，， ，宇辰

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

0 引言

隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展和進步，危險環(huán)境的觀察和探測不再由人員直接參與，而是通過控制可移動的無線監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)觀測[1]。催化裂化裝置的危險氣體泄漏主要包括可燃氣體和有毒氣體，企業(yè)目前普遍依靠氣體探測器進行檢測，然而，HSE(Health and Safety Executive，UK)碳氫化合物泄漏事故的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，氣體探測器準確檢測泄漏工況的成功率并不理想，如1992—2014年發(fā)生的氣體泄漏事故中由探測器成功檢測出的僅占52%[2]。論文提出在傳統(tǒng)固定傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上，結合安全巡檢小車實時巡檢的設計方案，旨在擴大實時監(jiān)測的空間，使監(jiān)測不再受傳感器安裝位置的限制，更好的動態(tài)監(jiān)測車間內的實時狀態(tài)，降低事故發(fā)生的概率。

論文設計開發(fā)了石油催化裂化車間安全巡檢小車系統(tǒng)，利用PLC結合單片機完成自動巡航控制模塊的設計，基于ZigBee建立無線通訊網(wǎng)絡，使用C++Builder設計上位機監(jiān)控界面，實現(xiàn)了車間安全巡檢功能。

1 巡檢小車控制系統(tǒng)的整體設計方案

目前的石油煉化廠車間對監(jiān)測系統(tǒng)要求的范圍更廣、數(shù)據(jù)的傳輸更快、監(jiān)測系統(tǒng)的抗干擾能力更強以及成本要相對較低，而傳統(tǒng)的監(jiān)測手段大多采用有線的數(shù)據(jù)傳輸方式，存在覆蓋面積窄、布線麻煩、抗干擾能力差、硬件和維護成本高等問題[3]。此外在脫硫環(huán)節(jié)從再生塔頂出來的酸性氣體中帶有大量的硫化氫。若發(fā)生容器、管線、閥門任何一處泄漏，都將發(fā)生人體中毒事故[4]。而在特定位置安裝固定傳感器監(jiān)測車間環(huán)境的方案，具有監(jiān)測空間的局限性。

本文設計的安全巡檢小車，運動性強，可以自動尋跡和避障，維持自身的巡航。小車以自動尋跡代替自動循跡，可適應各種復雜的廠房環(huán)境。在車間環(huán)境監(jiān)測方面，可實時檢測溫度、氣體濃度等多種車間內基本指標，所有環(huán)境數(shù)據(jù)實時上傳給上位機。上位機可視化監(jiān)控界面使用C++Builder設計，實時顯示車間環(huán)境狀況，并對異常狀況自動報警，監(jiān)控效率提高。

安全巡檢小車可分為運動控制模塊、環(huán)境感知模塊、無線通訊網(wǎng)絡模塊和上位機模塊?？偪刂破鞑捎梦鏖T子S7-200PLC，運動控制模塊將PLC與單片機相結合，控制驅動電機和轉向電機。單片機采用STC12C5A60S2型號的單片機，該單片機有雙串口，在安全巡檢小車的通訊方面有著重要作用。環(huán)境感知模塊主要是模擬量擴展模塊EM235，結合模擬量傳感器測取環(huán)境數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)通過PLC實時發(fā)送給上位機。無線通訊網(wǎng)絡模塊通過ZigBee模塊構建，完成上位機與小車的無線通訊。上位機模塊使用C++Builder設計，接收PLC發(fā)送的實時數(shù)據(jù)，同時發(fā)送控制命令給PLC，實現(xiàn)人機交互。PLC作為主控制器，響應上位機的命令，控制整個系統(tǒng)運行。各個模塊協(xié)調工作，可達到最優(yōu)的控制效果。小車控制系統(tǒng)模塊如圖1所示。

圖1 小車控制系統(tǒng)模塊示意圖

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 小車的運動控制

2.1.1 驅動電機的控制

小車采用后輪驅動，為了避免采用兩臺步進電機驅動時，一臺出現(xiàn)失步影響小車運行的情況發(fā)生，采用一臺57雙出軸步進電機驅動，保證兩輪的運動狀態(tài)完全一致。正常工作時，由上位機發(fā)送啟動指令，啟動指令通過ZigBee的點對點通訊發(fā)送給單片機，單片機根據(jù)啟動指令將特定的引腳置高。單片機的拉電流是20 mA左右，通過接上拉電阻和ULN2003芯片將信號放大，達到繼電器的吸合電流，之后連接相應的繼電器，繼電器連接PLC的輸入觸點。其信號處理的具體硬件接線如圖2所示。經(jīng)過這樣的信號處理后，單片機引腳置高就會閉合PLC相應的輸入觸點。PLC根據(jù)閉合的輸入觸點，開始輸出相應的高速脈沖給電機驅動。電機驅動采用TB6600步進電機驅動器，驅動器接收到高速脈沖后，會輸出相應的脈沖序列給步進電機，步進電機接收到脈沖序列后開始以給定轉速運行，從而實現(xiàn)上位機對安全巡檢小車的運行控制。

圖2 信號處理的硬件接線圖

2.1.2 轉向電機的控制

安全巡檢小車的轉向是采用一臺兩相四線步進電機進行機械轉向，步進電機相對于其它電機的最大區(qū)別是，它的角位移量與輸入的脈沖個數(shù)嚴格成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數(shù)量、頻率和電機繞組的相序，即可獲得所需的轉角、速度和方向[5]。當需要轉向時，PLC發(fā)出轉向信號給執(zhí)行單片機，執(zhí)行單片機根據(jù)PLC發(fā)出的轉向信號，輸出特定的脈沖序列給轉向步進電機驅動，轉向步進電機驅動采用L298N電機驅動模塊。單片機通過4個引腳輸出特定個數(shù)的八拍脈沖信號給電機驅動模塊，電機驅動模塊會輸出相應的八拍脈沖序列給轉向步進電機，步進電機按照要求的方向和角度轉向。具體的轉向控制硬件連接如圖3所示。

圖3 轉向控制硬件連接示意圖

轉向控制信號來自于PLC對接收到的超聲波測距模塊返回的距離數(shù)據(jù)的邏輯判斷。當代表小車前方或左右距離的數(shù)據(jù)小于或大于設定值，PLC會輸出相應的轉向信號控制轉向電機轉向。超聲波模塊安裝的距離較近，同時工作時聲波的反射會對相鄰的模塊產(chǎn)生干擾，為了避免這種干擾導致測距出現(xiàn)偏差，同一時刻只讓一個超聲波模塊工作，加快循環(huán)的速度，可以實現(xiàn)實時測距的效果。GM8125可以將一個全雙工的標準串口擴展成5個標準串口，并能通過外部引腳MS控制串口擴展模式:單通道工作模式和多通道工作模式[6]。安全監(jiān)測小車中GM8125芯片采用單通道工作模式，將引腳 MS 懸空。用單片機的引腳充當?shù)刂肪€，在一個時刻，選擇一組 RXD 和TXD 與母串口進行通訊。選擇對應的串口，即選擇此時刻工作的超聲波模塊。同時加快循環(huán)速度就能實現(xiàn)實時測距的功能。芯片與單片機的硬件連接如圖4所示。

圖4 芯片與單片機的硬件連接

超聲波模塊采用HC-SR04超聲波測距模塊，該模塊有UART(串口)模式和觸發(fā)模式。論文采用UART(串口)模式，通過在單片機的Trig/TX管腳輸入波特率為9 600的0X55，距離數(shù)據(jù)會通過Echo/RX管腳返回。通過串口觸發(fā)模式可直接得到距離數(shù)值，距離數(shù)據(jù)從串口1輸入給單片機，從單片機的串口2發(fā)送給PLC的自由口，PLC對接收到的數(shù)據(jù)進行判斷，輸出轉向信號控制小車的轉向。由于PLC自由口支持RS485接口標準，單片機要與PLC進行通訊，還需使用TTL轉485信號轉換模塊XY-017。距離信息的傳遞流程圖如圖5所示。

圖5 距離信息傳輸流程圖

安全巡檢小車采用ZigBee無線通訊模塊來構建通訊網(wǎng)絡。ZigBee模塊主要分為中心節(jié)點和終端節(jié)點兩大類，中心節(jié)點作為協(xié)調器負責建立ZigBee無線網(wǎng)絡，終端節(jié)點作為路由器主動掃描網(wǎng)絡并申請加入，兩者建立無線鏈路后即可進行點對點的數(shù)據(jù)通信[7]。安全巡檢小車的位置信息通過自由口發(fā)送給PLC，每次新數(shù)據(jù)讀入完成后，PLC通過ZigBee模塊的點對點通訊將總數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。發(fā)送給上位機的總數(shù)據(jù)包括來自EM235模塊的環(huán)境數(shù)據(jù)和移動監(jiān)測平臺的位置數(shù)據(jù)。上位機的控制信息通過ZigBee點對點通訊回傳給單片機，單片機對控制信號預處理后發(fā)送給PLC。ZigBee構建的無線通訊網(wǎng)絡，實現(xiàn)了用戶對小車的無線控制，并保證了監(jiān)控的實時同步。具體的無線網(wǎng)絡通訊工作如圖6所示。

圖6 無線網(wǎng)絡通訊工作示意圖

2.2 車間的環(huán)境檢測

采用MQ-136模塊檢測硫化氫濃度，MQ-8模塊檢測氫氣濃度，MQ-7模塊檢測一氧化碳濃度，MQ-4模塊檢測甲烷濃度，熱敏電阻模塊檢測溫度，所有傳感器輸出的模擬量信號均為電壓信號，這些信號連接EM235模塊時，分別接至相應通道的X+和X-端子。以溫度測量為例，設熱敏電阻模塊標稱的測溫范圍為T1-T2，設置所有模擬量的數(shù)據(jù)字格式為單極性，全量程范圍0～32 000，若測得的模擬量數(shù)據(jù)為A0，則當前溫度A可表示為：

其他的模擬量檢測與溫度類似。為了提高數(shù)據(jù)的測量精確，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)無線傳輸，將最后得到的數(shù)據(jù)擴大1 000倍，這樣可保留到小數(shù)點后三位。

3 軟件程序設計

軟件設計分為兩部分，第一部分為PLC與單片機之間接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的程序設計，第二部分為單片機與超聲波測距模塊通訊程序設計以及對PLC輸出信號和對上位機控制信號的處理程序設計。

3.1 PLC與單片機通訊程序設計

PLC與單片機通過PLC的通訊端口0進行通訊。在自由口模式下，使用接收中斷、發(fā)送中斷、發(fā)送指令(XMT)和接收指令(RCV)來和單片機通信[8]。部分串口初始化程序如圖7(a)所示。SMB30用來配置通訊端口0的自由口通訊模式，SMB89用來設置信息結束字符。設置SMB30的值為09 H，即設置通訊端口0通訊模式為無奇偶校驗，波特率9 600，數(shù)據(jù)位為8位；設置SMB89的值為FFH，即設置信息結束字符為FF。使用ATCH指令將接收信息完成中斷事件連接到中斷服務程序0；使用RCV指令將自由口0設置成接收模式，并設置存儲數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

圖7 部分初始化程序及中斷服務程序0

當一次的距離數(shù)據(jù)接收完成后，進入中斷服務程序0。PLC的中斷服務程序0如圖7(b)所示。SMB86在接收到信息結束字符后會變成20 H，在中斷服務程序0中，判斷SMB86的值是否等于20 H，若等于20 H，則是一次完整的數(shù)據(jù)接收，接下來對SMB86清零，使用XMT指令將自由口0設置成發(fā)送模式，發(fā)送PLC當下所獲得的所有環(huán)境檢測量數(shù)據(jù)和距離數(shù)據(jù)。發(fā)送完成后啟動RCV指令將自由口設置成接收模式，準備下一次數(shù)據(jù)的接收。每次接收數(shù)據(jù)的存儲位置都是同一存儲單元，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的覆蓋刷新。

3.2 單片機程序設計

單片機主要負責與超聲波模塊的通訊和上位機控制信號、PLC轉向控制信號的處理。

在單片機與超聲波模塊通訊程序設計中，超聲波測距模塊工作在串口模式下，單片機直接通過串口發(fā)送讀取距離數(shù)據(jù)指令，同時設置單片機為允許串口接收數(shù)據(jù)模式。超聲波模塊接收到讀取指令后，返回距離數(shù)據(jù)，單片機進入串行通信中斷，將數(shù)據(jù)存入事先定義好的數(shù)組，之后判斷接收到的數(shù)據(jù)是否為5個距離數(shù)據(jù)的最后一個數(shù)據(jù)，若是則設置單片機為禁止串口接收數(shù)據(jù)模式，發(fā)送此時數(shù)組中的所有數(shù)據(jù)，清零所有計數(shù)器，然后開始下一次的循環(huán)；否則開始選擇下一個超聲波測距模塊讀取距離數(shù)據(jù)。

單片機信號處理程序中，主程序設置單片機為允許串口接收數(shù)據(jù)模式。上位機有控制信息下傳時，單片機接收到控制信號，進入串行中斷，根據(jù)接收到的控制信號置高相應的引腳，控制繼電器線圈通電，閉合相應的PLC輸入觸點，PLC根據(jù)閉合的輸入觸點執(zhí)行相應的操作。當PLC輸出轉向控制信號時，PLC會閉合相應的輸出觸點，控制繼電器線圈通電，置高單片機的相應引腳，單片機根據(jù)此信號，輸出對應的脈沖序列。

4 監(jiān)控界面設計

采用C++builder設計上位機監(jiān)控界面。上位機監(jiān)控主界面包括用戶的登錄、巡檢小車的啟動、停止、休眠以及喚醒控制，還可根據(jù)需要選擇要進入的子界面，子界面包括車間狀態(tài)監(jiān)控和機器人位置監(jiān)控。上位機監(jiān)控主界面如圖8所示。串口通訊采用MSComm通信控件，MSComm控件是Microsoft公司提供的串行通信編程的ActiveX控件，它為應用程序提供了通過串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法[9]。PLC將采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee模塊發(fā)送給上位機，上位機接收到的數(shù)據(jù)是16進制。以溫度數(shù)據(jù)處理為例，先將接收到的數(shù)據(jù)轉變?yōu)?0進制，再將此數(shù)據(jù)除以1 000，即為當前時刻車間溫度，將溫度值在狀態(tài)監(jiān)控界面通過Memo控件的Text屬性進行顯示。若溫度超過警戒設定值，通過Label控件的Caption屬性顯示報警信息，提示當前溫度狀態(tài)異常，同時調用MessageBox函數(shù)，彈出報警對話框提示工作人員處理。上位機接收到的小車位置數(shù)據(jù)在機器人位置監(jiān)控界面通過Memo控件的Text屬性顯示。

圖8 上位機監(jiān)控主界面

5 實驗結果與分析

經(jīng)過測試，監(jiān)控系統(tǒng)運行正常，用戶登陸主界面后，在主界面可以成功控制小車的啟動、停止、喚醒以及休眠，巡檢機器人狀態(tài)指示燈為綠色時，巡檢小車處于啟動狀態(tài)，紅色時為停止狀態(tài)，白色時為休眠狀態(tài)。巡檢小車啟動后，用戶在菜單欄選擇要進入的子界面，就可以實時監(jiān)測小車的運行狀態(tài)及需巡檢車間的環(huán)境參數(shù)。圖9為某時刻車間狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)實驗結果，實時顯示了當前時刻車間的溫度、硫化氫、一氧化碳、甲烷等氣體的濃度，當某種參數(shù)值超過要求的警戒值時，給以相應的提示和報警，完成了對車間環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測。圖10為某時刻機器人位置數(shù)據(jù)實驗結果，顯示了巡檢小車的前方、左前方、右前方、左后方、右后方與障礙物的距離，當某一方間距小于安全距離時，小車可以完成自動避障和轉向，可以完成正常巡航。

圖9 車間狀態(tài)監(jiān)測

圖10 機器人位置監(jiān)測

6 結語

將PLC與單片機相結合，實現(xiàn)安全巡檢小車的自動巡航，使用EM235模塊和模擬量傳感器監(jiān)測車間環(huán)境，利用ZigBee技術完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸，上位機監(jiān)測實時同步。小車實現(xiàn)了石油催化裂化車間的安全巡檢，將小車與車間原有的監(jiān)測系統(tǒng)相結合，可以彌補車間原有其監(jiān)測系統(tǒng)存在監(jiān)測盲區(qū)的問題，進一步降低車間發(fā)生事故的概率。經(jīng)過測試表明，該系統(tǒng)靈活性高，可適應復雜的車間環(huán)境，通用性好，可以改善原有監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測盲區(qū)問題。

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