基于以太網的集群型工業冷庫溫度遠程監控系統設計

周奎 夏振環 陳浩珉 關士巖

摘要：為了解決工業冷庫集群發展過程中存在的系統集成性低、設備間數據孤立、管理效率低等問題，采用 PLC、觸摸屏、變頻器、工業交換機等設備，基于 PLC控制技術、以太網通信技術、組態監控技術，開發了工業冷庫溫度異地遠程監控系統，設計了現場冷庫的主從站硬件電路、以太網通信系統、組態監控程序等，并進行了系統功能測試。模擬實驗結果表明冷庫與制冷機組的一對一配置和現場冷庫的主從站設計方案實現了冷庫溫度的便捷控制、設備間的實時數據共享和各個冷庫的群控功能。同時，各個冷庫監控分站的以太網通信方式，提高了系統實時數據的在線檢測速度和管理效率。該系統具有一定的穩定性、可靠性和智能性，實現了工業冷庫異地集群遠程控制和監測的目的。

關鍵詞：冷庫集群;溫度控制;以太網通信;組態監控

中圖分類號：TP277???????????? 文獻標志碼：A??????? 文章編號：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

隨著智能制造產業發展，各行業對設備控制的信息化、智能化要求日益提高，工業冷庫控制也朝著智能化、集群化方向發展。單一冷庫逐漸減少，具有綜合功能的冷庫越來越多。對于制冷設備來說，智能化控制方式可以實現制冷系統的最佳工作狀態和冷庫溫度的精確控制，從而減小冷庫存儲環境的波動，有利于冷藏物的良好保存。

目前，我國工業冷庫行業受到場地、規模、人員、技術等限制，仍然以半自動控制為主，普遍存在制冷設備控制分散、維護成本大、設備數據不能適時共享、遠程監控效率低等問題。與發達國家相比，國內冷庫行業控制仍有較大差距。隨著智能控制技術的發展，工業冷庫控制的智能化、網絡化控制成為制冷控制領域技術研究的重點。很多學者利用總線技術、網絡技術對冷庫局部制冷設備、冷庫環境監測設備的控制開展研究， 將 PROFIBUS總線、PROFINET總線應用于制冷系統中，實現制冷裝備的實時數據監測，實時管理，逐步適應大數據時代智慧冷庫時代的到來。本文采用 PLC、觸摸屏、變頻器、工業網絡交換機等控制設備，基于以太網通信、PLC控制、變頻調速等技術，設計了工業冷庫溫度遠程監控的以太網系統，并通過實驗調試，提供了現場冷庫異地控制的主從站監控方案，實現了冷庫的智能化控制，解決了異地冷庫之間工作數據不能共享、遠程監控困難等問題，為工業冷庫異地集群遠程監控提供參考方案。

1 總體方案設計

1.1 系統總體方案

某公司化工原料儲藏冷庫共3間，其中本地冷庫1間，異地冷庫2間。因存儲生產原料不同，所以各冷庫溫度和存儲位置不同。其中異地冷庫設計溫度2～10℃，本地冷庫設計溫度-18±2℃。冷庫冷藏容量1200 t ，設計采用3套制冷壓縮機組。該工業冷庫溫度監控系統的整體設計方案如圖1所示。整個監控系統由遠程監控中心、工業以太網通信網絡、監控分站3大部分組成。其中，遠程監控中心包含上位機、服務器設備，負責對上傳的監測數據進行分析處理、實時曲線顯示等;工業以太網通信網絡由工業交換機組成，負責將各個冷庫溫度監控分站監測到的溫度、壓力等數據上傳到監控中心;監控分站對各個冷庫的空氣壓縮機、冷卻水泵、冷卻風機、比例閥等制冷設備，以及溫度、壓力、電機運行速度等參數進行實時監測[1]。

溫度遠程監控系統通過以太網交換機將 PC終端、觸摸屏和主從站 PLC連接起來。設定好 IP 地址保證其均在同一局域網內，IP 地址均為192.168.10.xxx 。其中溫度監控分站選擇西門子 S7-200 SMART PLC 作為控制核心。系統根據冷庫溫度和循環管道壓力值，通過 PID 控制空氣壓縮機和冷卻泵電機速度。同時，根據冷庫溫度監測，通過 PID 調節比例閥開度來控制制冷液的分配，從而控制冷庫溫度[2]。方案構建了工業冷庫溫度遠程監控的以太網系統，達到冷庫集群遠程監控的目的。

1.2 系統實現的功能

系統采用 STEP 7-MicroWIN SMART 和 MCGSE 組態軟件，構建工業冷庫溫度的以太網遠程監控系統，實現冷庫溫度多地監控的智能化解決方案。

（1） 以太網通信通過觸摸屏、PLC、變頻器構成以太網通信系統。并對主站PLC、從站PLC、MCGS觸摸屏進行以太網通信設置，形成工業冷庫異地網絡遠程控制系統[3]。

（2） 以太網遠程控制主站可以實現對從站各個冷庫遠程控制，包括對從站制冷系統的起動、停止控制，從站制冷系統的給定壓力、給定溫度設置，從站制冷設備報警信息的處理等。

（3） 參數在線監測主站通過以太網通信系統，實現對從站溫度的遠程監控，包括各從站冷庫的制冷循環系統壓力、冷庫溫度、比例閥開度、壓縮機運行頻率、冷卻泵運行頻率等狀態參數監測與顯示，并形成實時曲線和統計報表。

（4） 設備狀態監測主站及各個監控分站可以實時監測空氣壓縮機、冷卻水泵、冷卻風機、排氣閥、進氣閥等設備運行狀態，以及冷卻泵多段速運行的不同速度狀態指示，并進行自動控制。

（5）在線報警監控監控系統可以實現制冷設備工作狀態異常的報警監控，包括制冷設備工作異常報警、壓力超限報警、溫度超限報警等[4]。

2 硬件設計

系統分站 PLC 用來控制各個冷庫溫度，接收溫度、壓力等傳感器的輸入信號，實現對制冷系統中的空氣壓縮機、冷卻水泵電機等設備的啟/停控制、保護和報警，同時將各種故障信號上傳至主站 PLC ，并接收主站 PLC 的控制命令[5]。分站 PLC 具有單站控制系統的參數設置、數據采集、故障檢測、報警提示等功能。溫度監控分站硬件設計方案如圖2所示，采用 PLC、模擬量輸入輸出模塊、觸摸屏、溫度傳感器、溫度變送器、PC機等硬件設備，通過工業交換機將多臺 PLC和 MCGS觸摸屏連接起來。

3 軟件設計

3.1 PLC硬件網絡配置

西門子 S7-200smart PLC 通過以太網 TCP/IP 協議，來實現設備之間的信息交互。系統利用以太網通信線將上位機 PC機、主站 PLC和從站 PLC連接在同一個網絡，并保證其處于同一網段，來實現設備之間的正常通信。在系統塊中， CPU 通道中選擇 CPU SR40 （AC/DC/Re? lay）， CPU的輸入為起始點為I0.0，輸出起始點為 Q0.0。 EM 0通道選擇模塊 EMDR16（8DI/8DQ Relay）。 EM1通道選擇模塊 EM AM06（4AI/2AQ），模擬量的輸入起始地址為 AIW32，輸出起始地址為 AQW32。以太網端口 IP 地址配置為192.168.10.1，通信背景時間為10%，通信波特率為9.6kb/s 。在通信設置窗口中，網絡接口卡選擇 TCP/ IP ，主站 PLC的IP 地址設置為192.168.10.1，子網掩碼為255.255.255.0[6]。

3.2 軟件組網配置

3.2.1? 數據規劃

根據冷庫溫度監控系統的控制流程、主從站 PLC之間的數據交換，以及 PLC與觸摸屏的數據交換等要求，對主從站 PLC的發送和接收數據進行規劃，以主站 PLC 控制1號冷庫為例，其規劃數據如表1所示。

3.2.2 組網設置

為實現主站 PLC 和從站 PLC 之間的數據共享和交換，西門子 S7-200smartPLC通過向導配置來實現以太網通信。在 GET/PUT 向導中添加名為接收和發送兩個向導。接收向導中選擇類型為 GET ，設置傳送字節為42 Byte 。設置遠程 CPU的IP 地址為192.168.10.2，本地和遠程地址均設為 VB813，實現將本地 CPU的VB813-VB854的數據傳遞給遠程CPU的VB813-VB854，如圖3所示[7-8]。

在接收向導中選擇類型為 PUT ，設置傳送字節為13 Byte 。設定遠程 CPU的IP 地址為192.168.10.2，本地和遠程地址均設為 VB800，實現將本地 CPU的VB800-VB812的數據傳遞給遠程 CPU的VB800-VB812。

3.3 觸摸屏以太網設置

系統采用 MCGSE 組態環境設計組態程序，首先在設備組態中添加設備0—[西門子_smart200][9]。進入設備編輯窗口，設置觸摸屏的 IP 地址為192.168.10.17，設定主站 PLC 的 IP 地址為192.168.10.1，采樣周期設置為100 ms ，TCP/IP的通訊延時為200 ms ， TCP/IP連接等待時間為10 s 。同時，在組態軟件下載配置窗口中，選擇 TCP/IP網絡，設置目標機名為192.168.10.17。

3.4 監控界面設計

為了實現溫度的遠程監控，系統采用 MCGSE組態王軟件開發上位機監控系統，上位機監控系統功能模塊如圖4所示。上位機監控系統包括用戶登錄模塊、主站監控模塊、從站監控模塊、參數設置與顯示模塊、設備工作狀態監控模塊、報警監控模塊、溫度和壓力實時曲線模塊等[10]。

用戶登錄界面主要考慮系統使用安全，根據不同用戶等級設置了不用的用戶使用權限。主站監控畫面主要實現中心冷庫的空氣壓縮機和比例閥 PID 參數設置，冷卻泵、冷卻風機、排氣閥和吸氣閥等制冷設備工作狀態指示，以及壓力上限和下限的報警指示等。溫度從站監控畫面主要實現主站對從站的遠程控制和監測，比如對1號、2號從站中的給定溫度、給定壓力、PID 系數等參數設置，以及冷卻泵、冷卻風機等設備運行狀態指示，以及制冷設備工作異常的報警指示等[11]。

4 系統調試

系統采用 MCGSE 組態軟件，以 TCP/IP 通信模式獲取各個冷庫監控分站的制冷設備工作狀態數據，并進行分析、顯示和控制，監控平臺主界面如圖5所示。系統調試時，首先進行通信功能調試，設置好主站 PLC、從站 PLC 、觸摸屏的 IP 地址，并保證其在同一局域網。主站 PLC 通信向導設置好之后，系統會自動生成一個調試子程序。在程序段中添加調試子程序，設置超時為1000。若通信正常，則每次完成所有的網絡操作時，都會切換 BOOL 變量“周期”的狀態。通信測試正常后，再按照系統要求分別進行總站調試、分站調試、參數調試，然后進行系統設備運行、故障報警、PID 控制、變頻調速等功能調試。試驗表明，系統具備了工業冷庫集群聯網控制功能，通過觸摸屏、PC機可以查看遠程冷庫制冷設備狀態數據、當前庫溫、管道壓力、工作頻率等參數。管理員可以進行用戶權限管理，用戶可以對冷庫進行目標溫度設置，并隨時調取溫度變化走勢曲線等。

5 結束語

為解決工業冷庫集群發展過程中存在的系統集成性低、設備間數據孤立、管理效率低等問題，本文采用 PLC、觸摸屏、變頻器、工業網絡交換機等控制設備，建立了 PLC 和溫度監控分站的 C/S 構架。基于 STEP 7-MicroWIN SMART和 MCGSE軟件，通過以太網通信編程和配置，構建冷鏈產業集群型工業冷庫的溫度遠程監控以太網系統[12]。并設計了溫控監控系統的主從站硬件電路、以太網通信配置、組態遠程監控程序、主站 PLC 和從站 PLC的控制程序等，并進行了通信聯網測試和系統功能測試，實現了 PLC總站和溫度監控分站的數據交換。試驗表明，以太網通信有效提高了現場數據采集效率，縮短了總站輪詢溫度監控分站的時間。通過參數調試，該系統調節精度為±0.1℃，當設定溫度為+5℃時，庫內溫度變化范圍為+4～6℃。系統開機后30 min庫溫可達到預定溫度。和傳統控制方案比，該系統具有一定的穩定性、可靠性和節能性，提高了系統的實時性和冷庫工作效率，實現了工業冷庫異地集群遠程控制和監測的目的。

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第一作者簡介：周奎（1973-），女，安徽人，碩士，副教授，高級工程師，研究領域為智能控制，已發表論文20余篇。

（編輯：刁少華）