基于PLC的仓库温、湿度智能控制系统设计

2022-08-29史文武

中国新技术新产品 2022年10期

史文武

（陕西能源电力运营有限公司，陕西西安 710100）

随着经济的快速发展、贸易的全球化和科技的不断进步，仓储管理系统在企业管理和竞争中的地位越来越高。仓库管理作为企业管理的重要组成部分，是企业生产、销售和资金周转的重要环节，也是企业管理中较复杂的环节。一些特殊的货物对仓库内部的温、湿度有严格的要求，如果达不到要求，就会很容易出现货物损坏的情况。因此，很多仓库都需要对温、湿度进行智能控制，传统仓库通过人员定期测量，然后根据测量结果采取通风等措施，这种方式不仅不能及时、精确地控制温、湿度，而且时效性不好。随着自动化控制技术的发展，自动化的温、湿度控制系统能够很好地对仓库内部温、湿度进行自动调节，保证仓库始终处于最适宜的温、湿度。

1 系统总体设计

1.1 系统总体结构设计

系统总体结构如图1所示，系统分为上位机和下位机，上位机为PC机，下位机为PLC，通过温、湿度传感器采集仓库内部的温度和湿度信息，通过PLC对信息进行处理，并对比PC机设定的温、湿度信息，然后根据差异将指令发送到智能控制模块，该模块具备加热、加湿、降温以及除湿等功能，显示模块可以显示当前仓库内部的温度和湿度信息。

图1 系统总体结构

1.2 系统控制硬件系统设计方案

该文设计的PLC硬件型号为S7-200，如图2所示的硬件控制系统具有4个温、湿度传感器（可以对仓库的温度和湿度进行动态控制）。由于仓库受到气流分布不均匀的影响，因此将2个温度传感器分别安装在仓库的上方和地面，从而更方便地测量仓库的温度数据，湿度传感器的安装位置与温度传感器类似。

图2 系统硬件控制系统框架

1.3 系统控制软件的总体设计方案

由图3可知，当仓库内的温度高于设定的范围值时，在满足设定延时要求的情况下，系统自动开启仓库内的空调，进行降温操作。如果温度传感器的显示数值低于仓库的设定温度，那么空调设备自动关闭，程序进入循环状态。如果温度传感器显示的温度在预设范围内，则程序和对应的执行机构设备保持原有的状态。在仓库湿度控制方面，如果湿度传感器显示的数值高于预设值，那么自动打开风扇执行机构进行除湿操作。如果在湿度和温度控制过程中出现矛盾，则优先将仓库的温度控制在设定的范围。

图3 系统软件控制框架

2 系统实现

由图4可知，PLC是该系统的主要控制机构，一般是通过继电接触器的形式来调整执行设备机构的运行状态，从而实现对仓库温度和湿度的控制。该系统的主要执行机构为空调和风机，空调设备主要用来调节仓库内的温度，风机主要用来控制仓库内的湿度。考虑该文所涉及系统的可靠性，该系统具有手动和自动控制能力，如果系统在自动控制状态出现问题，那么可通过强制手段将其转变为手动控制方式。

图4 仓库温、湿度智能控制系统图

2.1 PLC的选择

该文选取的PLC模块是S7-200，该芯片是一种标准结构的模块，每个模块之间是互相独立的，固定在支架上，共同组建了一套PLC系统。

S7-200模块的CPU均具备1个用于编程的RS-485接口，部分型号还会配置PROFIBUS-DP接口或者PtP串行通信接口。因此，利用该模块还能构建一个MPI/DP网络。S7-200型号PLC的核心技术指标见表1。

表1 S7-200型号PLC核心技术指标

CPU的RAM存储空间为512 kB，能够存储的数据高达8 192位，其还具有512个定时及技术器，记数范围为1～999，定时区间为0.01 s～9 990.00 s，可处理的数据量最多为65 536位，模拟信号标定对应的数字量为0～4 096，指令条数高达350条。

2.2 温、湿度传感器

使用DHT11采集仓库的温、湿度信息，由于其配备了校准数字信号技术，因此非常稳定。DHT11采用4针单排封装，具有外部电路简单、连接方便且体积小、功耗低的优点，长时间运行不会造成大量功耗。该传感器的工作电压为3 V～5 V，可检测的温度为0 ℃～50 ℃，可检测的湿度是20%RH～90%RH，该传感器的温度系数为0.04 pF/℃，湿度控制精度大约为±1.5%，该湿度传感器对温度的依赖性非常低，可以满足该设计系统的要求（仓储的湿度要求为80%～95%）。

在常温下，湿度敏感电容器的动态反应很快，其时间常数约为30 s，而饱和水蒸气压力随着温度的升高呈现明显的规律，在温度较低且相对湿度为100%的情况下，大气中的水分压力是非常微小的。结果表明，在低温条件下，吸收型测量器件难以与大气中的含水量进行均衡，滞后偏差明显变大。在高温条件下，滞后偏差很小，在室温下，滞后偏差大约为1%RH～2%RH，在低温下延迟偏差可以达到20%RH。考虑温度滞后的影响，温度和湿度的测量存在一定的冲突，应根据不同情况选取相应的控制目标。

温度传感器型号为PT100，具备检测精度高、体积小以及抗干扰性强等优点。在标准工作电压（3.0 V～5.5 V）下，其驱动电流达到15 mA。

P5端口为四线制的PT100接口，在实际使用中，连接的是三线制的PT100，也就是Drv+和SEN+接在一起。AD623是一个轨到轨输出摆幅的放大器，=10 kΩ，放大倍数=（1+100/10）=11倍，即的测量值是PT100两端电压放大11倍后的值。再使用1路ADC采样端口PIN_IN2，那么由（ADC采样端口的电压）和（1 kΩ）就可以算出流过PT100的电流；PT100电阻温度系数=0.385 Ω/℃，当其阻值=100 ℃时，表示温度为0 ℃，温度每升高1 ℃其阻值增加0.385 Ω。

2.3 软件程序设计

在该文设计的温、湿度控制系统中，EM231（模拟量输入模块）将远程端的温度和湿度传感器采集到的现场信号模拟量输送至S7-200，S7-200根据预先编写的编程方式对该信号进行处理并输出具体结果。

首先，将仓库的温度和湿度传感器连接至PLC的EM231控制扩展模块中，温度和湿度传感器对仓库中的温度和湿度信号进行采集。其次，经过A/D数据转换将其传输至PLC控制器中。再次，根据PLC中编制的梯形图程序进行程序逻辑判断。最后，输出控制执行机构动作的指令。在S7-200型号的PLC控制器中，温度和湿度传感器所获得的数据在A/D转换器中通常会转变为2 B的模拟数字信号，在PLC中的寄存器里，使用AI表示，为模拟信号量的字节长度。每个EM231都有4个模拟量信号输入端口，地址为AIW0-AIW3，共有8 B，如图5、图6所示。

图5 仓库温度数据采集程序

图6 仓库湿度采集程度

由于仓库对温度的控制要求十分严格，因此采用PID运算方法能够提高温度控制精度。在PID温度控制程序中，一方面是要指定温度控制程序回路的序号LOOP和控制回路表TLB的第一个详细地址，同时设置采集时间、采样时间、总微分时间和积分时间；另一方面是处理前准备，编写程序并将模拟输入和标称值转换为与 PID计算匹配的文件格式。

仓库温度调用PID程序中的设定值是为了引导用户能够快速地对EM231模拟量输入控制模块中的PID温度程序进行管理。该文将温度与湿度传感器连接在EM231中，EM231对采集到的电流和电压信号进行A/D转换，得到数字模拟量将信号输入值S7-200中。一般模拟量的输入信号的大小为2 B。信号输入模拟量在EM231扩展模块中的物理地址分配为AIW0、AIW1和AIW2等。PT-100温度传感器的信号采集范围是-50 ℃～850 ℃。PLC内部的0 mA～20 mA的电流对应的数字为0～32 000，电流的线性变化部分（4 mA～20 mA）所对应的数字为6 400～32 000，温度与数字满足=（9-70400）/256。仓库湿度传感器的测量范围为0%～100%，对应的数字为0～32 000，湿度和数字的关系式为=/320。

由图7可知，该文的温度与湿度控制采用的是PID控制，能够实现温、湿度控制的精确性。以温度控制的PID程序为例：1）对预设仓库温度参数来说，需要指定回路编号LOOP以及TLB首地址。2）在传感器输入信号预处理环节，需要输入温度信号模拟量，然后将具体的设定值转化为PID运算符。3）在温度指令调用方面，设定PID指令的输入条件，一般是通过定时中断程序来调用PID。4）将温度调用PID程序中的输出数值转化为固定格式，同时将该输出数值存储在设定好的地址中（表2）。