基于PLC和组态软件的煤气报警器的仿真设计

摘要

随着我国燃气的变革及西气东输工程的进行，煤气或天燃气已成为多数家庭的燃料。每年因煤气泄露造成的煤气中毒事故中，因使用热水器不当或产品本身的质量问题，造成的一氧化碳中毒事故，为了实现实时监测煤气的浓度并能及时报警，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。文中采用半导体MQ-7传感器为数据收集元件，以西门子S7-200为核心控制部分，并利用基于平台的工控组态软件组态王,通过设备连接和实时数据库的构建、动画连接及控制流程编制，开发设计了煤气报警系。当MQ-7传感器检测到空气中煤气浓度超标时，会发生报警信号，并开启排风系统，进行通风，从而实现家庭和工厂对煤气泄露的监控报警。整个系统的硬件电路设计合理，结构简单、使用方便、智能化、性能安全可靠。

关键词：PLC；组态王；煤气报警系统；硬件设计；软件设计

第1章绪论

1.1课题研究背景

近些年来随着我国各类能源的综合开发与利用，家用煤气的普及率逐年上升，对人们的日常生活打来了极大的便利，但随之而来的煤气泄漏所引发的火灾、中毒、爆炸事故的发生频率也大幅度提升，这也在某种程度上增加了城市的不和谐和不安全因素。近几年来，人们越来越重视的煤气安全问题，这不仅仅是要求人们科学合理的使用煤气，避免出现煤气泄漏等问题，更需要我们建立一种有效地预防机制，在煤气泄漏还未造成危害时发出预警，给人们提供时间和相关措施去避免事故的发生，由此，煤气报警器应运而生。它能有效地对周围煤气泄漏及时预警，防止酿成煤气事故，保障人民生命和财产的安全。目前，市面上的该类产品大多只提供报警功能，当人们不在家时仍会造成很大隐患，考虑到此种因素，设计一种能够在泄漏发生时自动启动排气扇并关闭煤气通道的报警装置，能更大程度上地提供安全保障。有关资料显示，煤气报警器对CO事故发生避免率达到95%以上”。所以在此设计一种合适的家用煤气泄露报警器切实必要。

1.2国内外研究现状

国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计，美国1996年

~2002年气体传感器年均增长率为27%～30%。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得气体检测仪器的体积也逐渐变小，提高了气体检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。

1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。

我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。近年来，在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步。

煤气报警器可分为民用可燃气体报警器、工业用可燃性气体报警器、有毒有害气体报警器三大系列产品。

民用可燃气体报警器民用可燃气体报警器为居民家庭用的煤气报警器，一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外；有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。

工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。工业用煤气报警器及有毒气体报警器根据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。

控制器结合探测器在防爆现场长期监测气体的浓度。二者采用屏蔽电缆线连接。当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时通过驱动排风装置或打开相关门窗以确保通风甲烷检测仪，降低煤气、天然气浓度，这样就可以防止煤气、天然气浓度过高而中毒或者爆炸。这种报警装置广泛应用于液化气站、汽车加气站、锅炉房等易发生危险的场所；

1.3课题研究重点和思路

本课题设计的煤气报警采用了西门子S7-200为报警器的核心部件对煤气报警器进行控制，利用基于平台的工控组态软件组态王,通过设备连接和实时数据库的构建、动画连接及控制流程编制。通过MQ-7一氧化碳气体传感器对煤气进行检测，当检测到有煤气泄漏会发生报警信号，从而实现家庭和工厂对煤气泄露的监控。整个系统的硬件电路设计合理，结构简单、使用方便、智能化、性能安全可靠。

根据该设计要实现的基本功能，设计大致应该分为信号采集放大，信号处理控制，系统设置报警，启动风机三个部分。

①信号采集部分即通过气体传感器检测室内气体浓度，将这种变化量转化成电压模拟量的变化，然后通过运放进行必要的放大。

②信号处理部分是将采集到的模拟信号转换成数字信号，送入控制器进行处理，并将处理过的信号送存储器保存和送显示器显示。

③系统设置报警部分是通过预定控制方式并利用蜂鸣器报警实现系统的准确操作。

拟解决的主要问题。

1).西门子S7-的系统构成；

2).煤气报警器的工作要求和控制要求;

3).控制方案的确定；

4).总体框图的设计:

5).PLC程序的设计;

6).组态王界面设计;第2章系统总体方案设计

2.1总体设计方案

方案一，通过传感器感受到可燃性气体，降低自身的阻值，来增大电流，并且驱动蜂鸣器报警。电路简单、可靠但是灵活性和实用性差。

方案二，可以通过传感器感知信号多级放大电路，通过电位器调节电压值，煤气浓度增加时，电阻值变小，放大器的放大倍数增加，电压增加，驱动三极管导通报警电路。该方案有一定的灵活性和可执性，但是电路比较复杂，智能性差。

方案三，采用PLC控制的煤气报警控制器。在煤气自动报警系统中，将煤气浓度探测器接入PLC，经PLC逻辑判断，经MQ-7一氧化碳气体传感器集成电路将煤气浓度读取和显示出来，键盘也可以通过不同的应用场合和针对不同气体做出不同的浓度设定，并且储存报警的上限和报警时间，方便查询和日后的工作调查。当煤气浓度高于设定值时，进行异常报警。

煤气报警器主要具备实时监测室内煤气浓度等功能，当煤气浓度超标时，会发出声光报警，并开启排风系统，关闭煤气进气阀。煤气报警系统是由三传感器部分，控制部分，和报警系统三个部分组成。传感器，安装在气体源附近，主要能够采集环境中的煤气浓度；控制器，可以对传感器采集的煤气浓度信号进行分析和处理；报警装置，根据控制器发出的信号采取相应的报警措施。

由于PLC系统集成度高、杭干扰性强、编程简单、系统便于开发和维护及升级，因此其结构简单、可靠性强、开发使用及维护的成本都很低，便于推广。所以本次设计采用方案三。

2.2煤气报警器的基本原理

该方案主要由电源电路、传感器探测电路、PLC、报警器、自动关闭煤气装置电路、控制风机排气装置等六部分组成。在本方案中，电源电路负责提供电路直流稳压电源；传感器探测电路主要是把探测煤气浓度及将其转化为电

信号，并将采集到的信号传给PLC；PLC主要负责处理接收到的信号，并将处理后的信号分别传输给报警器和自动关闭煤气装置电路，排气装置；报警器主要是根据PLC发出的信号达到一定值时，发出声光报警；自动关闭煤气装置电路负责PLC发出的信号达到一定值时，立即关闭煤气装置，使其停止工作；控制风机排气装置电路负责当煤气浓度达到一定的危害程度时立即启动排风系统，降低煤气浓度。

本次设计的目标是通过信号处理电路将有无气体泄漏两种状态转换成高低电平，经转化的模拟信号经过信号放大器后进行模数转换得到数字信号，然后送往处理器。数字信号经PLC分析后进行处理，如果超过所设定的一氧化碳浓度值时，系统进行声音和灯光报警，同时开启排气扇进行排气处理。当煤气浓度降到安全值时，按下手动按钮复位键时，系统复位。煤气报警器的结构及功能关系绘出：

图1报警器的结构关系第3章硬件设计

3.1传感器：

3.1.1传感器选型：

在这个设计中选择煤气、天然气气体传感器属于电阻式传感器，传感器型号为MQ-7。MQ-7能够同时检测煤气和天然气两种气体，与分别用两种气体传感器检测相比，明显减少设计成本。

MQ-7传感器可以把被测气体浓度转化为相应的电信号并输出的装置。传感器主要由敏感元件、传感元件组成，有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。

MQ-7传感器的原理主要是在1.5V条件下加热，采用温度循环检测的方法，传感器的电导率伴随着一氧化碳气体在空气中的浓度增加而变大。其电路输出的电信号也发生相应的变化。MQ-7传感器最大的优点是在各种环境中对一氧化碳都很灵敏。并且MQ-7气敏元器件对不同浓度和不同种类的气体都有相对应的电阻值。MQ-7可检验到多种一氧化碳的混合气体，是一种多种用途的廉价低成本传感器[5]。

MQ-7性能参数如下表：

探测范围

探测范围

10

~

加热功率

约350mw

特征气体

100

ppm

一氧化碳测量电压

≤24V

加热电阻

319±32

环境温度

-20℃~+55℃

加热电压

5.0V±0.2

V/1.5V±0.1V

3.1.2传感器电路设计：

在本设计中，煤气报警器检测环节的核心是气体传感器，它可以实时地检测环境中待测气体的浓度。检测信号的传送放大环节主要以运算放大电路为核心。通过设计传感器电路，设置并比较正反向输入端的输入电压，输出不同的电压值。因此，它可以将传感器电阻值的变化转化为电压的变化。

在本设计中，传感器电路的组成主要包括：

几种不同阻值的电阻；

一个用于调节灵敏度的滑动变阻器；

小功率运算放大器；

ZYMQ-7传感器。

实现传感器电路信号输出的是小功率运算放大器。它有8个管脚。其中管脚八接正电源，管脚四接负电源或地。管脚一、二和三组成第一组运放通道，其中，管脚一是它的数字信号输出端，管脚二是它的反相输入端，管脚三是它的同相输入端。管脚五、六和七组成第二组运放通道，其中，管脚七是它的数字信号输出端，管脚六是它的反相输入端，管脚五是它的同相输入端。放大器引脚图如图所示：

小功率运算放大器工作原理可以简要概括为：

在管脚八接正电源、管脚四接地之后，比较反相输入端与同相输入端的电压高低。

如果反相输入端的输入电压低于同相输入端的输入电压，则信号输出端输出的数字信号是高电平。（3）如果同相输入端的输入电压低于反相输入端的输入电压，则信号输出端输出的数字信号是低电平。

传感器电路图如图所示：

图中，R3和R7都是定值电阻，以RV2代表ZYMQ-7传感器的电阻，以RV6代表滑动变阻器，滑动变阻器的作用是微调图中点2处的电压。传感器电路的基本工作原理为：

RV2的阻值和R7的阻值共同限定同相输入端管脚三的输入电压。利用R3和RV6设定管脚二的输入电压。实时地对图中点三的电压和点二的设定电压进行比较。当待测气体浓度低于设定值时，RV2电阻较高。使图中由RV2和

R7共同确定的点三的电压降低，低于由图中R3和RV6共同确定的点二的电压。这时，输出端管脚一就会输出低电平。

反之，如果待测气体浓度高于设定值时，RV2电阻较低。拉高了图中由RV2和R7共同确定的点三的电压，使其高于由图中R3和Rv6共同确定的点二的电压。这样就可以实现待测气体浓度高低变化引起的电路高低电平输出的区别的目的。这时，输出端管脚一会输出高电平。

这时需要确定滑动变阻器RV6和电阻R3、R7的电阻大小。这须要知道传感器的电阻变化范围。

表3.4MQ-7传感器的灵敏度特性

符号

参数名称

技术参数

备注

浓度斜率

小于0.7

R5（）/R5（）

MR

测量范围

ppm~

一氧化碳气体在空气中的浓度

TH

预热时间

一分钟

——

根据ZYMQ-7传感器的灵敏度特性，因为ZYMQ-7传感器属于转换型传感器，所以它只有单个测量量入口和单个电信号出口。通过对之前的表格的观察和分析，可以发现，此器件对一氧化碳敏感，其阻值会因为空气中一氧化碳浓度的升高而降低。它在空气中的阻值约为20KΩ，在的一氧化碳中阻值约为10.2K2，而在浓度达到时其阻值约为3.2KΩ。

根据电路原理以及上表，容易求得，一级报警电路中的R3、R7和RV6的阻值分别是4.2KΩ、12K2和9K2，并将RV6调到4.93KQ附近。而二级报警电路中的R3、R7和RV6的阻值可以分别是150Ω、21KQ和1.2KΩ，并将RV6调到1K2附近。

3.2排气通风装置

3.2.1排气机的选择

在有害气体浓度超标时，设计对应的电路驱动通风装置（如排气扇）工作，以迅速降低有害气体浓度。在接通交流电源后，左右电机带动左右风扇高速转动，风扇中心处形成负压区，煤气进入负压区后，由于离心力的作用，煤气被加速从风扇空隙中排出。

风机是依靠输入的机械能，提高气体压力从而引导气体流动的机械。风机与透平压缩机工作原理基本相同，根据气流进入叶轮后的流动方向不一样，那么是有不同的分类的，主要有三种，即轴流式风机、离心式风机和斜流

（混流）式风机。

本次设计应用于家庭煤气报警，考虑到成本，适用范围等问题，本文选择轴流式风机；如图所示：

2.2排气机电路设计

当空气中有害气体超标时，继电器动作，常开触点接通，驱动风扇工作，降低空气中有害气体的浓度，以确保室内人员的生命安全。

当空气中有害气体不超标时，继电器不动作，常闭触点接通，排气通风装置不工作。

声光报警器

在有害气体浓度超标时，电路产生相应的红色警告信号，同时驱动扬声器产生音频信号，提醒人们空气中的有害气体浓度已超出允许范围，应及时撤离现场；在空气洁净时，电路应以不同的灯光提示，表明安全。

3.3.1声光报警器电路设计：

该报警电路包括光报警电路、声音报警电路两个报警电路，下面简单介绍这两个报警电路的组成部分]。

1.光报警电路部分该电路部分由两个发光二极管（绿、红）及其附属电路组成。

2.声音报警电路部分

该电路部分由四声集成芯片KD153、扬声器及其附属电路组成。其中继电器是一组触头开关，一个是常开触点，一个是常闭触点。具体电路如图3.5所示：

使用条件如下：

环境温度：一55~+85℃；相对温度：+40℃时，达98%；大气压力：达；振动：10~500Hz，加速度达49m/s2；离心加速度：达245m/s2；工作电压：12V；线圈电阻：50±10%；吸合电压≥9V；释放电压≤2V；

工作位置：任意。

电磁继电器属于簧片触点式继电器，简称MER。它在电路中的文字符号为“K”

或“KA”、“KR”（旧标准为“Jr”）。其典型结构如下图所示。它由一个带铁心的线圈J、簧片、弹簧及若干合金触点构成。在线圈未通电时，触点1、2是闭合的，称常闭触点。1、3触点是断开的，称常开触点。线圈得电后则1、3接通，1、2断开。1、2、3三个触点为一组，继电器可以带多达7组触点。

常开触头开关中接的是音乐片KD153或，放大管及扬声器。由于在设计时不用音乐片也可以，但扬声器发出的声音比较烦躁，若发生紧急情况将会给人们的心理上增加负担，所以采用音乐片以提高悦耳感。

当发现有害气体超标时，继电器发生动作，常开触点闭合，常闭触点断开，音乐片工作，通过三极管的放大作用推动扬声器工作，发出声音报警。

在继电器两端并联的二极管为泄放二极管，为瞬间高压提供一个泄放回路，以保护电路。继电器是利用电磁线圈通电后产生磁场，吸合簧片，使触点断开或闭合，当继电器正常通电时，D1截止，当继电器在断电时，线圈会产生感应电动势，极性为上一’下+’，而线圈最大的特点是电流不能发生突变，此