周奎 夏振環(huán) 陳浩珉 關(guān)士巖

摘要：為了解決工業(yè)冷庫(kù)集群發(fā)展過(guò)程中存在的系統(tǒng)集成性低、設(shè)備間數(shù)據(jù)孤立、管理效率低等問(wèn)題，采用 PLC、觸摸屏、變頻器、工業(yè)交換機(jī)等設(shè)備，基于 PLC控制技術(shù)、以太網(wǎng)通信技術(shù)、組態(tài)監(jiān)控技術(shù)，開(kāi)發(fā)了工業(yè)冷庫(kù)溫度異地遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)冷庫(kù)的主從站硬件電路、以太網(wǎng)通信系統(tǒng)、組態(tài)監(jiān)控程序等，并進(jìn)行了系統(tǒng)功能測(cè)試。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明冷庫(kù)與制冷機(jī)組的一對(duì)一配置和現(xiàn)場(chǎng)冷庫(kù)的主從站設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了冷庫(kù)溫度的便捷控制、設(shè)備間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享和各個(gè)冷庫(kù)的群控功能。同時(shí)，各個(gè)冷庫(kù)監(jiān)控分站的以太網(wǎng)通信方式，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的在線(xiàn)檢測(cè)速度和管理效率。該系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性、可靠性和智能性，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)冷庫(kù)異地集群遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)的目的。

關(guān)鍵詞：冷庫(kù)集群;溫度控制;以太網(wǎng)通信;組態(tài)監(jiān)控

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A??????? 文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0151-04

Design of Remote Temperature Monitoring System for Cluster Industrial Cold Storage Based on Ethernet

Zhou Kui ，Xia Zhenhuan ，Chen Haoming ，Guan Shiyan

（College of Intelligent Manufacturing， Jiangsu Vocational College of Electronic Information， Huai′an， Jiangsu 223003， China）

Abstract： To? solve? the? problems? of low? system? integration，? isolated? data? between? equipment? and? low? management? efficiency? in? the development of industrial cold storage cluster， a remote monitoring system for industrial cold storage temperature was developed by using PLC， touch screen， frequency converter， industrial switch and other equipment based on Ethernet communication technology， PLC control technology and group monitoring technology， the master-slave hardware circuit， Ethernet communication system， configuration monitoring program and so on were designed， and the system function test was carried out. The simulation results show that the one-to-one configuration of cold storage and refrigeration unit? and the master-slave? station? design? scheme of field? cold? storage realize the? convenient control of cold? storage temperature， real-time data sharing between equipment and group control function of each cold storage. At the same time， the Ethernet communication mode of each cold storage monitoring substation improves the online detection speed and management efficiency of the system′s real-time data. The system has certain stability， reliability and intelligence， and realizes the purpose of remote control and monitoring of industrial cold storage cluster in different places.

Key words： cold storage cluster; temperature control; Ethernet communication; configuration monitoring

0 引言

隨著智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展，各行業(yè)對(duì)設(shè)備控制的信息化、智能化要求日益提高，工業(yè)冷庫(kù)控制也朝著智能化、集群化方向發(fā)展。單一冷庫(kù)逐漸減少，具有綜合功能的冷庫(kù)越來(lái)越多。對(duì)于制冷設(shè)備來(lái)說(shuō)，智能化控制方式可以實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)的最佳工作狀態(tài)和冷庫(kù)溫度的精確控制，從而減小冷庫(kù)存儲(chǔ)環(huán)境的波動(dòng)，有利于冷藏物的良好保存。

目前，我國(guó)工業(yè)冷庫(kù)行業(yè)受到場(chǎng)地、規(guī)模、人員、技術(shù)等限制，仍然以半自動(dòng)控制為主，普遍存在制冷設(shè)備控制分散、維護(hù)成本大、設(shè)備數(shù)據(jù)不能適時(shí)共享、遠(yuǎn)程監(jiān)控效率低等問(wèn)題。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)冷庫(kù)行業(yè)控制仍有較大差距。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)冷庫(kù)控制的智能化、網(wǎng)絡(luò)化控制成為制冷控制領(lǐng)域技術(shù)研究的重點(diǎn)。很多學(xué)者利用總線(xiàn)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)冷庫(kù)局部制冷設(shè)備、冷庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的控制開(kāi)展研究， 將 PROFIBUS總線(xiàn)、PROFINET總線(xiàn)應(yīng)用于制冷系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)制冷裝備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)管理，逐步適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代智慧冷庫(kù)時(shí)代的到來(lái)。本文采用 PLC、觸摸屏、變頻器、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等控制設(shè)備，基于以太網(wǎng)通信、PLC控制、變頻調(diào)速等技術(shù)，設(shè)計(jì)了工業(yè)冷庫(kù)溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控的以太網(wǎng)系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，提供了現(xiàn)場(chǎng)冷庫(kù)異地控制的主從站監(jiān)控方案，實(shí)現(xiàn)了冷庫(kù)的智能化控制，解決了異地冷庫(kù)之間工作數(shù)據(jù)不能共享、遠(yuǎn)程監(jiān)控困難等問(wèn)題，為工業(yè)冷庫(kù)異地集群遠(yuǎn)程監(jiān)控提供參考方案。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體方案

某公司化工原料儲(chǔ)藏冷庫(kù)共3間，其中本地冷庫(kù)1間，異地冷庫(kù)2間。因存儲(chǔ)生產(chǎn)原料不同，所以各冷庫(kù)溫度和存儲(chǔ)位置不同。其中異地冷庫(kù)設(shè)計(jì)溫度2～10℃，本地冷庫(kù)設(shè)計(jì)溫度-18±2℃。冷庫(kù)冷藏容量1200 t ，設(shè)計(jì)采用3套制冷壓縮機(jī)組。該工業(yè)冷庫(kù)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控分站3大部分組成。其中，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心包含上位機(jī)、服務(wù)器設(shè)備，負(fù)責(zé)對(duì)上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)顯示等;工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)由工業(yè)交換機(jī)組成，負(fù)責(zé)將各個(gè)冷庫(kù)溫度監(jiān)控分站監(jiān)測(cè)到的溫度、壓力等數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心;監(jiān)控分站對(duì)各個(gè)冷庫(kù)的空氣壓縮機(jī)、冷卻水泵、冷卻風(fēng)機(jī)、比例閥等制冷設(shè)備，以及溫度、壓力、電機(jī)運(yùn)行速度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[1]。

溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)將 PC終端、觸摸屏和主從站 PLC連接起來(lái)。設(shè)定好 IP 地址保證其均在同一局域網(wǎng)內(nèi)，IP 地址均為192.168.10.xxx 。其中溫度監(jiān)控分站選擇西門(mén)子 S7-200 SMART PLC 作為控制核心。系統(tǒng)根據(jù)冷庫(kù)溫度和循環(huán)管道壓力值，通過(guò) PID 控制空氣壓縮機(jī)和冷卻泵電機(jī)速度。同時(shí)，根據(jù)冷庫(kù)溫度監(jiān)測(cè)，通過(guò) PID 調(diào)節(jié)比例閥開(kāi)度來(lái)控制制冷液的分配，從而控制冷庫(kù)溫度[2]。方案構(gòu)建了工業(yè)冷庫(kù)溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控的以太網(wǎng)系統(tǒng)，達(dá)到冷庫(kù)集群遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

系統(tǒng)采用 STEP 7-MicroWIN SMART 和 MCGSE 組態(tài)軟件，構(gòu)建工業(yè)冷庫(kù)溫度的以太網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)冷庫(kù)溫度多地監(jiān)控的智能化解決方案。

（1） 以太網(wǎng)通信通過(guò)觸摸屏、PLC、變頻器構(gòu)成以太網(wǎng)通信系統(tǒng)。并對(duì)主站PLC、從站PLC、MCGS觸摸屏進(jìn)行以太網(wǎng)通信設(shè)置，形成工業(yè)冷庫(kù)異地網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[3]。

（2） 以太網(wǎng)遠(yuǎn)程控制主站可以實(shí)現(xiàn)對(duì)從站各個(gè)冷庫(kù)遠(yuǎn)程控制，包括對(duì)從站制冷系統(tǒng)的起動(dòng)、停止控制，從站制冷系統(tǒng)的給定壓力、給定溫度設(shè)置，從站制冷設(shè)備報(bào)警信息的處理等。

（3） 參數(shù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)主站通過(guò)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)從站溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)控，包括各從站冷庫(kù)的制冷循環(huán)系統(tǒng)壓力、冷庫(kù)溫度、比例閥開(kāi)度、壓縮機(jī)運(yùn)行頻率、冷卻泵運(yùn)行頻率等狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)與顯示，并形成實(shí)時(shí)曲線(xiàn)和統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

（4） 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)主站及各個(gè)監(jiān)控分站可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣壓縮機(jī)、冷卻水泵、冷卻風(fēng)機(jī)、排氣閥、進(jìn)氣閥等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，以及冷卻泵多段速運(yùn)行的不同速度狀態(tài)指示，并進(jìn)行自動(dòng)控制。

（5）在線(xiàn)報(bào)警監(jiān)控監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)制冷設(shè)備工作狀態(tài)異常的報(bào)警監(jiān)控，包括制冷設(shè)備工作異常報(bào)警、壓力超限報(bào)警、溫度超限報(bào)警等[4]。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分站 PLC 用來(lái)控制各個(gè)冷庫(kù)溫度，接收溫度、壓力等傳感器的輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷系統(tǒng)中的空氣壓縮機(jī)、冷卻水泵電機(jī)等設(shè)備的啟/?？刂?、保護(hù)和報(bào)警，同時(shí)將各種故障信號(hào)上傳至主站 PLC ，并接收主站 PLC 的控制命令[5]。分站 PLC 具有單站控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、故障檢測(cè)、報(bào)警提示等功能。溫度監(jiān)控分站硬件設(shè)計(jì)方案如圖2所示，采用 PLC、模擬量輸入輸出模塊、觸摸屏、溫度傳感器、溫度變送器、PC機(jī)等硬件設(shè)備，通過(guò)工業(yè)交換機(jī)將多臺(tái) PLC和 MCGS觸摸屏連接起來(lái)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC硬件網(wǎng)絡(luò)配置

西門(mén)子 S7-200smart PLC 通過(guò)以太網(wǎng) TCP/IP 協(xié)議，來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的信息交互。系統(tǒng)利用以太網(wǎng)通信線(xiàn)將上位機(jī) PC機(jī)、主站 PLC和從站 PLC連接在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并保證其處于同一網(wǎng)段，來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的正常通信。在系統(tǒng)塊中， CPU 通道中選擇 CPU SR40 （AC/DC/Re? lay）， CPU的輸入為起始點(diǎn)為I0.0，輸出起始點(diǎn)為 Q0.0。 EM 0通道選擇模塊 EMDR16（8DI/8DQ Relay）。 EM1通道選擇模塊 EM AM06（4AI/2AQ），模擬量的輸入起始地址為 AIW32，輸出起始地址為 AQW32。以太網(wǎng)端口 IP 地址配置為192.168.10.1，通信背景時(shí)間為10%，通信波特率為9.6kb/s 。在通信設(shè)置窗口中，網(wǎng)絡(luò)接口卡選擇 TCP/ IP ，主站 PLC的IP 地址設(shè)置為192.168.10.1，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0[6]。

3.2 軟件組網(wǎng)配置

3.2.1? 數(shù)據(jù)規(guī)劃

根據(jù)冷庫(kù)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的控制流程、主從站 PLC之間的數(shù)據(jù)交換，以及 PLC與觸摸屏的數(shù)據(jù)交換等要求，對(duì)主從站 PLC的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)劃，以主站 PLC 控制1號(hào)冷庫(kù)為例，其規(guī)劃數(shù)據(jù)如表1所示。

3.2.2 組網(wǎng)設(shè)置

為實(shí)現(xiàn)主站 PLC 和從站 PLC 之間的數(shù)據(jù)共享和交換，西門(mén)子 S7-200smartPLC通過(guò)向?qū)渲脕?lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信。在 GET/PUT 向?qū)е刑砑用麨榻邮蘸桶l(fā)送兩個(gè)向?qū)?。接收向?qū)е羞x擇類(lèi)型為 GET ，設(shè)置傳送字節(jié)為42 Byte 。設(shè)置遠(yuǎn)程 CPU的IP 地址為192.168.10.2，本地和遠(yuǎn)程地址均設(shè)為 VB813，實(shí)現(xiàn)將本地 CPU的VB813-VB854的數(shù)據(jù)傳遞給遠(yuǎn)程CPU的VB813-VB854，如圖3所示[7-8]。

在接收向?qū)е羞x擇類(lèi)型為 PUT ，設(shè)置傳送字節(jié)為13 Byte 。設(shè)定遠(yuǎn)程 CPU的IP 地址為192.168.10.2，本地和遠(yuǎn)程地址均設(shè)為 VB800，實(shí)現(xiàn)將本地 CPU的VB800-VB812的數(shù)據(jù)傳遞給遠(yuǎn)程 CPU的VB800-VB812。

3.3 觸摸屏以太網(wǎng)設(shè)置

系統(tǒng)采用 MCGSE 組態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)組態(tài)程序，首先在設(shè)備組態(tài)中添加設(shè)備0—[西門(mén)子_smart200][9]。進(jìn)入設(shè)備編輯窗口，設(shè)置觸摸屏的 IP 地址為192.168.10.17，設(shè)定主站 PLC 的 IP 地址為192.168.10.1，采樣周期設(shè)置為100 ms ，TCP/IP的通訊延時(shí)為200 ms ， TCP/IP連接等待時(shí)間為10 s 。同時(shí)，在組態(tài)軟件下載配置窗口中，選擇 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置目標(biāo)機(jī)名為192.168.10.17。

3.4 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)控，系統(tǒng)采用 MCGSE組態(tài)王軟件開(kāi)發(fā)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊如圖4所示。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)包括用戶(hù)登錄模塊、主站監(jiān)控模塊、從站監(jiān)控模塊、參數(shù)設(shè)置與顯示模塊、設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)控模塊、報(bào)警監(jiān)控模塊、溫度和壓力實(shí)時(shí)曲線(xiàn)模塊等[10]。

用戶(hù)登錄界面主要考慮系統(tǒng)使用安全，根據(jù)不同用戶(hù)等級(jí)設(shè)置了不用的用戶(hù)使用權(quán)限。主站監(jiān)控畫(huà)面主要實(shí)現(xiàn)中心冷庫(kù)的空氣壓縮機(jī)和比例閥 PID 參數(shù)設(shè)置，冷卻泵、冷卻風(fēng)機(jī)、排氣閥和吸氣閥等制冷設(shè)備工作狀態(tài)指示，以及壓力上限和下限的報(bào)警指示等。溫度從站監(jiān)控畫(huà)面主要實(shí)現(xiàn)主站對(duì)從站的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)，比如對(duì)1號(hào)、2號(hào)從站中的給定溫度、給定壓力、PID 系數(shù)等參數(shù)設(shè)置，以及冷卻泵、冷卻風(fēng)機(jī)等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)指示，以及制冷設(shè)備工作異常的報(bào)警指示等[11]。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)采用 MCGSE 組態(tài)軟件，以 TCP/IP 通信模式獲取各個(gè)冷庫(kù)監(jiān)控分站的制冷設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析、顯示和控制，監(jiān)控平臺(tái)主界面如圖5所示。系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，首先進(jìn)行通信功能調(diào)試，設(shè)置好主站 PLC、從站 PLC 、觸摸屏的 IP 地址，并保證其在同一局域網(wǎng)。主站 PLC 通信向?qū)гO(shè)置好之后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)調(diào)試子程序。在程序段中添加調(diào)試子程序，設(shè)置超時(shí)為1000。若通信正常，則每次完成所有的網(wǎng)絡(luò)操作時(shí)，都會(huì)切換 BOOL 變量“周期”的狀態(tài)。通信測(cè)試正常后，再按照系統(tǒng)要求分別進(jìn)行總站調(diào)試、分站調(diào)試、參數(shù)調(diào)試，然后進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行、故障報(bào)警、PID 控制、變頻調(diào)速等功能調(diào)試。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)具備了工業(yè)冷庫(kù)集群聯(lián)網(wǎng)控制功能，通過(guò)觸摸屏、PC機(jī)可以查看遠(yuǎn)程冷庫(kù)制冷設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、當(dāng)前庫(kù)溫、管道壓力、工作頻率等參數(shù)。管理員可以進(jìn)行用戶(hù)權(quán)限管理，用戶(hù)可以對(duì)冷庫(kù)進(jìn)行目標(biāo)溫度設(shè)置，并隨時(shí)調(diào)取溫度變化走勢(shì)曲線(xiàn)等。

5 結(jié)束語(yǔ)

為解決工業(yè)冷庫(kù)集群發(fā)展過(guò)程中存在的系統(tǒng)集成性低、設(shè)備間數(shù)據(jù)孤立、管理效率低等問(wèn)題，本文采用 PLC、觸摸屏、變頻器、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等控制設(shè)備，建立了 PLC 和溫度監(jiān)控分站的 C/S 構(gòu)架。基于 STEP 7-MicroWIN SMART和 MCGSE軟件，通過(guò)以太網(wǎng)通信編程和配置，構(gòu)建冷鏈產(chǎn)業(yè)集群型工業(yè)冷庫(kù)的溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控以太網(wǎng)系統(tǒng)[12]。并設(shè)計(jì)了溫控監(jiān)控系統(tǒng)的主從站硬件電路、以太網(wǎng)通信配置、組態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控程序、主站 PLC 和從站 PLC的控制程序等，并進(jìn)行了通信聯(lián)網(wǎng)測(cè)試和系統(tǒng)功能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了 PLC總站和溫度監(jiān)控分站的數(shù)據(jù)交換。試驗(yàn)表明，以太網(wǎng)通信有效提高了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集效率，縮短了總站輪詢(xún)溫度監(jiān)控分站的時(shí)間。通過(guò)參數(shù)調(diào)試，該系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度為±0.1℃，當(dāng)設(shè)定溫度為+5℃時(shí)，庫(kù)內(nèi)溫度變化范圍為+4～6℃。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后30 min庫(kù)溫可達(dá)到預(yù)定溫度。和傳統(tǒng)控制方案比，該系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性、可靠性和節(jié)能性，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和冷庫(kù)工作效率，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)冷庫(kù)異地集群遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)的目的。

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第一作者簡(jiǎn)介：周奎（1973-），女，安徽人，碩士，副教授，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)橹悄芸刂?，已發(fā)表論文20余篇。

（編輯：刁少華）