1、引言

    目前，我國(guó)大型冷庫的制冷監(jiān)控系統(tǒng)主要采用人工或集中式控制系統(tǒng)，控制器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間靠大量的I／O電纜連接，不僅增加成本，也增加了系統(tǒng)的不可靠性?？刂葡到y(tǒng)傳送4～20mA模擬量信號(hào)，并以此監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，這樣，由于控制器獲取信息量有限，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能較弱；另一方面也很難完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的動(dòng)態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等功能，造成制冷控制系統(tǒng)的信息集成能力不強(qiáng)和可維護(hù)性較差，影響冷庫的生產(chǎn)效率，并給生產(chǎn)管理帶來諸多不便。

    隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工控領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，建立基于Profibus—DP現(xiàn)場(chǎng)總線的冷庫制冷監(jiān)控系統(tǒng)成為解決這一問題的有效途徑。Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線是一種全數(shù)字化的、串行、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，用于工廠／車間儀表和控制設(shè)備的局域網(wǎng)。由于它采用純數(shù)字技術(shù)，在單根電纜上連接多個(gè)儀表和設(shè)備，所傳遞的信息量大（不僅有控制數(shù)據(jù)，也有組態(tài)、狀態(tài)和診斷等數(shù)據(jù)），加之其具有更強(qiáng)的抗干擾性能，更低的安裝、運(yùn)行和維護(hù)成本，因此其在冷庫制冷監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，將大大減少布線工作量與電纜投資，避免信號(hào)干擾，使系統(tǒng)更可靠，操作更簡(jiǎn)便，監(jiān)控更直觀。

    2、系統(tǒng)組成及主要功能

    該萬噸冷庫制冷系統(tǒng)有一臺(tái)獨(dú)立的開啟式螺桿壓縮機(jī)，分別給六個(gè)庫房供冷，庫房用循環(huán)風(fēng)機(jī)吹送冷風(fēng)，其中，1號(hào)—5號(hào)庫是冷凍庫，有60個(gè)—18℃測(cè)溫點(diǎn)，6號(hào)庫是冷藏庫，有12個(gè)0～4℃測(cè)溫點(diǎn)；控制風(fēng)機(jī)12組共計(jì)60臺(tái)風(fēng)機(jī)?？刂葡到y(tǒng)要求自動(dòng)控制沖霜過程，壓縮機(jī)、氨泵、水泵、冷風(fēng)機(jī)等設(shè)備的開、停及壓縮機(jī)的能量增減。在中央控制室監(jiān)控冷庫各制冷設(shè)備的運(yùn)行狀況、顯示庫房溫度、回氣總管壓力、冷凝總管壓力、低壓循環(huán)桶的液位、各臺(tái)壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù)及曲線。庫房的溫度、總管壓力可以根據(jù)實(shí)際需要，在中控室進(jìn)行設(shè)定。

    2.1 系統(tǒng)組成

    根據(jù)以上制冷工藝的要求，該監(jiān)控系統(tǒng)由Profibus—DP總線構(gòu)成單主從工作方式，如圖1所示。主站選用 Siemens 的 S7—300 PLC（CPU315—2DP），站地址設(shè)為2，實(shí)現(xiàn)總線通信控制與管理，完成周期性數(shù)據(jù)訪問。從站為三臺(tái)S7——200 PLC （CPU226） 和一塊遠(yuǎn)程I／O（ET200M），站地址分別設(shè)定為3、4、5、6。主站與S7—200PLC從站之間的Profibus—DP通信是通過EM277通信模塊將CPU226作為DP從站實(shí)現(xiàn)的。上位機(jī)選用研華工控機(jī)，內(nèi)置專用的通信網(wǎng)卡CP5611，通過MPI口與PLC相連。工控機(jī)作為人機(jī)操作站，裝有西門子的編程軟件STEP7 V5.1和組態(tài)王監(jiān)控軟件。利用STEP7 V5.1編程軟件首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)配置，如通信端口的設(shè)置，站地址和數(shù)據(jù)傳輸速率的設(shè)定等；然后通過MPI端口對(duì)主站S7—300進(jìn)行硬件組態(tài)，由電源模塊PS307、CPU315—2DP、模擬量輸出模塊SM332、數(shù)字量輸入模塊SM321和數(shù)字量輸出模塊SM322組成。上位機(jī)選用組態(tài)王進(jìn)行各種畫面的組態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)瀏覽、參數(shù)設(shè)定、手／自動(dòng)操作、故障報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)記錄等操作，監(jiān)控制冷控制系統(tǒng)的有關(guān)參量，并具有完備的報(bào)表管理功能。

    主站帶有Profibus—DP接口可以和三個(gè)從站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。主站還可以通過遠(yuǎn)程I／O ET200M控制壓縮機(jī)、氨泵和水泵的起停，并能根據(jù)用冷量的大小，增減壓縮機(jī)的投人數(shù)量，同時(shí)采集壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù)等。

    由于六個(gè)冷庫距中央監(jiān)控室較遠(yuǎn)，在六個(gè)冷庫間門口的合理中間位置，安裝三臺(tái)S7—200 PLC作為遠(yuǎn)程從站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其中兩臺(tái)為溫度采集箱，溫度傳感器信號(hào)就近接人采集箱內(nèi)，箱內(nèi)的S7—200接收從主站來的I／O配置，分時(shí)采集溫度值，向主站發(fā)送數(shù)據(jù)和接收來自主站的數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)箱安裝TD200文本顯示器，可以就地檢查各溫度值和其他信息。另一臺(tái)S7—200PLC采集六個(gè)冷庫房中60臺(tái)風(fēng)機(jī)的電流和吸氣總管及排氣總管的壓力，通過Profibus—DP總線送人上位機(jī)，顯示風(fēng)機(jī)電流和壓力的數(shù)值及曲線。

    2.2 溫度巡檢電路

    由于庫房的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多，每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度都需要通過溫度變送器，將PTl00熱電阻溫度傳感器的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流信號(hào)送人S7—200 PLC中，這樣每一個(gè)溫度采集站就需要36個(gè)溫度變送器和五個(gè)模擬量輸入模塊。為了降低成本，采用如圖2所示的分時(shí)驅(qū)動(dòng)采樣電路，利用PLC強(qiáng)大的控制功能，通過軟件編程在60～120s（可調(diào)）的輪巡周期內(nèi)分別控制36、中間繼電器KA的通斷，因此，每組只需一個(gè)溫度變送器和一個(gè)模擬量輸入模塊就可以采集所有溫度值，從而實(shí)現(xiàn)了用軟件處理減少硬件配置，降低了監(jiān)控系統(tǒng)的費(fèi)用，減少了設(shè)備的故障率。

    2.3 系統(tǒng)主要功能

    （1）實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)、氨泵、風(fēng)機(jī)、沖霜等制冷設(shè)備的全過程控制。
    （2）實(shí)時(shí)顯示制冷系統(tǒng)的主要工藝參數(shù)（如溫度、壓力、風(fēng)機(jī)電流等）。
    （3）動(dòng)態(tài)模擬顯示各設(shè)備運(yùn)行情況（如壓縮機(jī)的起停、低壓循環(huán)桶液位的高低等）。
    （4）可手動(dòng)或自動(dòng)巡檢六個(gè)冷庫的溫度，并可以根據(jù)實(shí)際需要通過上位機(jī)鍵盤對(duì)溫度、壓力等進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和修改。
    （5）溫度、壓力、電流等參數(shù)超限值的在線檢測(cè)和報(bào)警。
    （6）各種生產(chǎn)管理報(bào)表的自動(dòng)生成、數(shù)據(jù)查詢和打印。

    3、軟件設(shè)計(jì)

    3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

    STEP7軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)編程，整個(gè)冷庫的控制程序由OB組織塊、FC功能塊和DB數(shù)據(jù)塊構(gòu)成。組織塊OB是系統(tǒng)操作程序與用戶應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運(yùn)行。不同的OB有不同的功能。本設(shè)計(jì)中組織塊有OB1、 OB82、 OB84、 OB86、 OB87、 OBl00、OBl22。OB1是用作主程序循環(huán)的，它用來設(shè)計(jì)主循環(huán)程序的結(jié)構(gòu)；OB82是診斷中斷程序，診斷接收來自有診斷能力的模塊（如：模擬輸入模塊）；OB84是CPU硬件故障中斷，OB86是機(jī)架錯(cuò)誤中斷，OB87通信錯(cuò)誤中斷；OBl00屬于啟動(dòng)組織塊，是暖啟動(dòng)用的；OBl22是訪問錯(cuò)誤組織塊，屬于故障處理組織塊。OB1是主程序，主要完成系統(tǒng)初始化、初始參數(shù)設(shè)定、調(diào)用子程序。FC是自定義子程序塊，包括壓縮機(jī)控制、冷風(fēng)機(jī)控制、低壓循環(huán)桶液位控制、沖霜控制、故障處理、數(shù)據(jù)采集與處理等功能塊。各功能子程序?qū)ο嚓P(guān)事件的聯(lián)系和處理靠主程序OBl調(diào)用，其程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    在程序編寫過程中，需要注意以下幾個(gè)問題的處理：

    （1）溫度采集和處理 庫房的實(shí)際溫度值通過溫度傳感器的采集送人PLC的模擬量輸入模塊中，此時(shí)，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換，該溫度值變成無量綱的數(shù)字量，要在上位機(jī)中把該數(shù)字量顯示成有量綱的實(shí)際溫度值，必須經(jīng)過程序計(jì)算和轉(zhuǎn)換，才能變成有量綱的值被顯示出來。同時(shí)，傳感器采集到的溫度信號(hào)在極短的時(shí)間內(nèi)可能會(huì)受到干擾信號(hào)的作用而出現(xiàn)誤差，從而會(huì)導(dǎo)致冷風(fēng)機(jī)和冷卻液閥的誤動(dòng)作。為了避免干擾，采用在10s時(shí)間內(nèi)采集六個(gè)實(shí)際溫度值，通過程序計(jì)算其平均值，然后用平均溫度值去控制風(fēng)機(jī)和冷卻閥的起停，從而有效地避免了干擾。

    （2）數(shù)據(jù)塊DB的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)塊DB用來存放用戶程序運(yùn)行所需的大量數(shù)據(jù)或變量，它也是實(shí)現(xiàn)各程序塊之間交換、傳遞和共享數(shù)據(jù)的重要途徑。在制冷監(jiān)控系統(tǒng)中，上位機(jī)和下位機(jī)的通信主要通過讀取和改變下位機(jī)的DB塊來實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)一共設(shè)計(jì)了九個(gè)DB塊，分別表示實(shí)際溫度數(shù)據(jù)塊、設(shè)定溫度數(shù)據(jù)塊、電流數(shù)據(jù)塊、液位數(shù)據(jù)塊、實(shí)際壓力數(shù)據(jù)塊、設(shè)定壓力數(shù)據(jù)塊、除霜數(shù)據(jù)塊、報(bào)警數(shù)據(jù)塊和各種閥門開啟數(shù)據(jù)塊。通過讀取下位機(jī)的DB塊，在上位機(jī)中顯示對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度值、冷風(fēng)機(jī)開閉狀態(tài)等；通過改變下位機(jī)相應(yīng)DB塊中的數(shù)據(jù)，如改變某一庫房的設(shè)定溫度，就可以改變DB塊中的值，從而控制壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等設(shè)備起停。

    3.2 組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)

    組態(tài)軟件采用北京亞控公司的組態(tài)王。該軟件通過S7—300采集制冷過程中的各種工藝參數(shù)，在上位機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)機(jī)的狀態(tài)（運(yùn)行、停止、故障）、低壓循環(huán)桶的液位、各種電磁閥的動(dòng)作變化過程，使操作人員很直觀地了解系統(tǒng)的工作狀況。還可以利用數(shù)據(jù)、圖表、棒圖和趨勢(shì)圖等方式顯示溫度、壓力、電流、給定調(diào)節(jié)量和故障狀態(tài)等動(dòng)態(tài)參數(shù)。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，共組態(tài)出八類30個(gè)畫面，包括冷庫及制冷站內(nèi)各機(jī)組工作狀態(tài)模擬畫面、整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)各現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元的工作情況畫面、查詢、監(jiān)控及手動(dòng)操作等工作權(quán)限畫面、當(dāng)前值記錄和歷史記錄及參數(shù)值的保存和打印畫面、歷史曲線畫面、報(bào)警窗口畫面和報(bào)表管理畫面等。操作工人能方便地利用鼠標(biāo)或鍵盤，根據(jù)菜單和對(duì)話框上的提示，完成各個(gè)界面的切換。

    4、結(jié)束語

    在對(duì)冷庫進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)過程中，利用PLC通過Profibus—DP現(xiàn)場(chǎng)總線，構(gòu)建高性能的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷庫生產(chǎn)過程的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，減少了大量布線，提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號(hào)相比，它從根本上提高了測(cè)量與控制的準(zhǔn)確度，減少了傳送誤差。同時(shí)，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部功能加強(qiáng)，減少了信號(hào)的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外，由于它的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和功能模塊化，因而還具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。