一種基於zigbee的重大危險源監控仿真實驗裝置的製作方法
2023-10-07 02:54:19
專利名稱：一種基於zigbee的重大危險源監控仿真實驗裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種基於ZIGBEE的重大危險源監控仿真實驗裝置，屬於短距離無線技術領域。
背景技術：
重大危險源是指企業生產活動中客觀存在的危險物質或能量超過臨界值垢設施、設備或場所。重大危險源是危險物質大量聚集的地方，存在著重大安全事故發生的可能性，並且一旦發生安全事故，將會對從業人員的人身安全以及集體財產造成嚴重損害。但事故的發生發展過程往往伴隨著運行參數及信息的異常變化，在這些參數及信息中，大多數是可觀測的，有些還是可控的。利用先進、可靠的監測監控技術手段，對重大危險源進行實時監控，對有效防範安全生產事故有重要作用。 通過監控系統的使用，對重大危險源中與安全事故密切相關的生產參數(如溫度、液位、壓力、火焰、煙霧、易燃易爆或有毒有害氣體濃度等)和對生產現場進行全天候的自動監測，是預防和控制重大事故的有交手段。目前，我國許多企業相繼建成了自己的監控系統，但大多是利用有線的方式實現的，布線繁瑣、擴展能力差；另外，在工業現場中環境比較複雜，容易造成線路老化或腐蝕、磨損等容易導致通信線路的阻塞、不順暢，不易維護；同時對未安裝監控系統的老廠房和老建築的改造，其設計、施工與維護難度較大，而且成本較高。生產現場事故發生時，如何還原及模擬生產過程實際情況，準確的對事故原因進行調查分析與鑑定，也是面對的一個問題。
發明內容本實用新型提出的是一種基於ZIGBEE的重大危險源監控仿真實驗裝置，其目的是將工業控制對像模擬裝置中的各類參數(如溫度、壓力、流量、液位等)信號及有毒有害及易燃易爆氣體濃度檢測儀採集到的信號經過第二 ZIGBEE無線傳輸模塊發送到第一 ZIGBEE無線傳輸模塊然後傳送到PLC控制器在經乙太網通信傳輸到上位機，上位機通過工業乙太網與PLC控制器實時進行數據交換，實時監控PLC控制器檢測到的參數，並在異常時發出預警信號。同時可以通過上位機監控畫面實現工藝的監視和現場環境的監視。旨在實現對工業現場的實際情況進行模擬，可作為一個測試平臺，對設備進行相應的測試與評定，實現安全人員對實際的危險源進行在線的模擬和相應的科研研究，同時提供一種無線數據檢測的方案，為安全人員進行相應的科學研究提供方便。本實用新型的技術方案是其結構包括上位機、PLC控制器、第一 ZIGBEE無線傳輸模塊、第二 ZIGBEE無線傳輸模塊、有毒有害及易燃易爆氣體濃度檢測儀、多媒體監控系統、煙霧及火焰探測系統和工業控制對像模擬裝置，其中多媒體監控系統的信號輸出端與上位機的信號輸入端相接，上位機的信號輸入/輸出端與工業乙太網的第一信號輸出/輸入端對應相接，工業乙太網的第二信號輸入/輸出端與PLC控制器的信號輸出/輸入端對應相接，PLC控制器的第一信號輸入端與煙霧及火焰探測系統的信號輸出端相接，PLC控制器的第二信號輸入端與第一 ZIGBEE無線傳輸模塊的信號輸出端相接，工業控制對象模擬裝置的信號輸出端相接與第二 ZIGBEE無線傳輸模塊的第一信號輸入端相接，第二 ZIGBEE無線傳輸模塊的第二信號輸入端與有毒有害及易燃易爆氣體濃度檢測儀的信號輸出端相接；第二 ZIGBEE無線傳輸模塊的數據信息發送端與第一 ZIGBEE無線傳輸模塊的數據信息接收端對應設置。本實用新型的有益效果可以很好的對傳統的4_20mA電量輸出的傳感器或檢測儀進行改造應用。能實現對工業生產過程中的檢測設備4-20mA電量的無線發送和接收，對工業生產現場實時進行視頻監控，上位機與PLC控制器實時進行數據交換，並在異常時發出報警信號及報警記錄，同時，存儲現場圖像及數據。可以實現對工業現場的實際情況進行模擬，同時也可以作為一個測試平臺，對設備進行相應的測試與評定，可以實現安全人員對實際的危險源進行在線的模擬和相應的科研研究及對於促進工控領域發展有較大意義。
附圖I基於ZIGBEE的重大危險源監控仿真實驗裝置結構示意圖。附圖2為第一 ZIGBEE無線傳輸模塊的結構不意圖。附圖3為第二 ZIGBEE無線傳輸模塊的結構示意圖。附圖4為工業控制對象模擬裝置結構示意圖。
具體實施方式
對照圖1，其結構包括上位機、PLC控制器、第一 ZIGBEE無線傳輸模塊I、第二ZIGBEE無線傳輸模塊2、有毒有害及易燃易爆氣體濃度檢測儀、多媒體監控系統、煙霧及火焰探測系統和工業控制對像模擬裝置，其中多媒體監控系統的信號輸出端與上位機的信號輸入端相接，上位機的信號輸入/輸出端與工業乙太網的第一信號輸出/輸入端對應相接，工業乙太網的第二信號輸入/輸出端與PLC控制器的信號輸出/輸入端對應相接，PLC控制器的第一信號輸入端與煙霧及火焰探測系統的信號輸出端相接，PLC控制器的第二信號輸入端與第一 ZIGBEE無線傳輸模塊I的信號輸出端相接，工業控制對象模擬裝置的信號輸出端相接與第二 ZIGBEE無線傳輸模塊2的第一信號輸入端相接，第二 ZIGBEE無線傳輸模塊2的第二信號輸入端與有毒有害及易燃易爆氣體濃度檢測儀的信號輸出端相接；第二ZIGBEE無線傳輸模塊2的數據信息發送端與第一 ZIGBEE無線傳輸模塊的數據信息接收端對應設置。上位機與多媒體監控系統連接。視頻信號嵌入到上位機操作界面中，可以方便的通過上位機操作界面實時的對生產工藝和現場環境進行監視。本裝置將工業控制對像模擬裝置中檢測的參數信號及有毒有害及易燃易爆氣體濃度檢測儀採集到的信號經過第二 ZIGBEE無線傳輸模塊2發送到第一 ZIGBEE無線傳輸模塊1，然後傳送到PLC控制器，上位機通過工業乙太網與PLC控制器實時進行數據交換，通過對臨界參數的比對，在異常時發出報警信號。同時，可以實現對工藝和現場環境進行監視。所述上位機包括工程師站和操作員站，分別與工業乙太網交換機連接，工程師站集成了西門子的STEP 7組態軟體及WINCC RC工控軟體，提供組態與開發環境，操作員站集成西門子WINCC RT工控軟體。上位機通過工業乙太網與PLC控制器實時進行數據交換，能觀測到工藝過程參數與現場環境的變化，並能在異常時發出報警信號及記錄報警信息和圖像信息的存儲。所述的第一 ZIBEE無線傳輸模塊I採用Chpicon公司的CC2430晶片作為無線傳輸模塊的主控制單元。所述的第二 ZIGBEE無線模塊2提供了標準的4-20mA的模擬電量輸出接口。第一 ZIGBEE無線傳輸模塊I預留4_20mA的電流模擬量信號輸出方便與PLC控制器I/o模塊的連接，第一 ZIGBEE無線傳輸模塊I將接收到第二 ZIGBEE無線傳輸模塊2信號，轉換回4-20mA模擬電量信號傳輸給PLC控制器。第二 ZIGBEE無線傳輸模塊2設置4_20mA電流模擬量信號輸入接口，可以很好的與傳統的4-20mA電量輸出的傳感器相連，無需另行設計傳感器，可以很好的對傳統的有線方式的4-20mA電量輸出的傳感器進行改造應用。所述的第二 ZIGBEE無線傳輸模塊2設置4_20mA電流模擬量信號輸入接口，可以很好的與傳統的傳感器相連，無需另行設計傳感器，對傳統的有線方式的傳感器進行改造應用。實現對工業生產過程中檢測設備4-20mA電量輸出的無線發送和接收，對工業生產現場實時進行視頻監控，上位機實時與PLC控制器進行數據交換，並在異常時發出預警信號，同時，存儲現場圖像及數據。實現對工業現場的實際情況進行模擬，同時也可以作為一個測試平臺，對設備進行相應的測試與評定，實現安全人員對實際的危險源進行在線的模擬和相應的科研研究及對於促進工控領域發展有較大意義。所述的工業控制對象模擬裝置，採用快速接頭應用於管線連接中，使得在同一臺裝置設備上僅僅依靠快裝接頭靈活而快捷的不同連接，方便改變管路走向，從而可以模擬多種工業生產控制過程，如「串級控制、前饋控制、比值控制，均勻控制，相關聯控制等。以便與分析、比較和研究，從而極大地豐富了實驗內容和提高了本系統的使用價值。所述的有毒有害及易燃易爆氣體濃度檢測儀包括硫化氫濃度檢測儀、氯氣濃度檢測儀和氨氣濃度檢測儀(現有技術)，採用標準的4-20mA的模擬電量輸出，硫化氫濃度檢測儀、氯氣濃度檢測儀和氨氣濃度檢測儀的信號輸出端分別與第二 ZIGBEE無線傳輸模塊的信號輸入端連接，將檢測到的數據經第二 ZIGBEE無線傳輸模塊無線傳送到第一 ZIGBEE無線傳輸模塊。所述PLC控制器採用西門子的S7-300PLC，其將第一 ZIGBEE無線傳輸模塊I接收到的I/o信號，通過I/O模塊傳送到CPU，同時對採集的過程變量與臨界參數進行比對，並在超過臨界參數時發出報警輸出。對照圖2，其結構是第一 ZIGBEE無線傳輸模塊I採用Chpicon公司的CC2430晶片作為無線傳輸模塊的主控制單元，電源模塊採用兩種供電方式一種是通過PLC控制站電源直接接24V供電，另一種是由電池直接供電，數模轉換單元主要採用AD5410晶片，AD5410是一款低成本、高度集成的12位數模轉換器，提供可編程電流源輸出，可將接收到的信息通過CC2430內部處理後的信息，在經AD5410進行編程設置輸出4 -20 mA模擬電量，輸入到PLC控制器I/O模塊。對照圖3，其結構是第二 ZIGBEE無線傳輸模塊2，採用Chpicon公司的CC2430晶片作為無線傳輸模塊的主控制單元，電源模塊採用兩種供電方式一種是通過變壓器直接接220V交流電供電，另一種是由電池直接供電，信號轉換單元主要採用美國RURR - BROffN公司生產的精密電流環接收器晶片RCV420，用於將4-20mA輸入信號轉換成為0-5V輸出信號，然後通過CC2430晶片內部的14位A-D進行讀取，將信號發送給第一 ZIGBEE無線傳輸模塊
Io對照圖4，工業控制對象模擬裝置中的溫度傳感器、液位傳感器、流量傳感器和壓力傳感器(現有技術)的信號輸出端分別與第二 ZIBEE無線傳輸模塊2的信號輸入端對應相連接，由第二 ZIGBEE無線傳輸模塊2的電源模塊給傳感器供電，實現工業控制對像模擬裝置中各類參數無線傳輸通信；有毒有害及易燃易爆氣體濃度檢測儀與第二 ZIGBEE無線傳輸模塊2相連接，同時由第二 ZIGBEE無線傳輸模塊2的電源模塊提供電源，實現採集數據的無線傳輸；第一 ZIGBEE無線傳輸模塊I與第二 ZIGBEE無線傳輸模塊2之間通信採用ZIGBEE無線傳輸協議。工業控制對象模擬裝置採用快速接頭應用於管線連接中，使的在同一臺裝置設備 上僅僅依靠快裝接頭靈活而快捷的不同連接，方便改變管路走向，從而可以模擬多種工業生產控制過程。工作時，如圖4，將手動閥2V2、2V10、V4和V6打開，其餘手動閥如1V1、1V2、1V3、1￥6、1￥7、1￥10、聯通閥、￥5、￥8、￥9、￥12、￥13、2￥1、2￥3、2￥6、2￥7、2￥11 關閉，則可實現變頻水
泵恆壓仿真實驗，在參數設置面板按實際需要設定壓力值、比例係數、積分時間、微分時間，點擊啟動按鈕，啟動程序。曲線顯示窗口，將顯示設定值與反饋值的曲線。結束實驗時，點擊停止按鈕，停止程序，然後關閉手動閥2V2、2V10、V4和V6。如圖4，將手動閥1VL1V10, ￥4和￥6打開，其餘手動閥如1￥2、1￥3、1￥6、1￥7、聯通_、V5、V8、V9、V12、V13、2V1、2V2、2V3、2V6、2V7、2V10、2V11 關閉，則可實現單迴路調節仿真實驗，按照實驗實際需要在參數設置窗口設定流量I的值、比例係數、積分時間、微分時間，點擊啟動按鈕,啟動程序。對應窗口顯示動態值，同時曲線顯示窗口，將顯示設定值與反饋值的曲線。結束實驗時，點擊停止按鈕，停止程序，然後關閉手動閥1V1，1V10，V4和V6。如圖4，將手動閥1V1，2V1，V4, V5和V6打開，關閉其它閥門如1V2、1V3、1V6、1V7、1V10、聯通閥、V8、V9、V12、V13、2V2、2V3、2V6、2V7、2V10、2V11，則可實現比值調節控制仿真實驗，按實驗實際需要在參數設置窗口設置流量I的值、比值參數、比例係數、積分時間、微分時間，點擊啟動按鈕，啟動程序。對應窗口顯示動態值，同時曲線顯示窗口，將顯示設定值與反饋值的曲線。結束實驗時，點擊停止按鈕，停止程序，然後關閉手動閥1V1，2V1，V4，V5和V6。如圖4，將手動閥1V6、1V10和V12打開，其餘閥門如1V1、1V2、1V3、1V7、V4、V5、V6、聯通閥、V8、V9、V13、2V1、2V2、2V3、2V6、2V7、2V10、2V11關閉，則可實現串級溫度調節實
驗仿真，首先，給鍋爐內的水進行加熱，在參數設置窗口將加熱開關設置為開狀態，並設定溫度值為100°C，同時，在參數設置窗口按實驗需要設置溫度I的值、比例係數、積分時間、微分時間，點擊啟動按鈕，啟動程序。對應窗口顯示動態值，同時曲線顯示窗口，將顯示設定值與反饋值的曲線。結束實驗時，點擊停止按鈕，停止程序，關閉加熱開頭，然後關閉手動閥IV6、IVlO 和 V12。如圖4，將手動閥1V1、聯通閥、V4、V5、V6和IVlO打開。其餘閥門如1V2、1V3、1V6、1V7、V8、V9、V12、V13、2V1、2V2、2V3、2V6、2V7、2V10、2V11 關閉，則可實現相互關聯控制仿真
實驗，根據實驗需要在參數設置窗口設置液位I的值、比例係數、積分時間、微分時間，點擊啟動按鈕，啟動程序。對應窗口顯示動態值，同時曲線顯示窗口，將顯示設定值與反饋值的曲線。結束實驗時，點擊停止按鈕，停止程序，然後關閉手動閥1V1、聯能閥、V4、V5、V6和1V10。如圖4，將鍋爐裝滿水，將手動閥2V10關閉，然後打開V9，2V11。其餘閥門IVl、1V2、1￥3、1￥6、1￥7、1￥10、￥4、￥5、￥6、聯通閥、￥8、￥12、￥13、2￥1、2￥2、2￥3、2￥6、2￥7 關閉，則可實現
前饋控制仿真實驗，首先，給鍋爐內的水進行加熱，在參數設置窗口將加熱開關設置為開狀態，並設定溫度值為100°C，同時，根據實驗的需要在參數設置窗口輸入30-50HZ第二水泵2頻率值，設定好溫度5的值，比例係數、積分時間、微分時間，點擊啟動按鈕，啟動程序。對應窗口顯示動態值，同時曲線顯示窗口，將顯示設定值與反饋值的曲線。結束實驗時，點擊停 止按鈕，停止程序，關閉加熱開頭，然後關閉手動閥V9和2V11。
權利要求1.一種基於ZIGBEE的重大危險源監控仿真實驗裝置，其特徵是包括上位機、PLC控制器、第一 ZIGBEE無線傳輸模塊、第二 ZIGBEE無線傳輸模塊、有毒有害及易燃易爆氣體濃度檢測儀、多媒體監控系統、煙霧及火焰探測系統和エ業控制對像模擬裝置，其中多媒體監控系統的信號輸出端與上位機的信號輸入端相接，上位機的信號輸入/輸出端與エ業乙太網的第一信號輸出/輸入端對應相接，エ業乙太網的第二信號輸入/輸出端與PLC控制器的信號輸出/輸入端對應相接，PLC控制器的第一信號輸入端與煙霧及火焰探測系統的信號輸出端相接，PLC控制器的第二信號輸入端與第一 ZIGBEE無線傳輸模塊的信號輸出端相接，エ業控制對象模擬裝置的信號輸出端相接與第二 ZIGBEE無線傳輸模塊的第一信號輸入端相接，第二 ZIGBEE無線傳輸模塊的第二信號輸入端與有毒有害及易燃易爆氣體濃度檢測儀的信號輸出端相接；第二 ZIGBEE無線傳輸模塊的數據信息發送端與第一 ZIGBEE無線傳輸模塊的數據信息接收端對應設置。
2.根據權利要求I所述的ー種基於ZIGBEE的重大危險源監控仿真實驗裝置，其特徵是所述的有毒有害及易燃易爆氣體濃度檢測儀包括硫化氫濃度檢測儀、氯氣濃度檢測儀和氨氣濃度檢測儀，採用標準的4-20mA的模擬電量輸出，硫化氫濃度檢測儀、氯氣濃度檢測儀和氨氣濃度檢測儀的信號輸出端分別與第二 ZIGBEE無線傳輸模塊的信號輸入端對應連接。
3.根據權利要求I所述的ー種基於ZIGBEE的重大危險源監控仿真實驗裝置，其特徵是所述的上位機包括工程師站和操作員站，分別與エ業乙太網交換機連接。
4.根據權利要求I所述的ー種基於ZIGBEE的重大危險源監控仿真實驗裝置，其特徵是所述的多媒體監控系統與上位機連接，視頻信號嵌入到上位機中。
5.根據權利要求I所述的ー種基於ZIGBEE的重大危險源監控仿真實驗裝置，其特徵是所述的エ業控制對象模擬裝置中的溫度傳感器、壓カ傳感器、流量傳感器和液位傳感器的信號輸出端分別與第二 ZIGBEE無線傳輸模塊的信號輸入端對應相接。
專利摘要本實用新型涉及的是一種基於ZIGBEE的重大危險源監控仿真實驗裝置，其結構包括上位機、PLC控制器、第一ZIGBEE無線傳輸模塊、第二ZIGBEE無線傳輸模塊、有毒有害及易燃易爆氣體濃度檢測儀、多媒體監控系統、煙霧及火焰探測系統和工業控制對像模擬裝置。優點實現對工業現場的實際情況進行模擬，同時可作為一個測試平臺，對設備進行相應的測試與評定，能實現對工業生產過程中的檢測設備的4-20mA電量的無線發送和接收，對工業生產現場實時進行視頻監控，上位機實時與PLC控制器進行數據交換，並在異常時發出預警信號，同時，存儲現場圖像及數據。
文檔編號G05B23/02GK202615236SQ20122028823
公開日2012年12月19日 申請日期2012年6月19日 優先權日2012年6月19日
發明者朱順兵, 杜春泉, 蔣軍成 申請人:南京工業大學