Profibus系列現(xiàn)場總線在冷庫監(jiān)控系統(tǒng)中的
發(fā)布日期：2022-04-18 點(diǎn)擊率：63
摘 要 根據(jù)冷庫制冷工藝的要求，提出一種基于Profibus現(xiàn)場
總線技術(shù)的冷庫監(jiān)控系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹Profibus—DP網(wǎng)絡(luò)的硬件配置、系統(tǒng)功能和軟件設(shè)計(jì)。解決了傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)中存在的問題，減少了系統(tǒng)布線，提高了冷庫運(yùn)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(jiān)控系統(tǒng)主要采用人工或集中式控制系統(tǒng)，控制器與現(xiàn)場設(shè)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(tǒng)的不可靠性。控制系統(tǒng)傳送4～20mA模擬量信號，并以此監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備，這樣，由于控制器獲取信息量有限，現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能較弱；另一方面也很難完成現(xiàn)場設(shè)備的動態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等功能，造成制冷控制系統(tǒng)的信息集成能力不強(qiáng)和可維護(hù)性較差，影響冷庫的生產(chǎn)效率，并給生產(chǎn)管理帶來諸多不便。
隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工控領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，建立基于Profibus—DP現(xiàn)場總線的冷庫制冷監(jiān)控系統(tǒng)成為解決這一問題的有效途徑。Profibus現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字化的、串行、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，用于工廠／車間儀表和控制設(shè)備的局域網(wǎng)。由于它采用純數(shù)字技術(shù)，在單根電纜上連接多個儀表和設(shè)備，所傳遞的信息量大（不僅有控制數(shù)據(jù)，也有組態(tài)、狀態(tài)和診斷等數(shù)據(jù)），加之其具有更強(qiáng)的抗干擾性能，更低的安裝、運(yùn)行和維護(hù)成本，因此其在冷庫制冷監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)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(tǒng)更可靠，操作更簡便，監(jiān)控更直觀。
2 系統(tǒng)組成及主要功能
該萬噸冷庫制冷系統(tǒng)有一臺獨(dú)立的開啟式螺桿壓縮機(jī)，分別給六個庫房供冷，庫房用循環(huán)風(fēng)機(jī)吹送冷風(fēng)，其中，1號—5號庫是冷凍庫，有60個—18℃測溫點(diǎn)，6號庫是冷藏庫，有12個0～4℃測溫點(diǎn)；控制風(fēng)機(jī)12組共計(jì)60臺風(fēng)機(jī)。控制系統(tǒng)要求自動控制沖霜過程，壓縮機(jī)、氨泵、水泵、冷風(fēng)機(jī)等設(shè)備的開、停及壓縮機(jī)的能量增減。在中央控制室監(jiān)控冷庫各制冷設(shè)備的運(yùn)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(huán)桶的液位、各臺壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù)及曲線。庫房的溫度、總管壓力可以根據(jù)實(shí)際需要，在中控室進(jìn)行設(shè)定。2.1 系統(tǒng)組成
根據(jù)以上制冷工藝的要求，該監(jiān)控系統(tǒng)由Profibus—DP總線構(gòu)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(shè)為2，實(shí)現(xiàn)總線通信控制與管理，完成周期性數(shù)據(jù)訪問。從站為三臺S7——200 PLC （CPU226） 和一塊遠(yuǎn)程I／O（ET200M），站地址分別設(shè)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(shí)現(xiàn)的。上位機(jī)選用研華工控機(jī)，內(nèi)置專用的通信網(wǎng)卡CP5611，通過MPI口與PLC相連。工控機(jī)作為人機(jī)操作站，裝有西門子的編程軟件STEP7 V5.1和組態(tài)王監(jiān)控軟件。利用STEP7 V5.1編程軟件首先對系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)配置，如通信端口的設(shè)置，站地址和數(shù)據(jù)傳輸速率的設(shè)定等；然后通過MPI端口對主站S7—300進(jìn)行硬件組態(tài)，由電源模塊PS307、CPU315—2DP、模擬量輸出模塊SM332、數(shù)字量輸入模塊SM321和數(shù)字量輸出模塊SM322組成。上位機(jī)選用組態(tài)王進(jìn)行各種畫面的組態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)瀏覽、參數(shù)設(shè)定、手／自動操作、故障報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)記錄等操作，監(jiān)控制冷控制系統(tǒng)的有關(guān)參量，并具有完備的報(bào)表管理功能。
主站帶有Profibus—DP接口可以和三個從站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。主站還可以通過遠(yuǎn)程I／O ET200M控制壓縮機(jī)、氨泵和水泵的起停，并能根據(jù)用冷量的大小，增減壓縮機(jī)的投人數(shù)量，同時采集壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù)等。
由于六個冷庫距中央監(jiān)控室較遠(yuǎn)，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(yuǎn)程從站進(jìn)行數(shù)據(jù)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(nèi)，箱內(nèi)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(fā)送數(shù)據(jù)和接收來自主站的數(shù)據(jù)。現(xiàn)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(fēng)機(jī)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(jī)，顯示風(fēng)機(jī)電流和壓力的數(shù)值及曲線。
2.2 溫度巡檢電路
由于庫房的溫度監(jiān)測點(diǎn)較多，每一個監(jiān)測點(diǎn)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(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)大的控制功能，通過軟件編程在60～120s（可調(diào)）的輪巡周期內(nèi)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(shí)現(xiàn)了用軟件處理減少硬件配置，降低了監(jiān)控系統(tǒng)的費(fèi)用，減少了設(shè)備的故障率。
2.3 系統(tǒng)主要功能
（1）實(shí)現(xiàn)對壓縮機(jī)、氨泵、風(fēng)機(jī)、沖霜等制冷設(shè)備的全過程控制。
（2）實(shí)時顯示制冷系統(tǒng)的主要工藝參數(shù)（如溫度、壓力、風(fēng)機(jī)電流等）。
（3）動態(tài)模擬顯示各設(shè)備運(yùn)行情況（如壓縮機(jī)的起停、低壓循環(huán)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(jù)實(shí)際需要通過上位機(jī)鍵盤對溫度、壓力等進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和修改。
（5）溫度、壓力、電流等參數(shù)超限值的在線檢測和報(bào)警。
（6）各種生產(chǎn)管理報(bào)表的自動生成、數(shù)據(jù)查詢和打印。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 PLC程序設(shè)計(jì)
STEP7軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)編程，整個冷庫的控制程序由OB組織塊、FC功能塊和DB數(shù)據(jù)塊構(gòu)成。組織塊OB是系統(tǒng)操作程序與用戶應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運(yùn)行。不同的OB有不同的功能。本設(shè)計(jì)中組織塊有OB1、 OB82、 OB84、 OB86、 OB87、 OBl00、OBl22。OB1是用作主程序循環(huán)的，它用來設(shè)計(jì)主循環(huán)程序的結(jié)構(gòu)；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(jī)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(tǒng)初始化、初始參數(shù)設(shè)定、調(diào)用子程序。FC是自定義子程序塊，包括壓縮機(jī)控制、冷風(fēng)機(jī)控制、低壓循環(huán)桶液位控制、沖霜控制、故障處理、數(shù)據(jù)采集與處理等功能塊。各功能子程序?qū)ο嚓P(guān)事件的聯(lián)系和處理靠主程序OBl調(diào)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(shí)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(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換，該溫度值變成無量綱的數(shù)字量，要在上位機(jī)中把該數(shù)字量顯示成有量綱的實(shí)際溫度值，必須經(jīng)過程序計(jì)算和轉(zhuǎn)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(nèi)可能會受到干擾信號的作用而出現(xiàn)誤差，從而會導(dǎo)致冷風(fēng)機(jī)和冷卻液閥的誤動作。為了避免干擾，采用在10s時間內(nèi)采集六個實(shí)際溫度值，通過程序計(jì)算其平均值，然后用平均溫度值去控制風(fēng)機(jī)和冷卻閥的起停，從而有效地避免了干擾。
（2）數(shù)據(jù)塊DB的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)塊DB用來存放用戶程序運(yùn)行所需的大量數(shù)據(jù)或變量，它也是實(shí)現(xiàn)各程序塊之間交換、傳遞和共享數(shù)據(jù)的重要途徑。在制冷監(jiān)控系統(tǒng)中，上位機(jī)和下位機(jī)的通信主要通過讀取和改變下位機(jī)的DB塊來實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)一共設(shè)計(jì)了九個DB塊，分別表示實(shí)際溫度數(shù)據(jù)塊、設(shè)定溫度數(shù)據(jù)塊、電流數(shù)據(jù)塊、液位數(shù)據(jù)塊、實(shí)際壓力數(shù)據(jù)塊、設(shè)定壓力數(shù)據(jù)塊、除霜數(shù)據(jù)塊、報(bào)警數(shù)據(jù)塊和各種閥門開啟數(shù)據(jù)塊。通過讀取下位機(jī)的DB塊，在上位機(jī)中顯示對應(yīng)的實(shí)際溫度值、冷風(fēng)機(jī)開閉狀態(tài)等；通過改變下位機(jī)相應(yīng)DB塊中的數(shù)據(jù)，如改變某一庫房的設(shè)定溫度，就可以改變DB塊中的值，從而控制壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等設(shè)備起停。
3.2 組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)
組態(tài)軟件采用北京亞控公司的組態(tài)王。該軟件通過S7—300采集制冷過程中的各種工藝參數(shù)，在上位機(jī)上實(shí)時監(jiān)控風(fēng)機(jī)的狀態(tài)（運(yùn)行、停止、故障）、低壓循環(huán)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(tǒng)的工作狀況。還可以利用數(shù)據(jù)、圖表、棒圖和趨勢圖等方式顯示溫度、壓力、電流、給定調(diào)節(jié)量和故障狀態(tài)等動態(tài)參數(shù)。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，共組態(tài)出八類30個畫面，包括冷庫及制冷站內(nèi)各機(jī)組工作狀態(tài)模擬畫面、整個系統(tǒng)內(nèi)各現(xiàn)場監(jiān)控單元的工作情況畫面、查詢、監(jiān)控及手動操作等工作權(quán)限畫面、當(dāng)前值記錄和歷史記錄及參數(shù)值的保存和打印畫面、歷史曲線畫面、報(bào)警窗口畫面和報(bào)表管理畫面等。操作工人能方便地利用鼠標(biāo)或鍵盤，根據(jù)菜單和對話框上的提示，完成各個界面的切換。
4 結(jié)束語
在對冷庫進(jìn)行自動化設(shè)計(jì)過程中，利用PLC通過Profibus—DP現(xiàn)場總線，構(gòu)建高性能的工業(yè)現(xiàn)場局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對冷庫生產(chǎn)過程的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，減少了大量布線，提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的準(zhǔn)確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強(qiáng)，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外，由于它的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和功能模塊化，因而還具有設(shè)計(jì)簡單，易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。
