基于PLC的倉庫溫、濕度智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

史文武

（陜西能源電力運(yùn)營有限公司，陜西 西安 710100）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、貿(mào)易的全球化和科技的不斷進(jìn)步，倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)在企業(yè)管理和競爭中的地位越來越高。倉庫管理作為企業(yè)管理的重要組成部分，是企業(yè)生產(chǎn)、銷售和資金周轉(zhuǎn)的重要環(huán)節(jié)，也是企業(yè)管理中較復(fù)雜的環(huán)節(jié)。一些特殊的貨物對倉庫內(nèi)部的溫、濕度有嚴(yán)格的要求，如果達(dá)不到要求，就會(huì)很容易出現(xiàn)貨物損壞的情況。因此，很多倉庫都需要對溫、濕度進(jìn)行智能控制，傳統(tǒng)倉庫通過人員定期測量，然后根據(jù)測量結(jié)果采取通風(fēng)等措施，這種方式不僅不能及時(shí)、精確地控制溫、濕度，而且時(shí)效性不好。隨著自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化的溫、濕度控制系統(tǒng)能夠很好地對倉庫內(nèi)部溫、濕度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證倉庫始終處于最適宜的溫、濕度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)，上位機(jī)為PC機(jī)，下位機(jī)為PLC，通過溫、濕度傳感器采集倉庫內(nèi)部的溫度和濕度信息，通過PLC對信息進(jìn)行處理，并對比PC機(jī)設(shè)定的溫、濕度信息，然后根據(jù)差異將指令發(fā)送到智能控制模塊，該模塊具備加熱、加濕、降溫以及除濕等功能，顯示模塊可以顯示當(dāng)前倉庫內(nèi)部的溫度和濕度信息。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該文設(shè)計(jì)的PLC硬件型號(hào)為S7-200，如圖2所示的硬件控制系統(tǒng)具有4個(gè)溫、濕度傳感器（可以對倉庫的溫度和濕度進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制）。由于倉庫受到氣流分布不均勻的影響，因此將2個(gè)溫度傳感器分別安裝在倉庫的上方和地面，從而更方便地測量倉庫的溫度數(shù)據(jù)，濕度傳感器的安裝位置與溫度傳感器類似。

圖2 系統(tǒng)硬件控制系統(tǒng)框架

1.3 系統(tǒng)控制軟件的總體設(shè)計(jì)方案

由圖3可知，當(dāng)倉庫內(nèi)的溫度高于設(shè)定的范圍值時(shí)，在滿足設(shè)定延時(shí)要求的情況下，系統(tǒng)自動(dòng)開啟倉庫內(nèi)的空調(diào)，進(jìn)行降溫操作。如果溫度傳感器的顯示數(shù)值低于倉庫的設(shè)定溫度，那么空調(diào)設(shè)備自動(dòng)關(guān)閉，程序進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)。如果溫度傳感器顯示的溫度在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，則程序和對應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)備保持原有的狀態(tài)。在倉庫濕度控制方面，如果濕度傳感器顯示的數(shù)值高于預(yù)設(shè)值，那么自動(dòng)打開風(fēng)扇執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行除濕操作。如果在濕度和溫度控制過程中出現(xiàn)矛盾，則優(yōu)先將倉庫的溫度控制在設(shè)定的范圍。

圖3 系統(tǒng)軟件控制框架

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

由圖4可知，PLC是該系統(tǒng)的主要控制機(jī)構(gòu)，一般是通過繼電接觸器的形式來調(diào)整執(zhí)行設(shè)備機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對倉庫溫度和濕度的控制。該系統(tǒng)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)為空調(diào)和風(fēng)機(jī)，空調(diào)設(shè)備主要用來調(diào)節(jié)倉庫內(nèi)的溫度，風(fēng)機(jī)主要用來控制倉庫內(nèi)的濕度?？紤]該文所涉及系統(tǒng)的可靠性，該系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)控制能力，如果系統(tǒng)在自動(dòng)控制狀態(tài)出現(xiàn)問題，那么可通過強(qiáng)制手段將其轉(zhuǎn)變?yōu)槭謩?dòng)控制方式。

圖4 倉庫溫、濕度智能控制系統(tǒng)圖

2.1 PLC的選擇

該文選取的PLC模塊是S7-200，該芯片是一種標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的模塊，每個(gè)模塊之間是互相獨(dú)立的，固定在支架上，共同組建了一套PLC系統(tǒng)。

S7-200模塊的CPU均具備1個(gè)用于編程的RS-485接口，部分型號(hào)還會(huì)配置PROFIBUS-DP接口或者PtP串行通信接口。因此，利用該模塊還能構(gòu)建一個(gè)MPI/DP網(wǎng)絡(luò)。S7-200型號(hào)PLC的核心技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 S7-200型號(hào)PLC核心技術(shù)指標(biāo)

CPU的RAM存儲(chǔ)空間為512 kB，能夠存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)高達(dá)8 192位，其還具有512個(gè)定時(shí)及技術(shù)器，記數(shù)范圍為1～999，定時(shí)區(qū)間為0.01 s～9 990.00 s，可處理的數(shù)據(jù)量最多為65 536位，模擬信號(hào)標(biāo)定對應(yīng)的數(shù)字量為0～4 096，指令條數(shù)高達(dá)350條。

2.2 溫、濕度傳感器

使用DHT11采集倉庫的溫、濕度信息，由于其配備了校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)技術(shù)，因此非常穩(wěn)定。DHT11采用4針單排封裝，具有外部電路簡單、連接方便且體積小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，長時(shí)間運(yùn)行不會(huì)造成大量功耗。該傳感器的工作電壓為3 V～5 V，可檢測的溫度為0 ℃～50 ℃，可檢測的濕度是20%RH～90%RH，該傳感器的溫度系數(shù)為0.04 pF/℃，濕度控制精度大約為±1.5%，該濕度傳感器對溫度的依賴性非常低，可以滿足該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的要求（倉儲(chǔ)的濕度要求為80%～95%）。

在常溫下，濕度敏感電容器的動(dòng)態(tài)反應(yīng)很快，其時(shí)間常數(shù)約為30 s，而飽和水蒸氣壓力隨著溫度的升高呈現(xiàn)明顯的規(guī)律，在溫度較低且相對濕度為100%的情況下，大氣中的水分壓力是非常微小的。結(jié)果表明，在低溫條件下，吸收型測量器件難以與大氣中的含水量進(jìn)行均衡，滯后偏差明顯變大。在高溫條件下，滯后偏差很小，在室溫下，滯后偏差大約為1%RH～2%RH，在低溫下延遲偏差可以達(dá)到20%RH。考慮溫度滯后的影響，溫度和濕度的測量存在一定的沖突，應(yīng)根據(jù)不同情況選取相應(yīng)的控制目標(biāo)。

溫度傳感器型號(hào)為PT100，具備檢測精度高、體積小以及抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在標(biāo)準(zhǔn)工作電壓（3.0 V～5.5 V）下，其驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到15 mA。

P5端口為四線制的PT100接口，在實(shí)際使用中，連接的是三線制的PT100，也就是Drv+和SEN+接在一起。AD623是一個(gè)軌到軌輸出擺幅的放大器，=10 kΩ，放大倍數(shù)=（1+100/10）=11倍，即的測量值是PT100兩端電壓放大11倍后的值。再使用1路ADC采樣端口PIN_IN2，那么由（ADC采樣端口的電壓）和（1 kΩ）就可以算出流過PT100的電流；PT100電阻溫度系數(shù)=0.385 Ω/℃，當(dāng)其阻值=100 ℃時(shí)，表示溫度為0 ℃，溫度每升高1 ℃其阻值增加0.385 Ω。

2.3 軟件程序設(shè)計(jì)

在該文設(shè)計(jì)的溫、濕度控制系統(tǒng)中，EM231（模擬量輸入模塊）將遠(yuǎn)程端的溫度和濕度傳感器采集到的現(xiàn)場信號(hào)模擬量輸送至S7-200，S7-200根據(jù)預(yù)先編寫的編程方式對該信號(hào)進(jìn)行處理并輸出具體結(jié)果。

首先，將倉庫的溫度和濕度傳感器連接至PLC的EM231控制擴(kuò)展模塊中，溫度和濕度傳感器對倉庫中的溫度和濕度信號(hào)進(jìn)行采集。其次，經(jīng)過A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換將其傳輸至PLC控制器中。再次，根據(jù)PLC中編制的梯形圖程序進(jìn)行程序邏輯判斷。最后，輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的指令。在S7-200型號(hào)的PLC控制器中，溫度和濕度傳感器所獲得的數(shù)據(jù)在A/D轉(zhuǎn)換器中通常會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)? B的模擬數(shù)字信號(hào)，在PLC中的寄存器里，使用AI表示，為模擬信號(hào)量的字節(jié)長度。每個(gè)EM231都有4個(gè)模擬量信號(hào)輸入端口，地址為AIW0-AIW3，共有8 B，如圖5、圖6所示。

圖5 倉庫溫度數(shù)據(jù)采集程序

圖6 倉庫濕度采集程度

由于倉庫對溫度的控制要求十分嚴(yán)格，因此采用PID運(yùn)算方法能夠提高溫度控制精度。在PID溫度控制程序中，一方面是要指定溫度控制程序回路的序號(hào)LOOP和控制回路表TLB的第一個(gè)詳細(xì)地址，同時(shí)設(shè)置采集時(shí)間、采樣時(shí)間、總微分時(shí)間和積分時(shí)間；另一方面是處理前準(zhǔn)備，編寫程序并將模擬輸入和標(biāo)稱值轉(zhuǎn)換為與 PID計(jì)算匹配的文件格式。

倉庫溫度調(diào)用PID程序中的設(shè)定值是為了引導(dǎo)用戶能夠快速地對EM231模擬量輸入控制模塊中的PID溫度程序進(jìn)行管理。該文將溫度與濕度傳感器連接在EM231中，EM231對采集到的電流和電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字模擬量將信號(hào)輸入值S7-200中。一般模擬量的輸入信號(hào)的大小為2 B。信號(hào)輸入模擬量在EM231擴(kuò)展模塊中的物理地址分配為AIW0、AIW1和AIW2等。PT-100溫度傳感器的信號(hào)采集范圍是-50 ℃～850 ℃。PLC內(nèi)部的0 mA～20 mA的電流對應(yīng)的數(shù)字為0～32 000，電流的線性變化部分（4 mA～20 mA）所對應(yīng)的數(shù)字為6 400～32 000，溫度與數(shù)字滿足=（9-70400）/256。倉庫濕度傳感器的測量范圍為0%～100%，對應(yīng)的數(shù)字為0～32 000，濕度和數(shù)字的關(guān)系式為=/320。

由圖7可知，該文的溫度與濕度控制采用的是PID控制，能夠?qū)崿F(xiàn)溫、濕度控制的精確性。以溫度控制的PID程序?yàn)槔?） 對預(yù)設(shè)倉庫溫度參數(shù)來說，需要指定回路編號(hào)LOOP以及TLB首地址。2） 在傳感器輸入信號(hào)預(yù)處理環(huán)節(jié)，需要輸入溫度信號(hào)模擬量，然后將具體的設(shè)定值轉(zhuǎn)化為PID運(yùn)算符。3） 在溫度指令調(diào)用方面，設(shè)定PID指令的輸入條件，一般是通過定時(shí)中斷程序來調(diào)用PID。4） 將溫度調(diào)用PID程序中的輸出數(shù)值轉(zhuǎn)化為固定格式，同時(shí)將該輸出數(shù)值存儲(chǔ)在設(shè)定好的地址中（表2）。

表2 PID指令表及注釋

圖7 溫度調(diào)用PID程序

3 結(jié)語

該文利用PLC設(shè)計(jì)了倉庫溫、濕度智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)選用了S7-200型號(hào)的PLC作為控制器，溫度傳感器為Pt100，濕度傳感器為DHT11。通過PID算法對溫、濕度進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)了倉庫的智能調(diào)控功能。

該文主要完成了以下2個(gè)工作：1） 設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)確定了該P(yáng)LC控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案。2） 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的相關(guān)功能，確定了PLC、溫度和濕度傳感器硬件與參數(shù)的選擇，對PLC輸入和輸出端口進(jìn)行分配，設(shè)計(jì)了溫度和濕度的PID調(diào)用程序和PLC梯形程序。