仓储是物流环节中不可缺失的重要环节。商品的储存质量影响商品整体品质。物品存储到仓库后, 需要对仓库内的温度、湿度等数据进行检测、控制, 尤其对于环境要求高、存储时间长的物品, 需要在仓库内设置单独的模拟量控制系统, 对有要求的模拟量进行检测、自动控制, 以提高存储质量, 降低存储损耗[1]。文献[1]提出了电流传感器的一般特性, 文献[2,3,4]分别提出了PLC设计需要注意的要点。一般PLD设计方法和基于单片机的控制系统设计方法;文献[5]提出了部分蔬菜仓储需要的环境要求, 文献[6,7]说明了基于MSCOMM控件测串口通信方法;文献[8]提出了一般组态方法。

本文依据上述文献内容并结合实际仓储控制系统特点研究如何应用自动控制技术来控制相应模拟量, 使得仓储商品达到需要的品质, 并针对蔬菜的仓储设计了基于PLC控制, 上位机监控的仓储模拟量控制系统。

仓储控制系统应遵循控制系统工作原理, 其组成部分如图1所示。

由各种模拟量收集传感器负责完成被控模拟量的变送, 将电流、电压等模拟量数据变换成数字量数据, 传输到控制器进行处理。对于仓储控制系统, 传感器需要布置在库房内, 控制系统需要单独布置在主控房间, 随着库房面积的增大, 其距离也相应增加, 如果选用电压传感器, 其信号容易衰减, 且容易受到高压电流干扰, 因此, 对于仓储系统适宜应选用四线制、二线制电流传感器[1]。

负责接收变送器数字量数据, 对数字量进行分析、计算, 产生控制逻辑, 再将生成的模拟量、开关量等控制逻辑输出到相应的执行器。仓储系统的控制器适宜采用PLC控制, 再由上位计算机对数据进行监控、处理, 组成由上位机-PLC组成的控制系统[2], 应避免使用模拟PID控制器[3]、MC51等单片机作为控制器[4]。上位机理论上采用普通计算机即可, 但由于仓储环境差, 应使用稳定性较高的触摸屏、工业控制计算机。

执行器接收控制器输出信号, 从而产生相应控制动作。理论上, 对于模拟量的输出控制, 适宜采用经过PID调节的模拟量输出调节。但是, 如果模拟量调节器不能接收模拟量信号输入, 则只能通过输出开关量控制电源开关的方式调节。

图1 仓储控制系统组成  下载原图

对于蔬菜仓储, 温度、湿度、二氧化碳含量3个模拟量普遍具有控制要求, 因此本文针对这3个量设计其自动控制系统。其他模拟量的调节控制方法大同小异, 可参照本控制系统设计方法进行添加、改进。

一般而言, 蔬菜存储温度过低会冻伤蔬菜, 温度过高导致水分挥发而干枯, 因此适宜低温储藏, 大致的温度在2～10°C之间, 因蔬菜品质各异, 其温度范围稍有差异[5]。

需要注意的是, 对于大多数蔬菜而言, 由于蔬菜会“呼吸”而散发热量, 因此, 蔬菜储存在仓库中库内温度会逐渐增加, 导致温度容易超过高限。所以, 温度控制重点应放在降温、散热上。例如在国内南方各地进行蔬菜仓储时, 一般只需要降温, 不需要加热功能。当然, 如果仓储环境温度有可能较低, 且仓库隔热效果较差, 加热功能也是需要的。

蔬菜含水量较大, 其水分蒸发量相应较大, 蔬菜存储到仓库后库内湿度会逐渐增加, 一般适宜保存蔬菜的相对湿度为85%～90%。不同于温度的范围要求, 湿度仅有上限要求, 当库内湿度超过上限时, 自动控制系统动作降低库内湿度即可。

蔬菜在存储过程中, 会吸入氧气、释放二氧化碳, 蔬菜储存到仓库后库内二氧化碳含量会逐渐增加。一般来说蔬菜仓储二氧化碳含量需要控制到2×10-3 m以下。与湿度要求类似, 二氧化碳含量也只有上限要求。

对于一些特殊的蔬菜, 可能会有其他要求, 例如西红柿需要一定的光照, 苹果要求氧气浓度低于5%, 冬季蔬菜存储需要注意亚硝酸盐含量等, 对于这些模拟量可选用相应的方法进行检测、控制, 方法大同小异。

由于温度控制要求在2～10°C之间, 控制范围大, 无精确控制要求, 其次库房面积较大, 因而采用中等功率的低温空气制冷机和低温空气加热机, 采用开关量控制电源。

对于温度控制范围窄、精度高的系统, 应通过PLC设置PID调节功能输出电压、电流等模拟量进行控制;此时, 要求加热机、制冷机能够接受相应的模拟量信号输入, 器件成本高。对于温度控制范围过大的系统, 可以考虑使用中央空调集中调节。

仓库应事先建设在环境湿度低、干燥的地区, 除非降雨, 户外湿度不会超过85%～90%范围, 因此可以通过墙壁通风机抽空气、通过地面风机吸空气的方法降低湿度。对于湿度要求高的系统, 可以通过设置空气干燥机进行控制, PLC功能也需要相应增加。

一般来说, 户外二氧化碳值大约在400 ppm左右, 对于仓储系统2 000 ppm的高限而言, 户外空气可以始终认为是合适的, 可以采用通风的方法来降低含量。

需要注意的是, 温度、湿度、二氧化碳含量3者中, 温度控制应为首要条件。也即是说, 当库内湿度、二氧化碳含量超标, 需要与户外空气进行交换时, 应首先检测户外温度条件, 户外温度过高、过低都不能进行空气交换, 因而, 湿度、二氧化碳的控制优先度要低于温度控制。

确定仓库的具体形式是进行仓储自动控制系统的重要步骤。小型仓库, 使用自动控制系统意义不大, 中大型仓库适宜使用自动控制系统。本文依照需要控制的模拟量, 设计仓库如图2所示。

图2 蔬菜仓储库房部件示意图  下载原图

如图2所示, 仓库由4个库房组成, 每个库房体积40 m×30 m×15 m, 库房与墙壁之间填充绝热保温材料、库房地面与房顶同样采用相应绝热良好材质铺设。每个库房墙壁上有1个通风机, 负责将库房内的空气抽到户外;地面有2个送风机, 负责将通风通道内的空气送到库房内;库房地面铺设2条通风风道。库门、墙壁风机处应设置相应措施, 避免库外空气直接与库内相通。加热机安置到库门附近, 制冷机安置到库房中部靠墙位置。

每个库房设置2个温湿度传感器、1个二氧化碳传感器, 每个库房、库房进风口设置1个温湿度传感器, 总的模拟量为21路输入;PLC采用西门子S7 226CPU;每个库房输出3个开关量, 1个同时控制地面送风机、墙壁抽风机;2个控制加热机、制冷机。选用器件如表1所示。

表1 蔬菜仓储模拟量自动控制系统组成器件 导出到EXCEL

信号接线图如图3所示。

图3 蔬菜仓储模拟量自动控制系统接线示意图  下载原图

监控系统由PLC上位机组成的, PLC完成信号检测、数据处理、控制;上位机应用组态软件完成数字数据的后期处理, 完成数字化办公功能。

如果上位机对于组态功能要求不高, 可以使用VC++等高级编程环境中的WIN32 I/O API, MSComm AcitveX组件等功能实现简单的C/S监视程序[6,7];再次, 可以使用HMI触摸屏, 使用触摸屏组态功能进行组态设计;对于办公自动化有较高要求, 可以使用WinCC、组态王、北京力控等组态软件进行组态设计[8]。

本文针对多仓储、多模拟量自动控制系统进行了系统整体方案设计, 并提出了具体的一套实现方案;针对其中的关键问题进行了探讨。本文中的内容对相近系统设计有一定的借鉴意义。