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摘要

冷库是食品物流行业泛使用的贮存设施。

在冷库设计中，不同的冷库需要控制不同的温度范围，温度的精确测控是冷库生产中的主要技术指标目前己投入使用的大中型冷库的温度测控系统大多以模拟信号传输为主，系统的抗干扰能力差、工作不稳定、系统精度较低，测温点的数量较多造成布线多、操作繁锁、信息传递堵塞、系统响应时间长等诸多问题，使冷库的生产管理受到一定的影响。

一种基于Profibus-DP现场总线的全数字化冷库温度测控系统，大大减少了布线数量，系统连线简捷、扩充方便，具有防水、防需击、耐腐蚀、抗干扰能力强、测控精度高等多种优点。

结合SIEMENSWinCC组态软件，开发出界面友好、操作方便的管理系统，对冷库测控参数进行实时化、图形化显示。

冷库管理人员通过测控软件可以了解到不同库房、不同点位的温度等信息参数的实时检测结果，对控制参数进行设定，查询历史的检测记录等，完成测量、显示、控制、通信、打印等功能，动态实现对冷库进行自动监控和管理。

为了提高冷库温度测控的精度.设计了一种全数字化的温度测控系统.基于Profibus-DP总线和SIEMENS的PLC解决方案通过选用Dallas半导体公司的“一线总线”接口的数字化温度传感器DS18B20，运用WinCC组态软件开发监控管理系统，使冷库温度测控系统的布线减少、结构简洁，易于维护和扩充，操作界面友好。

该系统具有高精度、高可靠性和高性价比，实现了冷库生产管理的功能要求。

关键词:

现场总线Profibus;冷库;温度测量;监控

第一章冷库温度测控系统的组成

1.1引言

全数字化的温度测控系统.基于Profibus-DP总线和SIEMENS的PLC解决方案通过选用Dallas半导体公司的“一线总线”接口的数字化温度传感器DS18B20，运用WinCC组态软件开发监控管理系统，使冷库温度测控系统的布线减少、结构简洁，易于维护和扩充，操作界面友好。

该系统具有高精度、高可靠性和高性价比的优点。

1.2系统的整体构造

某物流公司清真食品冷库，采用循环风机吹送冷风，一号冷冻库房温度为-180摄氏度,10台风机，设置10个-180个测温点，二号冷藏库房温度为-40摄氏度,10台风机，设置10个-40个测温点。

测控系统显示和设定库房温度、控制风机的开停及送风量，从而实现对冷库库房温度的测控。

该温度测控系统采用Profibus-DP组成分布式实时监控网络，网络结构如图1所示，由上位工控机和基于Profibus-DP的现场智能节点及其I/O功能模块构成现场总结控制系统。

1.2数字传感器的选择

使用模拟温度传感器输出的模拟信号，必须经过专门的接口电路转换成数字信号，才能进一步处理，造成监控系统的测量精度降低、布线复杂。

Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。

数字化温度传感器保证了测控系统的精度，“一线总线”为测控系统构建引入了布线简捷的全新概念。

DS18B20，常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。

　DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。

主要根据应用场合的不同而改变其外观。

封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。

耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

1.2.1技术性能描述

　　①、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

　　②、测温范围－55℃～+125℃，固有测温误差（注意，不是分辨率，这里之前是错误的）0.5℃。

　　③、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。

　　④、工作电源:

3~5V/DC（可以数据线寄生电源）

　　⑤、在使用中不需要任何外围元件

　　⑥、测量结果以9~12位数字量方式串行传送

　　⑦、不锈钢保护管直径Φ6

　　⑧、适用于DN15~25,DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温

　　⑨、标准安装螺纹M10X1,M12X1.5,G1/2”任选

　⑩、PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。

特点 

独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用无需外部元件可用数据总线供电，电压范围为3.0V至5.5V无需备用电源测量温度范围为-55°C至+125℃。

华氏相当于是67°F到257华氏度-10°C至+85°C范围内精度为±0.5°C

温度传感器可编程的分辨率为9~12位温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒用户可定义的非易失性温度报警设置应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统

描述该DS18B20的数字温度计提供9至12位（可编程设备温度读数。

信息被发送到从DS18B20通过1线接口，所以中央微处理器与DS18B20只有一个一条口线连接。

为读写以及温度转换可以从数据线本身获得能量，不需要外接电源。

因为每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个ds18b20s可以同时存在于一条总线。

这使得温度传感器放置在许多不同的地方。

它的用途很多，包括空调环境控制，感测建筑物内温设备或机器，并进行过程监测和控制。

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

该装置信号线高的时候，内部电容器储存能量通由1线通信线路给片子供电，而且在低电平期间为片子供电直至下一个高电平的到来重新充电。

DS18B20的电源也可以从外部3V-5.5V的电压得到。

　DS18B20采用一线通信接口。

因为一线通信接口，必须在先完成ROM设定，否则记忆和控制功能将无法使用。

主要首先提供以下功能命令之一：

1）读ROM，2）ROM匹配，3）搜索ROM，4）跳过ROM，5）报警检查。

这些指令操作作用在没有一个器件的64位光刻ROM序列号，可以在挂在一线上多个器件选定某一个器件，同时，总线也可以知道总线上挂有多少，什么样的设备。

　　若指令成功地使DS18B20完成温度测量，数据存储在DS18B20的存储器。

一个控制功能指挥指示DS18B20的演出测温。

测量结果将被放置在DS18B20内存中，并可以让阅读发出记忆功能的指挥，阅读内容的片上存储器。

温度报警触发器TH和TL都有一字节EEPROM的数据。

如果DS18B20不使用报警检查指令，这些寄存器可作为一般的用户记忆用途。

在片上还载有配置字节以理想的解决温度数字转换。

写TH,TL指令以及配置字节利用一个记忆功能的指令完成。

通过缓存器读寄存器。

所有数据的读，写都是从最低位开始。

1.2.2DS18B20有4个主要的数据部件

（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。

64位光刻ROM的排列是：

开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余验证码（CRC=X8+X5+X4+1）。

光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

（2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：

用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

1.2.3　DS18B20的管脚排列

　　DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM，温度传感器，温度报警触发器TH和TL,配置寄存器。

DS18B20内部结构图。

1.2.4存储器

　　DS18B20的存储器包括高速暂存器RAM和可电擦除RAM，可电擦除RAM又包括温度触发器TH和TL，以及一个配置寄存器。

存储器能完整的确定一线端口的通讯，数字开始用写寄存器的命令写进寄存器，接着也可以用读寄存器的命令来确认这些数字。

当确认以后就可以用复制寄存器的命令来将这些数字转移到可电擦除RAM中。

当修改过寄存器中的数时，这个过程能确保数字的完整性。

　　高速暂存器RAM是由8个字节的存储器组成；第一和第二个字节是温度的显示位。

第三和第四个字节是复制TH和TL，同时第三和第四个字节的数字可以更新；第五个字节是复制配置寄存器，同时第五个字节的数字可以更新；六、七、八三个字节是计算机自身使用。

用读寄存器的命令能读出第九个字节，这个字节是对前面的八个字节进行校验。

存储器的结构图。

位光刻ROM

64位光刻ROM的前8位是DS18B20的自身代码，接下来的48位为连续的数字代码，最后的8位是对前56位的CRC校验。

64-位的光刻ROM又包括5个ROM的功能命令：

读ROM，匹配ROM，跳跃ROM，查找ROM和报警查找。

1.3主站

主站选用SIEMENS的基于WindowsNT的软PLC解决方案"WinAC工作站”，既可以作为PLC的软控制器来承担远程控制功能，同时也作为监控管的计算机。

在上位机服务器上内置一块Profibus-DP接口模块CP5611,WinAC控制引擎通过接口模块CP5611与分布式控制器进行数据通信，完成数据采集、分析控制、PC与PLC之间的通信等任务。

SIEMENS的SIMATICWinAC可以象使用可编程控制器PLC一样，使用PC机进行过程控制。

WinAC不仅提供有一个软件PLC，可以在PC机上作为实时窗口运行任务，而且还提供有一个具有所有PLC硬件功能的插槽式PLCoWinAC计算/可视化功能提供有各种所需开放式接口，以便通过标准应用程序，例如1VficrosoftExcel.VisualBasic，实施监控过程，修改过程数据。

SIMATICWinAC与S7系列处理器完全兼容，采用统一的SIMATIC编程工SIMATICSTEP7进行组态、编程和维护。

可共享WindowsNT操作系统TCP/IP通讯标准，具有友好的操作界面.是自动化系统与高端管理系统的理想接口。

1.4从站

从站由SIEMENS的PLC57-200及LTM8303分线器模块组成，并通过串行口相互连接。

PLC接收主站发来的I/O配置，通过串口定时向LTM8303块发送命令，LTM8303模块接收命令后，将相应的测量数据传回PLC，再由PLC集中计算处理后通过Profibus-DP总线把数据送往主站。

每个LTM8303分线器模块可以接8路温度测量电缆，每条测量电缆可以混合布置8个温度测量点，即一个LTM8303分线器最多可以布置64个测量点。

第二章Profibus-DP现场总线技术应用

2.1引言

现场总线技术是应用于生产现场、在微机化测控设备之间实现双向串行多节点数字通信的技术，具有互操作性和互用性强、对现场环境具有较高的适应性等技术优势。

目前工程运用中的现场总线类型繁多,且未能统一到唯一的总线标准上来,如现场国际标准IEC61158就包括FF、Profibus、HSE、ControlNet等八种类型,而事实上总线标准多达几十种，因此出现了多种现场总线并存的局面，这些现场总线在技术上各有特色，目前它们还不能相互代替应用到所有领域。

对于温室环境控制系统而言，现场总线的应用具有其特殊性：

控制对象规模相对较小，设备布局紧凑，信号干扰严重等。

考虑以上因素，系统应采用实时性好、抗干扰性强、开发及使用难度较小的现场总线系统。

通过与其它多种类型的现场总线技术作对比，本文选用通信速度快、实时性好、组态配置灵活、可靠性较高的Profibus现场总线。

Profibus现场总线经过诸多实际工程项目的验证，具有普遍性，而且本文S7系列的PLC支持这种现场总线类型,用Profibus可以实现上位机与下位机间较稳定的数据通信。

2.2Profibus现场总线概述

Profibus（ProcessFieldBus）是世界上第一个开放式现场总线标准，从1991年德国颁布FMS标准（DIN19245）至今已经历10余年，目前已成为国际上通用的现场总线标准之一。

它以其独特的技术特点、开放的标准、严格的认证规范、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已被纳入现场总线的国际标准IEC61158和欧洲标准EN50170，并于2001年定为我国的国家标准。

Profibus在众多的现场总线中，以其超过40%的市场占有率稳居榜首。

Profibus根据其应用特点分为Profibus-DP（DecentralizedPeriphery,分布式外围设备）,Profibus-FMS（FieldbusMessageSpecification,现场总线报文规范）,Profibus-PA（ProcessAutomation,过程自动化）三个兼容版本。

西门子公司提供了上千种Profibus产品，并已广泛应用于许多自动化控制系统中。

2.2.1Profibus-DP的协议结构

Profibus-DP协议的结构定向根据ISO7498国际标准，以开放系统互联网络OSI为参考模型，协议结构如图4.1所示。

协议结构第1层（物理层）可使用两种传输技术：

RS-485或光纤；第2层（数据链路层）使用了令牌总线和主-从方式的混合介质存取控制方式；用户层规定了用户、系统以及不同设备可调用的应用功能，定义了DP的基本功能、扩展功能及行规。

协议结构仅使用了第1层、第2层和用户接口层，第3层到第7层未使用，这种精简优化的结构确保了高速的数据传输。

用户层

DP设备行规

DP基本功能和扩展功能

DP用户接口和直接数据链路映像程序（DDLM）

第7层

应用层

未使用

第3~6层

第2层

数据链路层

现场总线数据链路（FDL）

第1层

物理层

RS-485/LWL

图4.1PROFIBUS-DP的协议结构图

2.2.2Profibus-DP的基本功能

在Profibus-DP网络中，中央控制器（主站）循环地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。

总线循环时间必须要比中央控制器（主站）的程序循环时间短。

除了循环的用户数据传输外，Profibus-DP还提供强有力的诊断和组态功能。

数据通信是由主站和从站上的监控功能进行监控的。

Profibus-DP的基本功能如下：

（1）传输技术：

RS-485双绞线双线电缆或光缆，波特率9.6Kbit/s-12Mbit/s。

（2）总线存取：

各主站间令牌传递，主站与从站间为主-从传送。

支持单主站或多主站系统，总线上最多可连接126个站点。

（3）通信：

点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）。

循环主-从用户数据传送或非循环主-主数据传送。

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（4）运行模式：

运行（输入和输出数据的循环传送）、清除（输入被读取，输出被保持为故障-安全状态）、停止（只能进行主-主数据通信）。

（5）同步：

控制指令允许输入和输出同步。

同步模式：

输出同步；锁定模式：

输入同步。

（6）功能

◇DP主站和DP从站间循环的用户数据传输

◇各DP从站的动态激活和不激活

◇DP从站组态的检查

◇强大的诊断功能，三级诊断信息

◇输入和输出的同步

◇通过总线对DP主站进行组态

◇每个DP从站的输入和输出数据最大为246字节

（7）可靠性和保护功能

◇所有报文的传输按海明距离HD=4进行

◇DP从站带看门狗定时器（Watchdogtimer）

◇对DP从站的输入/输出进行存取保护

◇DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视

（8）设备类型

◇一类DP主站（DPM1）：

中央可编程的控制器，如PLC，PC等

◇二类DP主站（DPM2）：

可进行编程、组态、诊断的设备

◇DP从站：

带二进制值或模拟量输入输出的设备、驱动器、阀门等

2.2.3Profibus-DP总线设备类型

Profibus-DP允许构成单主站或多主站系统，在同一总线上可连接126个站点，每个Profibus-DP系统可包括以下三种不同类型的设备：

（1）1类DP主站（DPM1）

1类DP主站是系统的中央控制器，DPM1在预定的周期内与分布式的站（如DP从站）循环地交换信息，并对总线通信进行控制和管理。

DPM1可以发送参数给从站，读取DP从站的诊断信息，用Global_Control（全局控制）命令将它的运行状态告知给各DP从站。

此外，还可以将控制命令发送给个别从站或从站组，以实现输出数据和输入数据的同步。

（2）2类DP主站（DPM2）

2类DP主站是DP网络中的编程、诊断和管理设备。

DPM2除了具有1类主站的功能外，在与1类DP主站进行数据通信的同时，可以读取DP从站的输入/输出数据和当前的组态数据，可以给DP从站分配新的总线地址。

（3）DP从站

DP从站是进行输入信息采集和输出信息发送的外围设备，它只与DP主站交换用户数据，可以向主站报告本地诊断中断和过程中断。

2.2.4GSD文件

GSD是电子设备数据库文件的缩写，为了便于Profibus设备的即插即用，生产商需要为每个Profibus设备提供GSD文件。

GSD文件描述的设备特性包括I/O参数、诊断信息、波特率、时间监视等，并以一种准确定义的格式加以描述。

通过使用基于GSD文件的组态工具（如西门子公司的COMProfibus软件）可将不同厂商生产的设备集成在同一个总线系统中。

每种从设备和DPM1都有一个确定的ID号，主设备将所连接的DP设备的标识号与在组态数据中用组态工具指定的标识号进行比较，直到具有正确站址的设备连接到总线上后，才开始发送用户数据。

设备的ID号由制造商向ProfibusUserOrganization申请。

GSD文件主要分为三部分：

（1）一般规范

这部分包括生产厂商和设备名称，软硬件版本情况，支持的波特率，可能的监控时间间隔及总线插头的信号分配等信息。

（2）与DP主站有关的规范

这部分包括只运用于DP主站的各项参数，如：

连接从站的最多台数或上装和下装能力，这一部分对从站没有规定。

（3）与DP从站有关的规范

这部分包括与从站有关的一切规范，如：

输入/输出通道的数量和类型、中断测试的规范及输入/输出数据一致性的信息等。

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2.3基于Profibus-DP的PLC控制网络设计

在第二章中介绍了系统控制总体设计方案，在图2.2中显示，监控层与过程控制层之间的网络由Profibus-DP实现。

在这里将具体阐述设计过程，内容主要包括系统总线设备类型的选择；系统硬件与网络组态；PLC软件编程；程序的下载、调试与诊断等。

2.3.1系统总线设备类型的选择

为确保最短的总线循环时间，本系统选用单主站网络控制方式。

（1）DP一类主站选择

选择S7-300系列PLC中一款CPU315-2DP作为一类主站，CPU315-2DP是西门子公司推出的适合于中等规模控制系统的PLC，其具有性价比高、可扩展性好、通信能力强等特点。

CPU315-2P带两个通信接口:

一个Profibus-DP接口和一个MPI接口。

通过这两个接口可以实现Profibus、MPI等通信。

Profibus-DP接口使用九针D型插头。

通信介质为屏蔽双绞线，传输速度为9.6Kbps～12Mbps。

（2）DP从站选择

CPU226作为从站，其自身不具备Profibus-DP接口，需添加EM277模块将其连接到Profibus-DP网络上。

EM277作为DP从站接口模块，可运行于9600波特到12M波特之间的任何Profibus波特率上，既可接收S7-300主站发送的控制指令和数据，又可以向主站发送各种数据。

2.3.2系统硬件组态

Profibus-DP网络的构成除需要进行正确的物理连接之外，还需对整个网络进行组态，也就是对网络进行逻辑上的连接。

这种逻辑上的组态必须与实际的物理连接相符，否则整个网络将无法工作。

Profibus的硬件组态工作主要指硬件配置和网络组态。

硬件配置主要是确定各个网络节点的模块配置。

网络组态主要是确定各个节点的地址，确定网络的通信速率等。

本系统的硬件配置和网络组态工作主要是在西门子公司的PLC编程软件SIMATICSTEP7的HWConfig硬件组态模块中完成。

在硬件组态窗口中进行如图4.3的硬件配置和如图4.4的网络组态，主站地址为2，传输通信波特率为1.5Mbps。

S7子网络的ID号从0004到0007，操作模式为DPMaster。

Profibus-DP方式中从站的站地址设置为4到7。

从站在网络组态的站地址必须与实际站地址相符合。

图4.3硬件组态结构图

图4.4网络组态结构图

当系统的所有硬件组态完成并通过编译检查无误后，便可将硬件信息下载到S7-300PLC的CPU模块中，至此，硬件组态完成。

若有错误，则可利用HWConfig提供的诊断工具查找错误的来源并纠正错误。

2.3.3软件编程

Profibus-DP网络的建立分为硬件组态和软件编程两大块内容，硬件组态已在4.3.2节中做详细的介绍，本小节主要阐述软件编程部分，两大块内容完成之后都要下载到网络的各个节点中。

如果组态正确并且下载成功，整个网络将建立起来，并能按照组态设计的方式和通信要求运行。

2.3.4下载与调试

（1）硬件连接

硬件连接的内容包括：

机架的固定；模板与总线连接器连接；将模板挂在导轨上并向下摆动固定模板位置；组装其余模板。

（2）建立在线连接

要将程序下载到PLC，需首先建立在线连接，在SIMATIC管理器中，点击工具栏上的在线连接图标，建立过程监测系统，其组态连接应与实际一致。

（3）下载程序

如组态在线检测合格，可以将总线上的模板电源打开，将S7-300的CPU设为下载模式，其余全部设为操作模式。

将存储器复位后，下载整个项目到CPU，最后将CPU的模式改为运行操作模式，就可以进行操作。

程序的测试可用程序状态测试功能和变量表测试功能，通过对变量的操作监控，检查程序的正确性。

2.4本章小结

本章简要介绍了Profibus-DP现场总线的技术特点，分析了基于Profibus-DP的PLC控制网络组态方案，详细阐述了系统软硬件配置、硬件组态、主从站数据通信配置和软件实现等方面的内容，从而使整个系统体现出分布式控制系统“集中管理、分散控制”的特点。

第三章WinCC组态监控软件设计及系统功能

3.1引言

SIMATICWinCC（WindowsControlCenter），视窗控制中心，它是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。

从面市伊始，用户就对SIMATICWinCC（WindowsControlcenter）印象深刻。

一方面，是其高水平的创新，它使用户在早期就认识到即将到来的发展趋势并予以实现；另一方面，是其基于标准的长期产品策略，可确保用户的投资利益。

凭籍这种战略思想，WinCC，这一运行于MicrosoftWindows2000和XP下的Windows控制中心，已发展成为欧洲市场中的领导者，乃至业界遵循的标准。

如果你想使设备和机器最优化运行，如果想最大程度地提高工厂的可用性和生产效率，WinCC当是上乘之选。

3.2WinCC的优点

通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；多语言支持，全球通用；可以集成到所有自动化解决方案内；内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便；集成的Hist