恒溫庫(kù)故障遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈凱 李澳 侍孝虎

摘? ?要：基于PLC和DTU模塊設(shè)計(jì)一種恒溫庫(kù)故障遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)，PLC通過(guò)溫度、壓力等傳感器采集恒溫庫(kù)制冷系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析，判斷恒溫庫(kù)故障。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，PLC通過(guò)自由口與DTU模塊通信，用AT指令通過(guò)DTU模塊向用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信，提醒用戶及時(shí)維修故障。

關(guān)鍵詞：故障;自由口;DTU模塊;報(bào)警短信

恒溫庫(kù)由保溫庫(kù)房、制冷系統(tǒng)組成，其體積大、儲(chǔ)存貨物多，是餐飲、食品、醫(yī)藥等行業(yè)必不可少的低溫儲(chǔ)存設(shè)備。大部分恒溫庫(kù)的制冷原理與家用冰箱相同，即采用氟利昂為冷劑的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)。但與家用冰箱相比，由于管路長(zhǎng)、系統(tǒng)復(fù)雜、管接頭處的輕微滲漏、管道中的少量雜質(zhì)等因素長(zhǎng)期積累后，可能造成制冷系統(tǒng)的故障。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，如現(xiàn)場(chǎng)無(wú)值守人員，不能及時(shí)維修，庫(kù)溫的上升必然會(huì)影響儲(chǔ)存貨物的品質(zhì)。因此，發(fā)生故障時(shí)及時(shí)報(bào)警十分必要。

1? ? 報(bào)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

恒溫庫(kù)運(yùn)行及報(bào)警控制系統(tǒng)主要硬件有：西門子S7-200SMART PLC、昆侖通泰7062TI觸摸屏、USR-GPRS-730DTU模塊以及溫度、高低壓力等傳感器。系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1? 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2? ? 常見故障分析及報(bào)警觸發(fā)策略

2.1? 制冷系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的熱力學(xué)特征

恒溫庫(kù)蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)核心設(shè)備有制冷壓縮機(jī)、蒸發(fā)器（冷風(fēng)機(jī)或排管）、熱力膨脹閥及冷凝器（風(fēng)冷式或水冷式）。制冷劑在此4個(gè)核心部件中通過(guò)物態(tài)變化實(shí)現(xiàn)在蒸發(fā)器中吸熱（汽化制冷）、壓縮機(jī)中升壓升溫、冷凝器中放熱（液化還原）和熱力膨脹閥中降壓降溫。因此，制冷系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)有顯著的壓力、溫度特征。系統(tǒng)正常運(yùn)行的低壓壓力值取決于使用的制冷劑及其所需控制的蒸發(fā)溫度。高壓正常運(yùn)行壓力值則與所使用的制冷劑以及冷凝溫度密切相關(guān)。

對(duì)于使用R22作為制冷劑，庫(kù)溫﹣18～﹣15 ℃，冷凝溫度30～35 ℃的恒溫庫(kù)，查R22制冷劑飽和壓力溫度對(duì)照表，可知其正常的高壓運(yùn)行壓力約為1.09～1.26 MPa，低壓運(yùn)行壓力約為0.118～0.145 MPa。考慮到管路壓力損失、系統(tǒng)制冷劑量多少、冷凝溫度變化等因素的影響，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般高壓壓力在0.95～1.40 MPa，低壓壓力在0.04～0.18 MPa，基本能將庫(kù)溫控制在正常范圍內(nèi)。

2.2? 制冷系統(tǒng)常見故障下的熱力學(xué)特征及報(bào)警觸發(fā)策略

恒溫庫(kù)制冷系統(tǒng)常見的故障通常有制冷劑泄漏引起的故障、堵塞引起的故障、高低壓串氣引起的故障以及冷凝效果差所引起的故障。

制冷劑的泄漏多是管接頭處的密封不嚴(yán)引起。少量的制冷劑泄漏其壓力變化并不明顯。日積月累，當(dāng)制冷劑泄漏到一定程度時(shí)，其高低壓壓力均會(huì)明顯降低。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，當(dāng)高壓值降至低于0.90 MPa，低壓值降至低于0.02 MPa，并且?guī)鞙馗哂谡Ｖ禃r(shí)，成為制冷劑泄漏故障的報(bào)警觸發(fā)條件。

堵塞故障通常發(fā)生在膨脹閥處，分為冰堵和臟堵。冰堵多由含水量超標(biāo)的制冷劑及冷凍油引起。臟堵多是管路中的氧化物引起。膨脹閥處的冰堵和臟堵均會(huì)使制冷劑不能順利通過(guò)而造成制冷系統(tǒng)高低壓壓力均偏低。與制冷劑的緩慢泄漏不同，堵塞故障下，系統(tǒng)低壓通常會(huì)更低乃至到負(fù)壓。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，當(dāng)高壓值降至低于0.85 MPa、低壓值降至低于0 MPa且?guī)鞙馗哂谡Ｖ禃r(shí)作為堵塞的報(bào)警觸發(fā)條件。

壓縮機(jī)閥片、氣環(huán)密封不嚴(yán)、閥板處高低壓紙墊密封不嚴(yán)均會(huì)引起高低壓串氣，從而造成制冷故障。當(dāng)高低壓串氣時(shí)，與正常值相比，高壓壓力會(huì)稍微降低，低壓壓力則會(huì)明顯升高，即出現(xiàn)高壓不高、低壓不低現(xiàn)象。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，當(dāng)高壓值降至低于0.90 MPa、低壓值升至高于0.30 MPa且?guī)鞙馗哂谡Ｖ?，其作為串氣故障的?bào)警觸發(fā)條件。

冷凝效果差也是造成制冷效果不良的重要因素之一。水冷冷凝器結(jié)垢、系統(tǒng)混入空氣占據(jù)冷凝器散熱面積等因素都會(huì)引起散熱效果差，從而引起系統(tǒng)高低壓壓力高于正常值。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，當(dāng)高壓壓力高于1.55 MPa、低壓壓力高于0.20 MPa時(shí)作為冷凝效果差的報(bào)警觸發(fā)條件。

當(dāng)然，制冷系統(tǒng)的故障遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。但制冷系統(tǒng)的故障最終影響的是庫(kù)溫，因此其他情況下的故障，可以用庫(kù)溫超溫報(bào)警。即在非融霜情況下，當(dāng)庫(kù)溫高于﹣14 ℃作為其他故障的報(bào)警觸發(fā)條件。

3? ? 報(bào)警信息發(fā)送

當(dāng)觸發(fā)相應(yīng)報(bào)警后，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）即通過(guò)自由口通信向數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）模塊發(fā)送AT指令，并通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信息發(fā)送至用戶手機(jī)。因此，短信成功發(fā)送的核心是PLC與DTU模塊的自由口通信。西門子S7-200SMART PLC集成的RS485通信口可以設(shè)置成自由端口模式。自由端口模式是指用戶編程來(lái)控制通信端口，以實(shí)現(xiàn)自定義通信協(xié)議的通信方式，在該模式下，通信功能完全由用戶程序控制，所有通信任務(wù)和信息均由用戶編程來(lái)定義[1]。

3.1? 通信設(shè)置

啟用PLC的自由口通信即將PLC集成的RS485通信口設(shè)置成自由端口協(xié)議模式并對(duì)自由口通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。通信參數(shù)包括通信波特率、奇偶校驗(yàn)、每個(gè)字符的數(shù)據(jù)位。以上參數(shù)均通過(guò)狀態(tài)字節(jié)SMB30設(shè)置。同時(shí)，為確保消息的順利接收，應(yīng)定義接收消息的起始和結(jié)束條件，由狀態(tài)字SMB87-SMB94設(shè)置。

DTU模塊在與PLC通信前要對(duì)工作模式、串口參數(shù)等進(jìn)行配置（可通過(guò)USR-GM3軟件設(shè)置，也可通過(guò)AT指令設(shè)置）。將工作模式設(shè)置成短信透?jìng)髂Ｊ剑ˋT+WKMOD=“SMS”）。關(guān)閉指令回顯功能（AT+E=off），指令回顯功能使DTU模塊將收到的指令回發(fā)給PLC，這將給編程帶來(lái)不便。設(shè)置串口參數(shù)與PLC自由口一致，設(shè)置波特率9 600 bps/s、無(wú)校驗(yàn)、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位（AT+UART=9 600，“NONE”，8，1，“NONE”）。設(shè)置完后保存所有參數(shù)（AT+S）。

3.2? 進(jìn)入指令模式

通信參數(shù)設(shè)置完成后，PLC需與DTU模塊建立握手信息進(jìn)入指令模式，才能發(fā)送報(bào)警信息。其流程為：PLC向DTU模塊發(fā)送字符“+++”;DTU模塊收到“+++”后，返回給PLC一個(gè)字符“a”，PLC收到字符“a”后繼續(xù)給DTU模塊發(fā)送一個(gè)字符“a”，DTU收到“a”后，繼續(xù)給PLC返回字符“+ok”，PLC收到“+ok”后，直到DTU模塊進(jìn)入指令模式，即可以通過(guò)AT指令發(fā)送報(bào)警信息。

3.3? 發(fā)送報(bào)警短信

發(fā)送短消息用AT+SMSEND指令。AT+SMSEND的指令格式：AT+SMSEND=“number”，type，“date”。其中number為11位短消息目標(biāo)電話號(hào)碼，type為短消息的編碼方式，其值為1，ASCII編碼;值為2，8比特編碼;值為3，UCS8編碼。要發(fā)送中文短消息應(yīng)選擇UCS8編碼方式。date為短消息的內(nèi)容，在UCS8編碼模式下短消息內(nèi)容最長(zhǎng)為70個(gè)字節(jié)。

在指令模式下，當(dāng)有報(bào)警觸發(fā)時(shí)，PLC向DTU模塊發(fā)送字符串：AT+SMSEND=“number”，type，“date”。字符串的內(nèi)容預(yù)先存儲(chǔ)在預(yù)定的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，如向用戶手機(jī)13372XXX586發(fā)送“高溫報(bào)警”短消息，其數(shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)值如表1所示。其中，VB112-VB122中的11位用戶電話號(hào)碼和VB128-VB135中的報(bào)警內(nèi)容可根據(jù)實(shí)際需要通過(guò)程序靈活更改。

DTU模塊收到短消息指令后給PLC返回“ok”。PLC收到“ok”值后可判斷發(fā)送消息任務(wù)完成，進(jìn)入下一個(gè)報(bào)警發(fā)送等待狀態(tài)，否則重新發(fā)送。

PLC和DTU模塊的串行通信為半雙工方式，編程時(shí)，不能同時(shí)使用自由口的發(fā)送（Transmit，XMT）和接收（Receive）指令，發(fā)送消息時(shí)要通過(guò)狀態(tài)位SM87.7禁用消息接收功能[2]。同時(shí)，DTU模塊在不同任務(wù)下給PLC的返回值一直變化，因此在接收消息時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)更改接收消息控制字SMB87及消息字符開始控制字SMB88的值。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

恒溫庫(kù)制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，在特定的工況下，有顯著的溫度、壓力特征。利用溫度、壓力傳感器實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，與正常值進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)參數(shù)分析實(shí)現(xiàn)故障預(yù)判，并通過(guò)手機(jī)短信及時(shí)向用戶推送故障信息，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的遠(yuǎn)程報(bào)警模式。

[參考文獻(xiàn)]

[1]蔡杏山.圖解西門子S7-200SMART PLC快速入門與提高[M].北京：電子工業(yè)出版社，2018.

[2]西門子（中國(guó)）有限公司.深入淺出西門子S7-200SMART PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.