现场总线在冷库监控系统中的应用

    1、引言

    目前，我国大型冷库的制冷监控系统主要采用人工或集中式控制系统，控制器与现场设备之间靠大量的I／O电缆连接，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。控制系统传送4～20mA模拟量信号，并以此监控现场设备，这样，由于控制器获取信息量有限，现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能较弱；另一方面也很难完成现场设备的动态监控、远程参数设定、修改等功能，造成制冷控制系统的信息集成能力不强和可维护性较差，影响冷库的生产效率，并给生产管理带来诸多不便。

    随着计算机网络技术在工控领域的应用和发展，建立基于Profibus—DP现场总线的冷库制冷监控系统成为解决这一问题的有效途径。Profibus现场总线是一种全数字化的、串行、双向传输、多分支结构的通信网络，用于工厂／车间仪表和控制设备的局域网。由于它采用纯数字技术，在单根电缆上连接多个仪表和设备，所传递的信息量大（不仅有控制数据，也有组态、状态和诊断等数据），加之其具有更强的抗干扰性能，更低的安装、运行和维护成本，因此其在冷库制冷监控系统中的应用，将大大减少布线工作量与电缆投资，避免信号干扰，使系统更可靠，操作更简便，监控更直观。

    2、系统组成及主要功能

    该万吨冷库制冷系统有一台独立的开启式螺杆压缩机，分别给六个库房供冷，库房用循环风机吹送冷风，其中，1号—5号库是冷冻库，有60个—18℃测温点，6号库是冷藏库，有12个0～4℃测温点；控制风机12组共计60台风机。控制系统要求自动控制冲霜过程，压缩机、氨泵、水泵、冷风机等设备的开、停及压缩机的能量增减。在中央控制室监控冷库各制冷设备的运行状况、显示库房温度、回气总管压力、冷凝总管压力、低压循环桶的液位、各台压缩机的运行参数及曲线。库房的温度、总管压力可以根据实际需要，在中控室进行设定。

    2.1 系统组成

    根据以上制冷工艺的要求，该监控系统由Profibus—DP总线构成单主从工作方式，如图1所示。主站选用 Siemens 的 S7—300 PLC（CPU315—2DP），站地址设为2，实现总线通信控制与管理，完成周期性数据访问。从站为三台S7——200 PLC （CPU226） 和一块远程I／O（ET200M），站地址分别设定为3、4、5、6。主站与S7—200PLC从站之间的Profibus—DP通信是通过EM277通信模块将CPU226作为DP从站实现的。上位机选用研华工控机，内置专用的通信网卡CP5611，通过MPI口与PLC相连。工控机作为人机操作站，装有西门子的编程软件STEP7 V5.1和组态王监控软件。利用STEP7 V5.1编程软件首先对系统进行相应网络配置，如通信端口的设置，站地址和数据传输速率的设定等；然后通过MPI端口对主站S7—300进行硬件组态，由电源模块PS307、CPU315—2DP、模拟量输出模块SM332、数字量输入模块SM321和数字量输出模块SM322组成。上位机选用组态王进行各种画面的组态，实现数据浏览、参数设定、手／自动操作、故障报警、历史数据记录等操作，监控制冷控制系统的有关参量，并具有完备的报表管理功能。

    主站带有Profibus—DP接口可以和三个从站进行数据通信。主站还可以通过远程I／O ET200M控制压缩机、氨泵和水泵的起停，并能根据用冷量的大小，增减压缩机的投人数量，同时采集压缩机的运行参数等。

    由于六个冷库距中央监控室较远，在六个冷库间门口的合理中间位置，安装三台S7—200 PLC作为远程从站进行数据采集，其中两台为温度采集箱，温度传感器信号就近接人采集箱内，箱内的S7—200接收从主站来的I／O配置，分时采集温度值，向主站发送数据和接收来自主站的数据。现场箱安装TD200文本显示器，可以就地检查各温度值和其他信息。另一台S7—200PLC采集六个冷库房中60台风机的电流和吸气总管及排气总管的压力，通过Profibus—DP总线送人上位机，显示风机电流和压力的数值及曲线。

    2.2 温度巡检电路

    由于库房的温度监测点较多，每一个监测点的温度都需要通过温度变送器，将PTl00热电阻温度传感器的电阻信号转换为标准的4～20mA电流信号送人S7—200 PLC中，这样每一个温度采集站就需要36个温度变送器和五个模拟量输入模块。为了降低成本，采用如图2所示的分时驱动采样电路，利用PLC强大的控制功能，通过软件编程在60～120s（可调）的轮巡周期内分别控制36、中间继电器KA的通断，因此，每组只需一个温度变送器和一个模拟量输入模块就可以采集所有温度值，从而实现了用软件处理减少硬件配置，降低了监控系统的费用，减少了设备的故障率。[page]

    2.3 系统主要功能

    （1）实现对压缩机、氨泵、风机、冲霜等制冷设备的全过程控制。
    （2）实时显示制冷系统的主要工艺参数（如温度、压力、风机电流等）。
    （3）动态模拟显示各设备运行情况（如压缩机的起停、低压循环桶液位的高低等）。
    （4）可手动或自动巡检六个冷库的温度，并可以根据实际需要通过上位机键盘对温度、压力等进行参数设置和修改。
    （5）温度、压力、电流等参数超限值的在线检测和报警。
    （6）各种生产管理报表的自动生成、数据查询和打印。

    3、软件设计

    3.1 PLC程序设计

    STEP7软件采用模块化结构编程，整个冷库的控制程序由OB组织块、FC功能块和DB数据块构成。组织块OB是系统操作程序与用户应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的运行。不同的OB有不同的功能。本设计中组织块有OB1、 OB82、 OB84、 OB86、 OB87、 OBl00、OBl22。OB1是用作主程序循环的，它用来设计主循环程序的结构；OB82是诊断中断程序，诊断接收来自有诊断能力的模块（如：模拟输入模块）；OB84是CPU硬件故障中断，OB86是机架错误中断，OB87通信错误中断；OBl00属于启动组织块，是暖启动用的；OBl22是访问错误组织块，属于故障处理组织块。OB1是主程序，主要完成系统初始化、初始参数设定、调用子程序。FC是自定义子程序块，包括压缩机控制、冷风机控制、低压循环桶液位控制、冲霜控制、故障处理、数据采集与处理等功能块。各功能子程序对相关事件的联系和处理靠主程序OBl调用，其程序结构如图3所示。

    在程序编写过程中，需要注意以下几个问题的处理：

    （1）温度采集和处理 库房的实际温度值通过温度传感器的采集送人PLC的模拟量输入模块中，此时，经过A／D转换，该温度值变成无量纲的数字量，要在上位机中把该数字量显示成有量纲的实际温度值，必须经过程序计算和转换，才能变成有量纲的值被显示出来。同时，传感器采集到的温度信号在极短的时间内可能会受到干扰信号的作用而出现误差，从而会导致冷风机和冷却液阀的误动作。为了避免干扰，采用在10s时间内采集六个实际温度值，通过程序计算其平均值，然后用平均温度值去控制风机和冷却阀的起停，从而有效地避免了干扰。

    （2）数据块DB的设计 数据块DB用来存放用户程序运行所需的大量数据或变量，它也是实现各程序块之间交换、传递和共享数据的重要途径。在制冷监控系统中，上位机和下位机的通信主要通过读取和改变下位机的DB块来实现的。该系统一共设计了九个DB块，分别表示实际温度数据块、设定温度数据块、电流数据块、液位数据块、实际压力数据块、设定压力数据块、除霜数据块、报警数据块和各种阀门开启数据块。通过读取下位机的DB块，在上位机中显示对应的实际温度值、冷风机开闭状态等；通过改变下位机相应DB块中的数据，如改变某一库房的设定温度，就可以改变DB块中的值，从而控制压缩机、风机等设备起停。

    3.2 组态软件的设计

    组态软件采用北京亚控公司的组态王。该软件通过S7—300采集制冷过程中的各种工艺参数，在上位机上实时监控风机的状态（运行、停止、故障）、低压循环桶的液位、各种电磁阀的动作变化过程，使操作人员很直观地了解系统的工作状况。还可以利用数据、图表、棒图和趋势图等方式显示温度、压力、电流、给定调节量和故障状态等动态参数。根据监控系统的要求，共组态出八类30个画面，包括冷库及制冷站内各机组工作状态模拟画面、整个系统内各现场监控单元的工作情况画面、查询、监控及手动操作等工作权限画面、当前值记录和历史记录及参数值的保存和打印画面、历史曲线画面、报警窗口画面和报表管理画面等。操作工人能方便地利用鼠标或键盘，根据菜单和对话框上的提示，完成各个界面的切换。

    4、结束语

    在对冷库进行自动化设计过程中，利用PLC通过Profibus—DP现场总线，构建高性能的工业现场局域网，实现对冷库生产过程的网络化监控，减少了大量布线，提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。