恒溫庫故障遠程報警系統(tǒng)設計

沈凱 李澳 侍孝虎

摘? ?要：基于PLC和DTU模塊設計一種恒溫庫故障遠程報警系統(tǒng)，PLC通過溫度、壓力等傳感器采集恒溫庫制冷系統(tǒng)的實時運行參數(shù)，并對參數(shù)進行分析，判斷恒溫庫故障。當發(fā)生故障時，PLC通過自由口與DTU模塊通信，用AT指令通過DTU模塊向用戶手機發(fā)送報警短信，提醒用戶及時維修故障。

關鍵詞：故障;自由口;DTU模塊;報警短信

恒溫庫由保溫庫房、制冷系統(tǒng)組成，其體積大、儲存貨物多，是餐飲、食品、醫(yī)藥等行業(yè)必不可少的低溫儲存設備。大部分恒溫庫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、系統(tǒng)復雜、管接頭處的輕微滲漏、管道中的少量雜質等因素長期積累后，可能造成制冷系統(tǒng)的故障。當故障發(fā)生時，如現(xiàn)場無值守人員，不能及時維修，庫溫的上升必然會影響儲存貨物的品質。因此，發(fā)生故障時及時報警十分必要。

1? ? 報警系統(tǒng)硬件設計

恒溫庫運行及報警控制系統(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)基本架構如圖1所示。

圖1? 系統(tǒng)硬件架構

2? ? 常見故障分析及報警觸發(fā)策略

2.1? 制冷系統(tǒng)正常運行時的熱力學特征

恒溫庫蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)核心設備有制冷壓縮機、蒸發(fā)器（冷風機或排管）、熱力膨脹閥及冷凝器（風冷式或水冷式）。制冷劑在此4個核心部件中通過物態(tài)變化實現(xiàn)在蒸發(fā)器中吸熱（汽化制冷）、壓縮機中升壓升溫、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)在運行時有顯著的壓力、溫度特征。系統(tǒng)正常運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。高壓正常運行壓力值則與所使用的制冷劑以及冷凝溫度密切相關。

對于使用R22作為制冷劑，庫溫﹣18～﹣15 ℃，冷凝溫度30～35 ℃的恒溫庫，查R22制冷劑飽和壓力溫度對照表，可知其正常的高壓運行壓力約為1.09～1.26 MPa，低壓運行壓力約為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)實踐經驗，一般高壓壓力在0.95～1.40 MPa，低壓壓力在0.04～0.18 MPa，基本能將庫溫控制在正常范圍內。

2.2? 制冷系統(tǒng)常見故障下的熱力學特征及報警觸發(fā)策略

恒溫庫制冷系統(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引起。少量的制冷劑泄漏其壓力變化并不明顯。日積月累，當制冷劑泄漏到一定程度時，其高低壓壓力均會明顯降低。機組運行時，當高壓值降至低于0.90 MPa，低壓值降至低于0.02 MPa，并且?guī)鞙馗哂谡Ｖ禃r，成為制冷劑泄漏故障的報警觸發(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使制冷劑不能順利通過而造成制冷系統(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)低壓通常會更低乃至到負壓。機組運行時，當高壓值降至低于0.85 MPa、低壓值降至低于0 MPa且?guī)鞙馗哂谡Ｖ禃r作為堵塞的報警觸發(fā)條件。

壓縮機閥片、氣環(huán)密封不嚴、閥板處高低壓紙墊密封不嚴均會引起高低壓串氣，從而造成制冷故障。當高低壓串氣時，與正常值相比，高壓壓力會稍微降低，低壓壓力則會明顯升高，即出現(xiàn)高壓不高、低壓不低現(xiàn)象。機組運行時，當高壓值降至低于0.90 MPa、低壓值升至高于0.30 MPa且?guī)鞙馗哂谡Ｖ担渥鳛榇畾夤收系膱缶|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。水冷冷凝器結垢、系統(tǒng)混入空氣占據(jù)冷凝器散熱面積等因素都會引起散熱效果差，從而引起系統(tǒng)高低壓壓力高于正常值。機組運行時，當高壓壓力高于1.55 MPa、低壓壓力高于0.20 MPa時作為冷凝效果差的報警觸發(fā)條件。

當然，制冷系統(tǒng)的故障遠遠不止這些。但制冷系統(tǒng)的故障最終影響的是庫溫，因此其他情況下的故障，可以用庫溫超溫報警。即在非融霜情況下，當庫溫高于﹣14 ℃作為其他故障的報警觸發(fā)條件。

3? ? 報警信息發(fā)送

當觸發(fā)相應報警后，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）即通過自由口通信向數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）模塊發(fā)送AT指令，并通過4G網(wǎng)絡將報警信息發(fā)送至用戶手機。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通信口可以設置成自由端口模式。自由端口模式是指用戶編程來控制通信端口，以實現(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，所有通信任務和信息均由用戶編程來定義[1]。

3.1? 通信設置

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

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

3.2? 進入指令模式

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

3.3? 發(fā)送報警短信

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位短消息目標電話號碼，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)送中文短消息應選擇UCS8編碼方式。date為短消息的內容，在UCS8編碼模式下短消息內容最長為70個字節(jié)。

在指令模式下，當有報警觸發(fā)時，PLC向DTU模塊發(fā)送字符串：AT+SMSEND=“number”，type，“date”。字符串的內容預先存儲在預定的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，如向用戶手機13372XXX586發(fā)送“高溫報警”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位用戶電話號碼和VB128-VB135中的報警內容可根據(jù)實際需要通過程序靈活更改。

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)送消息任務完成，進入下一個報警發(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，不能同時使用自由口的發(fā)送（Transmit，XMT）和接收（Receive）指令，發(fā)送消息時要通過狀態(tài)位SM87.7禁用消息接收功能[2]。同時，DTU模塊在不同任務下給PLC的返回值一直變化，因此在接收消息時，應根據(jù)實際情況及時更改接收消息控制字SMB87及消息字符開始控制字SMB88的值。

4? ? 結語

恒溫庫制冷系統(tǒng)運行時，在特定的工況下，有顯著的溫度、壓力特征。利用溫度、壓力傳感器實時采集系統(tǒng)運行參數(shù)，與正常值進行對比，通過參數(shù)分析實現(xiàn)故障預判，并通過手機短信及時向用戶推送故障信息，是一種經濟實用的遠程報警模式。

[參考文獻]

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