基于PLC 的電氣設備自動控制冷卻監控系統設計

張坤平，武 靜

（許昌電氣職業學院 河南 許昌 461000）

0 引言

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

1 傳統冷卻系統存在的問題和局限性

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

2 PLC 技術概述

2.1 PLC 在自動控制中的應用

PLC 起源于20 世紀60 年代，為了滿足工業生產中對靈活可控的控制系統的需求，旨在替代傳統的繼電器控制系統。 PLC 是一種特殊的微處理器，專為實時任務和工業環境而設計，其主要功能是根據用戶編寫的控制程序來控制各種工業過程和機械動作。 PLC 能夠適應不同的工況。無論是高溫、高濕，還是塵土滿布的環境，PLC 都能保持穩定的工作狀態從而確保工業過程的連續性和穩定性。 在工業實踐中PLC 也展現出極高的靈活性與可擴展性，用戶可以根據自身的實際需求，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出色，由于是專為實時控制任務設計的，因此能夠迅速響應外部輸入，確保工業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、準確反應的工業應用來說尤為重要［2］。

在制造業中PLC 常用于生產線的自動化控制，如自動裝配線、自動檢測線等。 通過PLC 的應用可以實現生產過程的自動化，提高生產效率降低人工成本，并確保產品質量的穩定；在能源行業中PLC 常用于電廠、石化廠等大型工業設備的自動化控制，可以實時監控設備的運行狀態，確保設備的安全穩定運行，并優化生產過程，提高能源效率；在交通運輸領域，PLC 也得到了廣泛的應用，如自動化停車場、自動化高速公路收費系統等，可以實現交通系統的自動化管理，提高交通效率，確保交通安全。

2.2 PLC 技術的發展趨勢

PLC 技術自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，到現在的基于微處理器的復雜控制系統，PLC 技術已經取得了長足的進步。 近年來隨著工業4.0、物聯網（internet of things，IoT）和人工智能技術的發展，PLC 技術也正面臨著新的挑戰和機遇。

未來的PLC 將更加智能，傳統的PLC 主要依賴于預設的程序來進行控制，對于復雜的、非線性的或不確定的系統，其控制效果往往不佳。 而隨著人工智能技術的發展，PLC 將可以通過學習和自適應的方法，對復雜系統進行更為精確和高效的控制。 例如，通過深度學習技術，PLC 可以根據大量的歷史數據，自動優化控制策略，提高控制精度。

未來的PLC 將更加互聯，隨著物聯網技術的發展PLC 將與各種設備、傳感器和執行器進行無縫連接，實現設備間的實時數據交換和協同控制。 不僅可以提高系統的整體性能，還可以實現跨地域、跨平臺的遠程監控和控制。 通過5G、LoRa 等無線通信技術，PLC 可以實現遠程的實時數據傳輸，使得工廠的生產和管理更為靈活和高效［3］。

3 基于PLC 的冷卻監控系統設計

3.1 系統需求分析

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

電氣設備在運行過程中會產生大量的熱量，如果熱量積累過多，可能導致設備過熱，從而影響其性能和壽命。冷卻監控系統應能夠實時檢測設備的溫度，并根據預設的溫度閾值進行冷卻。 此外系統還應能夠根據設備的工作負荷和外部環境因素（如環境溫度、濕度等）自動調整冷卻策略，確保設備始終處于最佳的工作狀態。 同時冷卻監控系統應為用戶提供一個友好的操作界面，使用戶能夠輕松地監控和控制冷卻過程。 用戶應能夠實時查看設備的溫度、冷卻狀態和其他相關參數。 為了便于系統的后期維護，系統還應提供一些高級功能，如數據記錄、報警設置、遠程控制等，以滿足不同用戶的操作需求［4］。

為了確保系統的穩定運行和易于管理，系統的設計和功能需滿足以下幾點要求：（1）系統需要具備自動檢測和診斷故障的能力，比如能夠及時發現并報告傳感器故障、冷卻設備故障等問題。 這一功能對于預防潛在的系統故障、確保系統穩定運行至關重要。 （2）考慮到技術的不斷發展和市場需求的變化，生產商應當提供軟件升級和硬件擴展的服務和支持。 不僅能夠保證系統適應未來的技術發展，也能夠滿足用戶不斷變化的需求。 （3）為了便于系統的管理和維護，應提供一個統一的管理平臺。 （4）通過該平臺，管理員可以輕松地進行系統配置、參數設置、數據備份等操作，從而提高了系統管理的效率和便利性。

基于PLC 的冷卻監控系統設計應充分考慮設備冷卻需求、用戶操作需求和系統維護與管理需求。 只有深入分析需求，才能設計出一個既滿足設備冷卻需求，又易于用戶操作和管理的冷卻監控系統。

3.2 系統架構設計

一個基于PLC 的冷卻監控系統主要包括PLC 控制器、傳感器、執行器和通信設備。 PLC 控制器是系統的核心，負責接收來自傳感器的數據，根據預設的控制邏輯進行處理，并發送控制命令給執行器。 考慮到系統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，能夠滿足系統的基本需求。 傳感器是系統的感知器官，負責檢測設備的溫度、濕度等參數，并將數據發送給PLC 控器。

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

通信設備是系統的神經系統，負責PLC 控制器、傳感器和執行器之間的數據交換。 考慮到系統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、穩定的通信性能和良好的兼容性，能夠確保系統的通信效率和可靠性。 硬件架構設計方案如圖1 所示。

圖1 硬件架構設計方案

冷卻監控系統的軟件架構是確定系統功能、性能和可靠性的關鍵。 一個合理和高效的軟件架構能夠確保系統的穩定運行，滿足電氣設備的冷卻監控需求。 首先探討操作系統層，操作系統為上層應用提供了穩定的運行環境，確保了系統的實時性和穩定性。 考慮到PLC 的特點和工業自動化的要求，選擇西門子的Simatic STEP 7 作為操作系統。 Simatic STEP 7 是專為工業自動化設計的操作系統，具有高的實時性、穩定性和可靠性，能夠滿足冷卻監控系統的基本需求；其次考慮控制邏輯層，控制邏輯層負責接收傳感器的數據，根據預設的控制策略進行處理，并發送控制命令給執行器。 為了實現這一功能設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復雜的控制邏輯。

數據處理和分析層負責對傳感器的數據進行存儲、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，WinCC SCADA 系統具有強大的數據處理和分析能力，支持多種數據存儲格式，如數據庫、逗號分隔值文件等，能夠實現數據的實時存儲、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交互的界面，使用戶能夠實時監控和控制冷卻過程，通過在軟件架構中采用西門子的WinCC Flexible 進行人機界面的設計來實現。WinCC Flexible 是一種專為工業自動化設計的人機界面工具，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 的冷卻監控系統的軟件架構設計應考慮系統的實時性、穩定性、功能性和可擴展性。 通過合理的軟件架構設計，確保系統的高效和穩定運行，滿足電氣設備的冷卻監控需求。 圖2是模塊化的軟件架構設計方案。

圖2 模塊化的軟件架構設計方案

3.3 基于PLC 的電氣設備自動控制冷卻監控系統工作流程

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

在進入執行控制命令階段后，PLC 控制器根據前一階段的決策，向執行器發送控制命令。 執行器，如施耐德的LC1D 系列接觸器，根據控制器的命令進行冷卻設備的開關控制，當PLC 控制器判斷設備過熱時，執行器會接收到開啟冷卻設備的命令從而降低設備的溫度。 為確?？刂泼畹膶崟r性和準確性，執行器應具備快速響應和高開關能力。 基于PLC 的電氣設備自動控制冷卻監控系統的工作流程是一個連續的、緊密相互關聯的過程，包括數據采集、數據處理和決策以及執行控制命令三個關鍵步驟。 通過這一流程，系統能夠確保電氣設備在最佳溫度條件下穩定運行，提高設備的效率和壽命。

4 結語

綜上所述，基于PLC 的電氣設備自動控制冷卻監控系統致力于確保電氣設備在最佳溫度條件下穩定運行，通過深入的系統需求分析明確了設備冷卻、用戶操作和系統維護的關鍵需求。 系統硬件架構選擇了高效穩定的PLC控制器、精確的傳感器和快速響應的執行器。 軟件架構方面，采用了西門子的Simatic STEP 7 作為操作系統，并通過TIA Portal 和WinCC SCADA 系統實現控制邏輯和數據處理。 工作流程包括數據的實時采集、PLC 控制器的數據處理與決策，以及根據決策向執行器發出的控制命令。 本系統采用了模塊化的設計思路，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。 系統的實時監測和自動控制功能大大提高了電氣設備的運行穩定性和使用壽命，并降低了由于過熱造成的潛在風險。 為現代工業電氣設備提供了一個高效、可靠、靈活的冷卻解決方案，具有很強的實用價值和應用前景。