胡青龍（無錫三良自動化工程有限公司，江蘇無錫　214131）

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淺析PLC控制系統(tǒng)在能源化工的應用

胡青龍
（無錫三良自動化工程有限公司，江蘇無錫214131）

摘要：介紹西門子不同型號的PLC控制系統(tǒng)在能源化工中的應用，詳細敘述西門子S7-200PLC與FS300氣體報警控制器之間的Modbus RTU通訊程序以及西門子S7-200與S7-300之間DP通訊分批發(fā)送程序，系統(tǒng)編程簡單方便，運行可靠。

關(guān)鍵詞：安全；PLC；通訊；控制

0　概述

安全生產(chǎn)事關(guān)職工的生命安全和企業(yè)財產(chǎn)的安全，事關(guān)企業(yè)發(fā)展和社會穩(wěn)定的大事。搞好安全生產(chǎn)工作，是企業(yè)生存發(fā)展的根本，是體現(xiàn)“以人為本”的需要。特別是能源化工企業(yè)的安全生產(chǎn)更不容忽視，其現(xiàn)場存放易燃、易爆、有毒氣體儲罐眾多，當現(xiàn)場發(fā)生泄漏有毒、易燃、易爆氣體濃度達到一定程度時，會給企業(yè)財產(chǎn)安全和職工生命安全構(gòu)成威脅，為此實時監(jiān)控現(xiàn)場有毒、易燃、易爆氣體濃度，成為保障企業(yè)財產(chǎn)安全和職工生命安全重要措施。本文以陜西省某能源化有限公司工程為例，介紹西門子PLC控制系統(tǒng)、氣體報警控制器等組成的有毒、易燃、易爆實時監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)場中的應用。根據(jù)控制系統(tǒng)的特點可分為PLC控制系統(tǒng)、現(xiàn)場氣體采集系統(tǒng)以及氣體報警監(jiān)測處理系統(tǒng)。

1　PLC控制系統(tǒng)的組成

PLC是可編程序控制器（Programmable Logic Controller）的簡稱，是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。其中德國西門子公司推出的S7系列可編程序控制器能夠適用于復雜的工業(yè)環(huán)境，具有很強的抗干擾能力和很高的可靠性，對工作電源沒有特殊要求。為了降低系統(tǒng)的成本，本系統(tǒng)PLC采用西門子S7-200和S7-300，二者之間通過EM277 Profibus-DP模塊進行通訊連接，S7-200采用CPU為224XP CN的機器作為DP通訊的從站以及Modbus通訊主站，S7-300采用CPU為315-2PN/ DP的機器作為DP通訊的主站。S7-200預留一個Modbus通訊從站接口，便于業(yè)主DCS控制系統(tǒng)采集本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。本控制系統(tǒng)設置一臺工程師站實時采集現(xiàn)場氣體報警儀的狀態(tài)數(shù)據(jù)，工程師站采用以太網(wǎng)通訊形式與S7-300的PLC連接，實現(xiàn)整個PLC控制監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1　PLC控制系統(tǒng)組成示意圖

2　現(xiàn)場氣體采集系統(tǒng)

現(xiàn)場氣體采集系統(tǒng)組成具體如下：毒性氣體探測器GDS-TOX(CO)數(shù)量為37臺；可燃氣體探測器GDS-LEL-1數(shù)量為130臺；毒性氣體探測器GDS-TOX-PID數(shù)量為3臺；共計170臺氣體檢測儀組成現(xiàn)場氣體采集系統(tǒng)，實時監(jiān)測現(xiàn)場的有毒、易燃、易爆氣體的濃度。它們具有穩(wěn)定性高、壽命長、單人操作方便、不開蓋遠紅外標定、液晶顯示、防腐防爆、故障顯示、故障反饋等特點。

3　氣體報警監(jiān)測處理系統(tǒng)

采用FS300氣體報警控制器作為本項目的氣體報警監(jiān)測處理系統(tǒng)的主機，負責將現(xiàn)場探測器4-20 mA DC的輸入電流轉(zhuǎn)換成對應的被測對象量的顯示，用于與多點GDS-LEL、GDS-TOX型毒性氣體探測器、可燃氣體探測器組成氣體濃度檢測系統(tǒng)，在控制室或值班室集中顯示、監(jiān)測、報警，并連接啟動關(guān)聯(lián)設備，確保人身和設備的安全。

FS300氣體報警控制器采用標準的Modbus RTU通訊協(xié)議與西門子CPU224XP CN的PLC進行通訊，采用波特率為9 600 bit/s，數(shù)據(jù)位為8，奇偶效驗為無校驗，停止位為1，特殊之處讀取保持寄存器數(shù)據(jù)時，寄存器數(shù)量不能超過20，具體通訊協(xié)議如表1所示[2]。

表1　MODBUS RTU通信協(xié)議

4　PLC程序編寫

4.1S7-200中Modbus通訊程序

西門子CPU224XP CN的PLC與FS300氣體報警控制器采用標準的Modbus RTU通訊協(xié)議進行通訊。根據(jù)FS300氣體報警控制器的通訊協(xié)議，西門子PLC采用波特率為9 600 bit/s，數(shù)據(jù)位為8，奇偶效驗為無校驗，停止位為1的通訊格式進行編寫西門子S7-200的Modbus通訊主站的程序，因為CPU224XP CN自帶兩個RS485通訊端口，依據(jù)西門子S7-200的指令庫定義Port1口為通訊主站接口，用于連接FS300氣體報警控制器。具體通訊程序如圖2所示。

圖2　定義Modbus程序掃描時間

其中圖2，圖3兩副圖中的網(wǎng)絡1、網(wǎng)絡2以及網(wǎng)絡3的作用是自定義Modbus程序掃描時間，T37是100 ms的定時器，每當定時器達到100 ms時，觸發(fā)一個脈沖使寄存器VW2008加1。以此類推，當寄存器VW2008累加到34時，通過MOV指令是寄存器VW2008的值清零。圖3中的網(wǎng)絡4是初始化Modbus主站程序，MBUS_CTRL_P1指令相關(guān)參數(shù)的設置：Mode為1時，使能Modbus協(xié)議功能；Baud為通訊協(xié)議的波特率；Parity為通訊協(xié)議的奇偶校驗（0-無校驗，1-奇校驗，2-偶校驗）；Timeout為超時；Done為完成位，初始化完成，此位會自動置1；Error為初始化錯誤代碼（0-無錯誤，1-校驗選擇非法，2-波特率選擇非法，3-模式選擇非法）[1]。

圖4為Modbus指令庫中的MBUS_MSG_P1指令的讀寫FS300氣體報警控制器中的數(shù)據(jù)，指令相關(guān)參數(shù)的設置：First讀寫請求位；Slave從站地址（可選擇的范圍1-247）；RW為從站地址（0-讀命令，1-寫命令）；Addr為讀寫從站的數(shù)據(jù)地址（00001至0xxxx-開關(guān)量輸出，10001至1xxxx-開關(guān)量輸入，30001至3xxxx-模擬量輸入，40001 至4xxxx-保持寄存器）；Count為參與通訊的數(shù)據(jù)個數(shù)；DataPtr為數(shù)據(jù)指針（如果是讀指令，讀回的數(shù)據(jù)放到這個數(shù)據(jù)區(qū)中；如果是寫指令，要寫出的數(shù)據(jù)放到這個數(shù)據(jù)區(qū)中）；Done為完成位，讀寫功能完成位；Error為初始化錯誤代碼[1]。使能開始，根據(jù)寄存器VW2008中的數(shù)據(jù)與設定的常數(shù)進行比較相等時觸發(fā)讀寫請求位，完成讀寫指令。讀取不同F(xiàn)S300氣體報警控制器的不同數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)，只需要改變MBUS_MSG_P1指令的相關(guān)參數(shù)就可以。至此完成了西門子S7-200的PLC與FS300氣體報警控制器之間的Modbus RTU通訊程序的編寫，要實現(xiàn)FS300氣體報警控制器中的數(shù)據(jù)在上位機組態(tài)中的實時顯示，還需要編寫西門子S7-300與S7-200之間的DP通訊程序。

圖3　Modbus主站程序初始化

圖4　Modbus主站分批讀寫

4.2S7-200中DP通訊程序

西門子S7-200與S7-300之間采用EM277 Pro?fibus-DP模塊進行通訊連接，因為受到EM277 Profibus-DP模塊輸出輸入數(shù)據(jù)量的限制，加上本項目參與通訊的數(shù)據(jù)量眾多，S7-200的PLC無法一次性完成所有數(shù)據(jù)發(fā)送，為此需要分批向S7-300的PLC發(fā)送數(shù)據(jù)，為了區(qū)別每次發(fā)送的數(shù)據(jù)不同，在每次發(fā)送數(shù)據(jù)時需要發(fā)送一個標志位，以供S7-300的PLC區(qū)別每次發(fā)送的數(shù)據(jù)不同，具體通訊程序如圖5、圖6所示。

圖5　分批發(fā)送程序的掃描時間和發(fā)送次數(shù)

圖6　分批發(fā)送的具體程序

每次發(fā)送程序的指令相同，不同的是發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)量、起始地址、標志位以及發(fā)送的時間不同，在此不再敘述。

4.3 S7-300中DP通訊程序

西門子S7-300與S7-200之間通訊，除了需要EM277的硬件模塊，還需要在S7-300的編程軟件SIMATIC中組態(tài)EM277的GSD文件，具體的組態(tài)步驟這里就不在敘述，EM277模塊的具體設置如圖7所示。

圖7　EM277模塊設置

西門子S7-300程序中需要把S7-200程序發(fā)送過來的數(shù)據(jù)通過MOVE指令移送到目標寄存器中，如圖8所示，把S7-200程序發(fā)送過來的標志位數(shù)據(jù)移送到目標寄存器MW100中。

圖8　標志位數(shù)據(jù)移送

因為每次發(fā)送的數(shù)據(jù)不同，通過S7-200程序發(fā)送過來的標志位來區(qū)別S7-300接收的數(shù)據(jù)存放在不同的寄存器中，如圖9所示，當M100.0為1是觸發(fā)一個脈沖，把第一次接收的數(shù)據(jù)存放在DB1數(shù)據(jù)塊中，當M100.1為1是觸發(fā)一個脈沖，把第二次接收的數(shù)據(jù)存放在DB2數(shù)據(jù)塊中，以此類推，具體在此不一一列舉。至此完成了西門子S7-300與S7-200之間的DP通訊程序。

圖9　分批移送數(shù)據(jù)

5　結(jié)束語

Modbus通訊和DP通訊雖然通訊協(xié)議不同，但都具有編程簡單方便，使用廣泛等特點，該方案通過現(xiàn)場聯(lián)機調(diào)試運行，能夠?qū)崟r監(jiān)控現(xiàn)場有毒、易燃、易爆氣體濃度，并且在上位機上集中顯示、監(jiān)測、報警，當氣體濃度達到設定值時可連接啟動關(guān)聯(lián)設備，確保人身和設備的安全。本系統(tǒng)控制方案降低了系統(tǒng)的硬件成本投入，系統(tǒng)投入使用，運行良好，值得推廣。

參考文獻：

［1］西門子（中國）自動化與驅(qū)動集團.西門子S7-200. LOGO！SITOP參考［Z］. 2012.

［2］無錫時和安全設備有限公司. FS300氣體報警控制器使用說明書［Z］. 2013.

(編輯：向飛)

Application of PLC Control System in the Energy Chemical Industry

HU Qing-long
（Wuxi Sanliang Automation Engineering Co.，Ltd，Wuxi214131，China）

Abstract:Different models of Siemens PLC control system are introduced in the energy chemical industry，the application of detailed Siemens S7-200 PLC and FS300 Modbus RTU communication program between gas alarm controller，and Siemens S7-200 and S7-300 DP communication between partial sent procedures，simple and convenient system programming，reliable operation.

Key words:safety；PLC；communication；control

作者簡介：胡青龍，男，1985年生，江蘇沭陽人，大學?？?。研究領域：自動化控制及應用。已發(fā)表論文2篇。

收稿日期：2015－05－19

DOI:10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2015. 11. 027

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1009－9492 ( 2015 ) 11－0101－04