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倉儲是物流環(huán)節(jié)中不可缺失的重要環(huán)節(jié)。商品的儲存質(zhì)量影響商品整體品質(zhì)。物品存儲到倉庫后, 需要對倉庫內(nèi)的溫度、濕度等數(shù)據(jù)進行檢測、控制, 尤其對于環(huán)境要求高、存儲時間長的物品, 需要在倉庫內(nèi)設(shè)置單獨的模擬量控制系統(tǒng), 對有要求的模擬量進行檢測、自動控制, 以提高存儲質(zhì)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(shè)計需要注意的要點。一般PLD設(shè)計方法和基于單片機的控制系統(tǒng)設(shè)計方法;文獻[5]提出了部分蔬菜倉儲需要的環(huán)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(tài)方法。

本文依據(jù)上述文獻內(nèi)容并結(jié)合實際倉儲控制系統(tǒng)特點研究如何應(yīng)用自動控制技術(shù)來控制相應(yīng)模擬量, 使得倉儲商品達到需要的品質(zhì), 并針對蔬菜的倉儲設(shè)計了基于PLC控制, 上位機監(jiān)控的倉儲模擬量控制系統(tǒng)。

倉儲控制系統(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行處理。對于倉儲控制系統(tǒng), 傳感器需要布置在庫房內(nèi), 控制系統(tǒng)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(yīng)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(tǒng)適宜應(yīng)選用四線制、二線制電流傳感器[1]。

負責(zé)接收變送器數(shù)字量數(shù)據(jù), 對數(shù)字量進行分析、計算, 產(chǎn)生控制邏輯, 再將生成的模擬量、開關(guān)量等控制邏輯輸出到相應(yīng)的執(zhí)行器。倉儲系統(tǒng)的控制器適宜采用PLC控制, 再由上位計算機對數(shù)據(jù)進行監(jiān)控、處理, 組成由上位機-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(huán)境差, 應(yīng)使用穩(wěn)定性較高的觸摸屏、工業(yè)控制計算機。

執(zhí)行器接收控制器輸出信號, 從而產(chǎn)生相應(yīng)控制動作。理論上, 對于模擬量的輸出控制, 適宜采用經(jīng)過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輸入, 則只能通過輸出開關(guān)量控制電源開關(guān)的方式調(diào)節(jié)。

圖1 倉儲控制系統(tǒng)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(shè)計其自動控制系統(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(dǎo)致水分揮發(fā)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(zhì)各異, 其溫度范圍稍有差異[5]。

需要注意的是, 對于大多數(shù)蔬菜而言, 由于蔬菜會“呼吸”而散發(fā)熱量, 因此, 蔬菜儲存在倉庫中庫內(nèi)溫度會逐漸增加, 導(dǎo)致溫度容易超過高限。所以, 溫度控制重點應(yīng)放在降溫、散熱上。例如在國內(nèi)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(huán)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(fā)量相應(yīng)較大, 蔬菜存儲到倉庫后庫內(nèi)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(nèi)濕度超過上限時, 自動控制系統(tǒng)動作降低庫內(nèi)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(nèi)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(yīng)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(guān)量控制電源。

對于溫度控制范圍窄、精度高的系統(tǒng), 應(yīng)通過PLC設(shè)置PID調(diào)節(jié)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(yīng)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(tǒng), 可以考慮使用中央空調(diào)集中調(diào)節(jié)。

倉庫應(yīng)事先建設(shè)在環(huán)境濕度低、干燥的地區(qū), 除非降雨, 戶外濕度不會超過85%～90%范圍, 因此可以通過墻壁通風(fēng)機抽空氣、通過地面風(fēng)機吸空氣的方法降低濕度。對于濕度要求高的系統(tǒng), 可以通過設(shè)置空氣干燥機進行控制, PLC功能也需要相應(yīng)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(tǒng)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(fēng)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(yīng)為首要條件。也即是說, 當庫內(nèi)濕度、二氧化碳含量超標, 需要與戶外空氣進行交換時, 應(yīng)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(yōu)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(tǒng)的重要步驟。小型倉庫, 使用自動控制系統(tǒng)意義不大, 中大型倉庫適宜使用自動控制系統(tǒng)。本文依照需要控制的模擬量, 設(shè)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(yīng)絕熱良好材質(zhì)鋪設(shè)。每個庫房墻壁上有1個通風(fēng)機, 負責(zé)將庫房內(nèi)的空氣抽到戶外;地面有2個送風(fēng)機, 負責(zé)將通風(fēng)通道內(nèi)的空氣送到庫房內(nèi);庫房地面鋪設(shè)2條通風(fēng)風(fēng)道。庫門、墻壁風(fēng)機處應(yīng)設(shè)置相應(yīng)措施, 避免庫外空氣直接與庫內(nèi)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(shè)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(fēng)口設(shè)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(guān)量, 1個同時控制地面送風(fēng)機、墻壁抽風(fēng)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(tǒng)組成器件 導(dǎo)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(tǒng)接線示意圖  下載原圖

監(jiān)控系統(tǒng)由PLC上位機組成的, PLC完成信號檢測、數(shù)據(jù)處理、控制;上位機應(yīng)用組態(tài)軟件完成數(shù)字數(shù)據(jù)的后期處理, 完成數(shù)字化辦公功能。

如果上位機對于組態(tài)功能要求不高, 可以使用VC++等高級編程環(huán)境中的WIN32 I/O API, MSComm AcitveX組件等功能實現(xiàn)簡單的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)功能進行組態(tài)設(shè)計;對于辦公自動化有較高要求, 可以使用WinCC、組態(tài)王、北京力控等組態(tài)軟件進行組態(tài)設(shè)計[8]。

本文針對多倉儲、多模擬量自動控制系統(tǒng)進行了系統(tǒng)整體方案設(shè)計, 并提出了具體的一套實現(xiàn)方案;針對其中的關(guān)鍵問題進行了探討。本文中的內(nèi)容對相近系統(tǒng)設(shè)計有一定的借鑒意義。