基于以太网的集群型工业冷库温度远程监控系统设计

2021-08-21周奎夏振环陈浩珉关士岩

机电工程技术 2021年12期

周奎夏振环陈浩珉关士岩

摘要：为了解决工业冷库集群发展过程中存在的系统集成性低、设备间数据孤立、管理效率低等问题，采用 PLC、触摸屏、变频器、工业交换机等设备，基于 PLC控制技术、以太网通信技术、组态监控技术，开发了工业冷库温度异地远程监控系统，设计了现场冷库的主从站硬件电路、以太网通信系统、组态监控程序等，并进行了系统功能测试。模拟实验结果表明冷库与制冷机组的一对一配置和现场冷库的主从站设计方案实现了冷库温度的便捷控制、设备间的实时数据共享和各个冷库的群控功能。同时，各个冷库监控分站的以太网通信方式，提高了系统实时数据的在线检测速度和管理效率。该系统具有一定的稳定性、可靠性和智能性，实现了工业冷库异地集群远程控制和监测的目的。

关键词：冷库集群;温度控制;以太网通信;组态监控

中图分类号：TP277 文献标志码：A 文章编号：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

隨着智能制造产业发展，各行业对设备控制的信息化、智能化要求日益提高，工业冷库控制也朝着智能化、集群化方向发展。单一冷库逐渐减少，具有综合功能的冷库越来越多。对于制冷设备来说，智能化控制方式可以实现制冷系统的最佳工作状态和冷库温度的精确控制，从而减小冷库存储环境的波动，有利于冷藏物的良好保存。

目前，我国工业冷库行业受到场地、规模、人员、技术等限制，仍然以半自动控制为主，普遍存在制冷设备控制分散、维护成本大、设备数据不能适时共享、远程监控效率低等问题。与发达国家相比，国内冷库行业控制仍有较大差距。随着智能控制技术的发展，工业冷库控制的智能化、网络化控制成为制冷控制领域技术研究的重点。很多学者利用总线技术、网络技术对冷库局部制冷设备、冷库环境监测设备的控制开展研究，将 PROFIBUS总线、PROFINET总线应用于制冷系统中，实现制冷装备的实时数据监测，实时管理，逐步适应大数据时代智慧冷库时代的到来。本文采用 PLC、触摸屏、变频器、工业网络交换机等控制设备，基于以太网通信、PLC控制、变频调速等技术，设计了工业冷库温度远程监控的以太网系统，并通过实验调试，提供了现场冷库异地控制的主从站监控方案，实现了冷库的智能化控制，解决了异地冷库之间工作数据不能共享、远程监控困难等问题，为工业冷库异地集群远程监控提供参考方案。

1 总体方案设计

1.1 系统总体方案

某公司化工原料储藏冷库共3间，其中本地冷库1间，异地冷库2间。因存储生产原料不同，所以各冷库温度和存储位置不同。其中异地冷库设计温度2～10℃，本地冷库设计温度-18±2℃。冷库冷藏容量1200 t ，设计采用3套制冷壓缩机组。该工业冷库温度监控系统的整体设计方案如图1所示。整个监控系统由远程监控中心、工业以太网通信网络、监控分站3大部分组成。其中，远程监控中心包含上位机、服务器设备，负责对上传的监测数据进行分析处理、实时曲线显示等;工业以太网通信网络由工业交换机组成，负责将各个冷库温度监控分站监测到的温度、压力等数据上传到监控中心;监控分站对各个冷库的空气压缩机、冷却水泵、冷却风机、比例阀等制冷设备，以及温度、压力、电机运行速度等参数进行实时监测[1]。

温度远程监控系统通过以太网交换机将 PC终端、触摸屏和主从站 PLC连接起来。设定好 IP 地址保证其均在同一局域网内，IP 地址均为192.168.10.xxx 。其中温度监控分站选择西门子 S7-200 SMART PLC 作为控制核心。系统根据冷库温度和循环管道压力值，通过 PID 控制空气压缩机和冷却泵电机速度。同时，根据冷库温度监测，通过 PID 调节比例阀开度来控制制冷液的分配，从而控制冷库温度[2]。方案构建了工业冷库温度远程监控的以太网系统，达到冷库集群远程监控的目的。

1.2 系统实现的功能

系统采用 STEP 7-MicroWIN SMART 和 MCGSE 组态软件，构建工业冷库温度的以太网远程监控系统，实现冷库温度多地监控的智能化解决方案。

（1）以太网通信通过触摸屏、PLC、变频器构成以太网通信系统。并对主站PLC、从站PLC、MCGS触摸屏进行以太网通信设置，形成工业冷库异地网络远程控制系统[3]。

（2）以太网远程控制主站可以实现对从站各个冷库远程控制，包括对从站制冷系统的起动、停止控制，从站制冷系统的给定压力、给定温度设置，从站制冷设备报警信息的处理等。

（3）参数在线监测主站通过以太网通信系统，实现对从站温度的远程监控，包括各从站冷库的制冷循环系统压力、冷库温度、比例阀开度、压缩机运行频率、冷却泵运行频率等状态参数监测与显示，并形成实时曲线和统计报表。

（4）设备状态监测主站及各个监控分站可以实时监测空气压缩机、冷却水泵、冷却风机、排气阀、进气阀等设备运行状态，以及冷却泵多段速运行的不同速度状态指示，并进行自动控制。

（5）在线报警监控监控系统可以实现制冷设备工作状态异常的报警监控，包括制冷设备工作异常报警、压力超限报警、温度超限报警等[4]。

2 硬件设计

系统分站 PLC 用来控制各个冷库温度，接收温度、压力等传感器的输入信号，实现对制冷系统中的空气压缩机、冷却水泵电机等设备的启/停控制、保护和报警，同时将各种故障信号上传至主站 PLC ，并接收主站 PLC 的控制命令[5]。分站 PLC 具有单站控制系统的参数设置、数据采集、故障检测、报警提示等功能。温度监控分站硬件设计方案如图2所示，采用 PLC、模拟量输入输出模块、触摸屏、温度传感器、温度变送器、PC机等硬件设备，通过工业交换机将多台 PLC和 MCGS触摸屏连接起来。

3 软件设计

3.1 PLC硬件网络配置

西门子 S7-200smart PLC 通过以太网 TCP/IP 协议，来实现设备之间的信息交互。系统利用以太网通信线将上位机 PC机、主站 PLC和从站 PLC连接在同一个网络，并保证其处于同一网段，来实现设备之间的正常通信。在系统块中， CPU 通道中选择 CPU SR40 （AC/DC/Re? lay）， CPU的输入为起始点为I0.0，输出起始点为 Q0.0。 EM 0通道选择模块 EMDR16（8DI/8DQ Relay）。 EM1通道选择模块 EM AM06（4AI/2AQ），模拟量的输入起始地址为 AIW32，输出起始地址为 AQW32。以太网端口 IP 地址配置为192.168.10.1，通信背景时间为10%，通信波特率为9.6kb/s 。在通信设置窗口中，网络接口卡选择 TCP/ IP ，主站 PLC的IP 地址设置为192.168.10.1，子网掩码为255.255.255.0[6]。

3.2 软件组网配置

3.2.1 数据规划

根据冷库温度监控系统的控制流程、主从站 PLC之间的数据交换，以及 PLC与触摸屏的数据交换等要求，对主从站 PLC的发送和接收数据进行规划，以主站 PLC 控制1号冷库为例，其规划数据如表1所示。

3.2.2 组网设置

为实现主站 PLC 和从站 PLC 之间的数据共享和交换，西门子 S7-200smartPLC通过向导配置来实现以太网通信。在 GET/PUT 向导中添加名为接收和发送两个向导。接收向导中选择类型为 GET ，设置传送字节为42 Byte 。设置远程 CPU的IP 地址为192.168.10.2，本地和远程地址均设为 VB813，实现将本地 CPU的VB813-VB854的数据传递给远程CPU的VB813-VB854，如图3所示[7-8]。

在接收向导中选择类型为 PUT ，设置传送字节为13 Byte 。设定远程 CPU的IP 地址为192.168.10.2，本地和远程地址均设为 VB800，实现将本地 CPU的VB800-VB812的数据传递给远程 CPU的VB800-VB812。

3.3 触摸屏以太网设置

系统采用 MCGSE 组态环境设计组态程序，首先在设备组态中添加设备0—[西门子_smart200][9]。进入设备编辑窗口，设置触摸屏的 IP 地址为192.168.10.17，设定主站 PLC 的 IP 地址为192.168.10.1，采样周期设置为100 ms ，TCP/IP的通讯延时为200 ms ， TCP/IP连接等待时间为10 s 。同时，在组态软件下载配置窗口中，选择 TCP/IP网络，设置目标机名为192.168.10.17。

3.4 监控界面设计

为了实现温度的远程监控，系统采用 MCGSE组态王软件开发上位机监控系统，上位机监控系统功能模块如图4所示。上位机监控系统包括用户登录模块、主站监控模块、从站监控模块、参数设置与显示模块、设备工作状态监控模块、报警监控模块、温度和压力实时曲线模块等[10]。

用户登录界面主要考虑系统使用安全，根据不同用户等级设置了不用的用户使用权限。主站监控画面主要实现中心冷库的空气压缩机和比例阀 PID 参数设置，冷却泵、冷却风机、排气阀和吸气阀等制冷设备工作状态指示，以及压力上限和下限的报警指示等。温度从站监控画面主要实现主站对从站的远程控制和监测，比如对1号、2号从站中的给定温度、给定压力、PID 系数等参数设置，以及冷却泵、冷却风机等设备运行状态指示，以及制冷设备工作异常的报警指示等[11]。

4 系统调试

系统采用 MCGSE 组态软件，以 TCP/IP 通信模式获取各个冷库监控分站的制冷设备工作状态数据，并进行分析、显示和控制，监控平台主界面如图5所示。系统调试时，首先进行通信功能调试，设置好主站 PLC、从站 PLC 、触摸屏的 IP 地址，并保证其在同一局域网。主站 PLC 通信向导设置好之后，系统会自动生成一个调试子程序。在程序段中添加调试子程序，设置超时为1000。若通信正常，则每次完成所有的网络操作时，都会切换 BOOL 变量“周期”的状态。通信测试正常后，再按照系统要求分别进行总站调试、分站调试、参数调试，然后进行系统设备运行、故障报警、PID 控制、变频调速等功能调试。试验表明，系统具备了工业冷库集群联网控制功能，通过触摸屏、PC机可以查看远程冷库制冷设备状态数据、当前库温、管道压力、工作频率等参数。管理员可以进行用户权限管理，用户可以对冷库进行目标温度设置，并随时调取温度变化走势曲线等。

5 结束语

为解决工业冷库集群发展过程中存在的系统集成性低、设备间数据孤立、管理效率低等问题，本文采用 PLC、触摸屏、变频器、工业网络交换机等控制设备，建立了 PLC 和温度监控分站的 C/S 构架。基于 STEP 7-MicroWIN SMART和 MCGSE软件，通过以太网通信编程和配置，构建冷链产业集群型工业冷库的温度远程监控以太网系统[12]。并设计了温控监控系统的主从站硬件电路、以太网通信配置、组态遠程监控程序、主站 PLC 和从站 PLC的控制程序等，并进行了通信联网测试和系统功能测试，实现了 PLC总站和温度监控分站的数据交换。试验表明，以太网通信有效提高了现场数据采集效率，缩短了总站轮询温度监控分站的时间。通过参数调试，该系统调节精度为±0.1℃，当设定温度为+5℃时，库内温度变化范围为+4～6℃。系统开机后30 min库温可达到预定温度。和传统控制方案比，该系统具有一定的稳定性、可靠性和节能性，提高了系统的实时性和冷库工作效率，实现了工业冷库异地集群远程控制和监测的目的。

参考文献：

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