基于PLC 的食品药品恒温恒湿培养室监控系统设计

刘德胜，陈晓伟，刘云鹏，史庆武

（佳木斯大学 信息电子技术学院，佳木斯154007）

随着我国科技的发展和食品、药品生产需求的增加，人们对食品、药品的质量有了更高水平的要求， 它的质量问题一直是大家持续广泛关注的问题，无论是在植物栽培、药品、食品存储及运输和科学研制等方面都要对温度和湿度进行测量和监控，进行精准的数据信息处理[1-3]。 而恒温恒湿培养室是使用专用控制设备将室内的温度和湿度调到一定的范围，并在这一情况下进行培养试验。 由于培养室的多变性和复杂性，一些传统的实验设备已经不能满足于当前高效的实验要求，对产品的质量没有确切的保障， 使培养室在试验过程出现了很多问题，这些问题不能及时的解决，大大延长了试验的时间，影响了试验的进展[4-6]。 本文采用西门子Smart系列PLC+触摸屏作为控制核心， 并通过无线模块实现培养室温湿度的远程监控。

1 恒温恒湿培养室工艺要求

恒温恒湿培养室将室内的温湿度调节到其标准的范围，并进行温湿度的调控，使其能够进行高质量精确的培养[7-8]。 恒温恒湿培养室作为一种高精度的培养技术，需要满足如下要求：

（1）要求风道循环设计送风均匀，保证培养室内温湿度的均一性。 同时应该调控好培养室内应该有足够数量的传感器，以便能够更好的测量每个地方的温湿度变化情况，及时的进行调整；

（2）要求系统设置三级授权管理，分为操作员级，工艺员级、工程师级，可以通过不同的授权进行不同等级的操作。 进入用户管理界面，可进行添加或删除用户，修改密码等操作；

（3）要求显示界面可以显示工艺步骤所需要的参数、集中显示各个工艺部分的进程、参数的变化；

（4）要求系统操作简单，方便不熟悉设备的人员进行操作，具备历史数据的存贮功能，所存贮的数据可以通过历史趋势曲线来显示，也可以通过报表来显示和查询，历史数据可以存贮12 个月；

（5）培养室内温湿度的波动范围：温度波动范围为±1 ℃、湿度波动范围为±5%RH，不可过高或过低。

2 监控系统硬件设计

根据培养室工艺要求，本文设计的温湿度监控系统主要由制冷降温系统、送风循环系统、加热系统、控制采集系统、监控记录系统和远程手机APP系统组成，系统结构如图1 所示。

图1 系统结构图Fig.1 Systematic structure diagram

2.1 数据采集及控制系统

系统要求控制温湿度全程自动化，除有特殊要求外， 不加人工干预。 系统选用西门子Smart 系列PLC 作为CPU，EMAE08、EMAQ04 作为扩展模块，选用西门子PT100 温湿度传感器（带变送器）采集室内温湿度。 基于本次培养室室内尺寸2000 mm*2200 mm*2000 mm，每个培养室选用6 个温湿度传感器测量室内温湿度， 并将6 个传感器采集到的数据平均值作为室内温湿度值与系统设置上下限比较。

2.2 风道循环系统

培养室风道循环系统选用1 台加湿机、2 台除湿机，1 组电加热器，1 台轴流风机，空调机组，升温、降温系统完全独立， 风道循环结构如图2 所示，其空气处理功能为过滤段+除湿段+表冷段+加湿段+表热段+风机段。 室内风路循环采用顶部出风低侧下部回风原理，使室内温度分布均匀，更静音，更好的保证良好的办公环境及操作人员的工作环境[9]。

图2 风道循环系统Fig.2 Air duct circulation system

2.3 触摸屏设计和远程控制

触摸屏是基于WinCC 开发了整个监控画面，主画面如图3 所示，该系统包括温度设定窗口、设置报警温度；当低于下限或高于上限时，主界面报警灯报警，可在报警界面查看报警，主界面报警复位，可消除声音。 自动程序界面可以显示工艺步骤所需要的参数。 可以集中显示培养室内各个工艺部分的进程及参数的变化。 触摸屏具有历史数据的存贮功能，所存贮的数据可以通过历史趋势曲线来显示或通过报表来显示和查询。

系统选用GTU 数据传送模块进行数据传输，该模块可通过网络（网页版）远程监控，同时可在手机上（APP）查看现场实时数据及下载历史存储数据，也可远程接收报警短信， 并及时停止系统的运行等。 实时温度显示界面如图4 所示。

图3 触摸屏主界面Fig.3 Touch screen home interface

图4 培养室实时温度Fig.4 Real-time temperature of incubator

3 软件设计

3.1 主程序流程

系统主程序如图5 所示，电源接通后，按下启动按钮后，PLC 进行扫描检查系统故障；触摸屏设置手动和自动2 种控制方式。 手动时，由触摸屏手动实现各个环节的启停，该方式主要用于该系统的安装调试以及之后的设备检修；自动时，系统自动运行，将温湿度传感器采集的数值与设定上下限值进行比较，PLC 通过比较的结果进行判断并执行。

图5 主程序流程Fig.5 Main program flow chart

3.2 温湿度子程序

当系统自动运行时，PLC 将培养室6 个采集点的平均值与设定值进行比较，如果T平均≤T下限，则压缩机停止运行，电加热运行；若T平均＞T上限，则电加热运行，压缩机停止运行；若H平均≤H下限，则加湿器运行，除湿器停止运行；若H平均＞H上限，则除湿器运行，加湿器停止运行。 温湿度子程序如图6 所示。

图6 温湿度控制子程序Fig.6 Temperature and humidity control subroutine flow chart

4 结语

本文以PLC 为控制核心，设计了温恒湿培养室远程监控系统， 利用200-Smart 系列的PLC 和无线模块组成的远程监控系统可以满足食品药品培养室中温湿度的工艺要求，实现了数据的远程监控及远程报警功能，触摸屏可以直观显示培养室各个采集点温湿度及平均值和变化曲线，设置温湿度上下限等功能， 恒温恒湿培养室中温湿度变化均匀，波动范围为温度±1 ℃，湿度±5%RH。