基于PLC的氣體類(lèi)傳感器智能老化裝置

謝峰 孫小進(jìn)

【摘要】針對(duì)傳統(tǒng)氣體傳感器老化中的問(wèn)題，提出了以PLC控制系統(tǒng)為核心的氣體類(lèi)傳感器智能老化裝置方案。確定了設(shè)計(jì)框架和工作原理，明確了軟硬件設(shè)計(jì)思路，給出了主程序的梯形圖，列出了實(shí)際實(shí)現(xiàn)的功能和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的結(jié)果。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好。

【關(guān)鍵詞】氣體傳感器;PLC;自動(dòng)控制

Abstract：In view of problem of aging device of gas sensors，the paper introduced a design based on control system of PLC. Defined the design framework and working principle，has been clear about the hardware and software design ideas，given the ladder diagram of main program，listed the function of the actual implementation and the result of field application.The system runs stably，and the result is very well.

Key words：gas sensors;PLC;automatic control

引言

隨著國(guó)家對(duì)煤礦安全的重視，作為煤礦安全檢測(cè)重要一環(huán)，有害氣體的監(jiān)測(cè)是必不可少的。市場(chǎng)對(duì)氣體類(lèi)傳感器的需求量日益增加，對(duì)公司氣體類(lèi)傳感器的生產(chǎn)能力提出了更高的要求。同時(shí)針對(duì)近期煤炭生產(chǎn)的形式，對(duì)降低人工成本也提出了迫切的需求。在工業(yè)生產(chǎn)中由計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制代替人工操作是普遍且有效的提高生產(chǎn)效率和降低人工成本的方式。

公司目前氣體類(lèi)傳感器的老化調(diào)試采用氣體柜集中老化、人工逐個(gè)標(biāo)校方式，校準(zhǔn)后每天還需人工逐個(gè)對(duì)傳感器通氣檢驗(yàn)，老化調(diào)試過(guò)程中的氣體完全依靠自然擴(kuò)散排出，造成老化調(diào)試過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且部分氣體對(duì)人員健康和安全存在隱患。

針對(duì)氣體類(lèi)傳感器生產(chǎn)中存在的種種不利現(xiàn)狀，本文介紹一種以在自動(dòng)控制領(lǐng)域相當(dāng)成熟的PLC為控制核心，能實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體傳感器進(jìn)氣、循環(huán)、標(biāo)校、和排氣進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，達(dá)到快速批量調(diào)試?yán)匣瘹怏w傳感器的裝置。

1.裝置系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)概述

基于PLC的智能老化裝置是針對(duì)傳統(tǒng)通氣柜而設(shè)計(jì)的，傳統(tǒng)通氣柜各階段的操作完全為人工手動(dòng)進(jìn)行，在效率和安全方面均不能滿(mǎn)足日益增大的生產(chǎn)需求和成本降低的要求。

1.1 系統(tǒng)組成

裝置主體為放置氣體傳感器的柜體，輔以進(jìn)排氣系統(tǒng)、采集標(biāo)校電路、供電電源、標(biāo)準(zhǔn)源、上位機(jī)以及作為控制主體的PLC控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 基于PLC的智能老化裝置總體圖

柜體為兩側(cè)開(kāi)門(mén)并帶觀察窗的密封體，在其中放置標(biāo)校所用采集模塊和待標(biāo)校傳感器。在柜體密封部分下方放置進(jìn)排氣系統(tǒng)，由5個(gè)電磁閥和2個(gè)電機(jī)組成。上位機(jī)由網(wǎng)線通過(guò)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)422接口與PLC系統(tǒng)連接。

1.2 工作原理

裝置系統(tǒng)工作原理如圖2所示。傳感器放置完畢后，對(duì)PLC供電，若與上位機(jī)及采集模塊通訊正常，則控制采集模塊電源開(kāi)啟。待傳感器預(yù)熱一定時(shí)間后，由上位機(jī)操作PLC對(duì)采集模塊發(fā)布命令，對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)零。然后開(kāi)啟氣樣進(jìn)氣閥、循環(huán)閥和進(jìn)氣泵。觀察柜內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)源，當(dāng)達(dá)到所需濃度時(shí)，由PLC操作關(guān)閉氣樣進(jìn)氣閥。待柜內(nèi)氣體均勻后，由PLC對(duì)采集模塊發(fā)布命令，對(duì)傳感器按要求進(jìn)行標(biāo)校。標(biāo)校完成后由PLC操作，關(guān)閉循環(huán)閥，打開(kāi)空氣進(jìn)氣閥、進(jìn)氣泵、排氣閥、拍氣泵，將氣體由管路排出柜體。

圖2 基于PLC的智能老化裝置工作原理圖

2.裝置系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

裝置系統(tǒng)由輸入電路、輸出電路、PLC及人機(jī)界面組成，如圖3所示。

選用帶RS485通訊功能的匯川H1U-1614MT-XP PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)、電磁閥進(jìn)行邏輯控制;同時(shí)PLC通過(guò)接受被控設(shè)備的反饋信號(hào)，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，反饋信號(hào)電源由PLC自身的直流輸出實(shí)現(xiàn)。

PLC控制系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊通過(guò)編程口實(shí)現(xiàn)。與采集模塊通訊通過(guò)RS485口實(shí)現(xiàn)。采用Modbus RTU數(shù)據(jù)規(guī)約。在沒(méi)有上位機(jī)的情況下，PLC通過(guò)RS485口實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)老化柜的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)在PLC控制輸出端接組合繼電器，再由繼電器對(duì)被控設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的保護(hù)。

3.裝置系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC軟件設(shè)計(jì)

由于采用的PLC是匯川H1U-1614MT-XP，所以使用的編程軟件為AutoShop編程軟件。本裝置系統(tǒng)的程序主要有以下幾部分組成：

（1）主程序：梯形圖如圖4所示。執(zhí)行主程序?qū)Ω髯映绦蜻M(jìn)行調(diào)用。

圖4 主程序梯形圖

（2）PLC初始化程序SBR_01：在程序中進(jìn)行MODBUS總線通訊進(jìn)行設(shè)置，確定其協(xié)議、模式、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位及超時(shí)設(shè)置。然后設(shè)置設(shè)備類(lèi)型數(shù)據(jù)塊初始化。再進(jìn)行開(kāi)停故障延時(shí)時(shí)間初始化。最后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)傳感器版本初始化。

（3）單個(gè)驅(qū)動(dòng)設(shè)備開(kāi)停控制程序SBR_02：在程序中對(duì)氣樣進(jìn)氣閥、空氣進(jìn)氣閥、循環(huán)閥、排氣閥、循環(huán)進(jìn)氣泵、排氣泵、采集電源進(jìn)行通斷控制。

（4）傳感器氣體值讀取及顯示處理程序SBR_03：在程序中由MODBUS 03命令讀取1-7號(hào)采集模塊所屬傳感器氣體值并對(duì)氣體值接浮點(diǎn)型顯示處理。

（5）傳感器命令組處理程序SBR_04：程序中可進(jìn)行中斷實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取、對(duì)傳感器進(jìn)行單個(gè)調(diào)零、對(duì)傳感器整體調(diào)零、對(duì)傳感器單個(gè)標(biāo)校、對(duì)傳感器整體標(biāo)校、看門(mén)狗延時(shí)、發(fā)送標(biāo)校命令及單個(gè)傳感器執(zhí)行狀態(tài)讀取。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本裝置系統(tǒng)采用的上位機(jī)編程采用組態(tài)王6.35軟件作為開(kāi)發(fā)工具，進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)。實(shí)施中自行建庫(kù)對(duì)系統(tǒng)界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，完成后的集控界面如圖5所示。

圖5 基于PLC的智能老化裝置集控界面圖

4.裝置系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

（1）裝置能夠構(gòu)建滿(mǎn)足氣體類(lèi)傳感器進(jìn)行標(biāo)校的氣體環(huán)境，同時(shí)具備對(duì)氣體類(lèi)傳感器進(jìn)行批量調(diào)零、校準(zhǔn)的功能。裝置單柜可同時(shí)對(duì)126臺(tái)氣體類(lèi)傳感器進(jìn)行批量標(biāo)校老化。

（2）采集模塊為傳感器提供電源，接收上位機(jī)命令并將實(shí)時(shí)參數(shù)傳遞給上位機(jī)，其可在3min內(nèi)按設(shè)定值對(duì)7層傳感器進(jìn)行標(biāo)校。

（3）裝置采用單獨(dú)本安供電并定期標(biāo)校的的標(biāo)準(zhǔn)源來(lái)對(duì)內(nèi)部氣體濃度進(jìn)行測(cè)量，確保整體標(biāo)校結(jié)果的準(zhǔn)確。

（4）裝置的核心控制模塊通過(guò)執(zhí)行裝置，調(diào)節(jié)裝置柜內(nèi)的氣體環(huán)境，可在20分鐘內(nèi)完成對(duì)柜內(nèi)外氣體進(jìn)行更換;控制裝置柜內(nèi)通入氣體量和通氣時(shí)間，及柜內(nèi)氣體的攪動(dòng)時(shí)間和攪動(dòng)力度，通氣完成后，在15分鐘內(nèi)使柜內(nèi)同層氣體均勻分布。可根據(jù)預(yù)定的方案，在滿(mǎn)足均勻度要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)所處水平位置的環(huán)境采樣標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)待標(biāo)校的變送器進(jìn)行批量標(biāo)校。所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)需帶反饋功能。采用可編程邏輯控制器（PLC）作為控制核心，控制部分采用單獨(dú)的電源供電。

（5）人機(jī)界面支持多用戶(hù)登陸，以動(dòng)態(tài)圖形方式實(shí)時(shí)展現(xiàn)裝置運(yùn)行及異常狀況，畫(huà)面刷新周期不小于5s。所有的界面可以方便簡(jiǎn)單的進(jìn)行更改重新組態(tài)。可遠(yuǎn)程或就地操作（批量自動(dòng)/批量手動(dòng)/單個(gè)手動(dòng)）。上位機(jī)與控制核心間由以太網(wǎng)通訊，支持客戶(hù)端或?yàn)g覽器方式的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

（6）柜體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外形大方，便于移動(dòng)和固定。下部控制設(shè)備腔和上部的老化腔（獨(dú)立密封設(shè)置）不會(huì)相互干擾，避免電氣火花對(duì)危險(xiǎn)氣體的影響。進(jìn)、出氣管路附帶手動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)和防堵設(shè)計(jì)，密封件不含硫，所有氣體管路和電氣線路盡量不走明線。氣體直接排離工作間，避免了人員和有害氣體的接觸。

5.裝置系統(tǒng)的效果

使用公司原氣體老化柜在一個(gè)老化周期內(nèi)實(shí)際生產(chǎn)能力約為250臺(tái)/人，而使用新式老化柜后在一個(gè)老化周期內(nèi)的生產(chǎn)能力提高到1000臺(tái)/人，由此即可在提高產(chǎn)能的同時(shí)節(jié)約人工成本。且新裝置可自行配置所需濃度氣體，因此還可節(jié)約一定標(biāo)準(zhǔn)氣樣。

6.結(jié)語(yǔ)

基于PLC的智能老化裝置，客服了傳統(tǒng)老化裝置耗時(shí)耗力，效率低下、安全性差的缺點(diǎn)，具有節(jié)省人力物力、提高生產(chǎn)效率、安全性強(qiáng)和易于操作的優(yōu)點(diǎn)，能夠較好的完成氣體類(lèi)傳感器的標(biāo)校老化任務(wù)，大幅提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。該裝置已實(shí)際應(yīng)用與氣體類(lèi)傳感器的生產(chǎn)中，運(yùn)行狀態(tài)良好，取得了較好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]張宏強(qiáng)，賈存良，薛婷.基于PLC的掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2009（11）：106-108.

[2]廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用教程（2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]張運(yùn)剛，宋小春，郭武強(qiáng).從入門(mén)到精通：三菱FX2N PLC技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[4]張東勇.基于MODBUS-RTU協(xié)議的匯川PLC與變頻器的通訊實(shí)現(xiàn)[J].商品與質(zhì)量·科學(xué)理論，2011（2）.

[5]李向東.電氣控制與PLC[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

基金項(xiàng)目：天地工藝創(chuàng)新基金（KJ-2013-TDCZ-04）。

作者簡(jiǎn)介：謝峰（1983—），男，山東臨沂人，大學(xué)本科，2007年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，現(xiàn)供職于天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，從事電氣工藝工作。