摘 要 根據冷庫制冷工藝的要求，提出一種基于Profibus現場總線技術的冷庫監控系統，并詳細介紹Profibus—DP網絡的硬件配置、系統功能和軟件設計。解決了傳統DCS控制系統中存在的問題，減少了系統布線，提高了冷庫運行的可靠性和自動化水平。 1 引言 目前，我國大型冷庫的制冷監控系統主要采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，并以此監控現場設備，這樣，由于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，造成制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，并給生產管理帶來諸多不便。 隨著計算機網絡技術在工控領域的應用和發展，建立基于Profibus—DP現場總線的冷庫制冷監控系統成為解決這一問題的有效途徑。Profibus現場總線是一種全數字化的、串行、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，用于工廠／車間儀表和控制設備的局域網。由于它采用純數字技術，在單根電纜上連接多個儀表和設備，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，因此其在冷庫制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 該萬噸冷庫制冷系統有一臺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臺風機。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制冷設備的運行狀況、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、各臺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 根據以上制冷工藝的要求，該監控系統由Profibus—DP總線構成單主從工作方式，如圖1所示。主站選用 Siemens 的 S7—300 PLC（CPU315—2DP），站地址設為2，實現總線通信控制與管理，完成周期性數據訪問。從站為三臺S7——200 PLC （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件STEP7 V5.1和組態王監控軟件。利用STEP7 V5.1編程軟件首先對系統進行相應網絡配置，如通信端口的設置，站地址和數據傳輸速率的設定等；然后通過MPI端口對主站S7—300進行硬件組態，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，并具有完備的報表管理功能。 主站帶有Profibus—DP接口可以和三個從站進行數據通信。主站還可以通過遠程I／O ET200M控制壓縮機、氨泵和水泵的起停，并能根據用冷量的大小，增減壓縮機的投人數量，同時采集壓縮機的運行參數等。 由于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，安裝三臺S7—200 PLC作為遠程從站進行數據采集，其中兩臺為溫度采集箱，溫度傳感器信號就近接人采集箱內，箱內的S7—200接收從主站來的I／O配置，分時采集溫度值，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。另一臺S7—200PLC采集六個冷庫房中60臺風機的電流和吸氣總管及排氣總管的壓力，通過Profibus—DP總線送人上位機，顯示風機電流和壓力的數值及曲線。 2.2 溫度巡檢電路 由于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熱電阻溫度傳感器的電阻信號轉換為標準的4～20mA電流信號送人S7—200 PLC中，這樣每一個溫度采集站就需要36個溫度變送器和五個模擬量輸入模塊。 路，利用PLC強大的控制功能，通過軟件編程在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采集所有溫度值，從而實現了用軟件處理減少硬件配置，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、沖霜等制冷設備的全過程控制。 （2）實時顯示制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，并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、數據查詢和打印。 3 軟件設計 3.1 PLC程序設計 STEP7軟件采用模塊化結構編程，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接口界面，用于控制程序的運行。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硬件故障中斷，OB86是機架錯誤中斷，OB87通信錯誤中斷；OBl00屬于啟動組織塊，是暖啟動用的；OBl22是訪問錯誤組織塊，屬于故障處理組織塊。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、數據采集與處理等功能塊。各功能子程序對相關事件的聯系和處理靠主程序OBl調用。 在程序編寫過程中，需要注意以下幾個問題的處理： （1）溫度采集和處理 庫房的實際溫度值通過溫度傳感器的采集送人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，傳感器采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，采用在10s時間內采集六個實際溫度值，通過程序計算其平均值，然后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量，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。在制冷監控系統中，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 組態軟件的設計 組態軟件采用北京亞控公司的組態王。該軟件通過S7—300采集制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，包括冷庫及制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權限畫面、當前值記錄和歷史記錄及參數值的保存和打印畫面、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鼠標或鍵盤，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現場總線，構建高性能的工業現場局域網，實現對冷庫生產過程的網絡化監控，減少了大量布線，提高了系統的準確性與可靠性。由于現場總線設備的智能化、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，由于系統的結構簡化，設備與連線減少，現場儀表內部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性。此外，由于它的設備標準化和功能模塊化，因而還具有設計簡單，易于重構等優點。