关键词：冷库 PROFIBUS PLC 监控
1.引言
冷库是食品行业广泛使用的设备，在食品生产中起着关键作用。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，由于制冷设备多、结构复杂（系统中设备控制量多达150种），造成布线多、操作繁琐、信息传递易出现“瓶颈”堵塞现象，各个设备的运行情况不能及时地反映出来，给生产管理带来诸多不便。
针对上述问题，采用PROFIBUS-DP总线组成制冷监控系统。Profidus是一种国际化、开放式、不依赖于生产厂商的现场总线标准，它包括PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS 3个兼容版本，广泛应用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域。其中PROFIBUS-DP是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信，从而为实现工业现场局域网络系统提供了技术保证。利用PROFIBUS现场总线构成冷库制冷监控系统，大大减少了布线工作量与电缆投资，避免了信号干扰，使系统更可靠，操作更简便，实现了制冷系统自动控制，同时完成制冷生产工艺的动态监控，从而实现对整个冷库生产过程进行自动监控和管理的目的。
2.监控系统的构成及主要功能
双汇工业园万吨冷库制冷系统有4台独立的开启式螺杆压缩机，分别给6个库房供冷，库房用循环风机吹送冷风，其中，1～5#库是冷冻库，有30个-18ºC测温点，6#库是冷藏库，有6个0～4ºC测温点;控制风机12组共计60台风机电机。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，该监控系统采用PROFIBUS-DP单主-从工作方式构成分布式实时监控网络，主站选用SIEMENS的S7-300PLC（CPU315-2DP），从站为三台S7-200PLC（CPU226）和1块远程I/O（ET200M）。主站与S7-200从站之间的PROFIBUS-DP通信是通过EM277模块将CPU226作为DP从站实现的，控制系统的网络结构如图1所示。
上位机选用研华工控机，内置专用的MPI通信网卡CP5611。S7-300可编程控制器作为主站进行数据处理和制冷设备控制，工控机作为人机操作站，只起编程和监控作用。它通过西门子的编程软件STEP7 V5.1，首先对系统进行相应网络配置，如通信端口的设置，MPI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、模拟量输入模块SM331、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，并具有完备的报表管理功能。由于该系统画面较多，故采用两台工控机作为操作站。
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/OEM277控制压缩机、氨泵和水泵的起停，并能根据用冷量的大小，增减压缩机的投入数量。同时采集吸气总管和排气总管的压力、压缩机的运行参数等。
由于6个冷库距离中央监控室较远，在6个冷库间门口的合理中间位置，安装3台S7-200PLC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入采集箱内，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6个冷库房中60台风机电机的电流，通过PROFIBUS总线送入上位机，显示电流的数值及曲线。
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PT100热电阻温度传感器的电阻信号转换为标准的4～20mA电流信号送入S7-200PLC中，这样每一个温度采集站就需要18个温度变送器和5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60S～120S（可调）的轮巡周期内分别控制18个中间继电器KA的通断，这样一来，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。
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）通过键盘可以根据实际需要对温度、压力等进行参数设置和修改。
（5）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。
软件设计采用模块化结构设计方法，程序结构清晰、紧凑、便于修改。根据制冷控制系统的工艺要求，把程序分成主程序和子程序两部分。主程序主要是完成系统初始化、初始参数设定、循环检测、调用子程序、输出控制信号和实时显示参数。子程序分为压缩机控制、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FC。各功能子程序对相关事件的联系和处理靠主程序OB1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入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，要想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6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）通信用DB块的设计
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9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。上述数据块的变量全是二进制变量。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的DB块，如改变某一库房的设定温度，就可以改变DB块中的值，从而达到控制PLC的输出负载冷风机起停的目的。
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，在上位机上随时监控风机电机的状态（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8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。
基于PROFIBUS-DP的冷库全自动监控系统，发挥了PLC和PROFIBUS-DP的优势，成功实现了冷库制冷的集中管理和分散控制，极大地减轻了工人的劳动强度，改善了他们的工作环境，为实现“无人冷库”或“信息冷库”奠定了基础。
参考文献：
1. SIMATIC S7-300 可编程序控制器手册，SIEMENS公司。
2. 夏德海.现场总线技术.北京:中国电力出版社,2003
3. 阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京:清华大学出版社，2000
4. 廖常初.PLC编程及应用.北京:机械工业出版社，2004
