1、引言
目前，我國大型冷庫的製冷監控系統主要採用人工或集中式控制系統，控制器與現場設備之間靠大量的I／O電纜連接，不僅增加成本，也增加了系統的不可靠性。控制系統傳送4～20mA模擬量信號，並以此監控現場設備，這樣，由於控制器獲取信息量有限，現場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能較弱；另一方面也很難完成現場設備的動態監控、遠程參數設定、修改等功能，造成製冷控制系統的信息集成能力不強和可維護性較差，影響冷庫的生產效率，並給生產管理帶來諸多不便。
隨著計算機網路技術在工控領域的應用和發展，建立基於Profibus—DP現場匯流排的冷庫製冷監控系統成為解決這一問題的有效途徑。Profibus現場匯流排是一種全數字化的、串列、雙向傳輸、多分支結構的通信網路，用於工廠／車間儀錶和控制設備的區域網。由於它採用純數字技術，在單根電纜上連接多個儀錶和設備，所傳遞的信息量大(不僅有控制數據，也有組態、狀態和診斷等數據)，加之其具有更強的抗干擾性能，更低的安裝、運行和維護成本，因此其在冷庫製冷監控系統中的應用，將大大減少布線工作量與電纜投資，避免信號干擾，使系統更可靠，操作更簡便，監控更直觀。
2、系統組成及主要功能
該萬噸冷庫製冷系統有一台獨立的開啟式螺桿壓縮機，分別給六個庫房供冷，庫房用循環風機吹送冷風，其中，1號—5號庫是冷凍庫，有60個—18℃測溫點，6號庫是冷藏庫，有12個0～4℃測溫點；控制風機12組共計60颱風機。控制系統要求自動控制沖霜過程，壓縮機、氨泵、水泵、冷風機等設備的開、停及壓縮機的能量增減。在中央控制室監控冷庫各製冷設備的運行狀況、顯示庫房溫度、回氣總管壓力、冷凝總管壓力、低壓循環桶的液位、各台壓縮機的運行參數及曲線。庫房的溫度、總管壓力可以根據實際需要，在中控室進行設定。
2.1系統組成
根據以上製冷工藝的要求，該監控系統由Profibus—DP匯流排構成單主從工作方式，如圖1所示。主站選用Siemens的S7—300PLC(CPU315—2DP)，站地址設為2，實現匯流排通信控制與管理，完成周期性數據訪問。從站為三台S7——200PLC(CPU226)和一塊遠程I／O(ET200M)，站地址分別設定為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從站實現的。上位機選用研華工控機，內置專用的通信網卡CP5611，通過MPI口與PLC相連。工控機作為人機操作站，裝有西門子的編程軟體STEP7V5.1和組態王監控軟體。利用STEP7V5.1編程軟體首先對系統進行相應網路配置，如通信埠的設置，站地址和數據傳輸速率的設定等；然後通過MPI埠對主站S7—300進行硬體組態，由電源模塊PS307、CPU315—2DP、模擬量輸出模塊SM332、數字量輸入模塊SM321和數字量輸出模塊SM322組成。上位機選用組態王進行各種畫面的組態，實現數據瀏覽、參數設定、手／自動操作、故障報警、歷史數據記錄等操作，監控制冷控制系統的有關參量，並具有完備的報表管理功能。
主站帶有Profibus—DP介面可以和三個從站進行數據通信。
主站還可以通過遠程I／OET200M控制壓縮機、氨泵和水泵的起停，並能根據用冷量的大小，增減壓縮機的投人數量，同時採集壓縮機的運行參數等。
由於六個冷庫距中央監控室較遠，在六個冷庫間門口的合理中間位置，安裝三台S7—200PLC作為遠程從站進行數據採集，其中兩台為溫度採集箱，溫度感測器信號就近接人採集箱內，箱內的S7—200接收從主站來的I／O配置，分時採集溫度值，向主站發送數據和接收來自主站的數據。現場箱安裝TD200文本顯示器，可以就地檢查各溫度值和其他信息。另一台S7—200PLC採集六個冷庫房中60颱風機的電流和吸氣總管及排氣總管的壓力，通過Profibus—DP匯流排送人上位機，顯示風機電流和壓力的數值及曲線。
2.2溫度巡檢電路
由於庫房的溫度監測點較多，每一個監測點的溫度都需要通過溫度變送器，將PTl00熱電阻溫度感測器的電阻信號轉換為標準的4～20mA電流信號送人S7—200PLC中，這樣每一個溫度採集站就需要36個溫度變送器和五個模擬量輸入模塊。為了降低成本，採用如圖2所示的分時驅動採樣電路，利用PLC強大的控制功能，通過軟體編程在60～120s(可調)的輪巡周期內分別控制36、中間繼電器KA的通斷，因此，每組只需一個溫度變送器和一個模擬量輸入模塊就可以採集所有溫度值，從而實現了用軟體處理減少硬體配置，降低了監控系統的費用，減少了設備的故障率。
2.3系統主要功能
(1)實現對壓縮機、氨泵、風機、沖霜等製冷設備的全過程式控制制。
(2)實時顯示製冷系統的主要工藝參數(如溫度、壓力、風機電流等)。
(3)動態模擬顯示各設備運行情況(如壓縮機的起停、低壓循環桶液位的高低等)。
(4)可手動或自動巡檢六個冷庫的溫度，並可以根據實際需要通過上位機鍵盤對溫度、壓力等進行參數設置和修改。
(5)溫度、壓力、電流等參數超限值的在線檢測和報警。
(6)各種生產管理報表的自動生成、數據查詢和列印。
3、軟體設計
3.1PLC程序設計
STEP7軟體採用模塊化結構編程，整個冷庫的控制程序由OB組織塊、FC功能塊和DB數據塊構成。組織塊OB是系統操作程序與用戶應用程序在各種條件下的介面界面，用於控制程序的運行。不同的OB有不同的功能。本設計中組織塊有OB1、OB82、OB84、OB86、OB87、OBl00、OBl22。OB1是用作主程序循環的，它用來設計主循環程序的結構；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硬體故障中斷，OB86是機架錯誤中斷，OB87通信錯誤中斷；OBl00屬於啟動組織塊，是暖啟動用的；OBl22是訪問錯誤組織塊，屬於故障處理組織塊。OB1是主程序，主要完成系統初始化、初始參數設定、調用子程序。FC是自定義子程序塊，包括壓縮機控制、冷風機控制、低壓循環桶液位控制、沖霜控制、故障處理、數據採集與處理等功能塊。
各功能子程序對相關事件的聯繫和處理靠主程序OBl調用，其程序結構如圖3所示。
在程序編寫過程中，需要注意以下幾個問題的處理：
(1)溫度採集和處理庫房的實際溫度值通過溫度感測器的採集送人PLC的模擬量輸入模塊中，此時，經過A／D轉換，該溫度值變成無量綱的數字量，要在上位機中把該數字量顯示成有量綱的實際溫度值，必須經過程序計算和轉換，才能變成有量綱的值被顯示出來。同時，感測器採集到的溫度信號在極短的時間內可能會受到干擾信號的作用而出現誤差，從而會導致冷風機和冷卻液閥的誤動作。為了避免干擾，採用在10s時間內採集六個實際溫度值，通過程序計算其平均值，然後用平均溫度值去控制風機和冷卻閥的起停，從而有效地避免了干擾。
(2)數據塊DB的設計數據塊DB用來存放用戶程序運行所需的大量數據或變數，它也是實現各程序塊之間交換、傳遞和共享數據的重要途徑。在製冷監控系統中，上位機和下位機的通信主要通過讀取和改變下位機的DB塊來實現的。該系統一共設計了九個DB塊，分別表示實際溫度數據塊、設定溫度數據塊、電流數據塊、液位數據塊、實際壓力數據塊、設定壓力數據塊、除霜數據塊、報警數據塊和各種閥門開啟數據塊。通過讀取下位機的DB塊，在上位機中顯示對應的實際溫度值、冷風機開閉狀態等；通過改變下位機相應DB塊中的數據，如改變某一庫房的設定溫度，就可以改變DB塊中的值，從而控制壓縮機、風機等設備起停。
3.2組態軟體的設計
組態軟體採用北京亞控公司的組態王。該軟體通過S7—300採集製冷過程中的各種工藝參數，在上位機上實時監控風機的狀態(運行、停止、故障)、低壓循環桶的液位、各種電磁閥的動作變化過程，使操作人員很直觀地了解系統的工作狀況。還可以利用數據、圖表、棒圖和趨勢圖等方式顯示溫度、壓力、電流、給定調節量和故障狀態等動態參數。根據監控系統的要求，共組態出八類30個畫面，包括冷庫及製冷站內各機組工作狀態模擬畫面、整個系統內各現場監控單元的工作情況畫面、查詢、監控及手動操作等工作許可權畫面、當前值記錄和歷史記錄及參數值的保存和列印畫面、歷史曲線畫面、報警窗口畫面和報表管理畫面等。操作工人能方便地利用滑鼠或鍵盤，根據菜單和對話框上的提示，完成各個界面的切換。
4、結束語
在對冷庫進行自動化設計過程中，利用PLC通過Profibus—DP現場匯流排，構建高性能的工業現場區域網，實現對冷庫生產過程的網路化監控，減少了大量布線，提高了系統的準確性與可靠性。由於現場匯流排設備的智能化、數字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。同時，由於系統的結構簡化，設備與連線減少，現場儀錶內部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性。此外，由於它的設備標準化和功能模塊化，因而還具有設計簡單，易於重構等優點。
