基于PLC 的電氣設(shè)備自動控制冷卻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

張坤平，武 靜

（許昌電氣職業(yè)學(xué)院 河南 許昌 461000）

0 引言

電氣設(shè)備在運行過程中產(chǎn)生的熱量若未得到適當(dāng)管理可能對設(shè)備性能和壽命產(chǎn)生不良影響，為確保設(shè)備在安全、效率最大化的溫度范圍內(nèi)工作，冷卻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運而生。 傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)往往存在諸多局限性，如響應(yīng)慢、精度低等問題。 隨著電子集成技術(shù)的不斷進步，可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）技術(shù)已經(jīng)在許多工業(yè)應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用，其中就包括電氣設(shè)備的溫度管理。 相比于傳統(tǒng)的溫度控制方法，基于PLC 的溫度控制系統(tǒng)不僅響應(yīng)速度快、精度高，而且更為穩(wěn)定可靠。 結(jié)合現(xiàn)代傳感器技術(shù)和先進的軟件架構(gòu)，PLC 能夠為電氣設(shè)備提供精確、穩(wěn)定的冷卻控制，從而確保設(shè)備的高效穩(wěn)定運行。 本研究旨在深入探討基于PLC 的冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，以滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的高要求。

1 傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)存在的問題和局限性

傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)存在一些固有的問題和局限性。 首先，傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)通常設(shè)計固定，不能根據(jù)設(shè)備的實際運行狀態(tài)和環(huán)境溫度進行調(diào)整，導(dǎo)致設(shè)備的冷卻效果不佳。其次，傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的冷卻效率受到一些外部因素的影響，如環(huán)境的濕度、風(fēng)速、散熱面的積塵等，會影響冷卻效果。 再次，傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)中的冷卻設(shè)備需要額外的能源來驅(qū)動，增加了設(shè)備的運行成本，而且冷卻設(shè)備的故障也會導(dǎo)致整個冷卻系統(tǒng)的失效，增加了設(shè)備的風(fēng)險。 傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)在設(shè)計時往往只考慮到設(shè)備的最大工作溫度，而忽略了設(shè)備在不同工作狀態(tài)下的冷卻需求。 最后，在設(shè)備低負荷或待機狀態(tài)下，傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)仍然以最大功率工作，造成了能源的浪費［1］。

2 PLC 技術(shù)概述

2.1 PLC 在自動控制中的應(yīng)用

PLC 起源于20 世紀60 年代，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)中對靈活可控的控制系統(tǒng)的需求，旨在替代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。 PLC 是一種特殊的微處理器，專為實時任務(wù)和工業(yè)環(huán)境而設(shè)計，其主要功能是根據(jù)用戶編寫的控制程序來控制各種工業(yè)過程和機械動作。 PLC 能夠適應(yīng)不同的工況。無論是高溫、高濕，還是塵土滿布的環(huán)境，PLC 都能保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)從而確保工業(yè)過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性。 在工業(yè)實踐中PLC 也展現(xiàn)出極高的靈活性與可擴展性，用戶可以根據(jù)自身的實際需求，編寫并修改控制程序，從而滿足不同場景下的控制要求。 PLC 在實時性方面同樣表現(xiàn)出色，由于是專為實時控制任務(wù)設(shè)計的，因此能夠迅速響應(yīng)外部輸入，確保工業(yè)過程不會因為延遲或其他問題而受到影響，這對于需要快速、準確反應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用來說尤為重要［2］。

在制造業(yè)中PLC 常用于生產(chǎn)線的自動化控制，如自動裝配線、自動檢測線等。 通過PLC 的應(yīng)用可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化，提高生產(chǎn)效率降低人工成本，并確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定；在能源行業(yè)中PLC 常用于電廠、石化廠等大型工業(yè)設(shè)備的自動化控制，可以實時監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)，確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運行，并優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高能源效率；在交通運輸領(lǐng)域，PLC 也得到了廣泛的應(yīng)用，如自動化停車場、自動化高速公路收費系統(tǒng)等，可以實現(xiàn)交通系統(tǒng)的自動化管理，提高交通效率，確保交通安全。

2.2 PLC 技術(shù)的發(fā)展趨勢

PLC 技術(shù)自20 世紀60 年代誕生以來，從最初的基于繼電器的簡單控制系統(tǒng)，到現(xiàn)在的基于微處理器的復(fù)雜控制系統(tǒng)，PLC 技術(shù)已經(jīng)取得了長足的進步。 近年來隨著工業(yè)4.0、物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT）和人工智能技術(shù)的發(fā)展，PLC 技術(shù)也正面臨著新的挑戰(zhàn)和機遇。

未來的PLC 將更加智能，傳統(tǒng)的PLC 主要依賴于預(yù)設(shè)的程序來進行控制，對于復(fù)雜的、非線性的或不確定的系統(tǒng)，其控制效果往往不佳。 而隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，PLC 將可以通過學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的方法，對復(fù)雜系統(tǒng)進行更為精確和高效的控制。 例如，通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)，PLC 可以根據(jù)大量的歷史數(shù)據(jù)，自動優(yōu)化控制策略，提高控制精度。

未來的PLC 將更加互聯(lián)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展PLC 將與各種設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器進行無縫連接，實現(xiàn)設(shè)備間的實時數(shù)據(jù)交換和協(xié)同控制。 不僅可以提高系統(tǒng)的整體性能，還可以實現(xiàn)跨地域、跨平臺的遠程監(jiān)控和控制。 通過5G、LoRa 等無線通信技術(shù)，PLC 可以實現(xiàn)遠程的實時數(shù)據(jù)傳輸，使得工廠的生產(chǎn)和管理更為靈活和高效［3］。

3 基于PLC 的冷卻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)需求分析

冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的核心目的是確保電氣設(shè)備在一個安全和效率最大化的溫度范圍內(nèi)運行。 為了實現(xiàn)這一目標，系統(tǒng)需求分析是至關(guān)重要的步驟，它涉及設(shè)備冷卻需求、用戶操作需求以及系統(tǒng)維護與管理需求。

電氣設(shè)備在運行過程中會產(chǎn)生大量的熱量，如果熱量積累過多，可能導(dǎo)致設(shè)備過熱，從而影響其性能和壽命。冷卻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崟r檢測設(shè)備的溫度，并根據(jù)預(yù)設(shè)的溫度閾值進行冷卻。 此外系統(tǒng)還應(yīng)能夠根據(jù)設(shè)備的工作負荷和外部環(huán)境因素（如環(huán)境溫度、濕度等）自動調(diào)整冷卻策略，確保設(shè)備始終處于最佳的工作狀態(tài)。 同時冷卻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)為用戶提供一個友好的操作界面，使用戶能夠輕松地監(jiān)控和控制冷卻過程。 用戶應(yīng)能夠?qū)崟r查看設(shè)備的溫度、冷卻狀態(tài)和其他相關(guān)參數(shù)。 為了便于系統(tǒng)的后期維護，系統(tǒng)還應(yīng)提供一些高級功能，如數(shù)據(jù)記錄、報警設(shè)置、遠程控制等，以滿足不同用戶的操作需求［4］。

為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和易于管理，系統(tǒng)的設(shè)計和功能需滿足以下幾點要求：（1）系統(tǒng)需要具備自動檢測和診斷故障的能力，比如能夠及時發(fā)現(xiàn)并報告?zhèn)鞲衅鞴收稀⒗鋮s設(shè)備故障等問題。 這一功能對于預(yù)防潛在的系統(tǒng)故障、確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行至關(guān)重要。 （2）考慮到技術(shù)的不斷發(fā)展和市場需求的變化，生產(chǎn)商應(yīng)當(dāng)提供軟件升級和硬件擴展的服務(wù)和支持。 不僅能夠保證系統(tǒng)適應(yīng)未來的技術(shù)發(fā)展，也能夠滿足用戶不斷變化的需求。 （3）為了便于系統(tǒng)的管理和維護，應(yīng)提供一個統(tǒng)一的管理平臺。 （4）通過該平臺，管理員可以輕松地進行系統(tǒng)配置、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)備份等操作，從而提高了系統(tǒng)管理的效率和便利性。

基于PLC 的冷卻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)充分考慮設(shè)備冷卻需求、用戶操作需求和系統(tǒng)維護與管理需求。 只有深入分析需求，才能設(shè)計出一個既滿足設(shè)備冷卻需求，又易于用戶操作和管理的冷卻監(jiān)控系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

一個基于PLC 的冷卻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括PLC 控制器、傳感器、執(zhí)行器和通信設(shè)備。 PLC 控制器是系統(tǒng)的核心，負責(zé)接收來自傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制邏輯進行處理，并發(fā)送控制命令給執(zhí)行器。 考慮到系統(tǒng)的實時性和可靠性要求，選擇西門子（Siemens）的S7－1200 系列PLC 控制器作為首選。 S7－1200 系列具有高速的處理能力、豐富的通信接口和良好的擴展性，能夠滿足系統(tǒng)的基本需求。 傳感器是系統(tǒng)的感知器官，負責(zé)檢測設(shè)備的溫度、濕度等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC 控器。

執(zhí)行器負責(zé)根據(jù)PLC 控制器的命令，進行冷卻設(shè)備的開關(guān)控制。 考慮到系統(tǒng)的響應(yīng)速度和耐用性要求，選擇施耐德（Schneider）的LC1－D 接觸器系列作為執(zhí)行器。LC1－D 接觸器系列具有快速的響應(yīng)時間、高的開關(guān)能力和長的使用壽命，能夠確保系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。

通信設(shè)備是系統(tǒng)的神經(jīng)系統(tǒng)，負責(zé)PLC 控制器、傳感器和執(zhí)行器之間的數(shù)據(jù)交換。 考慮到系統(tǒng)的通信距離和通信速率要求，選擇西門子的PROFIBUS DP 通信模塊和PROFINET 通信模塊。 這些通信模塊具有高的通信速率、穩(wěn)定的通信性能和良好的兼容性，能夠確保系統(tǒng)的通信效率和可靠性。 硬件架構(gòu)設(shè)計方案如圖1 所示。

圖1 硬件架構(gòu)設(shè)計方案

冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的軟件架構(gòu)是確定系統(tǒng)功能、性能和可靠性的關(guān)鍵。 一個合理和高效的軟件架構(gòu)能夠確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，滿足電氣設(shè)備的冷卻監(jiān)控需求。 首先探討操作系統(tǒng)層，操作系統(tǒng)為上層應(yīng)用提供了穩(wěn)定的運行環(huán)境，確保了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。 考慮到PLC 的特點和工業(yè)自動化的要求，選擇西門子的Simatic STEP 7 作為操作系統(tǒng)。 Simatic STEP 7 是專為工業(yè)自動化設(shè)計的操作系統(tǒng)，具有高的實時性、穩(wěn)定性和可靠性，能夠滿足冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的基本需求；其次考慮控制邏輯層，控制邏輯層負責(zé)接收傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略進行處理，并發(fā)送控制命令給執(zhí)行器。 為了實現(xiàn)這一功能設(shè)計方案中采用西門子的TIA Portal 進行控制邏輯的編程。 TIA Portal是一種圖形化的編程工具，支持多種編程語言，如Ladder Logic、Function Block Diagram 等，能夠快速和高效地實現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯。

數(shù)據(jù)處理和分析層負責(zé)對傳感器的數(shù)據(jù)進行存儲、處理和分析，為用戶提供有價值的信息。 此部分采用西門子的WinCC SCADA 系統(tǒng)，WinCC SCADA 系統(tǒng)具有強大的數(shù)據(jù)處理和分析能力，支持多種數(shù)據(jù)存儲格式，如數(shù)據(jù)庫、逗號分隔值文件等，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時存儲、歷史查詢、趨勢分析等功能。

人機界面層為用戶提供了與系統(tǒng)交互的界面，使用戶能夠?qū)崟r監(jiān)控和控制冷卻過程，通過在軟件架構(gòu)中采用西門子的WinCC Flexible 進行人機界面的設(shè)計來實現(xiàn)。WinCC Flexible 是一種專為工業(yè)自動化設(shè)計的人機界面工具，具有豐富的控件庫、強大的腳本功能和良好的可擴展性，能夠滿足用戶的各種操作需求［5］。 基于PLC 的冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性、功能性和可擴展性。 通過合理的軟件架構(gòu)設(shè)計，確保系統(tǒng)的高效和穩(wěn)定運行，滿足電氣設(shè)備的冷卻監(jiān)控需求。 圖2是模塊化的軟件架構(gòu)設(shè)計方案。

圖2 模塊化的軟件架構(gòu)設(shè)計方案

3.3 基于PLC 的電氣設(shè)備自動控制冷卻監(jiān)控系統(tǒng)工作流程

正確的工作流程是系統(tǒng)正常運行的基石，它確保了電氣設(shè)備在最佳溫度條件下穩(wěn)定運行。 此流程主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和決策以及執(zhí)行控制命令三個關(guān)鍵步驟。 在數(shù)據(jù)采集階段，系統(tǒng)中的傳感器起到至關(guān)重要的作用。 系統(tǒng)所配備的傳感器，如霍尼韋爾（Honeywell）的PT1000 型溫度傳感器和HIH－4000 系列濕度傳感器，不斷地檢測電氣設(shè)備的溫度、濕度等關(guān)鍵參數(shù)。 數(shù)據(jù)被實時傳輸?shù)絇LC 控制器中，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和決策提供了基礎(chǔ)。 為確保數(shù)據(jù)的準確性和實時性，傳感器應(yīng)定期進行校準和維護。 隨后進入數(shù)據(jù)處理和決策階段。 在這一階段，PLC 控制器首先接收來自傳感器的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)預(yù)先編程的控制邏輯進行處理。 如果設(shè)備的溫度超過了預(yù)設(shè)的閾值，PLC 控制器會判斷設(shè)備過熱，并需要采取冷卻措施。 此外控制器還可以根據(jù)其他參數(shù)，如濕度、工作負荷等，進行更復(fù)雜的決策。 為了確保決策的準確性和及時性，控制邏輯應(yīng)定期進行更新和優(yōu)化［6］。

在進入執(zhí)行控制命令階段后，PLC 控制器根據(jù)前一階段的決策，向執(zhí)行器發(fā)送控制命令。 執(zhí)行器，如施耐德的LC1D 系列接觸器，根據(jù)控制器的命令進行冷卻設(shè)備的開關(guān)控制，當(dāng)PLC 控制器判斷設(shè)備過熱時，執(zhí)行器會接收到開啟冷卻設(shè)備的命令從而降低設(shè)備的溫度。 為確保控制命令的實時性和準確性，執(zhí)行器應(yīng)具備快速響應(yīng)和高開關(guān)能力。 基于PLC 的電氣設(shè)備自動控制冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程是一個連續(xù)的、緊密相互關(guān)聯(lián)的過程，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和決策以及執(zhí)行控制命令三個關(guān)鍵步驟。 通過這一流程，系統(tǒng)能夠確保電氣設(shè)備在最佳溫度條件下穩(wěn)定運行，提高設(shè)備的效率和壽命。

4 結(jié)語

綜上所述，基于PLC 的電氣設(shè)備自動控制冷卻監(jiān)控系統(tǒng)致力于確保電氣設(shè)備在最佳溫度條件下穩(wěn)定運行，通過深入的系統(tǒng)需求分析明確了設(shè)備冷卻、用戶操作和系統(tǒng)維護的關(guān)鍵需求。 系統(tǒng)硬件架構(gòu)選擇了高效穩(wěn)定的PLC控制器、精確的傳感器和快速響應(yīng)的執(zhí)行器。 軟件架構(gòu)方面，采用了西門子的Simatic STEP 7 作為操作系統(tǒng)，并通過TIA Portal 和WinCC SCADA 系統(tǒng)實現(xiàn)控制邏輯和數(shù)據(jù)處理。 工作流程包括數(shù)據(jù)的實時采集、PLC 控制器的數(shù)據(jù)處理與決策，以及根據(jù)決策向執(zhí)行器發(fā)出的控制命令。 本系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計思路，各個模塊之間具有很好的獨立性和兼容性，便于后期的擴展和維護。 系統(tǒng)的實時監(jiān)測和自動控制功能大大提高了電氣設(shè)備的運行穩(wěn)定性和使用壽命，并降低了由于過熱造成的潛在風(fēng)險。 為現(xiàn)代工業(yè)電氣設(shè)備提供了一個高效、可靠、靈活的冷卻解決方案，具有很強的實用價值和應(yīng)用前景。