浅析PLC控制系统在能源化工的应用

胡青龙（无锡三良自动化工程有限公司，江苏无锡　214131）



浅析PLC控制系统在能源化工的应用

胡青龙
（无锡三良自动化工程有限公司，江苏无锡214131）

摘要：介绍西门子不同型号的PLC控制系统在能源化工中的应用，详细叙述西门子S7-200PLC与FS300气体报警控制器之间的Modbus RTU通讯程序以及西门子S7-200与S7-300之间DP通讯分批发送程序，系统编程简单方便，运行可靠。

关键词：安全；PLC；通讯；控制

0　概述

安全生产事关职工的生命安全和企业财产的安全，事关企业发展和社会稳定的大事。搞好安全生产工作，是企业生存发展的根本，是体现“以人为本”的需要。特别是能源化工企业的安全生产更不容忽视，其现场存放易燃、易爆、有毒气体储罐众多，当现场发生泄漏有毒、易燃、易爆气体浓度达到一定程度时，会给企业财产安全和职工生命安全构成威胁，为此实时监控现场有毒、易燃、易爆气体浓度，成为保障企业财产安全和职工生命安全重要措施。本文以陕西省某能源化有限公司工程为例，介绍西门子PLC控制系统、气体报警控制器等组成的有毒、易燃、易爆实时监控系统在现场中的应用。根据控制系统的特点可分为PLC控制系统、现场气体采集系统以及气体报警监测处理系统。

1　PLC控制系统的组成

PLC是可编程序控制器（Programmable Logic Controller）的简称，是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。其中德国西门子公司推出的S7系列可编程序控制器能够适用于复杂的工业环境，具有很强的抗干扰能力和很高的可靠性，对工作电源没有特殊要求。为了降低系统的成本，本系统PLC采用西门子S7-200和S7-300，二者之间通过EM277 Profibus-DP模块进行通讯连接，S7-200采用CPU为224XP CN的机器作为DP通讯的从站以及Modbus通讯主站，S7-300采用CPU为315-2PN/ DP的机器作为DP通讯的主站。S7-200预留一个Modbus通讯从站接口，便于业主DCS控制系统采集本系统的数据。本控制系统设置一台工程师站实时采集现场气体报警仪的状态数据，工程师站采用以太网通讯形式与S7-300的PLC连接，实现整个PLC控制监控系统。系统组成示意图如图1所示。

图1　PLC控制系统组成示意图

2　现场气体采集系统

现场气体采集系统组成具体如下：毒性气体探测器GDS-TOX(CO)数量为37台；可燃气体探测器GDS-LEL-1数量为130台；毒性气体探测器GDS-TOX-PID数量为3台；共计170台气体检测仪组成现场气体采集系统，实时监测现场的有毒、易燃、易爆气体的浓度。它们具有稳定性高、寿命长、单人操作方便、不开盖远红外标定、液晶显示、防腐防爆、故障显示、故障反馈等特点。

3　气体报警监测处理系统

采用FS300气体报警控制器作为本项目的气体报警监测处理系统的主机，负责将现场探测器4-20 mA DC的输入电流转换成对应的被测对象量的显示，用于与多点GDS-LEL、GDS-TOX型毒性气体探测器、可燃气体探测器组成气体浓度检测系统，在控制室或值班室集中显示、监测、报警，并连接启动关联设备，确保人身和设备的安全。

FS300气体报警控制器采用标准的Modbus RTU通讯协议与西门子CPU224XP CN的PLC进行通讯，采用波特率为9 600 bit/s，数据位为8，奇偶效验为无校验，停止位为1，特殊之处读取保持寄存器数据时，寄存器数量不能超过20，具体通讯协议如表1所示[2]。

表1　MODBUS RTU通信协议

4　PLC程序编写

4.1S7-200中Modbus通讯程序

西门子CPU224XP CN的PLC与FS300气体报警控制器采用标准的Modbus RTU通讯协议进行通讯。根据FS300气体报警控制器的通讯协议，西门子PLC采用波特率为9 600 bit/s，数据位为8，奇偶效验为无校验，停止位为1的通讯格式进行编写西门子S7-200的Modbus通讯主站的程序，因为CPU224XP CN自带两个RS485通讯端口，依据西门子S7-200的指令库定义Port1口为通讯主站接口，用于连接FS300气体报警控制器。具体通讯程序如图2所示。

图2　定义Modbus程序扫描时间

其中图2，图3两副图中的网络1、网络2以及网络3的作用是自定义Modbus程序扫描时间，T37是100 ms的定时器，每当定时器达到100 ms时，触发一个脉冲使寄存器VW2008加1。以此类推，当寄存器VW2008累加到34时，通过MOV指令是寄存器VW2008的值清零。图3中的网络4是初始化Modbus主站程序，MBUS_CTRL_P1指令相关参数的设置：Mode为1时，使能Modbus协议功能；Baud为通讯协议的波特率；Parity为通讯协议的奇偶校验（0-无校验，1-奇校验，2-偶校验）；Timeout为超时；Done为完成位，初始化完成，此位会自动置1；Error为初始化错误代码（0-无错误，1-校验选择非法，2-波特率选择非法，3-模式选择非法）[1]。

图4为Modbus指令库中的MBUS_MSG_P1指令的读写FS300气体报警控制器中的数据，指令相关参数的设置：First读写请求位；Slave从站地址（可选择的范围1-247）；RW为从站地址（0-读命令，1-写命令）；Addr为读写从站的数据地址（00001至0xxxx-开关量输出，10001至1xxxx-开关量输入，30001至3xxxx-模拟量输入，40001 至4xxxx-保持寄存器）；Count为参与通讯的数据个数；DataPtr为数据指针（如果是读指令，读回的数据放到这个数据区中；如果是写指令，要写出的数据放到这个数据区中）；Done为完成位，读写功能完成位；Error为初始化错误代码[1]。使能开始，根据寄存器VW2008中的数据与设定的常数进行比较相等时触发读写请求位，完成读写指令。读取不同FS300气体报警控制器的不同数据类型的数据，只需要改变MBUS_MSG_P1指令的相关参数就可以。至此完成了西门子S7-200的PLC与FS300气体报警控制器之间的Modbus RTU通讯程序的编写，要实现FS300气体报警控制器中的数据在上位机组态中的实时显示，还需要编写西门子S7-300与S7-200之间的DP通讯程序。

图3　Modbus主站程序初始化

图4　Modbus主站分批读写

4.2S7-200中DP通讯程序

西门子S7-200与S7-300之间采用EM277 Pro⁃fibus-DP模块进行通讯连接，因为受到EM277 Profibus-DP模块输出输入数据量的限制，加上本项目参与通讯的数据量众多，S7-200的PLC无法一次性完成所有数据发送，为此需要分批向S7-300的PLC发送数据，为了区别每次发送的数据不同，在每次发送数据时需要发送一个标志位，以供S7-300的PLC区别每次发送的数据不同，具体通讯程序如图5、图6所示。

图5　分批发送程序的扫描时间和发送次数

图6　分批发送的具体程序

每次发送程序的指令相同，不同的是发送数据的数量、起始地址、标志位以及发送的时间不同，在此不再叙述。

4.3 S7-300中DP通讯程序

西门子S7-300与S7-200之间通讯，除了需要EM277的硬件模块，还需要在S7-300的编程软件SIMATIC中组态EM277的GSD文件，具体的组态步骤这里就不在叙述，EM277模块的具体设置如图7所示。

图7　EM277模块设置

西门子S7-300程序中需要把S7-200程序发送过来的数据通过MOVE指令移送到目标寄存器中，如图8所示，把S7-200程序发送过来的标志位数据移送到目标寄存器MW100中。

图8　标志位数据移送

因为每次发送的数据不同，通过S7-200程序发送过来的标志位来区别S7-300接收的数据存放在不同的寄存器中，如图9所示，当M100.0为1是触发一个脉冲，把第一次接收的数据存放在DB1数据块中，当M100.1为1是触发一个脉冲，把第二次接收的数据存放在DB2数据块中，以此类推，具体在此不一一列举。至此完成了西门子S7-300与S7-200之间的DP通讯程序。

图9　分批移送数据

5　结束语

Modbus通讯和DP通讯虽然通讯协议不同，但都具有编程简单方便，使用广泛等特点，该方案通过现场联机调试运行，能够实时监控现场有毒、易燃、易爆气体浓度，并且在上位机上集中显示、监测、报警，当气体浓度达到设定值时可连接启动关联设备，确保人身和设备的安全。本系统控制方案降低了系统的硬件成本投入，系统投入使用，运行良好，值得推广。

参考文献：

［1］西门子（中国）自动化与驱动集团.西门子S7-200. LOGO！SITOP参考［Z］. 2012.

［2］无锡时和安全设备有限公司. FS300气体报警控制器使用说明书［Z］. 2013.

(编辑：向飞)

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

作者简介：胡青龙，男，1985年生，江苏沭阳人，大学专科。研究领域：自动化控制及应用。已发表论文2篇。

收稿日期：2015－05－19

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

中图分类号：TP273

文献标识码：A

文章编号：1009－9492 ( 2015 ) 11－0101－04