基于PLC的新型冷藏库集装箱温控系统设计

2009-09-21冯晓星孟芳芳张庆勇

集装箱化 2009年8期

冯晓星孟芳芳张庆勇

摘要为了提高特殊医药制品的运输质量,设计开发基于PLC的新型冷藏库集装箱温控系统。上位机利用VB软件编程设计人机界面,可在线监控系统运行;通过串口与PLC通信,控制主副温区温控设备的启停,实现对温度的精确控制。实践证明,该系统符合设计指标要求,具有结构简单和实用性强的特点。

关键词冷藏;集装箱;PLC;温控系统

0引言

现代集装箱运输具有标准化程度高、设备配套性强和便于管理等优点,是医药制品等物资常用的运输方式。不同医药制品对储存环境的温度要求不同:一般药品要求常温储存,避免高温日晒;疫苗和生物制品要求环境温度保持在4~6℃;冰冻血浆和冷沉淀要求环境温度达到20℃以下。[1]为了保证医药制品的运输质量,设计基于可编程逻辑控制器(PLC)的新型冷藏库集装箱自动温控系统,该系统人机接口界面友好且控制功能完善。

1系统描述

该温控系统原理如下:根据不同医药制品对环境温度的不同要求,将集装箱分隔成配有独立温控装置的主温区和副温区,并可根据需要设置温控挡位,达到延长储运时间的目标。主温区主要用于储存疫苗和生物制品等,温控范围为2~8℃,设有疫苗挡(2~8℃)、血液挡(4~6℃)和自设定挡,自设定挡允许操作人员在一定范围内任意设定温控上下限,具有低温加热补偿功能;副温区温控范围为30~8℃,主要用于存放新鲜冰冻血浆和冷沉淀等,也可存放疫苗和生物制品,设有疫苗挡(2~8℃)、血液挡(4~6℃)、冷沉淀挡(30~20℃)和自设定挡。

温控系统共有5个温度传感器,其中主温区3个,副温区1个,还有1个用于检测环境温度。温度传感器的型号为PT-100(铠封),测量范围为200~600℃。温控设备主要包括制冷机组、加热器和循环风机等机组部件。制冷机组采用特种制冷剂和蒸汽压缩式循环技术,可实现30℃的低温,具有制冷效能高、启动电流小、能耗低和低温运行稳定等特点。制冷机组与加热器配合工作可实现对温度的精确控制。

2控制要求

(1)温度控制PLC接收温度传感器传来的实时温度信息,自动选择合格测温点作为控制依据。当温度高于阈值上限时,启动压缩机制冷;当温度低于阈值下限时,关闭压缩机并开启电加热器,提高库内温度。在空载情况下,集装箱内的温度从46℃降到4℃所需时间不超过,温度均匀性为。

(2)除霜因主温区温度恒大于零,所以仅在副温区安装化霜加热器。制冷机组运行时间累计达到设定时长时,化霜加热器开始工作,同时关闭副温区除循环风机外的其他设备。副温区温度或化霜时长达到设定值时,化霜加热器停止工作,延迟一段时间后,副温区其他设备恢复正常工作。

(3)故障检测报警为保障系统安全稳定运行,方便人员检修,系统对以下3个方面的故障或异常情况进行检测或报警:①传感器和中间继电器工作状态异常;②制冷设备过压过流;③制冷设备工作时间异常。其中,前2项故障可能导致系统无法正常运行,需要报警提醒;工作时间异常则可能是因系统参数设置不当而引起的,无需报警。[2]

(4)上位机监控人机监控界面采用VB 6.0软件进行开发,主要包括监控界面、参数设置以及与PLC通信等方面的设计。监控界面分为3个区域,即当前温度区、设备状态区和设置区。当前温度区动态显示5个测温点采集到的温度和主副温区的工作挡位,若检测到温度传感器发生故障,则温度颜色由蓝色变为红色。设备状态区反映各个设备的运行状态和故障位置。点击设置区的按钮,可在下拉菜单中选择主副温区的工作挡位,并对挡位的温度和时间阈值及系统参数进行设置。设置完成后,将所设值写入PLC相应的存储单元,并启动主副温区制冷控制,系统即进入工作状态。[3]

3硬件配置

根据系统所需的输入输出点数、循环扫描周期及用户程序容量等要求,选用LG公司生产的MASTER-K120S系列中的K7M-DRT30U型PLC。该系列PLC有18点直流电输入(),4点继电器输出和4点晶体管输出,可与外设进行RS-232和RS-485通信。此外,MASTER-K120S系列PLC具有集温度采集和数据处理于一体的专用热电偶模块G7F-RD2A,这种智能转换模块集成16位A/D转换器,15位数据位加1位符号位,分辨率达0.1℃,不需要任何外部变送器或外部电路。G7F-RD2A模块可同时连接4个热电偶传感器,输入4路温度数据,用于多路温度的采集。[4]

4控制系统的PLC软件设计

下位机编程采用LG梯形图编程语言。PLC控制程序采用模块化编程形式,温度控制过程中只需调用子程序模块,从而降低程序的复杂程度,方便程序的修改。整个程序包括主程序模块、初始化程序模块、温度采集程序模块、主副温区压缩机启停程序模块、主副温区加热器启停程序模块、副温区化霜加热器启停程序模块和故障报警子程序模块。开发中需要注意以下几个问题。

4.1温度采集和处理

选择主温区第1个传感器作为采集点,程序每扫描执行1次就采集1次温度。若第1个传感器发生故障,则选择第2个传感器,依次类推。如果1个或2个传感器发生故障,则在液晶屏上显示;如果3个传感器均出现故障,除在液晶屏上显示外,报警指示灯亮,同时不再控制主温区。

4.2温度控制

温控设备的启停均以温度和时间为参数,具有一定的相似性,现仅以主温区温度控制为例,程序流程如图1所示。主副温区均配置一主一副2组压缩机。首先启动主压缩机,若在设定时间内库内温度值未落入设定的温度区间,则启动副压缩机。循环风机可使制冷产生的冷量和制热产生的热量迅速传至温区并保证温度均匀。

图1主温区程序流程

因温度区间小,若加热器在运行状态下持续加热,容易导致温度波动过大,造成压缩机频繁启停,所以在编制加热器工作程序时,可用设定占空比的PWM波驱动加热器的启停。比如,使加热器间歇工作,间隔时间为,并保留一定的温度余量,从而实现对温度的精确控制。

4.3故障报警

PLC通过电流传感器和电压传感器检测设备的过流过压情况,并在程序中对设备运行进行计时。对于异常情况,有的必须报警,有的则不必。例如,通过选择合适的时间参数,可避免主副温区温控设备工作超时的情况发生。设备的工作状态可通过上位机的监控面板直接观察。

4.4其他注意事项

制冷机组启动瞬间电流较大,主副温区共4台机组在刚开始工作时可能同时启动。为确保系统安全运行,应当尽量避免主副温区同时制冷。

5结束语

以PLC为控制中心的冷藏库集装箱自动温控系统已经投入使用,运行稳定可靠,能够满足特殊医药制品的低温储运需求,控制精度达到。该系统结构简单,实用性强,利用PLC良好的扩展性,扩展其他输入输出模块,可组成功能更加强大的综合控制系统。