基于PLC 的电气设备自动控制冷却监控系统设计

张坤平，武 静

（许昌电气职业学院 河南 许昌 461000）

0 引言

电气设备在运行过程中产生的热量若未得到适当管理可能对设备性能和寿命产生不良影响，为确保设备在安全、效率最大化的温度范围内工作，冷却监控系统应运而生。 传统的冷却系统往往存在诸多局限性，如响应慢、精度低等问题。 随着电子集成技术的不断进步，可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）技术已经在许多工业应用中得到广泛应用，其中就包括电气设备的温度管理。 相比于传统的温度控制方法，基于PLC 的温度控制系统不仅响应速度快、精度高，而且更为稳定可靠。 结合现代传感器技术和先进的软件架构，PLC 能够为电气设备提供精确、稳定的冷却控制，从而确保设备的高效稳定运行。 本研究旨在深入探讨基于PLC 的冷却监控系统的设计与实现，以满足现代工业生产的高要求。

1 传统冷却系统存在的问题和局限性

传统的冷却系统存在一些固有的问题和局限性。 首先，传统冷却系统通常设计固定，不能根据设备的实际运行状态和环境温度进行调整，导致设备的冷却效果不佳。其次，传统冷却系统的冷却效率受到一些外部因素的影响，如环境的湿度、风速、散热面的积尘等，会影响冷却效果。 再次，传统冷却系统中的冷却设备需要额外的能源来驱动，增加了设备的运行成本，而且冷却设备的故障也会导致整个冷却系统的失效，增加了设备的风险。 传统冷却系统在设计时往往只考虑到设备的最大工作温度，而忽略了设备在不同工作状态下的冷却需求。 最后，在设备低负荷或待机状态下，传统冷却系统仍然以最大功率工作，造成了能源的浪费［1］。

2 PLC 技术概述

2.1 PLC 在自动控制中的应用

PLC 起源于20 世纪60 年代，为了满足工业生产中对灵活可控的控制系统的需求，旨在替代传统的继电器控制系统。 PLC 是一种特殊的微处理器，专为实时任务和工业环境而设计，其主要功能是根据用户编写的控制程序来控制各种工业过程和机械动作。 PLC 能够适应不同的工况。无论是高温、高湿，还是尘土满布的环境，PLC 都能保持稳定的工作状态从而确保工业过程的连续性和稳定性。 在工业实践中PLC 也展现出极高的灵活性与可扩展性，用户可以根据自身的实际需求，编写并修改控制程序，从而满足不同场景下的控制要求。 PLC 在实时性方面同样表现出色，由于是专为实时控制任务设计的，因此能够迅速响应外部输入，确保工业过程不会因为延迟或其他问题而受到影响，这对于需要快速、准确反应的工业应用来说尤为重要［2］。

在制造业中PLC 常用于生产线的自动化控制，如自动装配线、自动检测线等。 通过PLC 的应用可以实现生产过程的自动化，提高生产效率降低人工成本，并确保产品质量的稳定；在能源行业中PLC 常用于电厂、石化厂等大型工业设备的自动化控制，可以实时监控设备的运行状态，确保设备的安全稳定运行，并优化生产过程，提高能源效率；在交通运输领域，PLC 也得到了广泛的应用，如自动化停车场、自动化高速公路收费系统等，可以实现交通系统的自动化管理，提高交通效率，确保交通安全。

2.2 PLC 技术的发展趋势

PLC 技术自20 世纪60 年代诞生以来，从最初的基于继电器的简单控制系统，到现在的基于微处理器的复杂控制系统，PLC 技术已经取得了长足的进步。 近年来随着工业4.0、物联网（internet of things，IoT）和人工智能技术的发展，PLC 技术也正面临着新的挑战和机遇。

未来的PLC 将更加智能，传统的PLC 主要依赖于预设的程序来进行控制，对于复杂的、非线性的或不确定的系统，其控制效果往往不佳。 而随着人工智能技术的发展，PLC 将可以通过学习和自适应的方法，对复杂系统进行更为精确和高效的控制。 例如，通过深度学习技术，PLC 可以根据大量的历史数据，自动优化控制策略，提高控制精度。

未来的PLC 将更加互联，随着物联网技术的发展PLC 将与各种设备、传感器和执行器进行无缝连接，实现设备间的实时数据交换和协同控制。 不仅可以提高系统的整体性能，还可以实现跨地域、跨平台的远程监控和控制。 通过5G、LoRa 等无线通信技术，PLC 可以实现远程的实时数据传输，使得工厂的生产和管理更为灵活和高效［3］。

3 基于PLC 的冷却监控系统设计

3.1 系统需求分析

冷却监控系统的核心目的是确保电气设备在一个安全和效率最大化的温度范围内运行。 为了实现这一目标，系统需求分析是至关重要的步骤，它涉及设备冷却需求、用户操作需求以及系统维护与管理需求。

电气设备在运行过程中会产生大量的热量，如果热量积累过多，可能导致设备过热，从而影响其性能和寿命。冷却监控系统应能够实时检测设备的温度，并根据预设的温度阈值进行冷却。 此外系统还应能够根据设备的工作负荷和外部环境因素（如环境温度、湿度等）自动调整冷却策略，确保设备始终处于最佳的工作状态。 同时冷却监控系统应为用户提供一个友好的操作界面，使用户能够轻松地监控和控制冷却过程。 用户应能够实时查看设备的温度、冷却状态和其他相关参数。 为了便于系统的后期维护，系统还应提供一些高级功能，如数据记录、报警设置、远程控制等，以满足不同用户的操作需求［4］。

为了确保系统的稳定运行和易于管理，系统的设计和功能需满足以下几点要求：（1）系统需要具备自动检测和诊断故障的能力，比如能够及时发现并报告传感器故障、冷却设备故障等问题。 这一功能对于预防潜在的系统故障、确保系统稳定运行至关重要。 （2）考虑到技术的不断发展和市场需求的变化，生产商应当提供软件升级和硬件扩展的服务和支持。 不仅能够保证系统适应未来的技术发展，也能够满足用户不断变化的需求。 （3）为了便于系统的管理和维护，应提供一个统一的管理平台。 （4）通过该平台，管理员可以轻松地进行系统配置、参数设置、数据备份等操作，从而提高了系统管理的效率和便利性。

基于PLC 的冷却监控系统设计应充分考虑设备冷却需求、用户操作需求和系统维护与管理需求。 只有深入分析需求，才能设计出一个既满足设备冷却需求，又易于用户操作和管理的冷却监控系统。

3.2 系统架构设计

一个基于PLC 的冷却监控系统主要包括PLC 控制器、传感器、执行器和通信设备。 PLC 控制器是系统的核心，负责接收来自传感器的数据，根据预设的控制逻辑进行处理，并发送控制命令给执行器。 考虑到系统的实时性和可靠性要求，选择西门子（Siemens）的S7－1200 系列PLC 控制器作为首选。 S7－1200 系列具有高速的处理能力、丰富的通信接口和良好的扩展性，能够满足系统的基本需求。 传感器是系统的感知器官，负责检测设备的温度、湿度等参数，并将数据发送给PLC 控器。

执行器负责根据PLC 控制器的命令，进行冷却设备的开关控制。 考虑到系统的响应速度和耐用性要求，选择施耐德（Schneider）的LC1－D 接触器系列作为执行器。LC1－D 接触器系列具有快速的响应时间、高的开关能力和长的使用寿命，能够确保系统的实时性和稳定性。

通信设备是系统的神经系统，负责PLC 控制器、传感器和执行器之间的数据交换。 考虑到系统的通信距离和通信速率要求，选择西门子的PROFIBUS DP 通信模块和PROFINET 通信模块。 这些通信模块具有高的通信速率、稳定的通信性能和良好的兼容性，能够确保系统的通信效率和可靠性。 硬件架构设计方案如图1 所示。

图1 硬件架构设计方案

冷却监控系统的软件架构是确定系统功能、性能和可靠性的关键。 一个合理和高效的软件架构能够确保系统的稳定运行，满足电气设备的冷却监控需求。 首先探讨操作系统层，操作系统为上层应用提供了稳定的运行环境，确保了系统的实时性和稳定性。 考虑到PLC 的特点和工业自动化的要求，选择西门子的Simatic STEP 7 作为操作系统。 Simatic STEP 7 是专为工业自动化设计的操作系统，具有高的实时性、稳定性和可靠性，能够满足冷却监控系统的基本需求；其次考虑控制逻辑层，控制逻辑层负责接收传感器的数据，根据预设的控制策略进行处理，并发送控制命令给执行器。 为了实现这一功能设计方案中采用西门子的TIA Portal 进行控制逻辑的编程。 TIA Portal是一种图形化的编程工具，支持多种编程语言，如Ladder Logic、Function Block Diagram 等，能够快速和高效地实现复杂的控制逻辑。

数据处理和分析层负责对传感器的数据进行存储、处理和分析，为用户提供有价值的信息。 此部分采用西门子的WinCC SCADA 系统，WinCC SCADA 系统具有强大的数据处理和分析能力，支持多种数据存储格式，如数据库、逗号分隔值文件等，能够实现数据的实时存储、历史查询、趋势分析等功能。

人机界面层为用户提供了与系统交互的界面，使用户能够实时监控和控制冷却过程，通过在软件架构中采用西门子的WinCC Flexible 进行人机界面的设计来实现。WinCC Flexible 是一种专为工业自动化设计的人机界面工具，具有丰富的控件库、强大的脚本功能和良好的可扩展性，能够满足用户的各种操作需求［5］。 基于PLC 的冷却监控系统的软件架构设计应考虑系统的实时性、稳定性、功能性和可扩展性。 通过合理的软件架构设计，确保系统的高效和稳定运行，满足电气设备的冷却监控需求。 图2是模块化的软件架构设计方案。

图2 模块化的软件架构设计方案

3.3 基于PLC 的电气设备自动控制冷却监控系统工作流程

正确的工作流程是系统正常运行的基石，它确保了电气设备在最佳温度条件下稳定运行。 此流程主要包括数据采集、数据处理和决策以及执行控制命令三个关键步骤。 在数据采集阶段，系统中的传感器起到至关重要的作用。 系统所配备的传感器，如霍尼韦尔（Honeywell）的PT1000 型温度传感器和HIH－4000 系列湿度传感器，不断地检测电气设备的温度、湿度等关键参数。 数据被实时传输到PLC 控制器中，为后续的数据处理和决策提供了基础。 为确保数据的准确性和实时性，传感器应定期进行校准和维护。 随后进入数据处理和决策阶段。 在这一阶段，PLC 控制器首先接收来自传感器的数据，然后根据预先编程的控制逻辑进行处理。 如果设备的温度超过了预设的阈值，PLC 控制器会判断设备过热，并需要采取冷却措施。 此外控制器还可以根据其他参数，如湿度、工作负荷等，进行更复杂的决策。 为了确保决策的准确性和及时性，控制逻辑应定期进行更新和优化［6］。

在进入执行控制命令阶段后，PLC 控制器根据前一阶段的决策，向执行器发送控制命令。 执行器，如施耐德的LC1D 系列接触器，根据控制器的命令进行冷却设备的开关控制，当PLC 控制器判断设备过热时，执行器会接收到开启冷却设备的命令从而降低设备的温度。 为确保控制命令的实时性和准确性，执行器应具备快速响应和高开关能力。 基于PLC 的电气设备自动控制冷却监控系统的工作流程是一个连续的、紧密相互关联的过程，包括数据采集、数据处理和决策以及执行控制命令三个关键步骤。 通过这一流程，系统能够确保电气设备在最佳温度条件下稳定运行，提高设备的效率和寿命。

4 结语

综上所述，基于PLC 的电气设备自动控制冷却监控系统致力于确保电气设备在最佳温度条件下稳定运行，通过深入的系统需求分析明确了设备冷却、用户操作和系统维护的关键需求。 系统硬件架构选择了高效稳定的PLC控制器、精确的传感器和快速响应的执行器。 软件架构方面，采用了西门子的Simatic STEP 7 作为操作系统，并通过TIA Portal 和WinCC SCADA 系统实现控制逻辑和数据处理。 工作流程包括数据的实时采集、PLC 控制器的数据处理与决策，以及根据决策向执行器发出的控制命令。 本系统采用了模块化的设计思路，各个模块之间具有很好的独立性和兼容性，便于后期的扩展和维护。 系统的实时监测和自动控制功能大大提高了电气设备的运行稳定性和使用寿命，并降低了由于过热造成的潜在风险。 为现代工业电气设备提供了一个高效、可靠、灵活的冷却解决方案，具有很强的实用价值和应用前景。