专利名称：一种基于zigbee的重大危险源监控仿真实验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是ー种基于ZIGBEE的重大危险源监控仿真实验系统，属于短距离无线技术领域。
背景技术：
重大危险源是指企业生产活动中客观存在的危险物质或能量超过临界值垢设施、设备或场所。重大危险源是危险物质大量聚集的地方，存在着重大安全事故发生的可能性，并且一旦发生安全事故，将会对从业人员的人身安全以及集体财产造成严重损害。但事故的发生发展过程往往伴随着运行參数及信息的异常变化，在这些參数及信息中，大多数是可观测的，有些还是可控的。利用先进、可靠的监测监控技术手段，对重大危险源进行实时 监控，对有效防范安全生产事故有重要作用。通过监控系统的使用，对重大危险源中与安全事故密切相关的生产參数(如温度、液位、压力、火焰、烟雾、易燃易爆或有毒有害气体浓度等)和对生产现场进行全天候的自动监测，是预防和控制重大事故的有交手段。目前，我国许多企业相继建成了自己的监控系统，但大多是利用有线的方式实现的，布线繁琐、扩展能力差；另外，在エ业现场中环境比较复杂，容易造成线路老化或腐蚀、磨损等容易导致通信线路的阻塞、不顺畅，不易维护；同时对未安装监控系统的老厂房和老建筑的改造，其设计、施工与维护难度较大，而且成本较高。生产现场事故发生时，如何还原及模拟生产过程实际情况，准确的对事故原因进行调查分析与鉴定，也是面对的ー个问题。
发明内容
本发明提出的是ー种基于ZIGBEE的重大危险源监控仿真实验系统，其目的是将エ业控制对像模拟装置中的各类參数(如温度、压カ、流量、液位等)信号及有毒有害及易燃易爆气体浓度检测仪采集到的信号经过第二 ZIGBEE无线传输模块发送到第一 ZIGBEE无线传输模块然后传送到PLC控制器在经以太网通信传输到上位机，上位机通过エ业以太网与PLC控制器实时进行数据交換，实时监控PLC控制器检测到的參数，并在异常时发出预警信号。同时可以通过上位机监控画面实现エ艺的监视和现场环境的监视。g在实现对エ业现场的实际情况进行模拟，可作为ー个测试平台，对设备进行相应的测试与评定，实现安全人员对实际的危险源进行在线的模拟和相应的科研研究，同时提供一种无线数据检测的方案，为安全人员进行相应的科学研究提供方便。本发明的技术方案是其结构包括上位机、PLC控制器、第一 ZIGBEE无线传输模块、第二 ZIGBEE无线传输模块、有毒有害及易燃易爆气体浓度检测仪、多媒体监控系统、烟雾及火焰探测系统和エ业控制对像模拟装置，其中多媒体监控系统的信号输出端与上位机的信号输入端相接，上位机的信号输入/输出端与エ业以太网的第一信号输出/输入端对应相接，エ业以太网的第二信号输入/输出端与PLC控制器的信号输出/输入端对应相接，PLC控制器的第一信号输入端与烟雾及火焰探测系统的信号输出端相接，PLC控制器的第ニ信号输入端与第一 ZIGBEE无线传输模块的信号输出端相接，エ业控制对象模拟装置的信号输出端相接与第二 ZIGBEE无线传输模块的第一信号输入端相接，第二 ZIGBEE无线传输模块的第二信号输入端与有毒有害及易燃易爆气体浓度探测仪的信号输出端相接；第二ZIGBEE无线传输模块的数据信息发送端与第一 ZIGBEE无线传输模块的数据信息接收端对应设置。本发明的有益效果可以很好的对传统的4_20mA电量输出的传感器或检测仪进行改造应用。能实现对エ业生产过程中的检测设备4-20mA电量的无线发送和接收，对エ业生产现场实时进行视频监控，上位机与PLC控制器实时进行数据交換，并在异常时发出报警信号及报警记录，同时，存储现场图像及数据。可以实现对エ业现场的实际情况进行模拟，同时也可以作为一个测试平台，对设备进行相应的测试与评定，可以实现安全人员对实际的危险源进行在线的模拟和相应的科研研究及对于促进エ控领域发展有较大意义。
附图I基于ZIGBEE的重大危险源监控仿真实验系统结构示意图。附图2为第一 ZIGBEE无线传输模块的结构不意图。附图3为第二 ZIGBEE无线传输模块的结构示意图。附图4为エ业控制模拟装置结构示意图。
具体实施例方式 对照图I，其结构包括上位机、PLC控制器、第一 ZIGBEE无线传输模块I、第二 ZIGBEE无线传输模块2、有毒有害及易燃易爆气体浓度检测仪、多媒体监控系统、烟雾及火焰探测系统和エ业控制对像模拟装置，其中多媒体监控系统的信号输出端与上位机的信号输入端相接，上位机的信号输入/输出端与エ业以太网的第一信号输出/输入端对应相接，エ业以太网的第二信号输入/输出端与PLC控制器的信号输出/输入端对应相接，PLC控制器的第一信号输入端与烟雾及火焰探测系统的信号输出端相接，PLC控制器的第二信号输入端与第一 ZIGBEE无线传输模块I的信号输出端相接，エ业控制对象模拟装置的信号输出端相接与第二 ZIGBEE无线传输模块2的第一信号输入端相接，第二 ZIGBEE无线传输模块2的第ニ信号输入端与有毒有害及易燃易爆气体浓度检测仪的信号输出端相接；第二 ZIGBEE无线传输模块2的数据信息发送端与第一 ZIGBEE无线传输模块的数据信息接收端对应设置。上位机与多媒体监控系统连接。视频信号嵌入到上位机操作界面中，可以方便的通过上位机操作界面实时的对生产エ艺和现场环境进行监视。本系统将エ业控制对像模拟装置中检测的參数信号及有毒有害及易燃易爆气体浓度检测仪采集到的信号经过第二 ZIGBEE无线传输模块2发送到第一 ZIGBEE无线传输模块1，然后传送到PLC控制器，上位机通过エ业以太网与PLC控制器实时进行数据交换，通过对临界參数的比对，在异常时发出报警信号。同时，可以实现对エ艺和现场环境进行监视。所述上位机包括工程师站和操作员站，工程师站集成了西门子的STEP 7组态软件及WINCC RCエ控软件，提供组态与开发环境，操作员站集成西门子WINCC RTエ控软件。上位机通过エ业以太网与PLC控制器实时进行数据交換，能观测到エ艺过程參数与现场环 境的变化，井能在异常时发出报警信号及记录报警信息和图像信息的存储。所述的第一 ZIBEE无线传输模块I采用Chpicon公司的CC2430芯片作为无线传输模块的主控制单元。所述的第二 ZIGBEE无线模块2提供了标准的4-20mA的模拟电量输出接ロ。第一 ZIGBEE无线传输模块I预留4_20mA的电流模拟量信号输出方便与PLC控制器I/o模块的连接，第一 ZIGBEE无线传输模块I将接收到第二 ZIGBEE无线传输模块2信号，转换回4-20mA模拟电量信号传输给PLC控制器。第二 ZIGBEE无线传输模块2设置4_20mA电流模拟量信号输入接ロ，可以很好的与传统的4-20mA电量输出的传感器相连，无需另行设计传感器，可以很好的对传统的有线方式的4-20mA电量输出的传感器进行改造应用。所述的第二 ZIGBEE无线传输模块2设置4_20mA电流模拟量信号输入接ロ，可以很好的与传统的传感器相连，无需另行设计传感器，对传统的有线方式的传感器进行改造应用。实现对エ业生产过程中检测设备4-20mA电量输出的无线发送和接收，对エ业生产现、场实时进行视频监控，上位机实时与PLC控制器进行数据交換，并在异常时发出预警信号，同时，存储现场图像及数据。实现对エ业现场的实际情况进行模拟，同时也可以作为ー个测试平台，对设备进行相应的测试与评定，实现安全人员对实际的危险源进行在线的模拟和相应的科研研究及对于促进エ控领域发展有较大意义。所述的エ业控制模拟装置，采用快速接头应用于管线连接中，使得在同一台装置设备上仅仅依靠快装接头灵活而快捷的不同连接，方便改变管路走向，从而可以模拟多种エ业生产控制过程，如“串级控制、前馈控制、比值控制，均匀控制，相关联控制等。以便与分析、比较和研究，从而极大地丰富了实验内容和提高了本系统的使用价值。所述的有毒有害及易燃易爆气体浓度检测仪包括硫化氢气体浓度检测仪、氯气浓度检测仪和氨气浓度检测仪(现有技木)，采用标准的4-20mA的模拟电量输出，硫化氢气体浓度检测仪、氯气浓度检测仪和氨气浓度检测仪的信号输出端分别与第二 ZIGBEE无线传输模块的信号输入端连接，将检测到的数据经第二 ZIGBEE无线传输模块无线传送到第一ZIGBEE无线传输模块。所述PLC控制器采用西门子的S7-300PLC，其将第一 ZIGBEE无线传输模块I接收到的I/o信号，通过I/O模块传送到CPU，同时对采集的过程变量与临界參数进行比对，并在超过临界參数时发出报警输出。对照图2，其结构是第一 ZIGBEE无线传输模块I采用Chpicon公司的CC2430芯片作为无线传输模块的主控制单元，电源模块采用两种供电方式ー种是通过PLC控制站电源直接接24V供电，另ー种是由电池直接供电，数模转换単元主要采用AD5410芯片，AD5410是ー款低成本、高度集成的12位数模转换器，提供可编程电流源输出，可将接收到的信息通过CC2430内部处理后的信息，在经AD5410进行编程设置输出4 -20 mA模拟电量，输入到PLC控制器I/O模块。对照图3，其结构是第二 ZIGBEE无线传输模块2，采用Chpicon公司的CC2430芯片作为无线传输模块的主控制单元，电源模块采用两种供电方式一种是通过变压器直接接220V交流电供电，另ー种是由电池直接供电，信号转换单元主要采用美国RURR — BROffN公司生产的精密电流环接收器芯片RCV420，用于将4-20mA输入信号转换成为0-5V输出信号，然后通过CC2430芯片内部的14位A-D进行读取，将信号发送给第一 ZIGBEE无线传输模块
Io
对照图4，エ业控制模拟装置中的温度传感器、液位传感器、流量计传感器和压カ传感器(现有技术)的信号输出端分别与第二 ZIBEE无线传输模块2的信号输入端对应相连接，由第二 ZIGBEE无线传输模块2的电源模块给传感器供电，实现エ业控制对像模拟装置中各类參数无线传输通信；易燃易爆及有毒有害气体浓度检测仪与第二 ZIGBEE无线传输模块2相连接，同时由第二 ZIGBEE无线传输模块2的电源模块提供电源，实现采集数据的无线传输；第一 ZIGBEE无线传输模块I与第二 ZIGBEE无线传输模块2之间通信采用ZIGBEE无线传输协议。エ业控制对象模拟装置采用快速接头应用于管线连接中，使的在同一台装置设备上仅仅依靠快装接头灵活而快捷的不同连接，方便改变管路走向，从而可以模拟多种エ业生产控制过程。工作时，如图4，将手动阀2V2、2V10、V4和V6打开，其余手动阀如1V1、1V2、1V3、1￥6、1￥7、1￥10、联通阀、￥5、￥8、￥9、￥12、￥13、2￥1、2￥3、2￥6、2￥7、2￥11 关闭，则可实现变频水 泵恒压仿真实验，在參数设置面板按实际需要设定压カ值、比例系数、积分时间、微分时间，点击启动按钮，启动程序。曲线显示窗ロ，将显示设定值与反馈值的曲线。结束实验时，点击停止按钮，停止程序，然后关闭手动阀2V2、2V10、V4和V6。如图4，将手动阀1VL1V10, V4和V6打开，其余手动阀如1V2、1V3、1V6、1V7、联通_、V5、V8、V9、V12、V13、2V1、2V2、2V3、2V6、2V7、2V10、2V11 关闭，则可实现单回路调节仿真实验，按照实验实际需要在參数设置窗ロ设定流量I的值、比例系数、积分时间、微分时间，点击启动按钮,启动程序。对应窗ロ显示动态值，同时曲线显示窗ロ，将显示设定值与反馈值的曲线。结束实验时，点击停止按钮，停止程序，然后关闭手动阀1V1，1V10，V4和V6。如图4，将手动阀1V1，2V1，V4, V5和V6打开，关闭其它阀门如1V2、1V3、1V6、1V7、1V10、联通阀、V8、V9、V12、V13、2V2、2V3、2V6、2V7、2V10、2V11，则可实现比值调节控制仿真实验，按实验实际需要在參数设置窗ロ设置流量I的值、比值參数、比例系数、积分时间、微分时间，点击启动按钮，启动程序。对应窗ロ显示动态值，同时曲线显示窗ロ，将显示设定值与反馈值的曲线。结束实验时，点击停止按钮，停止程序，然后关闭手动阀1V1，2V1，V4，V5和V6。如图4，将手动阀1V6UV10和V12打开，其余阀门如1V1、1V2、1V3、1V7、V4、V5、V6、联通阀、V8、V9、V13、2V1、2V2、2V3、2V6、2V7、2V10、2V11关闭，则可实现串级温度调节实
验仿真，首先，给锅炉内的水进行加热，在參数设置窗ロ将加热开关设置为开状态，并设定温度值为100°C，同时，在參数设置窗ロ按实验需要设置温度I的值、比例系数、积分时间、微分时间，点击启动按钮，启动程序。对应窗ロ显示动态值，同时曲线显示窗ロ，将显示设定值与反馈值的曲线。结束实验时，点击停止按钮，停止程序，关闭加热开头，然后关闭手动阀IV6、IVlO 和 V12。如图4，将手动阀1V1、联通阀、V4、V5、V6和IVlO打开。其余阀门如1V2、1V3、1V6、1V7、V8、V9、V12、V13、2V1、2V2、2V3、2V6、2V7、2V10、2V11 关闭，则可实现相互关联控制仿真
实验，根据实验需要在參数设置窗ロ设置液位I的值、比例系数、积分时间、微分时间，点击启动按钮，启动程序。对应窗ロ显示动态值，同时曲线显示窗ロ，将显示设定值与反馈值的曲线。结束实验时，点击停止按钮，停止程序，然后关闭手动阀1V1、联能阀、V4、V5、V6和1V10。
如图4，将锅炉装满水，将手动阀2V10关闭，然后打开V9，2V11。其余阀门IVl、1V2、1￥3、1￥6、1￥7、1￥10、￥4、￥5、￥6、联通阀、￥8、￥12、￥13、2￥1、2￥2、2￥3、2￥6、2￥7 关闭，则可实现
前馈控制仿真实验，首先，给锅炉内的水进行加热，在參数设置窗ロ将加热开关设置为开状态，并设定温度值为100°C，同时，根据实验的需要在參数设置窗ロ输入30-50HZ第二水泵2 频率值，设定好温度5的值，比例系数、积分时间、微分时间，点击启动按钮，启动程序。对应窗ロ显示动态值，同时曲线显示窗ロ，将显示设定值与反馈值的曲线。结束实验时，点击停止按钮，停止程序，关闭加热开头，然后关闭手动阀V9和2V11。
权利要求
1.一种基于ZIGBEE的重大危险源监控仿真实验系统，其特征是包括上位机、PLC控制器、第一 ZIGBEE无线传输模块、第二 ZIGBEE无线传输模块、有毒有害及易燃易爆气体浓度检测仪、多媒体监控系统、烟雾及火焰探测系统和エ业控制对像模拟装置，其中多媒体监控系统的信号输出端与监控中心的信号输入端相接，上位机的信号输入/输出端与エ业以太网的第一信号输出/输入端对应相接，エ业以太网的第二信号输入/输出端与PLC控制器的信号输出/输入端对应相接，PLC控制器的第一信号输入端与烟雾及火焰探测系统的信号输出端相接，PLC控制器的第二信号输入端与第一 ZIGBEE无线传输模块的信号输出端相接，エ业控制对象模拟装置的信号输出端相接与第二 ZIGBEE无线传输模块的第一信号输入端相接，第二 ZIGBEE无线传输模块的第二信号输入端与有毒有害及易燃易爆气体浓度探測器的信号输出端相接；第二 ZIGBEE无线传输模块的数据信息发送端与第一 ZIGBEE无线传输模块的数据信息接收端对应设置。
2.根据权利要求I所述的ー种基于ZIGBEE的重大危险源监控仿真实验系统，其特征是所述的有毒有害及易燃易爆气体浓度检测仪包括硫化氢浓度检测仪、氯气浓度检测仪和氨气浓度检测仪，采用标准的4-20mA的模拟电量输出，硫化氢浓度检测仪、氯气浓度检测 仪和氨气浓度检测仪的信号输出端分别与第二 ZIGBEE无线传输模块的信号输入端对应连接。
3.根据权利要求I所述的ー种基于ZIGBEE的重大危险源监控仿真实验系统，其特征是所述PLC控制器对采集的过程变量与临界參数进行比对，并在超过临界參数时发出报警输出。
4.根据权利要求I所述的ー种基于ZIGBEE的重大危险源监控仿真实验系统，其特征是所述的上位机包括工程师站和操作员站，分别与エ业以太网交换机连接；上位机通过エ业以太网与PLC控制器进行数据交換，实时对现场エ艺过程变量和环境的变化进行监控，并在异常时发出报警信号。
5.根据权利要求I所述的ー种基于ZIGBEE的重大危险源监控仿真实验系统，其特征是所述的多媒体监控系统与上位机连接，视频信号嵌入到上位机中，在上位机监控画面中实现エ艺的监视和现场环境的监视。
6.根据权利要求I所述的ー种基于ZIGBEE的重大危险源监控仿真实验系统，其特征是所述的エ业控制对象模拟装置中的温度传感器、压カ传感器、流量传感器和液位传感器的信号输出端分别与第二 ZIGBEE无线传输模块的信号输入端对应相接，实现无线数据传输，并将数据无线传输给第一 ZIGBEE无线传输模块。
全文摘要
本发明涉及的是ZIGBEE的重大危险源监控仿真实验系统，其结构包括上位机、PLC控制器、第一ZIGBEE无线传输模块、第二ZIGBEE无线传输模块、有毒有害及易燃易爆气体浓度检测仪、多媒体监控系统、烟雾及火焰探测系统和工业控制对像模拟装置。优点实现对工业现场的实际情况进行模拟，同时可作为一个测试平台，对设备进行相应的测试与评定，能实现对工业生产过程中的检测设备的4-20mA电量的无线发送和接收，对工业生产现场实时进行视频监控，上位机实时与PLC控制器进行数据交换，并在异常时发出预警信号，同时，存储现场图像及数据。
文档编号G05B17/02GK102692877SQ20121020240
公开日2012年9月26日 申请日期2012年6月19日 优先权日2012年6月19日
发明者朱顺兵, 杜春泉, 蒋军成 申请人:南京工业大学