能要求4
2.4气体传感器的选型5
2.4.1气体传感器介绍6
2.4.2可燃性气体传感器的选定7
2.5探测器设计10
2.6系统总体设计11
2.7CAN的通信模型11
2.7.1数据链路层11
2.7.2物理层12
第3章可燃性气体报警系统的硬件设计13
3.1探测器和控制模块13
3.1.1单片机的选择13
3.1.2信号采集及前置放大电路14
3.1.3声光报警电路16
3.1.4报警器故障自诊断电路16
3.1.5控制模块17
3.2CAN/485转换器18
3.2.1RS485接口电路18
3.2.2CAN总线控制器19
3.2.3CAN收发器21
3.3主控器22
3.4系统供电电路27
3.5报警系统的电磁兼容设计28
3.5.1元器件的选择28
3.5.2电路的电磁兼容性设计29
第4章可燃性气体检测报警系统的软件设计32
4.1STC12系列单片机调试及开发工具32
4.2可燃性气体探测器软件流程及设计32
4.2.1探测器主程序设计及流程图32
4.2.2主程序初始化流程图33
4.2.3中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图34
4.2.4插值法线性化处理子程序流程图36
4.2.5报警子程序流程图37
4.2.6串行通信子程流程图39
4.3协议转换器软件设计40
4.3.1转换器主程序模块40
4.3.2CAN总线通信模块42
4.3.3RS485通信模块44
第5章总结45
参考文献46
致谢47
附录Ⅰ48
附录Ⅱ50
附录Ⅲ53
第1章绪论
1.1论文研究来源、目的和意义
随着科技的发展,越来越多的可燃性气体作为能源应用于工业生产和人们的日常生活中。
但是可燃性气体在给我们带来极大便利的同时,也存在巨大隐患。
可燃性气体发生泄漏达到爆炸极限后,一旦有火源作用,便会引起燃烧、爆炸等事故,造成严重的经济损失,甚至会危及生命安全。
为了减少这类事故的发生,就必须对这些可燃性气体进行现场实时检测,采用先进可靠的安全检测仪表,严密监测环境中可燃性气体的浓度,及早发现事故隐患,采取有效措施,避免事故发生,才能确保工业安全和家庭生活安全。
因此,研究可燃性气体的检测方法与研制可燃性气体报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。
可燃性气体检测报警装置是能够检测环境中的可燃性气体浓度并具有报警功能的仪器。
该报警装置是石油化学工业、有可燃性气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。
因此,研究一款新型、性能稳定、准确监测可燃性气体的报警系统具有极其重要得意义。
可燃性气体通常指城市煤气、石油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤矿瓦斯等。
这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳和氢气等成分,易燃、易爆、贮存和使用这些气体的过程中,如违反操作规程和设备密封不好,都有可能发生可燃气体泄漏现象,进而酿成火灾或爆炸事故,给国家和人民的生命财产造成损失。
可燃性气体检测报警装置是能够检测环境中的可燃性气体浓度并具有报警功能的仪器。
该报警装置是石油化学工业、有可燃性气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。
可燃性气体报警器属于《中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录》中第46项,它归类于物理化学计量器具。
《建筑设计防火规范》(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定:
“散发可燃气体、可燃蒸汽的甲类厂房和场所,应设置可燃性气体浓度检测报警装置”。
研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体,并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要得意义。
1.2可燃性气体报警器的国内外现状
国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器,且发展迅速,一方面是因为人们安全意识增强,对环境安全性和生活舒适性要求提高;另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。
据有关统计,美国1996年~2002年气体传感器年均增长率为27%~30%。
随着传感器生产工艺水平逐步提高,传感器日益小型化、集成度不断增大,使得气体检测仪器的体积也逐渐变小,提高了气体检测仪器的便携性,更加利于生产、运输及市场推广。
我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警器,生产型号多样、品种较齐全,应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器,产品数量也在不断增加。
但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上,进行研究与开发形成自己的特色。
近年来,在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步。
燃气报警器可分为民用可燃气体报警器、工业用可燃性气体报警器、有毒有害气体报警器三大系列产品。
(1)民用可燃气体报警器
民用可燃气体报警器为居民家庭用的燃气报警器,一般安装在厨房,遇燃气泄漏时,报警器可发出声光报警,或同时伴有数字显示,同时控制外部设备。
有的报警器可自动开启排风扇,把燃气排出室外;有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门,以防燃气继续泄漏。
(2)工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器
工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器只是检测探头有差异,而在原理和应用中都很相近。
工业用燃气报警器及有毒气体报警器根据检测环境的不同,也可分为检漏仪、控制器、探测器。
1.3本设计主要任务
本设计是一款基于CAN总线的可燃性气体报警系统。
主要是单片机通过传感器检测气体浓度并将处理后的浓度值通过CAN/485转换器发送给主控制器,单片机处理数据后发送命令,控制继电器启动相关排风设备。
本设计主要应用于大型化工企业,石油厂等对可燃性气体浓度要求比较严格的场所。
通过对各个探测器传输来的数据进行处理汇总,实时了解各部分器件的工作状况和气体浓度,达到准确及时预警的目的。
电化学气体传感器主要参数测量范围:
1500ppm;灵敏度:
0.08~0.8uA/ppm;响应时间:
<30s;线性范围:
-40ppm;过载:
10000ppm;分辨率:
0.5ppm,工作温度:
-30~50℃;工作湿度:
15~90%RH;负载电阻:
10Ω。
半导体气体传感器主要参数:
取样电阻:
0.1~20KΩ;加热电压:
(VH)5±0.2V;加热功率:
(P)约750mW;灵敏度:
甲烷R0(air)/RS(0.1%CH4)>5;响应时间:
Tres<10秒;输出电压0~1V。
一氧化碳浓度达到50ppm预报警,超过100ppm报警;硫化氢浓度达到0.13ppm预报警,超过1.5ppm报警;二氧化硫浓度达到3ppm预报警,超过9ppm报警;甲烷浓度浓度达到3ppm预报警,超过20ppm报警。
第2章可燃性气体检测报警系统的方案设计
2.1方案论证
本系统可以采用两种方案来实现对气体浓度各个参数的检测。
方案一:
利用PLC来进行对气体浓度各参数的检测与控制。
方案二:
利用单片机来进行气体浓度各参数的检测与控制。
单片机处理数据以及实时检测的能力都很强,并且数据采集的精度和速度也较高。
因此选择单片机作为探测器的主体部分。
2.2系统工作原理
可燃气体报警系统总体来说可分为三个部分。
第一部分是探测器部分,第二部分是转换器部分,第三部分是上位机部分。
探测器部分分为两个部分,一个是气体检测,主要是把可燃性气体在空气中的含量(用浓度表示)通过气体传感器变为可处理的电信号,然后通过A/D采样将信号变为数字信号,再通过单片机进行通讯、数据处理等。
第二个是报警,通过单片机对采集到的信号进行处理后判断出气体的浓度值是否已经超标,若超标则及时报警。
转换器起到485和CAN相互转换的作用。
上位机主要起到集中显示气体浓度,报警,打印等功能。
2.3系统功能要求
可燃气体报警系统国标中对产品的性能和试验方法都有一个严格的要求,这些要求中既有一般性的要求,又有对各个功能的详细要求。
一般性要求中主要包括以下几个方面:
(1)控制器主电源采用220V,50Hz交流电,电源线输入端要接输入端子;
(2)控制器要有保护接地端子;
(3)直流工作电压采用24V;
(4)控制器应具有中文功能标注和信息显示。
对产品的具体功能要求主要包括显示功能、报警功能、屏蔽功能、自检功能以及电源功能等几个部分,下面对每个部分的功能做一个介绍。
1.显示功能
气体报警系统的显示主界面主要是浓度显示,因此对显示功能的要求主要是指其浓度显示,主要有以下三点要求:
(1)浓度显示全量程指示偏差不应超过+5%LEL;
(2)分线制控制器应能实时显示每路可燃气体的浓度值,总线制控制器应能
至少显示可燃气体浓度最高的探测点的浓度值;
(3)控制器的报警状态不应影响控制器的浓度显示功能。
控制器故障状态不
应影响任何非故障回路的浓度显示功能。
本设计中采用的是CJT05001BN型号智能彩色终端显示屏。
2.报警功能
报警器应能直接或间接地接收来自可燃气体报警器及其它报警触发器件的报警信号,并能发出报警声、光信号,指示报警发生部位,记录报警时问,并予以保持,直至手动复位。
除复位操作外,对控制器的任何操作均不应影响控制器接收和发出可燃气体报警信号。
如果气体浓度达到报警限,单片机控制口输出占空比一定的脉冲,报警时蜂鸣器会发出报警的声音。
3.电源功能
电源分成几部分,分别对各器件供电,设计里需要+9V,2个+5V电源。
电源电路同时隔离数字地和模拟地,增强了抗干扰能力。
4.打印功能
打印机选用UP—A16PZ微型打印机,通过并口ATmegal28微控制器相连,满足打印历史报警记录、开关机记录及故障记录的要求。
5.转换功能
转换功能是起到把RS485总线和CAN总线进行转换和传递的作用。
6.控制模块功能
单片机对采集到的浓度信号进行检测,通过逻辑判断,使得输出模块动作,从而完成一套控制设备。
2.4气体传感器的选型
可燃性气体传感器属于气敏传感器,是气—电变换器,它将可燃性气体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号,通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机,进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。
传感器作为可燃性气体检测报警器的信号采集部分,是仪表的核心组成部分之一。
由此可见,传感器的选型是非常重要的。
2.4.1气体传感器介绍
1.气体传感器的分类
气体传感器种类繁多,从检测原理上可以分为三大类:
(1)利用物理化学性质的气体传感器:
如半导体气体传感器、接触燃烧气体传感器等。
(2)利用物理性质的气体传感器:
如热导气体传感器、光干涉气体传感器、红外传感器等。
(3)利用电化学性质的气体传感器:
如电流型气体传感器、电势型气体传感等。
2.气体传感器应满足的基本条件
一个气体传感器可以是单功能的,也可以是多功能的;可以是单一的实体,也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。
但是,任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件:
(1)能选择性地检测某种单一气体,而对共存的其它气体不响应或低响应;
(2)对被测气体具有较高的灵敏度,能有效地检测允许范围内的气体浓度;
(3)对检测信号响应速度快,重复性好;
(4)长期工作稳定性好;
(5)使用寿命长;
(6)制造成本低,使用与维护方便。
3.常见气体传感器简介
下面对工业上常用的几种气体传感器作简单介绍。
(1)半导体气体传感器
半导体气体传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器,以及用单晶半导体器件制作的气体传感器。
该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的气体传感器之一。
按照敏感机理分类,可分为电阻型和非电阻型。
(2)固体电解质气体传感器
固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件,其原理是利用气敏材料在通过气体时产生离子,测量其形成电动势从而测量气体浓度。
这种传感器电导率高,灵敏度和选择性好。
但这种传感器制造成本高,检测气体范围有限,在检测环境污染领域中有优势。
(3)接触燃烧式传感器
当易燃气体接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧,故得名接触燃烧式传感器。
接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层),使用时将铂丝通电,保持300℃~400℃的高温,此时若与可燃性气体接触,可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧,因此铂丝的温度会上升,铂丝的电阻值也上升;通过测量铂丝的电阻值变化的大小,就知道可燃性气体的浓度。
(4)高分子气体传感器
利用高分子气敏材料制作的气体传感器近年来得到很大的发展。
高分子气敏材料在遇到特定气体时,其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。
高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高,选择性好,且结构简单,能在常温下使用,可以弥补其它气体传感器的不足。
(5)电化学传感器
电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。
气体浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子,通过电极将信号传出。
它的优点是:
反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测,但寿命较短(大约两年)。
它主要适用于毒性气体检测。
目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。
(6)热传导传感器
热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式,但是测量原理不同。
它的测量原理是:
将加热后的铂电阻线圈置于目标气体中,由于向目标气体传送热量造成温度降低,引起电阻值变化,传感器即测量电阻值的变化情况。
温度的变化情况是目标气体热传导率的函数,而对于一种给定的气体或汽化物,热传导率是它固有的物理特性。
(7)红外传感器
红外传感器通常用两束红外光进行气体测量,主光束通过测量元件内的目标气体,参考光束通过比较元件内的参考气体。
在测量和比较元件中,红外射线被气体有选择地吸收了。
未吸收的红外光由光电探测器测量,产生一个正比于目标气体浓度的差分信号。
2.4.2可燃性气体传感器的选定
由于石油企业生产中会产生二氧化硫,一氧化碳,甲烷,硫化氢等各类气体,所以需要在检测的时候要有检测顺序。
(1)二氧化硫,一氧化碳,硫化氢
采用电化学传感器测量硫化氢,二氧化硫和一氧化碳。
该类传感器设计的最大特点是采用了气体的扩散势垒,该势垒能限制气体流向敏感电极的流星。
敏感电极能与到达电极的电化学活性仍有余裕。
这一高的电化学活性保证了传感器的长寿命和很好的温度稳定性。
气体扩散进入传感器就在敏感电极上发生反应,或则为氧化反应,或则为还原反应。
每一反应均可用标准化学方程式的形式表示。
根据目标气体在敏感电极上反应的不同,可以导出类似的方程式:
硫化氢:
(2-1)
二氧化硫:
(2-2)
一氧化碳:
(2-3)
在对电极上发生的反应则正好与敏感电极上的反应平衡。
例如敏感电极上发生氧化反应,对电极上就会与氧被还原并生成水。
反之,如果敏感电极上发生还原反应,对电极上的反应则与之相反(即水被氧化)。
这样这一反应的标准方程式可以写成:
(2-4)
这一总方程式说明供应给传感器的气体是反应的燃料,逸出的气体则是反应的产品。
换言之,传感器仅仅是反应的催化剂,它的任何一部分都没有消耗。
二氧化硫电化学传感器型号:
ME4-SO2
检测范围:
0~20ppm
最大测量测量限:
200ppm
灵敏度:
0.8±0.20uA/ppm
负载电阻:
10Ω
响应时间:
≤30S
输出电流:
0~160uA
图2.1ME4-SO2传感器实物图
硫化氢电化学传感器型号:
ME3-H2S
检测范围:
0~100ppm
最大测量测量限:
500ppm
灵敏度:
0.8±0.16uA/ppm
负载电阻:
10Ω
响应时间:
≤30S
输出电流0~400uA
图2.2ME3-H2S传感器实物图
一氧化碳电化学传感器型号:
ME4-CO
检测范围:
0~500ppm
最大测量测量限:
1500ppm
灵敏度:
0.08±0.02uA/ppm
负载电阻:
10Ω
响应时间:
≤25S
输出电流:
0~120uA
图2.3ME4-CO传感器实物图
(2)甲烷
采用半导体气体传感器检测甲烷。
在检测甲烷前,加一个内装颗粒状活性炭的吸收管,以消除硫化氢对铂金丝的“中毒”的影响。
由于二氧化碳的导热率仅为甲烷的二分之一,为消除其影响,应附加一个二氧化碳吸收管。
一氧化碳浓度较高时,热效式的读数比实际甲烷浓度偏高,热导式的则偏低,为消除其影响,附加一个一氧化碳吸收管。
半导体气体传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器。
按敏感机理分类,可分为电阻型和非电阻型。
半导体气敏元件也有N型和P型之分。
N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小;P型阻值随气体浓度的增大而增大。
当遇到CH4时,原来吸附的氧脱附,而由CH4以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面;氧脱附放出电子,CH4以正离子状态吸附也要放出电子,从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加,电阻值下降。
而当空气中没有CH4时,二氧化锡半导体又会自动恢复氧的负离子吸附,使电阻值升高到初始状态。
这就是2M007型可燃性气体传感器检测CH4的基本原理。
本设计选用由北京铭东科贸公司开发生产的2M007型可燃性气体传感器,这种型号的传感器不但具备一般半导体气体传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。
2M007型传感器的特性参数
(a)回路电压:
(Vc)5~24V
(b)取样电阻:
(RL)0.1~20KΩ
(c)加热电压:
(VH)5±0.2V
(d)加热功率:
(P)约750mW
(e)灵敏度:
甲烷R0(air)/RS(0.1%CH4)>5
(f)响应时间:
Tres<10秒
(g)输出电压:
0~1V
图2.42M007型传感器实物图
2.5探测器设计
由于单片机本身资源有限,在一些复杂过程或功能较多的控制中就难以满足要求,需要将单片机的数据送到上一级的微机进行处理。
因此实现上位机与下位
图2.5探测器硬件结构图
机之间的数据可靠通信可以通过串行口通信来实现。
在数据传输量不大的情况下,按照RS-485标准进行串行通信可以应用于本报警系统。
2.6系统总体设计
报警系统从结构上可分为主控制器、CAN/485转换器、探测器和控制模块三大部分。
结构框图如图2.6所示。
图2.6系统结构框图
2.7CAN的通信模型
参照ISO/OSI标准模型,CAN分为数据链路层和物理层。
2.7.1数据链路层
按照IEEE802.2和802.3标准,数据链路层又划分为逻辑链路控制子层LLC(LogicLinkControl)和介质访问控制子层MAC(MediumAccessControl),在CAN技术规范中,LCC子层和MAC子层的服务和功能被描述为“目标层”和“传送层”。
(1)LLC
逻辑链路控制子层LLC子层的主要功能是:
为数据传送和远程数据请求提供服务,确认由LLC子层接收的报文中哪些报文实际上被验收,并为恢复管理和通知超载提供信息。
1)帧接收滤波:
在LLC子层上开始的帧跃变是独立的,其自身操作与先前的帧跃变无关。
帧内容由标识符命名。
标识符并不能指明帧的目的地,但描述数据
的含义,每个接收器通过
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