軍械庫(kù)安防系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

申 森 李 敏 劉 偉 馮小園

(1.海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院， 武漢 430000)(2. 91515部隊(duì)， 三亞 572000)

軍械庫(kù)是存放武器、彈藥等裝備的場(chǎng)所，為易燃易爆場(chǎng)所，安全隱患大。為此安防系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于保障軍械庫(kù)安全中，有效防止了失密、泄密、武器、彈藥丟失、發(fā)生火災(zāi)等問(wèn)題的發(fā)生。為緊貼部隊(duì)實(shí)際，提高學(xué)員崗位實(shí)踐能力，課題組設(shè)計(jì)了一套基于PLC和Wincc的軍械庫(kù)安防系統(tǒng)裝置，并在模擬場(chǎng)地開(kāi)展了測(cè)試。結(jié)果證明，該裝置能夠有效實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，可用于崗位實(shí)踐教學(xué)中[1-2]。

為提高本科學(xué)員綜合實(shí)踐能力，課題組依托此項(xiàng)目，指導(dǎo)了本科學(xué)員完成了基于PLC和Wincc的軍械庫(kù)安防系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)。通過(guò)開(kāi)展設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，有效提高了學(xué)員專(zhuān)業(yè)技能，培養(yǎng)了學(xué)員解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力[4-6]。

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)理念[3]

1.1 還原但不完全模擬，適應(yīng)性強(qiáng)

裝置最大程度還原軍械庫(kù)安防系統(tǒng)建設(shè)，但是不是完全的模擬。實(shí)際軍械庫(kù)項(xiàng)目中往往采用單一類(lèi)型的產(chǎn)品和協(xié)議，架構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但教學(xué)中要能夠多方面的集成各類(lèi)設(shè)備，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)難度，鍛煉學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題能力。

1.2 拓展性強(qiáng)

裝置開(kāi)放性強(qiáng)，學(xué)員開(kāi)展實(shí)驗(yàn)時(shí)，要開(kāi)展自主設(shè)計(jì)(硬件設(shè)計(jì)和軟件編程)、安裝調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)功能要求。在這個(gè)過(guò)程中，就要求學(xué)生綜合利用專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能解決現(xiàn)實(shí)工程問(wèn)題，而不同于普通專(zhuān)業(yè)課中簡(jiǎn)單的知識(shí)認(rèn)知和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)難度大，對(duì)學(xué)生能力要求高

裝置實(shí)現(xiàn)難度較大，在實(shí)際過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，往往有些問(wèn)題會(huì)困擾學(xué)員很久，需要學(xué)員投入大量的精力和時(shí)間，同時(shí)要學(xué)會(huì)查閱文獻(xiàn)和專(zhuān)業(yè)書(shū)籍、網(wǎng)絡(luò)搜索、交流探索，當(dāng)問(wèn)題最終解決的時(shí)候，往往會(huì)更有成就感，不僅僅鍛煉了能力，更增強(qiáng)了信心和興趣。

2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

根據(jù)功能需求，設(shè)計(jì)的安防系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置分為視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門(mén)禁監(jiān)控系統(tǒng)、入侵報(bào)警系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)和溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 安防系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)方案

其中，入侵報(bào)警系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)圍繞PLC數(shù)字量輸入輸出設(shè)計(jì)，溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圍繞模擬量輸入模塊設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要由攝像機(jī)、雙鑒探測(cè)器、振動(dòng)探測(cè)器、紅外對(duì)射傳感器、幕簾傳感器、煙感探測(cè)器、溫濕度傳感器等多種傳感器及計(jì)算機(jī)、PLC與模擬量輸入模塊等組成。

2.1 硬件選擇

通過(guò)對(duì)安防實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)分析，要求PLC輸出通道大于10個(gè)，輸入通道大于15個(gè)，要求能擴(kuò)展1個(gè)至2個(gè)模擬量輸入模塊，具備良好的通行能力和擴(kuò)展能力，因此選擇性?xún)r(jià)比較高的臺(tái)達(dá)公司生產(chǎn)的DVP-ES2 PLC和配套的DVP04AD-E2模塊，滿(mǎn)足數(shù)字量和模擬量的輸入輸出。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)選擇市場(chǎng)占有率很高的?？低暰W(wǎng)絡(luò)系列高清攝像頭，全部采用通訊接口支持10 M/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)口，通過(guò)?？低暤能浖f(xié)議與服務(wù)器和人機(jī)界面開(kāi)展對(duì)接。

門(mén)禁系統(tǒng)采用英特韋特門(mén)禁監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)RJ45接口直接連接入網(wǎng)絡(luò)，利用系統(tǒng)提供的OPC接口實(shí)現(xiàn)與綜合信息管理平臺(tái)的實(shí)時(shí)信息交換。

2.2 傳感器選擇

本系統(tǒng)選擇傳感器主要有雙鑒探測(cè)器、振動(dòng)探測(cè)器、幕簾傳感器、紅外對(duì)射傳感器、煙感探測(cè)器等。

1)雙鑒探測(cè)器

雙鑒探測(cè)器采用微波與被動(dòng)紅外兩種方法探測(cè)，選用的雙鑒探測(cè)器，靈敏度為探測(cè)視區(qū)內(nèi)1～2步，微波頻率為24.125 GHz，探測(cè)范圍為11 m*12 m，常閉報(bào)警輸出。

2)振動(dòng)探測(cè)器

本系統(tǒng)選用的RV971A數(shù)字式振動(dòng)感應(yīng)探測(cè)器，采用壓電振動(dòng)傳感原理，集振動(dòng)探測(cè)器、振動(dòng)分析儀于一身，配合微處理技術(shù)，通過(guò)振動(dòng)聲源的波長(zhǎng)和頻率來(lái)感應(yīng)振動(dòng)的破壞程度，常閉報(bào)警輸出。

3)幕簾傳感器

幕簾探測(cè)器是根據(jù)人體紅外光譜來(lái)工作的，當(dāng)人體在其探測(cè)范圍內(nèi)活動(dòng)時(shí)，菲涅爾透鏡將接收到的紅外熱源信號(hào)聚焦到傳感器上，經(jīng)過(guò)微處理器比較、分析、計(jì)算后，輸出報(bào)警信號(hào)。本系統(tǒng)選用的幕簾傳感器探測(cè)距離為8～10 m，探測(cè)角度15°，常閉報(bào)警輸出。

4)紅外對(duì)射傳感器

紅外對(duì)射傳感器由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成，發(fā)射機(jī)發(fā)射出的紅外線(xiàn)經(jīng)過(guò)防范區(qū)到達(dá)接收機(jī)，構(gòu)成一條警戒線(xiàn)，常閉報(bào)警輸出。

5)煙感探測(cè)器

本系統(tǒng)選用的煙感探測(cè)器是通過(guò)監(jiān)測(cè)煙霧的濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范的，可監(jiān)測(cè)區(qū)域面積60 m2，常閉報(bào)警輸出。

2.3 程序設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

安防系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括：PLC程序設(shè)計(jì)、Wincc人機(jī)界面編程和控制器通信編程。

1)PLC程序設(shè)計(jì)

PLC主要實(shí)現(xiàn)安防系統(tǒng)中的入侵報(bào)警系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)及溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能，程序設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括：

入侵報(bào)警程序中，常閉開(kāi)關(guān)X0、X1、X2、X3等表示傳感器，M0表示一個(gè)開(kāi)關(guān)變量，Y0表示輸出設(shè)備聲光報(bào)警器，在程序中添加了布防和撤防功能，通過(guò)控制M0來(lái)實(shí)現(xiàn)入侵報(bào)警系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止，當(dāng)M0位綠色時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)，反之停止。

火災(zāi)報(bào)警程序中，常閉開(kāi)關(guān)X6、X12、X13表示輸入設(shè)備煙感探測(cè)器，Y1表示輸出設(shè)備聲光報(bào)警器。

溫濕度監(jiān)測(cè)程序中，當(dāng)M1002=On時(shí)，設(shè)定模擬量輸出模塊CH1、CH2為模式2，當(dāng)M1000=On時(shí)，將溫濕度傳感器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)從D9900、D9901分別寫(xiě)入D40、D10中，A/D轉(zhuǎn)換公式：

D=(A-A0)×(Dm-D0)/(Am-A0)+D0

(1)

其中，D表示實(shí)際測(cè)量值，A表示實(shí)際模擬量標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，Am-A0表示模擬量標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)(0-10 V)，D0-Dm表示為A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值(6400-32000)，D表示A/D轉(zhuǎn)換后的相應(yīng)數(shù)值。

2)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)操作界面是值班人員監(jiān)測(cè)軍械庫(kù)安防狀態(tài)的工作臺(tái)，主要包括主界面、溫濕度、報(bào)警記錄等

(1)主界面設(shè)計(jì)，依據(jù)對(duì)軍械庫(kù)安防系統(tǒng)的監(jiān)控要求，設(shè)計(jì)軍械庫(kù)安防監(jiān)控狀態(tài)顯示界面。要求能夠滿(mǎn)足使用者在主機(jī)界面上實(shí)時(shí)掌握軍械庫(kù)各庫(kù)室的溫濕度情況、可以調(diào)用實(shí)時(shí)的監(jiān)控畫(huà)面、可以掌握軍械庫(kù)是否有人入侵以及火災(zāi)實(shí)時(shí)報(bào)警等，主界面如圖2所示。

圖2 主界面

(2)溫濕度界面設(shè)計(jì)，依據(jù)對(duì)軍械庫(kù)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)溫濕度趨勢(shì)顯示界面。要求能夠查詢(xún)各庫(kù)室的歷史溫濕度數(shù)據(jù)，查看實(shí)時(shí)的溫濕度曲線(xiàn)圖。溫濕度趨勢(shì)運(yùn)行界面如圖3所示。

圖3 溫濕度趨勢(shì)運(yùn)行界面

(3)報(bào)警記錄界面設(shè)計(jì)，依據(jù)對(duì)軍械庫(kù)安防系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)安防系統(tǒng)報(bào)警記錄界面。要求能夠顯示實(shí)時(shí)的報(bào)警消息、查詢(xún)歷史報(bào)警消息，管理者能夠直觀地了解各庫(kù)室的動(dòng)態(tài)信息。如圖4所示。

圖4 報(bào)警記錄運(yùn)行界面

3)PLC控制器通信編程

Modbus協(xié)議可實(shí)現(xiàn)PLC與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信以及控制器之間的相互通信。數(shù)據(jù)在Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，要求每個(gè)控制器必須知道其設(shè)備地址，從而保證設(shè)備能夠按地址識(shí)別消息，決定產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將產(chǎn)生反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。

Wincc與PLC通過(guò)Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信。Kepsever V5是用于上位機(jī)與PLC實(shí)現(xiàn)組態(tài)的接口軟件。Kepsever軟件是專(zhuān)門(mén)提供許多工業(yè)控制的第三方OPC服務(wù)，具體功能是將其安裝在上位機(jī)上，執(zhí)行針對(duì)控制設(shè)備的專(zhuān)業(yè)驅(qū)動(dòng)后，Kepsever即可訪(fǎng)問(wèn)控制設(shè)備中的內(nèi)存信息(可讀可寫(xiě))。

圖5 通信設(shè)計(jì)原理圖

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合學(xué)員畢業(yè)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于PLC和Wincc的軍械庫(kù)安防系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。通過(guò)總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，安裝調(diào)試，安防系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置試運(yùn)行良好，能夠有效支持模擬場(chǎng)地的安全防范工作，達(dá)到了既定目標(biāo)。實(shí)踐表明：通過(guò)提供平臺(tái)、設(shè)定目標(biāo)和跟進(jìn)指導(dǎo)的方式引導(dǎo)本科學(xué)員通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)參與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的方式，能夠有效提高學(xué)員實(shí)踐創(chuàng)新能力。