基于以太網(wǎng)的集群型工業(yè)冷庫溫度遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

周奎 夏振環(huán) 陳浩珉 關士巖

摘要：為了解決工業(yè)冷庫集群發(fā)展過程中存在的系統(tǒng)集成性低、設備間數(shù)據(jù)孤立、管理效率低等問題，采用 PLC、觸摸屏、變頻器、工業(yè)交換機等設備，基于 PLC控制技術、以太網(wǎng)通信技術、組態(tài)監(jiān)控技術，開發(fā)了工業(yè)冷庫溫度異地遠程監(jiān)控系統(tǒng)，設計了現(xiàn)場冷庫的主從站硬件電路、以太網(wǎng)通信系統(tǒng)、組態(tài)監(jiān)控程序等，并進行了系統(tǒng)功能測試。模擬實驗結果表明冷庫與制冷機組的一對一配置和現(xiàn)場冷庫的主從站設計方案實現(xiàn)了冷庫溫度的便捷控制、設備間的實時數(shù)據(jù)共享和各個冷庫的群控功能。同時，各個冷庫監(jiān)控分站的以太網(wǎng)通信方式，提高了系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的在線檢測速度和管理效率。該系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性、可靠性和智能性，實現(xiàn)了工業(yè)冷庫異地集群遠程控制和監(jiān)測的目的。

關鍵詞：冷庫集群;溫度控制;以太網(wǎng)通信;組態(tài)監(jiān)控

中圖分類號：TP277???????????? 文獻標志碼：A??????? 文章編號：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)對設備控制的信息化、智能化要求日益提高，工業(yè)冷庫控制也朝著智能化、集群化方向發(fā)展。單一冷庫逐漸減少，具有綜合功能的冷庫越來越多。對于制冷設備來說，智能化控制方式可以實現(xiàn)制冷系統(tǒng)的最佳工作狀態(tài)和冷庫溫度的精確控制，從而減小冷庫存儲環(huán)境的波動，有利于冷藏物的良好保存。

目前，我國工業(yè)冷庫行業(yè)受到場地、規(guī)模、人員、技術等限制，仍然以半自動控制為主，普遍存在制冷設備控制分散、維護成本大、設備數(shù)據(jù)不能適時共享、遠程監(jiān)控效率低等問題。與發(fā)達國家相比，國內(nèi)冷庫行業(yè)控制仍有較大差距。隨著智能控制技術的發(fā)展，工業(yè)冷庫控制的智能化、網(wǎng)絡化控制成為制冷控制領域技術研究的重點。很多學者利用總線技術、網(wǎng)絡技術對冷庫局部制冷設備、冷庫環(huán)境監(jiān)測設備的控制開展研究， 將 PROFIBUS總線、PROFINET總線應用于制冷系統(tǒng)中，實現(xiàn)制冷裝備的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測，實時管理，逐步適應大數(shù)據(jù)時代智慧冷庫時代的到來。本文采用 PLC、觸摸屏、變頻器、工業(yè)網(wǎng)絡交換機等控制設備，基于以太網(wǎng)通信、PLC控制、變頻調(diào)速等技術，設計了工業(yè)冷庫溫度遠程監(jiān)控的以太網(wǎng)系統(tǒng)，并通過實驗調(diào)試，提供了現(xiàn)場冷庫異地控制的主從站監(jiān)控方案，實現(xiàn)了冷庫的智能化控制，解決了異地冷庫之間工作數(shù)據(jù)不能共享、遠程監(jiān)控困難等問題，為工業(yè)冷庫異地集群遠程監(jiān)控提供參考方案。

1 總體方案設計

1.1 系統(tǒng)總體方案

某公司化工原料儲藏冷庫共3間，其中本地冷庫1間，異地冷庫2間。因存儲生產(chǎn)原料不同，所以各冷庫溫度和存儲位置不同。其中異地冷庫設計溫度2～10℃，本地冷庫設計溫度-18±2℃。冷庫冷藏容量1200 t ，設計采用3套制冷壓縮機組。該工業(yè)冷庫溫度監(jiān)控系統(tǒng)的整體設計方案如圖1所示。整個監(jiān)控系統(tǒng)由遠程監(jiān)控中心、工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡、監(jiān)控分站3大部分組成。其中，遠程監(jiān)控中心包含上位機、服務器設備，負責對上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析處理、實時曲線顯示等;工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡由工業(yè)交換機組成，負責將各個冷庫溫度監(jiān)控分站監(jiān)測到的溫度、壓力等數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心;監(jiān)控分站對各個冷庫的空氣壓縮機、冷卻水泵、冷卻風機、比例閥等制冷設備，以及溫度、壓力、電機運行速度等參數(shù)進行實時監(jiān)測[1]。

溫度遠程監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)交換機將 PC終端、觸摸屏和主從站 PLC連接起來。設定好 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)控分站選擇西門子 S7-200 SMART PLC 作為控制核心。系統(tǒng)根據(jù)冷庫溫度和循環(huán)管道壓力值，通過 PID 控制空氣壓縮機和冷卻泵電機速度。同時，根據(jù)冷庫溫度監(jiān)測，通過 PID 調(diào)節(jié)比例閥開度來控制制冷液的分配，從而控制冷庫溫度[2]。方案構建了工業(yè)冷庫溫度遠程監(jiān)控的以太網(wǎng)系統(tǒng)，達到冷庫集群遠程監(jiān)控的目的。

1.2 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

系統(tǒng)采用 STEP 7-MicroWIN SMART 和 MCGSE 組態(tài)軟件，構建工業(yè)冷庫溫度的以太網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)冷庫溫度多地監(jiān)控的智能化解決方案。

（1） 以太網(wǎng)通信通過觸摸屏、PLC、變頻器構成以太網(wǎng)通信系統(tǒng)。并對主站PLC、從站PLC、MCGS觸摸屏進行以太網(wǎng)通信設置，形成工業(yè)冷庫異地網(wǎng)絡遠程控制系統(tǒng)[3]。

（2） 以太網(wǎng)遠程控制主站可以實現(xiàn)對從站各個冷庫遠程控制，包括對從站制冷系統(tǒng)的起動、停止控制，從站制冷系統(tǒng)的給定壓力、給定溫度設置，從站制冷設備報警信息的處理等。

（3） 參數(shù)在線監(jiān)測主站通過以太網(wǎng)通信系統(tǒng)，實現(xiàn)對從站溫度的遠程監(jiān)控，包括各從站冷庫的制冷循環(huán)系統(tǒng)壓力、冷庫溫度、比例閥開度、壓縮機運行頻率、冷卻泵運行頻率等狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測與顯示，并形成實時曲線和統(tǒng)計報表。

（4） 設備狀態(tài)監(jiān)測主站及各個監(jiān)控分站可以實時監(jiān)測空氣壓縮機、冷卻水泵、冷卻風機、排氣閥、進氣閥等設備運行狀態(tài)，以及冷卻泵多段速運行的不同速度狀態(tài)指示，并進行自動控制。

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

2 硬件設計

系統(tǒng)分站 PLC 用來控制各個冷庫溫度，接收溫度、壓力等傳感器的輸入信號，實現(xiàn)對制冷系統(tǒng)中的空氣壓縮機、冷卻水泵電機等設備的啟/?？刂啤⒈Ｗo和報警，同時將各種故障信號上傳至主站 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)設置、數(shù)據(jù)采集、故障檢測、報警提示等功能。溫度監(jiān)控分站硬件設計方案如圖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機等硬件設備，通過工業(yè)交換機將多臺 PLC和 MCGS觸摸屏連接起來。

3 軟件設計

3.1 PLC硬件網(wǎng)絡配置

西門子 S7-200smart PLC 通過以太網(wǎng) TCP/IP 協(xié)議，來實現(xiàn)設備之間的信息交互。系統(tǒng)利用以太網(wǎng)通信線將上位機 PC機、主站 PLC和從站 PLC連接在同一個網(wǎng)絡，并保證其處于同一網(wǎng)段，來實現(xiàn)設備之間的正常通信。在系統(tǒng)塊中， CPU 通道中選擇 CPU SR40 （AC/DC/Re? lay）， CPU的輸入為起始點為I0.0，輸出起始點為 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，通信背景時間為10%，通信波特率為9.6kb/s 。在通信設置窗口中，網(wǎng)絡接口卡選擇 TCP/ IP ，主站 PLC的IP 地址設置為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，對主從站 PLC的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)進行規(guī)劃，以主站 PLC 控制1號冷庫為例，其規(guī)劃數(shù)據(jù)如表1所示。

3.2.2 組網(wǎng)設置

為實現(xiàn)主站 PLC 和從站 PLC 之間的數(shù)據(jù)共享和交換，西門子 S7-200smartPLC通過向導配置來實現(xiàn)以太網(wǎng)通信。在 GET/PUT 向導中添加名為接收和發(fā)送兩個向導。接收向導中選擇類型為 GET ，設置傳送字節(jié)為42 Byte 。設置遠程 CPU的IP 地址為192.168.10.2，本地和遠程地址均設為 VB813，實現(xiàn)將本地 CPU的VB813-VB854的數(shù)據(jù)傳遞給遠程CPU的VB813-VB854，如圖3所示[7-8]。

在接收向導中選擇類型為 PUT ，設置傳送字節(jié)為13 Byte 。設定遠程 CPU的IP 地址為192.168.10.2，本地和遠程地址均設為 VB800，實現(xiàn)將本地 CPU的VB800-VB812的數(shù)據(jù)傳遞給遠程 CPU的VB800-VB812。

3.3 觸摸屏以太網(wǎng)設置

系統(tǒng)采用 MCGSE 組態(tài)環(huán)境設計組態(tài)程序，首先在設備組態(tài)中添加設備0—[西門子_smart200][9]。進入設備編輯窗口，設置觸摸屏的 IP 地址為192.168.10.17，設定主站 PLC 的 IP 地址為192.168.10.1，采樣周期設置為100 ms ，TCP/IP的通訊延時為200 ms ， TCP/IP連接等待時間為10 s 。同時，在組態(tài)軟件下載配置窗口中，選擇 TCP/IP網(wǎng)絡，設置目標機名為192.168.10.17。

3.4 監(jiān)控界面設計

為了實現(xiàn)溫度的遠程監(jiān)控，系統(tǒng)采用 MCGSE組態(tài)王軟件開發(fā)上位機監(jiān)控系統(tǒng)，上位機監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊如圖4所示。上位機監(jiān)控系統(tǒng)包括用戶登錄模塊、主站監(jiān)控模塊、從站監(jiān)控模塊、參數(shù)設置與顯示模塊、設備工作狀態(tài)監(jiān)控模塊、報警監(jiān)控模塊、溫度和壓力實時曲線模塊等[10]。

用戶登錄界面主要考慮系統(tǒng)使用安全，根據(jù)不同用戶等級設置了不用的用戶使用權限。主站監(jiān)控畫面主要實現(xiàn)中心冷庫的空氣壓縮機和比例閥 PID 參數(shù)設置，冷卻泵、冷卻風機、排氣閥和吸氣閥等制冷設備工作狀態(tài)指示，以及壓力上限和下限的報警指示等。溫度從站監(jiān)控畫面主要實現(xiàn)主站對從站的遠程控制和監(jiān)測，比如對1號、2號從站中的給定溫度、給定壓力、PID 系數(shù)等參數(shù)設置，以及冷卻泵、冷卻風機等設備運行狀態(tài)指示，以及制冷設備工作異常的報警指示等[11]。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)采用 MCGSE 組態(tài)軟件，以 TCP/IP 通信模式獲取各個冷庫監(jiān)控分站的制冷設備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并進行分析、顯示和控制，監(jiān)控平臺主界面如圖5所示。系統(tǒng)調(diào)試時，首先進行通信功能調(diào)試，設置好主站 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 通信向導設置好之后，系統(tǒng)會自動生成一個調(diào)試子程序。在程序段中添加調(diào)試子程序，設置超時為1000。若通信正常，則每次完成所有的網(wǎng)絡操作時，都會切換 BOOL 變量“周期”的狀態(tài)。通信測試正常后，再按照系統(tǒng)要求分別進行總站調(diào)試、分站調(diào)試、參數(shù)調(diào)試，然后進行系統(tǒng)設備運行、故障報警、PID 控制、變頻調(diào)速等功能調(diào)試。試驗表明，系統(tǒng)具備了工業(yè)冷庫集群聯(lián)網(wǎng)控制功能，通過觸摸屏、PC機可以查看遠程冷庫制冷設備狀態(tài)數(shù)據(jù)、當前庫溫、管道壓力、工作頻率等參數(shù)。管理員可以進行用戶權限管理，用戶可以對冷庫進行目標溫度設置，并隨時調(diào)取溫度變化走勢曲線等。

5 結束語

為解決工業(yè)冷庫集群發(fā)展過程中存在的系統(tǒng)集成性低、設備間數(shù)據(jù)孤立、管理效率低等問題，本文采用 PLC、觸摸屏、變頻器、工業(yè)網(wǎng)絡交換機等控制設備，建立了 PLC 和溫度監(jiān)控分站的 C/S 構架?；?STEP 7-MicroWIN SMART和 MCGSE軟件，通過以太網(wǎng)通信編程和配置，構建冷鏈產(chǎn)業(yè)集群型工業(yè)冷庫的溫度遠程監(jiān)控以太網(wǎng)系統(tǒng)[12]。并設計了溫控監(jiān)控系統(tǒng)的主從站硬件電路、以太網(wǎng)通信配置、組態(tài)遠程監(jiān)控程序、主站 PLC 和從站 PLC的控制程序等，并進行了通信聯(lián)網(wǎng)測試和系統(tǒng)功能測試，實現(xiàn)了 PLC總站和溫度監(jiān)控分站的數(shù)據(jù)交換。試驗表明，以太網(wǎng)通信有效提高了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集效率，縮短了總站輪詢溫度監(jiān)控分站的時間。通過參數(shù)調(diào)試，該系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度為±0.1℃，當設定溫度為+5℃時，庫內(nèi)溫度變化范圍為+4～6℃。系統(tǒng)開機后30 min庫溫可達到預定溫度。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)的實時性和冷庫工作效率，實現(xiàn)了工業(yè)冷庫異地集群遠程控制和監(jiān)測的目的。

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第一作者簡介：周奎（1973-），女，安徽人，碩士，副教授，高級工程師，研究領域為智能控制，已發(fā)表論文20余篇。

（編輯：刁少華）