基于S71200PLC的材料实验室环境监测物联网系统的设计.docx

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1、基于S7-1200P1C的材料实验室环境监测物联网系统的设计西北工业大学杨帆I赵彤2王妊涌I张慧翔3（1.西北工业大学伦敦玛丽女王大学工程学院，陕西省西安市710072）（2.西北工业大学自动化学院，陕西省西安市710072）（3.西北工业大学网络空间安全学院，陕西省西安市710072）（已经发表期刊：工业仪表与自动化装置,2023,（01）:60-65.）指导教师：张慧翔副教授中文摘要：为了防止材料实验过程中可燃气体、有毒有害气体的泄露对科研实验人员造成身体健康损害或者发生爆炸危险，提出设计开发基于S7-1200P1C的材料实验室环境监测物联网系统。首先抽象出一个七元组T,H,G1G2,F,

2、A,P材料实验室理想模型，进而设计出包含感知执行层、控制汇聚层、服务操作层、终端应用层等四层物联网结构，重点论述了各层的硬件与软件组成以及各层涉及到关键技术与算法，最后对系统的各层软件实际开发编程做了必要的介绍。实践表明本系统将S7-1200P1C技术与物联网技术相结合，设计的远程物联网测控系统具有较高的稔定性、安全性与可嵬性，具备较好的实用推广价值。英文摘要：Inordertopreventthe1eakageoff1ammab1egasandtoxicandhanfu1gasduringthemateria1experimentfromcausinghea1thdamageorexp1os

3、ionhazardtoscientificresearchpersonne1,itisproposedtodesignanddeve1opamateria11aboratoryenvironmentmonitoringIoTsystembasedonS7-1200P1C.Firstabstractaseven-tup1eidea1materia11aboratorymode1,andthendesignfour1ayersinc1udingperceptionexecution1ayer,contro1convergence1ayer,serviceoperation1ayer,andterm

4、ina1app1ication1ayer.ThestructureoftheInternetofThingsfocusesonthehardwareandsoftwarecomponentsofeach1ayerandthekeytechno1ogiesanda1gorithmsinvo1vedineach1ayer.Fina11y,thenecessaryintroductiontotheactua1softwaredeve1opmentandprogrammingofeach1ayerofthesystemismade.Practiceshowsthatthissystemcombines

5、S7-1200P1Ctechno1ogywithInternetofThingstechno1ogy,andthedesignedremoteInternetofThingsmeasurementandcontro1systemhashighstabi1ity,safetyandre1iabi1ity,andhasgoodpractica1promotionva1ue.关键词：材料实验室；环境监测；物联网；P1C一、引言材料实验室是高校理工科中非常普遍的研究材料制备、分解、化合以及性能变化等重要的科研创新活动场所。大部分的材料实验涉及到危险化学品、危险废弃物、压力气瓶等，且实验过程中可能在高温

6、、高压的设备容器环境下进行,操作中稍有不慎或者实验设备的老化,很容易造成有毒有害的化学气体泄露危害实验科研人员的身体健康，甚至当实验反应异常且操作不当过程中，很容易发生火灾、爆炸。近年来，实验室安全事故时有发生，如2023年3月31日中国科学院化学研究所发生一起实验室安全事故，该事故造成1人死亡;2018年12月26日年北京交通大学实验室突发爆炸，致3名学生遇难；2017年3月28日复旦大学的化学实验室发生爆炸，一名学生手被炸伤。这些实验室通常采用靠实验章程制度约束实验科研人员遵守实验规范，忽略或者忽视了实验过程中非人为的因素导致设备故障异常的发生,造成了实验人员的生命财产受到极大的损害，给高

7、校安全和稳定带来很大的创伤。随着当今微电子MEMS传感器技术、先进网络功能P1C控制技术、物联网远程控制技术等高新技术的快速发展，国内外很多专家学者提出研究建设智慧校园，其中高效、智能、环保、安全的数字实验室是高校信息化建设必不可少的重要组成部分。可编程逻辑控制器(Programmab1e1ogicContro11er,简称P1e)是一种具有微处理器的用于自动化实时控制的程序逻辑控制电子装置，它可以在高温高压环境下稳定运行，能够适应恶劣场所所需的可靠自动化测控需求。S7-1200是SiemenS公司为适应当前物联网时代推出的体积小、速度快、标准化、具有网络通信能力的高性能P1C,它目前在冶金、

8、化工、矿山等危险作业场所有着广泛的应用。物联网(Inteme1ofThings,简称IoT)是指通过各种微电子传感器实时采集目标物体状态测量值，同时经由各类有线或者无线网络媒介进行传输信息，实现物与物、物与人的泛在连接、交互。因此本文拟采用现代传感器技术、通信技术、P1C自动控制技术等构建一个实验室环境监测物联网系统，使得当实验环境中有害气体、可燃气体超标后，能及时发生预警并采取应急安全措施，最大程度的确保实验人员与实验设备生命财产安全。二、材料实验室理想模型的设计高校材料学科实验室因仪器种类多、设备复杂等因素，从而增加了安全管理的难度。材料学科实验室内比较昂贵的设备一旦发生火灾、气体泄露，都

9、会造成很大的经济损失。通过调研大部分材料学科实验室，其完成的实验大部分都属于有机化学反应、无机化学反应、化工工艺合成、加热冷却制备等属性。材料学科实验室通常都配有排气风扇，但目前基本靠实验人员主观嗅觉、实验制度、实验常识是否开启或者关闭风扇，这带来很大的隐患，一不小心可能会造成实验室无味有害气体浓度过高。有的实验室材料合成设备本身自带通风设备，但这些设备没有跟实验室整体环境关联控制。综合大部分材料实验室的现有任务功能、设备配置、硬件设施，材料实验室理想模型可以抽象成一个七元组模型：Materia11aboratory=,T表示Temperature,即实验室中的环境温度：H表示Humidity

10、,即实验室中的环境湿度；G1表示F1ammab1eGas,表即实验室中可燃气体的浓度；G2表示ToXiCGas,即实验室中有毒气体如一氧化碳（C0）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NoX）等气体综合浓度；F表示EXhaUStFan,即实验室中为了确保实验人员的健康当可燃或者有毒气体浓度高时，需要的排气扇将它们排到室外，考虑到排气扇为实验室安全运行的关键设备，通常需要两个排气扇：主排气扇与备用排气扇；A表示A1armBUZzer,表即实验室中当发生危险时的声光警报器提醒实验人员迅速撤离；P表示PowerE1ectronicSwitch,表即实验室中当发生危险时的系统可以自动切断主电源。该实验室理

11、想模型中的实验装置如加热炉、化学气体容器或在实验过程如材料制备、有机工艺合成等产生或泄露可燃气体、有毒有害气体，其产生的体积与浓度动态随机不确定，需要采取有效措施合理控制应对，才能确保实验人员生命与财产安全。本文后续的物联网系统测量与控制硬件与软件设计都是基于该理想模型。三、材料实验室物联网测控硬件结构设计根据材料学科实验室的室内环境监测必须健康舒适、实验操作过程中可能造成可燃气体泄露、材料制备实验过程中仪器的反应排放到室内环境中有毒有害气体必须时刻处于安全范围的基本要求，结合物联网模型组成的基本理论，设计出基于校内1AN/4G/5G的材料学科实验室智能监控物联网系统，其测控硬件结构如图1所示

12、，其从下至上分为四层结构：感知执行层、控制汇聚层、服务操作层、终端应用层，这四层之间通过网络传输层相连接。移动终端网问移动终端I控制汇聚层网络传输层1现场传感器(SCnSOr)网络传输层2i(C1ient)f,；ie-me*i(C1ient)I=J移动应用层1=J网络传输层3实验室本地服务计算机(Server)S7-1200P1CI(Contro11er)!温度T可燃GI有毒G2湿度H风扇F警报电源P1图1材料实验室理想模型结构图(一)感知执行层感知执行层位于整个物联网系统架构的最底层，它方面包含了室内温度T传感器、可燃G1气体传感器、有毒有害G2气体传感器、室内湿度T传感器,这些传感器通过4

13、-20mA信号输入到控制汇聚层的S7/2OOP1CA/D模块上。它另一方面还包含了风扇F执行器、警报A声光执行器、电源P电子开关执行器，风扇F在本系统中由主排气扇与备用排气扇组成，通过接收执行控制汇聚层的S7-1200P1CD/A模块4-2OmA输出信号。警报A与电源P接收并执行控制汇聚层的S7-1200P1CDO模块24V开关控制信号。物联网模拟量输入传感器原理结构如图2所示，其一般包含感知电路、信号调理、采样保持、变送转换组成。模拟量输出或者开关量输出原理结构正好跟输入相反。图2物联网模拟量输入传感器原理结构为了提高系统的可靠性与稳定性,本系统的传感器与执行器采用市场上成熟的标准化电子产品

14、，选型时要求跟S7-1200P1C输入输出信号电气特性相匹配。（二）控制汇聚层控制汇聚层为本系统的核心逻辑算法控制单元,采用目前自动化市场上最为成熟稳定的德国西门子公司S71200P1C,它以微处理器为核心，将信号采集技术、计算机控制技术、网络通信技术融为一体的新型电子控制装置。本系统S7-1200包含CPUDI/DO单元（型号6ES7214-1BG40-0XB0）两块4点模拟量输入A1单元（型号6ES7231-4HD32-0XB0）、一块4点模拟量输出AQ单元（型号6ES7232-4HD32-0XB0）,需要在TIAPorta1开发环境中设置其硬件组态。S7-1200P1C自带RJ45以太网

15、口，它支持标准的ModbusTCP协议与S7-ProdaveD11跟上层上位机通信，一个P1C站点可以同时连接若干个主站查询或者控制指令。控制汇聚层实时采集材料实验室中所有环境传感器数据并进行数字滤波处理,采用安全阈值逻辑控制算法与PID控制算法对实验室的警报器、电源电子开关、风扇的快慢进行实时有效控制。另外接收来自上层的请求，将实时采集数据转发到服务操作层上位计算机。（三）服务操作层服务操作层为实验室物联网系统本地人机交换HMI中心与数据存储服务器，物理上它是一台高性能的工业控制计算机（IndustryContro1Computer,简称IPC）。服务操作层实现通过以太网直接连接实时获取下层

16、S7-1200P1C中的实验现场环境数据直观的显示在工艺仿真画面上，同时将实时数据存储到本地关系型MySQ1数据库上，供后期查询、分析、决策使用。服务操作层另一方面还为上层合法授权用户手机APP提供数据来源，并在权限许可的前提下接受移动终端控制指令并下发给下位P1C执行。（四）终端应用层终端应用层为本物联网系统方便高校老师与学生远程查看材料实验室实时环境参数。终端应用层的设计体现出实验管理人员无需长时间现场查看值守就可以高效安全管理实验室，极大的降低了实验室管理人员的劳动强度。考虑到Android系统的开放性以及IOS系统的封闭性，本APP只支持安卓手机的硬件环境。（五）网络传输层网络传输层实现各基本层之间的通信连接。木系统存在网络传输层1它通过4-20mA、