胡青龍（無錫三良自動(dòng)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(yīng)用

胡青龍
（無錫三良自動(dòng)化工程有限公司，江蘇無錫214131）

摘要：介紹西門子不同型號(hào)的PLC控制系統(tǒng)在能源化工中的應(yīng)用，詳細(xì)敘述西門子S7-200PLC與FS300氣體報(bào)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(jiǎn)單方便，運(yùn)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(cái)產(chǎn)的安全，事關(guān)企業(yè)發(fā)展和社會(huì)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(chǎng)存放易燃、易爆、有毒氣體儲(chǔ)罐眾多，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生泄漏有毒、易燃、易爆氣體濃度達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)給企業(yè)財(cái)產(chǎn)安全和職工生命安全構(gòu)成威脅，為此實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)有毒、易燃、易爆氣體濃度，成為保障企業(yè)財(cái)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(bào)警控制器等組成的有毒、易燃、易爆實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用。根據(jù)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)可分為PLC控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)氣體采集系統(tǒng)以及氣體報(bào)警監(jiān)測(cè)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(jiǎn)稱，是一種數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。其中德國(guó)西門子公司推出的S7系列可編程序控制器能夠適用于復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，具有很強(qiáng)的抗干擾能力和很高的可靠性，對(duì)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(jìn)行通訊連接，S7-200采用CPU為224XP CN的機(jī)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(jī)器作為DP通訊的主站。S7-200預(yù)留一個(gè)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(shè)置一臺(tái)工程師站實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)氣體報(bào)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(shí)現(xiàn)整個(gè)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(chǎng)氣體采集系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)氣體采集系統(tǒng)組成具體如下：毒性氣體探測(cè)器GDS-TOX(CO)數(shù)量為37臺(tái)；可燃?xì)怏w探測(cè)器GDS-LEL-1數(shù)量為130臺(tái)；毒性氣體探測(cè)器GDS-TOX-PID數(shù)量為3臺(tái)；共計(jì)170臺(tái)氣體檢測(cè)儀組成現(xiàn)場(chǎng)氣體采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的有毒、易燃、易爆氣體的濃度。它們具有穩(wěn)定性高、壽命長(zhǎng)、單人操作方便、不開蓋遠(yuǎn)紅外標(biāo)定、液晶顯示、防腐防爆、故障顯示、故障反饋等特點(diǎn)。

3　氣體報(bào)警監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)

采用FS300氣體報(bào)警控制器作為本項(xiàng)目的氣體報(bào)警監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)的主機(jī)，負(fù)責(zé)將現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)器4-20 mA DC的輸入電流轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的被測(cè)對(duì)象量的顯示，用于與多點(diǎn)GDS-LEL、GDS-TOX型毒性氣體探測(cè)器、可燃?xì)怏w探測(cè)器組成氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)，在控制室或值班室集中顯示、監(jiān)測(cè)、報(bào)警，并連接啟動(dòng)關(guān)聯(lián)設(shè)備，確保人身和設(shè)備的安全。

FS300氣體報(bào)警控制器采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus RTU通訊協(xié)議與西門子CPU224XP CN的PLC進(jìn)行通訊，采用波特率為9 600 bit/s，數(shù)據(jù)位為8，奇偶效驗(yàn)為無校驗(yàn)，停止位為1，特殊之處讀取保持寄存器數(shù)據(jù)時(shí)，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(bào)警控制器采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus RTU通訊協(xié)議進(jìn)行通訊。根據(jù)FS300氣體報(bào)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(yàn)為無校驗(yàn)，停止位為1的通訊格式進(jìn)行編寫西門子S7-200的Modbus通訊主站的程序，因?yàn)镃PU224XP CN自帶兩個(gè)RS485通訊端口，依據(jù)西門子S7-200的指令庫(kù)定義Port1口為通訊主站接口，用于連接FS300氣體報(bào)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(shí)間

其中圖2，圖3兩副圖中的網(wǎng)絡(luò)1、網(wǎng)絡(luò)2以及網(wǎng)絡(luò)3的作用是自定義Modbus程序掃描時(shí)間，T37是100 ms的定時(shí)器，每當(dāng)定時(shí)器達(dá)到100 ms時(shí)，觸發(fā)一個(gè)脈沖使寄存器VW2008加1。以此類推，當(dāng)寄存器VW2008累加到34時(shí)，通過MOV指令是寄存器VW2008的值清零。圖3中的網(wǎng)絡(luò)4是初始化Modbus主站程序，MBUS_CTRL_P1指令相關(guān)參數(shù)的設(shè)置：Mode為1時(shí)，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(yàn)（0-無校驗(yàn)，1-奇校驗(yàn)，2-偶校驗(yàn)）；Timeout為超時(shí)；Done為完成位，初始化完成，此位會(huì)自動(dòng)置1；Error為初始化錯(cuò)誤代碼（0-無錯(cuò)誤，1-校驗(yàn)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(kù)中的MBUS_MSG_P1指令的讀寫FS300氣體報(bào)警控制器中的數(shù)據(jù)，指令相關(guān)參數(shù)的設(shè)置：First讀寫請(qǐng)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(gè)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(gè)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(gè)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(cuò)誤代碼[1]。使能開始，根據(jù)寄存器VW2008中的數(shù)據(jù)與設(shè)定的常數(shù)進(jìn)行比較相等時(shí)觸發(fā)讀寫請(qǐng)求位，完成讀寫指令。讀取不同F(xiàn)S300氣體報(bào)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(bào)警控制器之間的Modbus RTU通訊程序的編寫，要實(shí)現(xiàn)FS300氣體報(bào)警控制器中的數(shù)據(jù)在上位機(jī)組態(tài)中的實(shí)時(shí)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(jìn)行通訊連接，因?yàn)槭艿紼M277 Profibus-DP模塊輸出輸入數(shù)據(jù)量的限制，加上本項(xiàng)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(shí)需要發(fā)送一個(gè)標(biāo)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(shí)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(biāo)志位以及發(fā)送的時(shí)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(shè)置如圖7所示。

圖7　EM277模塊設(shè)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(biāo)寄存器中，如圖8所示，把S7-200程序發(fā)送過來的標(biāo)志位數(shù)據(jù)移送到目標(biāo)寄存器MW100中。

圖8　標(biāo)志位數(shù)據(jù)移送

因?yàn)槊看伟l(fā)送的數(shù)據(jù)不同，通過S7-200程序發(fā)送過來的標(biāo)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(dāng)M100.0為1是觸發(fā)一個(gè)脈沖，把第一次接收的數(shù)據(jù)存放在DB1數(shù)據(jù)塊中，當(dāng)M100.1為1是觸發(fā)一個(gè)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(yǔ)

Modbus通訊和DP通訊雖然通訊協(xié)議不同，但都具有編程簡(jiǎn)單方便，使用廣泛等特點(diǎn)，該方案通過現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)機(jī)調(diào)試運(yùn)行，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)有毒、易燃、易爆氣體濃度，并且在上位機(jī)上集中顯示、監(jiān)測(cè)、報(bào)警，當(dāng)氣體濃度達(dá)到設(shè)定值時(shí)可連接啟動(dòng)關(guān)聯(lián)設(shè)備，確保人身和設(shè)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(yùn)行良好，值得推廣。

參考文獻(xiàn)：

［1］西門子（中國(guó)）自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán).西門子S7-200. LOGO！SITOP參考［Z］. 2012.

［2］無錫時(shí)和安全設(shè)備有限公司. FS300氣體報(bào)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(jiǎn)介：胡青龍，男，1985年生，江蘇沭陽(yáng)人，大學(xué)?？啤Ｑ芯款I(lǐng)域：自動(dòng)化控制及應(yīng)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(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009－9492 ( 2015 ) 11－0101－04