基于PLC的新型冷藏庫集裝箱溫控系統設計

馮曉星 孟芳芳 張慶勇

摘要為了提高特殊醫藥制品的運輸質量,設計開發基于PLC的新型冷藏庫集裝箱溫控系統。上位機利用VB軟件編程設計人機界面,可在線監控系統運行;通過串口與PLC通信,控制主副溫區溫控設備的啟停,實現對溫度的精確控制。實踐證明,該系統符合設計指標要求,具有結構簡單和實用性強的特點。

關鍵詞冷藏;集裝箱;PLC;溫控系統

0引言

現代集裝箱運輸具有標準化程度高、設備配套性強和便于管理等優點,是醫藥制品等物資常用的運輸方式。不同醫藥制品對儲存環境的溫度要求不同:一般藥品要求常溫儲存,避免高溫日曬;疫苗和生物制品要求環境溫度保持在4~6℃;冰凍血漿和冷沉淀要求環境溫度達到20℃以下。[1]為了保證醫藥制品的運輸質量,設計基于可編程邏輯控制器(PLC)的新型冷藏庫集裝箱自動溫控系統,該系統人機接口界面友好且控制功能完善。

1系統描述

該溫控系統原理如下:根據不同醫藥制品對環境溫度的不同要求,將集裝箱分隔成配有獨立溫控裝置的主溫區和副溫區,并可根據需要設置溫控擋位,達到延長儲運時間的目標。主溫區主要用于儲存疫苗和生物制品等,溫控范圍為2~8℃,設有疫苗擋(2~8℃)、血液擋(4~6℃)和自設定擋,自設定擋允許操作人員在一定范圍內任意設定溫控上下限,具有低溫加熱補償功能;副溫區溫控范圍為30~8℃,主要用于存放新鮮冰凍血漿和冷沉淀等,也可存放疫苗和生物制品,設有疫苗擋(2~8℃)、血液擋(4~6℃)、冷沉淀擋(30~20℃)和自設定擋。

溫控系統共有5個溫度傳感器,其中主溫區3個,副溫區1個,還有1個用于檢測環境溫度。溫度傳感器的型號為PT-100(鎧封),測量范圍為200~600℃。溫控設備主要包括制冷機組、加熱器和循環風機等機組部件。制冷機組采用特種制冷劑和蒸汽壓縮式循環技術,可實現30℃的低溫,具有制冷效能高、啟動電流小、能耗低和低溫運行穩定等特點。制冷機組與加熱器配合工作可實現對溫度的精確控制。

2控制要求

(1)溫度控制PLC接收溫度傳感器傳來的實時溫度信息,自動選擇合格測溫點作為控制依據。當溫度高于閾值上限時,啟動壓縮機制冷;當溫度低于閾值下限時,關閉壓縮機并開啟電加熱器,提高庫內溫度。在空載情況下,集裝箱內的溫度從46℃降到4℃所需時間不超過,溫度均勻性為。

(2)除霜因主溫區溫度恒大于零,所以僅在副溫區安裝化霜加熱器。制冷機組運行時間累計達到設定時長時,化霜加熱器開始工作,同時關閉副溫區除循環風機外的其他設備。副溫區溫度或化霜時長達到設定值時,化霜加熱器停止工作,延遲一段時間后,副溫區其他設備恢復正常工作。

(3)故障檢測報警為保障系統安全穩定運行,方便人員檢修,系統對以下3個方面的故障或異常情況進行檢測或報警:①傳感器和中間繼電器工作狀態異常;②制冷設備過壓過流;③制冷設備工作時間異常。其中,前2項故障可能導致系統無法正常運行,需要報警提醒;工作時間異常則可能是因系統參數設置不當而引起的,無需報警。[2]

(4)上位機監控人機監控界面采用VB 6.0軟件進行開發,主要包括監控界面、參數設置以及與PLC通信等方面的設計。監控界面分為3個區域,即當前溫度區、設備狀態區和設置區。當前溫度區動態顯示5個測溫點采集到的溫度和主副溫區的工作擋位,若檢測到溫度傳感器發生故障,則溫度顏色由藍色變為紅色。設備狀態區反映各個設備的運行狀態和故障位置。點擊設置區的按鈕,可在下拉菜單中選擇主副溫區的工作擋位,并對擋位的溫度和時間閾值及系統參數進行設置。設置完成后,將所設值寫入PLC相應的存儲單元,并啟動主副溫區制冷控制,系統即進入工作狀態。[3]

3硬件配置

根據系統所需的輸入輸出點數、循環掃描周期及用戶程序容量等要求,選用LG公司生產的MASTER-K120S系列中的K7M-DRT30U型PLC。該系列PLC有18點直流電輸入(),4點繼電器輸出和4點晶體管輸出,可與外設進行RS-232和RS-485通信。此外,MASTER-K120S系列PLC具有集溫度采集和數據處理于一體的專用熱電偶模塊G7F-RD2A,這種智能轉換模塊集成16位A/D轉換器,15位數據位加1位符號位,分辨率達0.1℃,不需要任何外部變送器或外部電路。G7F-RD2A模塊可同時連接4個熱電偶傳感器,輸入4路溫度數據,用于多路溫度的采集。[4]

4控制系統的PLC軟件設計

下位機編程采用LG梯形圖編程語言。PLC控制程序采用模塊化編程形式,溫度控制過程中只需調用子程序模塊,從而降低程序的復雜程度,方便程序的修改。整個程序包括主程序模塊、初始化程序模塊、溫度采集程序模塊、主副溫區壓縮機啟停程序模塊、主副溫區加熱器啟停程序模塊、副溫區化霜加熱器啟停程序模塊和故障報警子程序模塊。開發中需要注意以下幾個問題。

4.1溫度采集和處理

選擇主溫區第1個傳感器作為采集點,程序每掃描執行1次就采集1次溫度。若第1個傳感器發生故障,則選擇第2個傳感器,依次類推。如果1個或2個傳感器發生故障,則在液晶屏上顯示;如果3個傳感器均出現故障,除在液晶屏上顯示外,報警指示燈亮,同時不再控制主溫區。

4.2溫度控制

溫控設備的啟停均以溫度和時間為參數,具有一定的相似性,現僅以主溫區溫度控制為例,程序流程如圖1所示。主副溫區均配置一主一副2組壓縮機。首先啟動主壓縮機,若在設定時間內庫內溫度值未落入設定的溫度區間,則啟動副壓縮機。循環風機可使制冷產生的冷量和制熱產生的熱量迅速傳至溫區并保證溫度均勻。

圖1主溫區程序流程

因溫度區間小,若加熱器在運行狀態下持續加熱,容易導致溫度波動過大,造成壓縮機頻繁啟停,所以在編制加熱器工作程序時,可用設定占空比的PWM波驅動加熱器的啟停。比如,使加熱器間歇工作,間隔時間為,并保留一定的溫度余量,從而實現對溫度的精確控制。

4.3故障報警

PLC通過電流傳感器和電壓傳感器檢測設備的過流過壓情況,并在程序中對設備運行進行計時。對于異常情況,有的必須報警,有的則不必。例如,通過選擇合適的時間參數,可避免主副溫區溫控設備工作超時的情況發生。設備的工作狀態可通過上位機的監控面板直接觀察。

4.4其他注意事項

制冷機組啟動瞬間電流較大,主副溫區共4臺機組在剛開始工作時可能同時啟動。為確保系統安全運行,應當盡量避免主副溫區同時制冷。

5結束語

以PLC為控制中心的冷藏庫集裝箱自動溫控系統已經投入使用,運行穩定可靠,能夠滿足特殊醫藥制品的低溫儲運需求,控制精度達到。該系統結構簡單,實用性強,利用PLC良好的擴展性,擴展其他輸入輸出模塊,可組成功能更加強大的綜合控制系統。

參考文獻:

[1] 劉景漢,韓瑋,潘紀春,等. 非4℃條件儲運后CPDA血液保存期的變化[J]. 中國醫師雜志,2004,6(11):46-47.

[2] 張輝,張浩. 基于PLC的聯華集團溫控系統的設計與實現[J]. 自動化與儀器儀表,2002(3): 15-16.

[3] 談士力,張海洪,馮星華. 基于VB的PLC與微機通信及其應用[J]. 系統工程與電子技術,2001,23(3): 91-94.

[4] 黃菊生,胡爭先,唐喚清. 基于PLC和PC的溫控系統設計與開發[J]. 自動化儀表,2005, 26(4): 48-50.

(編輯:張敏收稿日期:2009-06-09)