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倉(cāng)儲(chǔ)是物流環(huán)節(jié)中不可缺失的重要環(huán)節(jié)。商品的儲(chǔ)存質(zhì)量影響商品整體品質(zhì)。物品存儲(chǔ)到倉(cāng)庫(kù)后, 需要對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的溫度、濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)、控制, 尤其對(duì)于環(huán)境要求高、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)的物品, 需要在倉(cāng)庫(kù)內(nèi)設(shè)置單獨(dú)的模擬量控制系統(tǒng), 對(duì)有要求的模擬量進(jìn)行檢測(cè)、自動(dòng)控制, 以提高存儲(chǔ)質(zhì)量, 降低存儲(chǔ)損耗[1]。文獻(xiàn)[1]提出了電流傳感器的一般特性, 文獻(xiàn)[2,3,4]分別提出了PLC設(shè)計(jì)需要注意的要點(diǎn)。一般PLD設(shè)計(jì)方法和基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法;文獻(xiàn)[5]提出了部分蔬菜倉(cāng)儲(chǔ)需要的環(huán)境要求, 文獻(xiàn)[6,7]說(shuō)明了基于MSCOMM控件測(cè)串口通信方法;文獻(xiàn)[8]提出了一般組態(tài)方法。

本文依據(jù)上述文獻(xiàn)內(nèi)容并結(jié)合實(shí)際倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)特點(diǎn)研究如何應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)來(lái)控制相應(yīng)模擬量, 使得倉(cāng)儲(chǔ)商品達(dá)到需要的品質(zhì), 并針對(duì)蔬菜的倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)計(jì)了基于PLC控制, 上位機(jī)監(jiān)控的倉(cāng)儲(chǔ)模擬量控制系統(tǒng)。

倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)應(yīng)遵循控制系統(tǒng)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(fù)責(zé)完成被控模擬量的變送, 將電流、電壓等模擬量數(shù)據(jù)變換成數(shù)字量數(shù)據(jù), 傳輸?shù)娇刂破鬟M(jìn)行處理。對(duì)于倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng), 傳感器需要布置在庫(kù)房?jī)?nèi), 控制系統(tǒng)需要單獨(dú)布置在主控房間, 隨著庫(kù)房面積的增大, 其距離也相應(yīng)增加, 如果選用電壓傳感器, 其信號(hào)容易衰減, 且容易受到高壓電流干擾, 因此, 對(duì)于倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)適宜應(yīng)選用四線制、二線制電流傳感器[1]。

負(fù)責(zé)接收變送器數(shù)字量數(shù)據(jù), 對(duì)數(shù)字量進(jìn)行分析、計(jì)算, 產(chǎn)生控制邏輯, 再將生成的模擬量、開(kāi)關(guān)量等控制邏輯輸出到相應(yīng)的執(zhí)行器。倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的控制器適宜采用PLC控制, 再由上位計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控、處理, 組成由上位機(jī)-PLC組成的控制系統(tǒng)[2], 應(yīng)避免使用模擬PID控制器[3]、MC51等單片機(jī)作為控制器[4]。上位機(jī)理論上采用普通計(jì)算機(jī)即可, 但由于倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境差, 應(yīng)使用穩(wěn)定性較高的觸摸屏、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。

執(zhí)行器接收控制器輸出信號(hào), 從而產(chǎn)生相應(yīng)控制動(dòng)作。理論上, 對(duì)于模擬量的輸出控制, 適宜采用經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)的模擬量輸出調(diào)節(jié)。但是, 如果模擬量調(diào)節(jié)器不能接收模擬量信號(hào)輸入, 則只能通過(guò)輸出開(kāi)關(guān)量控制電源開(kāi)關(guān)的方式調(diào)節(jié)。

圖1 倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)組成  下載原圖

對(duì)于蔬菜倉(cāng)儲(chǔ), 溫度、濕度、二氧化碳含量3個(gè)模擬量普遍具有控制要求, 因此本文針對(duì)這3個(gè)量設(shè)計(jì)其自動(dòng)控制系統(tǒng)。其他模擬量的調(diào)節(jié)控制方法大同小異, 可參照本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行添加、改進(jìn)。

一般而言, 蔬菜存儲(chǔ)溫度過(guò)低會(huì)凍傷蔬菜, 溫度過(guò)高導(dǎo)致水分揮發(fā)而干枯, 因此適宜低溫儲(chǔ)藏, 大致的溫度在2～10°C之間, 因蔬菜品質(zhì)各異, 其溫度范圍稍有差異[5]。

需要注意的是, 對(duì)于大多數(shù)蔬菜而言, 由于蔬菜會(huì)“呼吸”而散發(fā)熱量, 因此, 蔬菜儲(chǔ)存在倉(cāng)庫(kù)中庫(kù)內(nèi)溫度會(huì)逐漸增加, 導(dǎo)致溫度容易超過(guò)高限。所以, 溫度控制重點(diǎn)應(yīng)放在降溫、散熱上。例如在國(guó)內(nèi)南方各地進(jìn)行蔬菜倉(cāng)儲(chǔ)時(shí), 一般只需要降溫, 不需要加熱功能。當(dāng)然, 如果倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境溫度有可能較低, 且倉(cāng)庫(kù)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(fā)量相應(yīng)較大, 蔬菜存儲(chǔ)到倉(cāng)庫(kù)后庫(kù)內(nèi)濕度會(huì)逐漸增加, 一般適宜保存蔬菜的相對(duì)濕度為85%～90%。不同于溫度的范圍要求, 濕度僅有上限要求, 當(dāng)庫(kù)內(nèi)濕度超過(guò)上限時(shí), 自動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)作降低庫(kù)內(nèi)濕度即可。

蔬菜在存儲(chǔ)過(guò)程中, 會(huì)吸入氧氣、釋放二氧化碳, 蔬菜儲(chǔ)存到倉(cāng)庫(kù)后庫(kù)內(nèi)二氧化碳含量會(huì)逐漸增加。一般來(lái)說(shuō)蔬菜倉(cāng)儲(chǔ)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(duì)于一些特殊的蔬菜, 可能會(huì)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(chǔ)需要注意亞硝酸鹽含量等, 對(duì)于這些模擬量可選用相應(yīng)的方法進(jìn)行檢測(cè)、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(wú)精確控制要求, 其次庫(kù)房面積較大, 因而采用中等功率的低溫空氣制冷機(jī)和低溫空氣加熱機(jī), 采用開(kāi)關(guān)量控制電源。

對(duì)于溫度控制范圍窄、精度高的系統(tǒng), 應(yīng)通過(guò)PLC設(shè)置PID調(diào)節(jié)功能輸出電壓、電流等模擬量進(jìn)行控制;此時(shí), 要求加熱機(jī)、制冷機(jī)能夠接受相應(yīng)的模擬量信號(hào)輸入, 器件成本高。對(duì)于溫度控制范圍過(guò)大的系統(tǒng), 可以考慮使用中央空調(diào)集中調(diào)節(jié)。

倉(cāng)庫(kù)應(yīng)事先建設(shè)在環(huán)境濕度低、干燥的地區(qū), 除非降雨, 戶外濕度不會(huì)超過(guò)85%～90%范圍, 因此可以通過(guò)墻壁通風(fēng)機(jī)抽空氣、通過(guò)地面風(fēng)機(jī)吸空氣的方法降低濕度。對(duì)于濕度要求高的系統(tǒng), 可以通過(guò)設(shè)置空氣干燥機(jī)進(jìn)行控制, PLC功能也需要相應(yīng)增加。

一般來(lái)說(shuō), 戶外二氧化碳值大約在400 ppm左右, 對(duì)于倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)2 000 ppm的高限而言, 戶外空氣可以始終認(rèn)為是合適的, 可以采用通風(fēng)的方法來(lái)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(yīng)為首要條件。也即是說(shuō), 當(dāng)庫(kù)內(nèi)濕度、二氧化碳含量超標(biāo), 需要與戶外空氣進(jìn)行交換時(shí), 應(yīng)首先檢測(cè)戶外溫度條件, 戶外溫度過(guò)高、過(guò)低都不能進(jìn)行空氣交換, 因而, 濕度、二氧化碳的控制優(yōu)先度要低于溫度控制。

確定倉(cāng)庫(kù)的具體形式是進(jìn)行倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要步驟。小型倉(cāng)庫(kù), 使用自動(dòng)控制系統(tǒng)意義不大, 中大型倉(cāng)庫(kù)適宜使用自動(dòng)控制系統(tǒng)。本文依照需要控制的模擬量, 設(shè)計(jì)倉(cāng)庫(kù)如圖2所示。

圖2 蔬菜倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房部件示意圖  下載原圖

如圖2所示, 倉(cāng)庫(kù)由4個(gè)庫(kù)房組成, 每個(gè)庫(kù)房體積40 m×30 m×15 m, 庫(kù)房與墻壁之間填充絕熱保溫材料、庫(kù)房地面與房頂同樣采用相應(yīng)絕熱良好材質(zhì)鋪設(shè)。每個(gè)庫(kù)房墻壁上有1個(gè)通風(fēng)機(jī), 負(fù)責(zé)將庫(kù)房?jī)?nèi)的空氣抽到戶外;地面有2個(gè)送風(fēng)機(jī), 負(fù)責(zé)將通風(fēng)通道內(nèi)的空氣送到庫(kù)房?jī)?nèi);庫(kù)房地面鋪設(shè)2條通風(fēng)風(fēng)道。庫(kù)門、墻壁風(fēng)機(jī)處應(yīng)設(shè)置相應(yīng)措施, 避免庫(kù)外空氣直接與庫(kù)內(nèi)相通。加熱機(jī)安置到庫(kù)門附近, 制冷機(jī)安置到庫(kù)房中部靠墻位置。

每個(gè)庫(kù)房設(shè)置2個(gè)溫濕度傳感器、1個(gè)二氧化碳傳感器, 每個(gè)庫(kù)房、庫(kù)房進(jìn)風(fēng)口設(shè)置1個(gè)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(gè)庫(kù)房輸出3個(gè)開(kāi)關(guān)量, 1個(gè)同時(shí)控制地面送風(fēng)機(jī)、墻壁抽風(fēng)機(jī);2個(gè)控制加熱機(jī)、制冷機(jī)。選用器件如表1所示。

表1 蔬菜倉(cāng)儲(chǔ)模擬量自動(dòng)控制系統(tǒng)組成器件 導(dǎo)出到EXCEL

信號(hào)接線圖如圖3所示。

圖3 蔬菜倉(cāng)儲(chǔ)模擬量自動(dòng)控制系統(tǒng)接線示意圖  下載原圖

監(jiān)控系統(tǒng)由PLC上位機(jī)組成的, PLC完成信號(hào)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、控制;上位機(jī)應(yīng)用組態(tài)軟件完成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的后期處理, 完成數(shù)字化辦公功能。

如果上位機(jī)對(duì)于組態(tài)功能要求不高, 可以使用VC++等高級(jí)編程環(huán)境中的WIN32 I/O API, MSComm AcitveX組件等功能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的C/S監(jiān)視程序[6,7];再次, 可以使用HMI觸摸屏, 使用觸摸屏組態(tài)功能進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì);對(duì)于辦公自動(dòng)化有較高要求, 可以使用WinCC、組態(tài)王、北京力控等組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)[8]。

本文針對(duì)多倉(cāng)儲(chǔ)、多模擬量自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì), 并提出了具體的一套實(shí)現(xiàn)方案;針對(duì)其中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了探討。本文中的內(nèi)容對(duì)相近系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。