基于PCS7的氣體檢測(cè)及報(bào)警控制系統(tǒng)

張志勇，董鵬程，孫文杰，欒松年

（山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司青島卷煙廠，）

基于PCS7的氣體檢測(cè)及報(bào)警控制系統(tǒng)

張志勇，董鵬程，孫文杰，欒松年

（山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司青島卷煙廠，）

傳統(tǒng)的氣體檢測(cè)報(bào)警主要通過現(xiàn)場(chǎng)傳感器、多功能數(shù)顯表、聲光發(fā)生器等元器件組成，該類氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行穩(wěn)定性差、告警范圍小并且報(bào)警信息簡(jiǎn)單。針對(duì)這些問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于西門子SIMATIC PCS7系統(tǒng)的氣體檢測(cè)、報(bào)警及控制分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)以O(shè)S SERVER作為上位機(jī)，通過Profibus DP或Modbus RTU通訊方式實(shí)時(shí)采集RAEGuard系列檢測(cè)器的過程值，針對(duì)異常檢測(cè)值實(shí)時(shí)觸發(fā)語音、警鈴報(bào)警信號(hào)并發(fā)送郵件、短信通知等，同時(shí)啟動(dòng)排氣風(fēng)機(jī)進(jìn)行緊急處理。此外，通過PCS7集成的IS功能對(duì)報(bào)警進(jìn)行記錄和分析。該系統(tǒng)能提高氣體檢測(cè)報(bào)警的時(shí)效性和準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性，保證現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)。

SIMATICPCS7；氣體檢測(cè)；報(bào)警

0 引言

近年來，企業(yè)對(duì)安全環(huán)保生產(chǎn)的意識(shí)日益提高，各類危險(xiǎn)源的監(jiān)控力度得到不斷地加強(qiáng)，安全生產(chǎn)工作得以不斷強(qiáng)化。以卷煙工業(yè)企業(yè)為例，廠區(qū)內(nèi)污水處理系統(tǒng)、煙絲HXD膨脹生產(chǎn)線等站房存在有毒氣體含量超標(biāo)、可燃性氣體泄露等安全隱患，屬于重點(diǎn)危險(xiǎn)源，如何有效避免有害氣體中毒和氣體爆炸等事故的發(fā)生，是當(dāng)前亟待解決的一個(gè)問題。

不同于傳統(tǒng)的手持式氣體檢測(cè)報(bào)警器和固定式氣體檢測(cè)系統(tǒng)，本文介紹了一種集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)通訊監(jiān)控、信息智能分析、報(bào)警多樣化等功能于一體的智能化氣體檢測(cè)及報(bào)警控制系統(tǒng)。

1 報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)主要由氣體檢測(cè)及數(shù)據(jù)采集單元、通訊及現(xiàn)場(chǎng)控制單元、上位機(jī)報(bào)警分析單元三部分組成。氣體檢測(cè)單元采用RAEGuard系列氣體檢測(cè)報(bào)警器，主要檢測(cè)硫化氫、甲烷、氨氣、二氧化硫等氣體含量，過程數(shù)據(jù)以模擬量形式上傳至數(shù)據(jù)采集中繼器，中繼器將4—20mA信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量數(shù)據(jù)包，通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換單元?jiǎng)t將過程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成支持Profibus DP或Modbus RTU通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)供CPU和OS上位機(jī)處理。根據(jù)氣體含量實(shí)際值與限值的比對(duì)，CPU將控制排氣風(fēng)機(jī)的啟停動(dòng)作，計(jì)算機(jī)服務(wù)器單元?jiǎng)t對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)和趨勢(shì)分析并進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警和預(yù)測(cè)報(bào)警，通過語音、警鈴、郵件、短信等方式進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的告警通知。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行

2.1 氣體檢測(cè)及數(shù)據(jù)采集單元

利用RAEGuard系列氣體檢測(cè)儀采集室內(nèi)氣體含量，對(duì)實(shí)時(shí)過程值、靜態(tài)參數(shù)值等數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性采集，并將數(shù)值以模擬量的形式傳送至數(shù)據(jù)采集中繼器。數(shù)采中繼器作為A/D、D/A轉(zhuǎn)換接口，將收集的過程值和狀態(tài)值轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)包，并將包括各通道量程、高報(bào)限值、低報(bào)限值、實(shí)時(shí)數(shù)值、狀態(tài)值等以整數(shù)的形式保存在相應(yīng)的寄存器中，整合數(shù)據(jù)狀態(tài)，以Modbus RTU協(xié)議進(jìn)行對(duì)外通訊，通訊波特率2400、3800、9600、19200可選，數(shù)據(jù)格式如圖2所示。

圖2 傳送數(shù)據(jù)格式

2.2 通訊及現(xiàn)場(chǎng)控制單元

通訊及現(xiàn)場(chǎng)控制單元主要存在兩種形式：即PCRTU_RP和PLC-RTU_RP。其中PC-RTU_RP的通訊模式在工程實(shí)際應(yīng)用中不常見，鑒于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制的考慮，一般采用PLC-RTU_RP的模式。本文設(shè)計(jì)的報(bào)警系統(tǒng)是基于西門子PCS7的TIA理念，將現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警控制器與上位機(jī)服務(wù)器進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，CPU在過程中起到數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)上傳、現(xiàn)場(chǎng)控制和報(bào)警信號(hào)輸出等功能。CUP的數(shù)據(jù)采集通過CP341或Modbus/DP轉(zhuǎn)換接口實(shí)現(xiàn)，數(shù)采監(jiān)控流程如圖3所示。

圖3 通訊及現(xiàn)場(chǎng)控制流程圖

通過SIMATIC PCS7的CFC連續(xù)功能圖編輯器，編制現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)采及邏輯控制程序，采用VPL庫中標(biāo)準(zhǔn)FB程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)制轉(zhuǎn)換，并利用CFC塊中OCM、創(chuàng)建塊圖標(biāo)、數(shù)據(jù)歸檔、報(bào)警記錄等功能，實(shí)現(xiàn)WINCC上位機(jī)的相關(guān)參數(shù)的自動(dòng)設(shè)置。

圖4 數(shù)據(jù)采集控制程序(部分)

圖5 現(xiàn)場(chǎng)控制程序

2.3 上位機(jī)報(bào)警分析單元

報(bào)警分析單元由檢測(cè)值報(bào)警數(shù)據(jù)庫、基于OPC接口的短信發(fā)布和廣播擴(kuò)聲系統(tǒng)、氣體檢測(cè)綜合信息系統(tǒng)、基于IS的郵件發(fā)布智能模塊等部分組成。OS SERVER不間斷采集CPU上傳的過程數(shù)據(jù)和報(bào)警信號(hào)，并通過Wincc畫面發(fā)布給相關(guān)值班人員，值班人員可通過實(shí)時(shí)報(bào)表和趨勢(shì)圖查看過程值的變化情況。

隨著工廠工業(yè)控制的自動(dòng)化水平的不斷提升，智能控制已成為工業(yè)控制的發(fā)展趨勢(shì)，為提高報(bào)警系統(tǒng)的智能化水平，該系統(tǒng)建立在報(bào)警策略知識(shí)庫管理的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)警事件處理、報(bào)警事件調(diào)度、報(bào)警報(bào)表歸檔以及發(fā)送等功能。報(bào)警信號(hào)將通過OPC接口發(fā)送至短信發(fā)布平臺(tái)和廣播擴(kuò)聲系統(tǒng)，并將報(bào)警報(bào)表以郵件形式抄送給相關(guān)人員。

圖6 報(bào)警數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖

圖7 報(bào)警數(shù)據(jù)智能分析

圖8 報(bào)警數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種以O(shè)S SERVER作為上位機(jī)，通過Profibus DP或Modbus RTU通訊方式實(shí)時(shí)采集RAEGuard系列檢測(cè)器過程值的報(bào)警系統(tǒng)，能針對(duì)異常檢測(cè)值而動(dòng)作于語音、警鈴、郵件、短信通知以及對(duì)報(bào)警進(jìn)行記錄和分析。該系統(tǒng)具有智能化水平高、報(bào)警時(shí)效性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)，能夠及時(shí)傳遞報(bào)警信息，確保重要生產(chǎn)場(chǎng)所的環(huán)境安全。因此，該系統(tǒng)具有一定的推廣價(jià)值，可以應(yīng)用于DCS生產(chǎn)控制系統(tǒng)的各控制領(lǐng)域

圖9 短信發(fā)布系統(tǒng)控制插件

[1] 何鵬.溫室環(huán)境控制技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J].傳感器世界,2002,8(2):8-11,7.

[2] 于慶廣.可編程控制器原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社.2004.

[3] 俞國亮.PLC原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社.2005.

[4] 西門子PCS7使用手冊(cè).

[6] 俞海珍,張維山,史旭華.基于PLC和WinCC的溫度控制系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2009(12):6-7.

[7] 何 瑛.基于WinCC組態(tài)軟件和S7-300 PLC的五效降膜蒸發(fā)器自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置, 2015,(2):64-68.

Gas detection and alarm control system based on PCS7

ZHANG Zhi-yong, DONG Peng-cheng, SUN Wen-jie, LUAN Song-nian

TP274

：A

：1009-0134(2017)08-0012-04

2017-04-16

張志勇（1986 -），男，山東日照人，碩士，助理工程師，主要從事工廠自動(dòng)化控制的維護(hù)和管理工作。