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倉儲是物流環節中不可缺失的重要環節。商品的儲存質量影響商品整體品質。物品存儲到倉庫后, 需要對倉庫內的溫度、濕度等數據進行檢測、控制, 尤其對于環境要求高、存儲時間長的物品, 需要在倉庫內設置單獨的模擬量控制系統, 對有要求的模擬量進行檢測、自動控制, 以提高存儲質量, 降低存儲損耗[1]。文獻[1]提出了電流傳感器的一般特性, 文獻[2,3,4]分別提出了PLC設計需要注意的要點。一般PLD設計方法和基于單片機的控制系統設計方法;文獻[5]提出了部分蔬菜倉儲需要的環境要求, 文獻[6,7]說明了基于MSCOMM控件測串口通信方法;文獻[8]提出了一般組態方法。

本文依據上述文獻內容并結合實際倉儲控制系統特點研究如何應用自動控制技術來控制相應模擬量, 使得倉儲商品達到需要的品質, 并針對蔬菜的倉儲設計了基于PLC控制, 上位機監控的倉儲模擬量控制系統。

倉儲控制系統應遵循控制系統工作原理, 其組成部分如圖1所示。

由各種模擬量收集傳感器負責完成被控模擬量的變送, 將電流、電壓等模擬量數據變換成數字量數據, 傳輸到控制器進行處理。對于倉儲控制系統, 傳感器需要布置在庫房內, 控制系統需要單獨布置在主控房間, 隨著庫房面積的增大, 其距離也相應增加, 如果選用電壓傳感器, 其信號容易衰減, 且容易受到高壓電流干擾, 因此, 對于倉儲系統適宜應選用四線制、二線制電流傳感器[1]。

負責接收變送器數字量數據, 對數字量進行分析、計算, 產生控制邏輯, 再將生成的模擬量、開關量等控制邏輯輸出到相應的執行器。倉儲系統的控制器適宜采用PLC控制, 再由上位計算機對數據進行監控、處理, 組成由上位機-PLC組成的控制系統[2], 應避免使用模擬PID控制器[3]、MC51等單片機作為控制器[4]。上位機理論上采用普通計算機即可, 但由于倉儲環境差, 應使用穩定性較高的觸摸屏、工業控制計算機。

執行器接收控制器輸出信號, 從而產生相應控制動作。理論上, 對于模擬量的輸出控制, 適宜采用經過PID調節的模擬量輸出調節。但是, 如果模擬量調節器不能接收模擬量信號輸入, 則只能通過輸出開關量控制電源開關的方式調節。

圖1 倉儲控制系統組成  下載原圖

對于蔬菜倉儲, 溫度、濕度、二氧化碳含量3個模擬量普遍具有控制要求, 因此本文針對這3個量設計其自動控制系統。其他模擬量的調節控制方法大同小異, 可參照本控制系統設計方法進行添加、改進。

一般而言, 蔬菜存儲溫度過低會凍傷蔬菜, 溫度過高導致水分揮發而干枯, 因此適宜低溫儲藏, 大致的溫度在2～10°C之間, 因蔬菜品質各異, 其溫度范圍稍有差異[5]。

需要注意的是, 對于大多數蔬菜而言, 由于蔬菜會“呼吸”而散發熱量, 因此, 蔬菜儲存在倉庫中庫內溫度會逐漸增加, 導致溫度容易超過高限。所以, 溫度控制重點應放在降溫、散熱上。例如在國內南方各地進行蔬菜倉儲時, 一般只需要降溫, 不需要加熱功能。當然, 如果倉儲環境溫度有可能較低, 且倉庫隔熱效果較差, 加熱功能也是需要的。

蔬菜含水量較大, 其水分蒸發量相應較大, 蔬菜存儲到倉庫后庫內濕度會逐漸增加, 一般適宜保存蔬菜的相對濕度為85%～90%。不同于溫度的范圍要求, 濕度僅有上限要求, 當庫內濕度超過上限時, 自動控制系統動作降低庫內濕度即可。

蔬菜在存儲過程中, 會吸入氧氣、釋放二氧化碳, 蔬菜儲存到倉庫后庫內二氧化碳含量會逐漸增加。一般來說蔬菜倉儲二氧化碳含量需要控制到2×10-3 m以下。與濕度要求類似, 二氧化碳含量也只有上限要求。

對于一些特殊的蔬菜, 可能會有其他要求, 例如西紅柿需要一定的光照, 蘋果要求氧氣濃度低于5%, 冬季蔬菜存儲需要注意亞硝酸鹽含量等, 對于這些模擬量可選用相應的方法進行檢測、控制, 方法大同小異。

由于溫度控制要求在2～10°C之間, 控制范圍大, 無精確控制要求, 其次庫房面積較大, 因而采用中等功率的低溫空氣制冷機和低溫空氣加熱機, 采用開關量控制電源。

對于溫度控制范圍窄、精度高的系統, 應通過PLC設置PID調節功能輸出電壓、電流等模擬量進行控制;此時, 要求加熱機、制冷機能夠接受相應的模擬量信號輸入, 器件成本高。對于溫度控制范圍過大的系統, 可以考慮使用中央空調集中調節。

倉庫應事先建設在環境濕度低、干燥的地區, 除非降雨, 戶外濕度不會超過85%～90%范圍, 因此可以通過墻壁通風機抽空氣、通過地面風機吸空氣的方法降低濕度。對于濕度要求高的系統, 可以通過設置空氣干燥機進行控制, PLC功能也需要相應增加。

一般來說, 戶外二氧化碳值大約在400 ppm左右, 對于倉儲系統2 000 ppm的高限而言, 戶外空氣可以始終認為是合適的, 可以采用通風的方法來降低含量。

需要注意的是, 溫度、濕度、二氧化碳含量3者中, 溫度控制應為首要條件。也即是說, 當庫內濕度、二氧化碳含量超標, 需要與戶外空氣進行交換時, 應首先檢測戶外溫度條件, 戶外溫度過高、過低都不能進行空氣交換, 因而, 濕度、二氧化碳的控制優先度要低于溫度控制。

確定倉庫的具體形式是進行倉儲自動控制系統的重要步驟。小型倉庫, 使用自動控制系統意義不大, 中大型倉庫適宜使用自動控制系統。本文依照需要控制的模擬量, 設計倉庫如圖2所示。

圖2 蔬菜倉儲庫房部件示意圖  下載原圖

如圖2所示, 倉庫由4個庫房組成, 每個庫房體積40 m×30 m×15 m, 庫房與墻壁之間填充絕熱保溫材料、庫房地面與房頂同樣采用相應絕熱良好材質鋪設。每個庫房墻壁上有1個通風機, 負責將庫房內的空氣抽到戶外;地面有2個送風機, 負責將通風通道內的空氣送到庫房內;庫房地面鋪設2條通風風道。庫門、墻壁風機處應設置相應措施, 避免庫外空氣直接與庫內相通。加熱機安置到庫門附近, 制冷機安置到庫房中部靠墻位置。

每個庫房設置2個溫濕度傳感器、1個二氧化碳傳感器, 每個庫房、庫房進風口設置1個溫濕度傳感器, 總的模擬量為21路輸入;PLC采用西門子S7 226CPU;每個庫房輸出3個開關量, 1個同時控制地面送風機、墻壁抽風機;2個控制加熱機、制冷機。選用器件如表1所示。

表1 蔬菜倉儲模擬量自動控制系統組成器件 導出到EXCEL

信號接線圖如圖3所示。

圖3 蔬菜倉儲模擬量自動控制系統接線示意圖  下載原圖

監控系統由PLC上位機組成的, PLC完成信號檢測、數據處理、控制;上位機應用組態軟件完成數字數據的后期處理, 完成數字化辦公功能。

如果上位機對于組態功能要求不高, 可以使用VC++等高級編程環境中的WIN32 I/O API, MSComm AcitveX組件等功能實現簡單的C/S監視程序[6,7];再次, 可以使用HMI觸摸屏, 使用觸摸屏組態功能進行組態設計;對于辦公自動化有較高要求, 可以使用WinCC、組態王、北京力控等組態軟件進行組態設計[8]。

本文針對多倉儲、多模擬量自動控制系統進行了系統整體方案設計, 并提出了具體的一套實現方案;針對其中的關鍵問題進行了探討。本文中的內容對相近系統設計有一定的借鑒意義。