西門子S7-200 SMART PLC在氣體檢測報警系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計

丁仕斌,孫琳,藍(lán)波,毛洪濤

(青島迪愛生液晶有限公司,山東 青島 266101)

氣體檢測儀是一種檢測氣體濃度的儀器,按照其檢測氣體的具體類型可分為:氧氣檢測儀、氫氣檢測儀、甲烷檢測儀、一氧化碳檢測儀、有機溶劑(VOC)檢測儀等。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況設(shè)置相適應(yīng)的檢測儀。公司屬于化工企業(yè),因生產(chǎn)的產(chǎn)品特性要求,現(xiàn)場全部都是密閉型潔凈房間,根據(jù)工藝不同,有的房間布置有氮氣管線,其設(shè)置氧氣檢測儀,有的房間設(shè)備使用甲烷、氫氣,其附近安裝甲烷、氫氣檢測儀,有的房間使用有機溶劑,安裝VOC檢測儀[1]。所有的檢測儀都是為保障現(xiàn)場操作人員安全為第一目的,都自帶聲光報警,但只能現(xiàn)場警示。無法滿足最大程度地保障現(xiàn)場人員的人身安全。本設(shè)計基于S7-200 SMART PLC結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟可靠等優(yōu)點,搭建成氣體檢測報警系統(tǒng)[2]。

1 氣體檢測報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

氣體檢測報警系統(tǒng)由氣體檢測系統(tǒng)、RS485總線、PLC控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控報警系統(tǒng)組成。氣體檢測系統(tǒng)主要有氣體探測裝置、警示裝置組成,主要功能是用來探測現(xiàn)場的氣體,如有濃度超過設(shè)定范圍,將在現(xiàn)場產(chǎn)生聲光警示。PLC控制系統(tǒng)通過RS485總線通訊連結(jié)現(xiàn)場所有的氣體探測裝置,對其探測的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采樣,并按照設(shè)定的程序進(jìn)行處理。遠(yuǎn)程監(jiān)控報警系統(tǒng),主要用來集中顯示現(xiàn)場所有房間監(jiān)測點位的實時數(shù)據(jù),當(dāng)出現(xiàn)異常時報警,遠(yuǎn)程提醒現(xiàn)場操作人員。整個檢測報警系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1所示[2]。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 系統(tǒng)硬件

1)氣體檢測系統(tǒng)探測裝置主要有各類氣體檢測儀組成,見圖2。針對性探測現(xiàn)場特定氣體濃度,并在自帶液晶屏中顯示實時數(shù)據(jù)。作為化工企業(yè),生產(chǎn)現(xiàn)場總會出現(xiàn)一些易燃易爆的物質(zhì),這些可燃易爆的物質(zhì)一般包括可燃性的氣體、可燃液體或可燃性固體(粉塵),生產(chǎn)現(xiàn)場會使用到可燃性液體(甲類),主要是丙酮、正庚烷,可燃?xì)怏w主要是氫氣、甲烷、一氧化碳。其中的氫氣、甲烷按照火災(zāi)危險性分類都屬于甲類,一旦泄漏,只要空氣中含量達(dá)一定爆炸濃度(甲烷為5%～15%,氫氣為4%～75.6%),有明火時很容易引發(fā)火災(zāi)爆炸或造成非常嚴(yán)重的事故。一氧化碳為乙類危險物質(zhì),雖較甲類危險程度有所降低,但其泄漏后,可能造成災(zāi)難后果也不容小覷,因此現(xiàn)場所有的可燃?xì)夤芫€連接點為確保人員安全都安裝了相應(yīng)的檢測儀,并進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控。

圖2 氣體檢測系統(tǒng)

可燃?xì)?EX)檢測儀(氫氣、甲烷、一氧化碳)工作原理大致類似。其內(nèi)部安裝低功耗高抗干擾型載體催化傳感器,并搭配相應(yīng)的檢測電路,形成檢測系統(tǒng)。當(dāng)空氣中泄漏的可燃性氣體擴散到檢測傳感器表明上,在傳感器中的催化劑作用下迅速進(jìn)行無焰燃燒,燃燒產(chǎn)生的熱量使傳感器中的溫度感應(yīng)元件(鉑絲電阻)電阻值發(fā)生變化,檢測回路相應(yīng)輸出一個電壓信號。這個電壓信號的大小與可燃?xì)馊紵齽×页潭?濃度)是正比例關(guān)系,即現(xiàn)場可燃?xì)鉂舛仍礁?相應(yīng)輸出的電壓越大。電壓信號經(jīng)放大,換算,在儀表上顯示,即現(xiàn)場可燃?xì)鉂舛取?/p>

有機溶劑(VOC)檢測儀主要針對現(xiàn)場有機溶劑丙酮(C3H6O)、正庚烷(C7H16)產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體,其中丙酮是一種無色透明易揮發(fā)的液體,有較低的毒性,在密閉環(huán)境中揮發(fā)后不易飄散,如果長時間接觸,就會出現(xiàn)中毒反應(yīng)。表現(xiàn)為頭疼、頭暈、惡心、流淚、嘔吐、乏力、燒灼、呼吸困難等一系列癥狀。如果不慎接觸到眼鏡,會產(chǎn)生明顯的刺激癥狀和眼角膜損傷?，F(xiàn)場使用丙酮等有機溶劑時除配備必要的防護設(shè)施(防爆換氣扇)、安全勞保用具(手套、防毒面具)外,安裝氣體檢測儀,實時檢測其濃度,防止發(fā)生火災(zāi)甚至引起爆炸。VOC氣體檢測內(nèi)部采用了先進(jìn)的光離子氣體傳感器(PID),傳感器中的中粒子燈產(chǎn)生的紫外光對有機溶劑氣體進(jìn)行照射(轟擊),氣體吸收足夠的紫外光能量后就會被電離產(chǎn)生微電流,通過檢測微電流的大小,即可檢測出有機溶劑揮發(fā)后的氣體濃度。

另外現(xiàn)場還有部分氧氣檢測儀,主要安裝于有氮氣管線的房間,實時顯示空氣中氧氣的含量,防止因氮氣泄漏引起氧氣濃度降低,造成現(xiàn)場操作人員窒息的事故。氧氣檢測儀應(yīng)用了電化學(xué)(伽伐尼原電池)原理,其內(nèi)部構(gòu)造是在原電池(位于底部探頭傳感器)內(nèi),配置有陽極(鉛)和陰極(銀),以薄膜通外部隔開。當(dāng)空氣中的氧氣透過薄膜到達(dá)電池陰極,與銀發(fā)生氧化反應(yīng),會在陰陽極之間產(chǎn)生毫伏級電壓。氧氣越多,反應(yīng)越劇烈,電池陰陽極產(chǎn)生的毫伏級電壓隨之正比例變化。檢測發(fā)生的毫伏級電壓,并經(jīng)信號放大可換算出對應(yīng)的空氣中的氧氣含量[2]。

警示裝置主要是聲光警報器,當(dāng)檢測儀檢測數(shù)據(jù)超過設(shè)定范圍后,發(fā)出警示信號,啟動聲光,紅燈閃爍,警笛鳴叫,其中現(xiàn)場的噪音較小,報警警笛按照消防火災(zāi)警報設(shè)置標(biāo)準(zhǔn),選用音量為60 dB的警笛[2]。

2)RS485是由美國電子工業(yè)協(xié)會在RS232的基礎(chǔ)上發(fā)展的串口標(biāo)準(zhǔn),能用于搭建單點到多點或多點到多點的網(wǎng)絡(luò),其網(wǎng)絡(luò)組建具有成本價格低廉、穩(wěn)定性可靠、分布范圍大等諸多優(yōu)點,性能較RS232都有了較大的提高,被廣泛用于中小型集散系統(tǒng)中。工業(yè)現(xiàn)場經(jīng)常使用RS485總線采集多點數(shù)據(jù)、模擬量信號或開關(guān)量信號,采用半雙工通訊方式,其中半雙工通訊即Half duplex Communication,是指在通信過程的任意時刻,信息既可由A傳到B,又能由B傳A,但只能由一個方向上的傳輸存在。采用半雙工方式時,通信系統(tǒng)每一端的發(fā)送器和接收器,通過收/發(fā)開關(guān)轉(zhuǎn)接到通信線上,進(jìn)行方向的切換,因此,會產(chǎn)生時間延遲,如果出現(xiàn)收發(fā)不正?；虻谝粠瑪?shù)據(jù)之后就出現(xiàn)亂碼現(xiàn)象,則可以適當(dāng)?shù)卦黾右幌卵訒r時間。RS485總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu),即采用一條總線將各個節(jié)點串接起來,不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)。

RS485無具體的物理形狀,根據(jù)工程的實際情況而采用的接口,RS485采用差值電壓信號邏輯,+2～+6 V表示1,-2～-6 V表示0。根據(jù)485總線理論,在理想環(huán)境的前提下,總線的傳輸距離可以達(dá)到1 200 m。其條件是通訊線材優(yōu)質(zhì)達(dá)標(biāo),波特率為9 600,只負(fù)載一臺485設(shè)備,才能使得通訊距離達(dá)到1 200 m,所以通常485總線實際的穩(wěn)定的通訊距離往往達(dá)不到1 200 m。如果負(fù)載485設(shè)備多,線材阻抗不合乎標(biāo)準(zhǔn),線徑過細(xì),轉(zhuǎn)換器品質(zhì)不良,設(shè)備防雷保護復(fù)雜和波特率的提高等等因素都會降低通訊距離。

RS485通訊有兩線制和四線制兩種接線,四線制只能實現(xiàn)點對點的通信方式,現(xiàn)很少采用,在一般場合多采用的是兩線制接線方式,即普通的雙絞線,在要求較高的環(huán)境下可以采用帶屏蔽層的電纜,即采用RVSP屏蔽雙絞線。所采用的的雙絞線規(guī)格,與485通訊線的距離和掛接的設(shè)備數(shù)量有關(guān)。采用屏蔽雙絞線有助于減少和消除兩根485通訊線之間產(chǎn)生的分布電容以及來自通訊線周圍產(chǎn)生的共模干擾。

按照標(biāo)準(zhǔn)通訊距離400 m內(nèi),485通訊總線可掛載最多32臺設(shè)備,通訊線規(guī)格為0.5 mm2?，F(xiàn)場最遠(yuǎn)點位通訊距離在150 m,需要總線連接的氣體檢測儀總數(shù)也只有22臺,選用規(guī)格為0.5 mm2屏蔽雙絞線完全滿足現(xiàn)場使用要求,信號通訊傳輸方面不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)延時,數(shù)據(jù)失真的情況。每個氣體檢測儀自帶兩種信號輸出接口:一種RS485通訊接口,另一種是4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出端口,本著成本節(jié)約的原則(現(xiàn)場少布線),選用兩線制RS485總線網(wǎng)絡(luò),將所要的氣體檢測儀點位全部聯(lián)結(jié)在一條總線上。RS485總線終端通過RS232/RS485轉(zhuǎn)換器接入PLC端口上[3-4],如圖3所示。

圖3 兩線制485通訊總線

3)控制系統(tǒng),主要由PLC、繼電器、24VDC開關(guān)電源、指示燈組成。根據(jù)現(xiàn)場控制邏輯較為簡單,復(fù)雜度較低,但安全穩(wěn)定性要求較高的實際情況,選用西門子S7-200 SMART PLC,CPU型號SR20 AC/DC/RLY,其自帶的DI/DO點位數(shù)量滿足使用要求,因此未增加其它PLC模塊,其中CPU主要負(fù)責(zé)對485通訊采集的信號進(jìn)行處理,變?yōu)閷崟r顯示的數(shù)據(jù),并進(jìn)行邏輯運算判定,輸出相應(yīng)的信號。繼電器主要作用是對輸出的信號進(jìn)行電氣隔離,避免外部電信號干擾到PLC。開關(guān)電源為指示燈提供電源。

4)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要有監(jiān)控顯示觸摸屏、報警警示裝置組成。觸摸屏選用的是威綸MT8102iE,是威綸通科技有限公司生產(chǎn)的一種人機界面,屬于四線電阻式面板,具有精確的觸碰精度、表面硬度高、觸控壽命長,價格適中等優(yōu)點。其采用的32位RISC處理器,性能極高,即使復(fù)雜的畫面也能迅疾顯示。另外具有WINDOWS風(fēng)格畫面,可支持多達(dá)2 000個畫面,自行設(shè)計屏幕保護畫面等。報警警示裝置為柱形多色顯示燈,可實現(xiàn)系統(tǒng)無報警時亮綠燈,有報警信號輸出時,紅燈閃爍,并伴有語音提示功能。

2 系統(tǒng)控制原理

氣體檢測儀采集現(xiàn)場氣體的濃度,并將信號輸送給PLC進(jìn)行處理,一方面將數(shù)據(jù)輸出給觸摸屏顯示,另一方面進(jìn)行邏輯判定,當(dāng)正常時輸出綠燈亮,異常時輸出紅燈報警。系統(tǒng)邏輯如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)邏輯

3 系統(tǒng)編程設(shè)計調(diào)試

3.1 PLC編程設(shè)計

采用S7-200 SMART PLC的編程軟件STEP 7-MicroWIN SMART 進(jìn)行編寫,通過RS485通訊總線對每一個點位的氣體檢測儀進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。將氣體檢測儀端的RS485接口A,B與PLC端接口連接,實現(xiàn)硬件通訊后,進(jìn)行軟件程序通訊。首先進(jìn)行初始化Modbus主站指令程序如圖5所示[5]。

圖5 通訊初始化

Mode模式:常為1,使能Modbus協(xié)議功能。

Baud波特率:設(shè)為9 600,與檢測儀波特率對應(yīng)。

Parity校驗:0。

Port通訊口:0。

Timeout超時:PLC等待檢測儀響應(yīng)的時間,以ms為單位。

Done完成位:初始化完成自動置1。

Error 初始化錯誤代碼(Done位為1時有效)。

進(jìn)行初始化主站指令,主要就是初始化串口的通信參數(shù)(即設(shè)定波特率、校驗位、通訊口等)使氣體檢測儀和PLC的通信同步,正常搭橋,以免出現(xiàn)錯誤。

現(xiàn)場檢測儀點位總共22個,每次只能對其中的一個點位進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取,因此進(jìn)行輪詢程序設(shè)計:程序中MW6作為輪詢基數(shù),每秒一個脈沖,加1計算,待計足至22,MW6重新置位1,依次循環(huán)讀取操作,如圖6所示[5]。

圖6 輪詢程序

對于氣體檢測儀的數(shù)據(jù)讀取用到的是MBUS_MSG指令,此指令在程序中被多次使用,但同一時刻只能有一個讀寫功能。當(dāng)MW6為1時,讀取地址(Slave)同為1的數(shù)據(jù),即氣體檢測儀地址為1的數(shù)據(jù)。當(dāng)下一秒時,MW6將變?yōu)?,第二個MBUS_MSG指令執(zhí)行,讀取氣體檢測儀2號地址的數(shù)據(jù)。配合PLC中的輪詢程序運行,將整個總線上所有點位的氣體檢測儀數(shù)據(jù)按照設(shè)定的通訊地址依次讀取,循環(huán)刷新顯示,指令如圖7所示。

圖7 讀取檢測儀數(shù)據(jù)指令

EN使能位:高電平,且同一時刻只能一個有效。

First讀寫請求位:每一個新的讀寫請求必須使用脈沖信號觸發(fā)。

Slave 每個點位檢測儀地址:1(首個)。

RW讀寫操作位:0(讀),1(寫),本設(shè)計只要求讀取。

Addr讀寫檢測儀數(shù)據(jù)地址:40001(保持寄存器地址)。

Count通訊讀取的數(shù)據(jù)個數(shù)(位或字的個數(shù)):10。

DataPtr數(shù)據(jù)指針(讀取的數(shù)據(jù)放在這個數(shù)據(jù)區(qū)中):VB1300。

Done讀寫功能完成位:M0.2。

Error錯誤代碼Done為1時有效:MB4(不同數(shù)字代表不同,只有0時表示無錯誤,其他數(shù)字則表示出現(xiàn)了錯誤或故障)。

通過485通訊直接讀取的檢測儀寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)到PLC的變量存儲器VB1300內(nèi)暫存。其數(shù)據(jù)并不是檢測儀檢測的真實值,需要根據(jù)檢測儀廠家的通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)變換,形成檢測的實際數(shù)據(jù)。同時對每個檢測儀的通訊情況進(jìn)行判定:位存儲器MB4≠0時,表明通訊存在故障,相應(yīng)產(chǎn)生報警輸出M16.0、Q0.1、Q0.2。另外為方便檢測儀故障時的維修,程序中也相應(yīng)做出了設(shè)計,觸摸屏設(shè)置M19.0,可方便地將相應(yīng)的點位檢測儀關(guān)閉,以避免PLC讀取不到檢測儀數(shù)據(jù),而產(chǎn)生報警,如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令

梯形圖程序設(shè)計中使用了比較指令,用于對現(xiàn)場檢測儀數(shù)據(jù)的進(jìn)行判定,其中VD400存放氣體檢測儀數(shù)據(jù),VD500、VD600存放判定設(shè)定的上下限參數(shù),并在觸摸屏上組態(tài)相應(yīng)的數(shù)據(jù)類型以方便更改設(shè)置參數(shù)。當(dāng)小于下限或大于上限(程序中以氧氣檢測儀舉例)時輸出報警Q0.1(紅燈閃爍)、Q0.2(語音報警),其中報警程序中使用的是上升沿、置位指令,是為了在觸摸屏上(M22.2)及現(xiàn)場監(jiān)控室(I0.0)內(nèi)設(shè)置消音鍵,目的是方便在遇到特殊情況,故障暫時無法被處理時,可先關(guān)閉聲音,避免長時間語音警示影響正常工作,留著的報警燈(閃爍)以作提醒,問題未解決;當(dāng)潔凈室所有點位數(shù)據(jù)都判定正?；蚬收辖鉀Q時,Q0.0輸出(綠燈),同時復(fù)位報警,如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)判定報警指令

3.2 觸摸屏組態(tài)

使用威綸通專用的EasyBuilder Pro軟件,對觸摸屏進(jìn)行編程組態(tài)。PLC和觸摸屏之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。根據(jù)現(xiàn)場使用需要,方便操作人員監(jiān)控系統(tǒng)運行情況,對觸摸屏進(jìn)行組態(tài),設(shè)計了多個界面。其中有顯示整個工藝過程界面,顯示現(xiàn)場潔凈室位置及對應(yīng)所有點位的氣體檢測儀實時的數(shù)據(jù);報警記錄界面,對所有點位出現(xiàn)的異常進(jìn)行記錄,其中包括點位名稱、報警內(nèi)容、報警類型、報警時間等相關(guān)信息,以方便后期追溯及相應(yīng)的后續(xù)維修;設(shè)定界面,主要設(shè)定氣體檢測儀報警上限或下限數(shù)值。 因現(xiàn)場設(shè)置的氣體檢測儀主要用途是保障現(xiàn)場人員安全為目的,不針對生產(chǎn)工藝,因此有些報警只設(shè)置單向(上限)報警參數(shù),即超過設(shè)定數(shù)值就產(chǎn)生報警輸出,如氫氣、甲烷、有機揮發(fā)性溶劑,氧氣則是設(shè)定雙向(上下限)報警參數(shù),其設(shè)定范圍為19.5%～23.5%(空氣中的體積占比),即顯示低于19.5%或高于23.5%都會產(chǎn)生相應(yīng)的報警信號輸出。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計主要以單機采樣為起點,經(jīng)總線RS485通訊傳送,PLC匯總處理,至最終觸屏顯示、異常報警形成了一個整體。一方面對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行了升級優(yōu)化,促進(jìn)自動化改造;另一方面對現(xiàn)場操作人員的環(huán)境安全性做了進(jìn)一步保障。