謝峰 孫小進

【摘要】針對傳統(tǒng)氣體傳感器老化中的問題，提出了以PLC控制系統(tǒng)為核心的氣體類傳感器智能老化裝置方案。確定了設計框架和工作原理，明確了軟硬件設計思路，給出了主程序的梯形圖，列出了實際實現的功能和現場應用的結果。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，效果良好。

【關鍵詞】氣體傳感器;PLC;自動控制

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

隨著國家對煤礦安全的重視，作為煤礦安全檢測重要一環(huán)，有害氣體的監(jiān)測是必不可少的。市場對氣體類傳感器的需求量日益增加，對公司氣體類傳感器的生產能力提出了更高的要求。同時針對近期煤炭生產的形式，對降低人工成本也提出了迫切的需求。在工業(yè)生產中由計算機技術和自動控制代替人工操作是普遍且有效的提高生產效率和降低人工成本的方式。

公司目前氣體類傳感器的老化調試采用氣體柜集中老化、人工逐個標校方式，校準后每天還需人工逐個對傳感器通氣檢驗，老化調試過程中的氣體完全依靠自然擴散排出，造成老化調試過程費時費力，且部分氣體對人員健康和安全存在隱患。

針對氣體類傳感器生產中存在的種種不利現狀，本文介紹一種以在自動控制領域相當成熟的PLC為控制核心，能實現對氣體傳感器進氣、循環(huán)、標校、和排氣進行遠程操作，達到快速批量調試老化氣體傳感器的裝置。

1.裝置系統(tǒng)整體結構概述

基于PLC的智能老化裝置是針對傳統(tǒng)通氣柜而設計的，傳統(tǒng)通氣柜各階段的操作完全為人工手動進行，在效率和安全方面均不能滿足日益增大的生產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，輔以進排氣系統(tǒng)、采集標校電路、供電電源、標準源、上位機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

柜體為兩側開門并帶觀察窗的密封體，在其中放置標校所用采集模塊和待標校傳感器。在柜體密封部分下方放置進排氣系統(tǒng)，由5個電磁閥和2個電機組成。上位機由網線通過以太網轉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PLC供電，若與上位機及采集模塊通訊正常，則控制采集模塊電源開啟。待傳感器預熱一定時間后，由上位機操作PLC對采集模塊發(fā)布命令，對傳感器進行調零。然后開啟氣樣進氣閥、循環(huán)閥和進氣泵。觀察柜內標準源，當達到所需濃度時，由PLC操作關閉氣樣進氣閥。待柜內氣體均勻后，由PLC對采集模塊發(fā)布命令，對傳感器按要求進行標校。標校完成后由PLC操作，關閉循環(huán)閥，打開空氣進氣閥、進氣泵、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)硬件設計

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

選用帶RS485通訊功能的匯川H1U-1614MT-XP PLC實現對風機、電磁閥進行邏輯控制;同時PLC通過接受被控設備的反饋信號，對設備狀態(tài)進行確認，反饋信號電源由PLC自身的直流輸出實現。

PLC控制系統(tǒng)與上位機的通訊通過編程口實現。與采集模塊通訊通過RS485口實現。采用Modbus RTU數據規(guī)約。在沒有上位機的情況下，PLC通過RS485口實現對單臺老化柜的實時監(jiān)控。通過在PLC控制輸出端接組合繼電器，再由繼電器對被控設備進行驅動，實現對PLC的保護。

3.裝置系統(tǒng)軟件設計

3.1 PLC軟件設計

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)行主程序對各子程序進行調用。

圖4 主程序梯形圖

（2）PLC初始化程序SBR_01：在程序中進行MODBUS總線通訊進行設置，確定其協議、模式、波特率、數據位、停止位、校驗位及超時設置。然后設置設備類型數據塊初始化。再進行開停故障延時時間初始化。最后進行標準傳感器版本初始化。

（3）單個驅動設備開?？刂瞥绦騍BR_02：在程序中對氣樣進氣閥、空氣進氣閥、循環(huán)閥、排氣閥、循環(huán)進氣泵、排氣泵、采集電源進行通斷控制。

（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號采集模塊所屬傳感器氣體值并對氣體值接浮點型顯示處理。

（5）傳感器命令組處理程序SBR_04：程序中可進行中斷實時數據讀取、對傳感器進行單個調零、對傳感器整體調零、對傳感器單個標校、對傳感器整體標校、看門狗延時、發(fā)送標校命令及單個傳感器執(zhí)行狀態(tài)讀取。

3.2 上位機軟件設計

本裝置系統(tǒng)采用的上位機編程采用組態(tài)王6.35軟件作為開發(fā)工具，進行了二次開發(fā)。實施中自行建庫對系統(tǒng)界面進行了設計，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)實現功能

（1）裝置能夠構建滿足氣體類傳感器進行標校的氣體環(huán)境，同時具備對氣體類傳感器進行批量調零、校準的功能。裝置單柜可同時對126臺氣體類傳感器進行批量標校老化。

（2）采集模塊為傳感器提供電源，接收上位機命令并將實時參數傳遞給上位機，其可在3min內按設定值對7層傳感器進行標校。

（3）裝置采用單獨本安供電并定期標校的的標準源來對內部氣體濃度進行測量，確保整體標校結果的準確。

（4）裝置的核心控制模塊通過執(zhí)行裝置，調節(jié)裝置柜內的氣體環(huán)境，可在20分鐘內完成對柜內外氣體進行更換;控制裝置柜內通入氣體量和通氣時間，及柜內氣體的攪動時間和攪動力度，通氣完成后，在15分鐘內使柜內同層氣體均勻分布?？筛鶕A定的方案，在滿足均勻度要求的基礎上，根據所處水平位置的環(huán)境采樣標準值對待標校的變送器進行批量標校。所有執(zhí)行機構需帶反饋功能。采用可編程邏輯控制器（PLC）作為控制核心，控制部分采用單獨的電源供電。

（5）人機界面支持多用戶登陸，以動態(tài)圖形方式實時展現裝置運行及異常狀況，畫面刷新周期不小于5s。所有的界面可以方便簡單的進行更改重新組態(tài)。可遠程或就地操作（批量自動/批量手動/單個手動）。上位機與控制核心間由以太網通訊，支持客戶端或瀏覽器方式的遠程監(jiān)控。

（6）柜體結構簡單，外形大方，便于移動和固定。下部控制設備腔和上部的老化腔（獨立密封設置）不會相互干擾，避免電氣火花對危險氣體的影響。進、出氣管路附帶手動旁路開關和防堵設計，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老化周期內實際生產能力約為250臺/人，而使用新式老化柜后在一個老化周期內的生產能力提高到1000臺/人，由此即可在提高產能的同時節(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)約一定標準氣樣。

6.結語

基于PLC的智能老化裝置，客服了傳統(tǒng)老化裝置耗時耗力，效率低下、安全性差的缺點，具有節(jié)省人力物力、提高生產效率、安全性強和易于操作的優(yōu)點，能夠較好的完成氣體類傳感器的標校老化任務，大幅提高了企業(yè)的生產效率和經濟效益。該裝置已實際應用與氣體類傳感器的生產中，運行狀態(tài)良好，取得了較好的效果。

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

作者簡介：謝峰（1983—），男，山東臨沂人，大學本科，2007年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學，現供職于天地（常州）自動化股份有限公司，從事電氣工藝工作。