探索PLC 在火花檢測與熄滅系統(tǒng)中的應(yīng)用

梁良江

（銘洋建設(shè)股份有限公司，福建 泉州 362000）

各種木材加工企業(yè)、化工廠、食品加工廠為人民美好生活提供了各種產(chǎn)品，同時，生產(chǎn)過程中的可燃粉塵的火災(zāi)爆炸隱患一直是懸在生產(chǎn)企業(yè)頭上的一把達摩克利斯之劍，一種有效的實用的火災(zāi)預(yù)警消除系統(tǒng)成為一種必然的需求。

PLC 控制系統(tǒng)是專為工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計的一種數(shù)字運算操作的電子裝置，它集合了微型計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程方便等特點。

粉塵火花探測與熄滅系統(tǒng)目前知名的大品牌全被國外占領(lǐng)，比如，德國的EWS 公司，格雷康（GreCon）公司，并形成一定的壟斷趨勢。

隨著PLC 控制技術(shù)的發(fā)展，探索一種更通用的、更易普及的粉塵火花探測與熄滅系統(tǒng)作為這一領(lǐng)域的補充是本文的主旨。

1 單片機控制技術(shù)火花檢測與熄滅系統(tǒng)的技術(shù)分析

（1）現(xiàn)行木材行業(yè)火花熄滅系統(tǒng)工作過程如圖1：當火花探測器檢測到火花后熄滅裝置啟動，噴射出環(huán)形霧化水幕，達到滅火的功能；裝置上配有反饋信號，通過控制器可檢測熄滅裝置的動作狀態(tài)。

圖1 現(xiàn)行木材行業(yè)火花熄滅系統(tǒng)示意圖

（2）火花報警控制器采用單片機控制技術(shù)原理如圖2。

①現(xiàn)場粉塵在烘干、傳送過程中因各種原因產(chǎn)生火花或高溫，火花探測器捕捉到火花信號轉(zhuǎn)換成電脈沖，經(jīng)過信號調(diào)理，傳到單片機控制系統(tǒng)。

②單片機控制系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)部程序?qū)π盘栠M行判斷，去啟動相應(yīng)火花熄滅執(zhí)行裝置（噴淋機構(gòu)）。

③單片機控制系統(tǒng)能接收人工手動和調(diào)試的一些操作控制，包括手動/自動轉(zhuǎn)換、噴淋機構(gòu)的切換、反饋信號、聲光報警輸出、報警解除等。

圖2 單片機火花探測與熄滅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

④單片機控制系統(tǒng)具有參數(shù)的設(shè)置輸入功能、數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)查詢、顯示等功能。

⑤單片機控制系統(tǒng)還具有與上位機通信功能，方便設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，遠程操作和顯示。

（3）整個系統(tǒng)的核心在于火花探測器以及火花探測器的信號調(diào)理，《多點火花與溫度監(jiān)測自動消防系統(tǒng)》一文中指出火花探測器是一種電流型輸出形式，當控測到火花時，產(chǎn)生一個寬度為40ms 的電流脈沖輸出，單片機電路中帶有信號檢測和斷路短路檢測功能，同時，《粉塵火花探測及熄除系統(tǒng)設(shè)計研究》一文中指出，火花探測傳感器采用BPW34F芯片，經(jīng)過運放放大整形后能得起一個12V 的正脈沖，由于工業(yè)環(huán)境必然存在各種干擾，把脈沖轉(zhuǎn)成4-20ma 成為必不可少的環(huán)節(jié)，因為我們這里不探討火花探測器的詳細原理，我們只要知道，火花探測器是一個寬度40ms 級別的電流型脈沖信號就行了，接下來，我們來探討這個信號用PLC 能否可靠接收就可以了。

2 PLC 控制系統(tǒng)所能實現(xiàn)的功能

考慮到目前的主流及經(jīng)濟性，列舉兩種品牌PLC 小型機的參數(shù)作為分析數(shù)據(jù)。

2.1 歐姆龍(OMRON)CP1H-XA 型PLC 的功能

（1）CPU 單元本體，內(nèi)置輸入24 點/輸出16 點；通過擴展最大320 點的輸入輸出；（2）通過安裝選件板，可以進行RS-232C 通信或RS-422A/485 通信；（3）也能夠進行功能擴展溫度傳感器輸入等；（4）可實現(xiàn)高速計數(shù)器4 軸、脈沖輸出4 軸；內(nèi)置模擬電壓/電流輸入4 點、模擬電壓/電流輸出2 點；（5）對每個輸入接點，通過PLC 系統(tǒng)的設(shè)定來選擇是否在通用輸入、輸入中斷、脈沖接收、高速計數(shù)器中的任何一個狀態(tài)下使用；（6）此外，對每個輸出接點，通過指令來選擇是否在通用輸出、脈沖輸出、PWM 輸出中的任何一個狀態(tài)下使用。

2.2 西門子SIMATIC S7-200 SMART ST-60 PLC 的功能

（1）本機數(shù)字量I/O 36 輸入/24 輸出, 最多可擴展6 個模塊，過程映像區(qū)大小256 位輸入(I)/256 位輸出(Q)；（2）高速計數(shù)器4 個，高速脈沖輸出3@100kHz；（3）以太網(wǎng)：1 個，串口：（RS485）1 個；（4）可信號板擴展1 個；（5）具有各種模擬量輸入輸出模塊：4 模擬量輸入/2 模擬量輸出，2 通道RTD 輸入，4 通道TC 輸入等多種模塊可以供擴展選擇。

通過分析上述PLC 參數(shù)目前主流的小型PLC 都具有單片機系統(tǒng)所具有的功能，用PLC 來實現(xiàn)粉塵火花探測與熄滅系統(tǒng)是可行的。

3 PLC 實現(xiàn)火花探測與熄滅系統(tǒng)的硬件電路

以本人比較熟悉的歐姆龍PLC CP1H-XA 為例。

模擬量：火花探測傳感器，接在模擬量輸入，輸入設(shè)成4-20ma 輸入形式。1 個PLC CPU 自帶4 路AD 輸入,可以測量4 個通道的火花探測傳感器，并且可以根據(jù)需求進行擴展AD 模塊。

輸入點：手動/自動、噴淋手動，報警解除，測試。輸出點：噴淋閥，報警聲，報警光閃爍。

人機界面：可選目前市面上主流的HMI 人機界面如威綸、臺達、西門子等品牌作為數(shù)據(jù)顯示輸入界面。

通信：可以通過擴展232 或485 通信端口與上位機通信。PLC 開關(guān)量的控制在工業(yè)環(huán)境下比單片機更有優(yōu)勢，在通信方面，也是毫不遜色。在此不必綴述?；鸹ㄌ綔y傳感器發(fā)出電流型脈沖，接在PLC 模擬量通道，PLC 能否正確接收成為這個系統(tǒng)的關(guān)鍵，為了驗證這個功能，采用了如下方法進行實驗:

OMRON PLC CP1H-XA40 本身帶有2 路DA 轉(zhuǎn)換輸出，4 路AD 轉(zhuǎn)換輸入，把其中DA 0ch 輸出，接到AD 0ch 輸入上，并設(shè)置成電流型4 ～20ma,信號采用4 ～20ma 的抗干擾好處，這里也不綴述。脈沖輸入測試電路圖如圖3。

圖3 脈沖輸入測試電路

通過PLC 編程軟件編寫程序，讓DA 0CH 輸出電流脈沖的脈寬可調(diào)，間隔可調(diào)，脈沖幅度輸出固定為12ma。測量輸入標準幅度為大于10.7ma 表示脈沖為1。

設(shè)定兩個計數(shù)器分別計數(shù)DA 輸出產(chǎn)生的脈沖和AD 輸入測量到的脈沖數(shù)。經(jīng)過實測得如表1 數(shù)據(jù)。

從表1 可以得出結(jié)論，只要脈沖寬度大于3ms,脈沖間隔大于20ms,OMRON CP1H-XA PLC 能可靠接收到信號，這個技術(shù)參數(shù)完全滿足火花探測傳感器的信號接收要求。

4 PLC 實現(xiàn)火花探測與熄滅系統(tǒng)的軟件編程

目前，最新的小型PLC 都具有強大的指令系統(tǒng)，支持順序控制、定時計數(shù)控制、邏輯運算、串口通信控制，還具有數(shù)據(jù)傳送、比較、移位、換算、運算等高級指令。同時，有梯形圖、指令表、結(jié)構(gòu)化文本、功能塊圖等多種形式的編程方式。

OMRON PLC CP1H 指令高達400 多個。

對照火花探測與熄滅系統(tǒng)單片機控制系統(tǒng)功能。

PLC 程序包含了以下幾個功能：

（1）火花探測傳感器信號采集功能，通過模擬量輸入進行A/D 轉(zhuǎn)換，采集到的電流信號4-20ma 在PLC 轉(zhuǎn)換0 ～12000 的數(shù)據(jù),當電流為4ma,對應(yīng)數(shù)值0，電流20ma 對應(yīng)數(shù)值12000，通過比較指令可以判別到幅度大于一定值，默認為12ma,程序中200CH 的數(shù)值6000 的信號作為有效的脈沖信號，幅度值可以做成可設(shè)定的。

（2）火花計數(shù)，事件等級判斷功能，火花數(shù)量達20 個為一級警報，在一定時間內(nèi)，默認20S,對火花數(shù)進行計數(shù)，當火花數(shù)達到設(shè)定值，默認1 個時，進行聲光報警，當火花數(shù)達到另一個設(shè)定值，默認4 個時，進行熄滅電磁閥動作設(shè)定的時間，默認5 秒，當火花數(shù)量達20 個，判定為火警，火警繼電器動作，進行連續(xù)噴水等滅火動作。

（3）數(shù)據(jù)存儲功能，PLC 具有數(shù)據(jù)存儲功能，通過與人機界面、上位機編程配合，完成實時、歷史記錄查詢，導(dǎo)出，報表等功能。

（4）信號反饋功能，把探測器，執(zhí)行機構(gòu)的信號反饋到PLC，用于判斷火花探測系統(tǒng)各部件存在的故障，系統(tǒng)自檢及故障報警功能，保證系統(tǒng)的可靠安全。

（5）火花報警消除功能，上位機通信等其他功能。

人機界面程序包含以下幾個功能：①實時報警顯示；②歷史報警顯示；③測試/調(diào)試界面；④監(jiān)控界面；⑤設(shè)置界面；⑥數(shù)據(jù)保存和導(dǎo)出功能。

表1

5 結(jié)語

綜上所述，PLC 應(yīng)用于火花探測與熄滅系統(tǒng)，在軟硬件上是可行的，并且更通用，更易普及。