基于PLC控制的倉庫溫度調節系統優化設計

陸晶晶

（遼寧石化職業技術學院，遼寧 錦州 121001）

倉庫的溫度自適應調節控制系統設計是保證倉庫物品儲存安全的基礎。通過PLC可編程邏輯控制實現對倉庫溫度的自適應控制，保障物品的存儲安全。PLC可編程邏輯控制器，它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，PLC可編程邏輯控制的整個射頻識別工作無須外界人工干預，可工作于各種惡劣環境，特別適用于對大型物流倉庫的溫度自適應控制調節環境中。PLC可編程邏輯控制的中央處理單元（CPU）是其控制中樞。PLC按照可編程邏輯控制器系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據，采用基于PLC的無線組網方法，在大型物流倉庫中布設多個節點，通過在中心控制單元中設置中斷觸發采集機制，實現溫度采集和控制。研究倉庫溫度的優化自適應控制調節系統設計技術，對優化物品存儲條件具有重要意義［1］。

傳統的控制系統設計中，主要采用EPGA／CPLD控制方案，具有實時性和穩定性不好的問題。采用PID控制系統、模糊神經網絡控制系統、專家控制系統等自組織學習和復合控制方案，結合相關的邏輯控制編程器件，實現對溫度的自適應控制調節。但傳統的控制方法具有時效性差、控制精度不好的問題。對此相關文獻進行了算法改進，其中文獻［2］提出一種基于進化迭代方法倉庫溫濕度監控方法，通過對環境溫度感知采集，實現對倉庫溫度的自適應調節，但是該控制系統具有精度較差的缺點；文獻［3］采用DSP控制設計，把倉庫溫度調節控制分為輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段，實現自適應控制，但是該控制系統采用大功率信號進行通信，在不進行數據傳輸時，系統進入休眠期，導致倉庫溫度調節中斷，適應性不好。PLC可編程邏輯控制器，它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，在溫度調節控制中具有較好的自適應性。因此，本文呢針對上述問題，采用可編程邏輯控制實現對倉庫溫度的自適應控制，提出一種基于PLC控制的倉庫溫度調節系統優化設計方案，通過系統設計和仿真實驗，得到了有效的結論。

1 PLC可編程邏輯控制倉庫溫度調節基本結構

基于PLC可編程邏輯控制的倉庫溫度調節系統分為PLC可編程邏輯控制軟件與PLC可編程邏輯控制硬件兩部分。硬件是框架，軟件是心臟，許多的PLC可編程邏輯控制產品中都需要PLC可編程邏輯控制軟件來提高其性能。成功的PLC可編程邏輯控制系統設計，須開發一個合適的軟件和硬件平臺［4］。整個PLC可編程邏輯控制系統的體系結構可分成四個結構：PLC可編程邏輯控制處理器、PLC可編程邏輯控制外圍設備、PLC可編程邏輯控制操作系統和PLC可編程邏輯控制應用軟件，其層次關系及操作流程如圖1所示。

圖1 PLC可編程邏輯控制系統總體結構

（1）PLC可編程邏輯控制處理器

PLC可編程邏輯控制處理器與通用處理器的不同在于，PLC可編程邏輯控制CPU大多范圍在為指定用戶群所特定的系統中，它通過CPU中的主板完成對程序數據的統計傳輸到芯片內部，從而有利于PLC可編程邏輯控制系統在設計時趨于小型化的發展，同時還具有很高的效率和可靠性［5］。

（2）PLC可編程邏輯控制外圍設備

PLC可編程邏輯控制系統硬件中，除主要控制部件（MCU、DSP、EMPU、SOC）外，還包括用于控制存儲、通信、調試、顯示等輔助性能的其它硬件，即PLC可編程邏輯控制外圍設備。

（3）PLC可編程邏輯控制操作系統

為使PLC可編程邏輯控制系統更加迅速發展，需有專業負責管理存儲器分配、中斷處理、任務調度等功能的軟件程序，被統稱為PLC可編程邏輯控制操作系統。

（4）PLC可編程邏輯控制應用軟件

PLC可編程邏輯控制應用軟件是針對一定應用區域，基于固定的程序平臺，來達到用戶預想的PLC可編程邏輯控制軟件，由于用戶可能有速度和準確上的目標，因此一些PLC可編程邏輯控制程序需一定PLC可編程邏輯控制操作系統的支持。

基于上述分析，采用PLC可編程邏輯控制進行倉庫溫度調節的系統開發流程如圖2所示。

圖2 采用PLC可編程邏輯控制進行倉庫溫度調節的系統開發流程

圖2中，PLC可編程邏輯控制包括輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。系統設計過程包括如下幾個方面：

（1）系統需求分析 確定設計目標，且規劃設計規格承諾，提出設計程序的驗收標準。

（2）體系結構設計 設計系統實現功能和非功能要求，包括對硬件、軟件以及系統的軟件、硬件選型等。

（3）硬件／軟件協同設計 基于體系結構對系統的軟件、硬件進行詳細設計。

（4）系統集成 把系統的軟件、硬件和執行裝置集成一個開發程序，發現并改進單元設計過程中的誤差。

（5）系統測試 對系統程序進行調試，檢查是否滿足功能要求［6］。

2 基于PLC的溫度調節控制算法設計

在上述總體模型設計的基礎上，進行基于PLC的溫度調節控制算法設計。進行倉庫溫度傳感數據的狀態模式挖掘，采用PLC控制器進行倉庫的溫度調節時，溫度變化率、積分時間和微分時間通過線性組合的方式進行控制，得到倉庫溫度傳感數據的自相關控制狀態方程為：

式中Lq——PLC邏輯編程控制溫度變化率；

UJ——積分時間；

UE——微分時間。

倉庫溫度控制方程表示為：

式中Lq——倉庫溫度變化率；

LJ——倉庫溫度采集積分參數；

LE——倉庫溫度控制的微分參數。

采用正態相關狀態特征提取方法，結合PID控制調節性能的自動模糊匹配的優點，在模糊控制理論中引入簡單解析式的控制規制，可表示為：

式中U——控制量；

α——配置權重系數。

采用PLC可編程邏輯控制組網分割可得溫度傳感數據的變化率為：

設溫度控制量偏差為e，在模糊控制器控制量偏差較大時，首先進行系統粗調，偏差較小是進行系統細調。實現倉庫溫度的自適應調節。

3 系統設計與實現

在完成上述模型設計和算法設計的基礎上，采用PLC可編程邏輯控制存儲器，實現系統設計，設計溫度傳感器的A／D采樣電路，由于PLC可編程邏輯控制器接收的信號必須是數字量，因此，數據采集板所采集到的輸出電壓、輸出電流、環境溫度等信息都要通過A／D轉換器進行轉換，如圖3所示。其中，檢測裝置中為PLC供電的電源電壓為5V，采用專業基準源芯片PLC來產生參考源Vref，PLC可編程邏輯控制IO口P17是用于AD所需始終信號輸出的，VIN和LIN是由電壓和電流信號調理電路產生的。由于設計時留出了足夠的端口，可以利用P1口對ADC0809進行啟動、信息讀取以及通道選擇等工作。

圖3 A／D采樣電路

倉庫溫度采集電路如圖4所示，為了提高電路的精度，采用PLC可編程邏輯控制來構成溫度采集電路，，如果距離值增大，便將R3減小到1 k。當測量裝置工作時，倉庫頂端太陽強烈的照射會使采溫部分所采集到的溫度失準，所以，在實際運行時，將采溫裝置置于百葉箱中以避免太陽的直射產生的誤差，并且，實際應用中對PLC可編程邏輯控制的傳感器探頭進行了專業的處理以提高裝置的精度。提高溫度控制精度。

圖4 溫度采集電路

完成上述三個階段稱作一個掃描周期，用戶程序執行過程中，只有輸入點在PLC可編程邏輯控制器I／O映象區內的狀態和數據不會發生變化，PLC可編程邏輯控制器系統的RAM存儲區內的狀態和數據都有可能發生變化，通過上述處理，實現溫度自適應調節控制。

4 系統測試

為了驗證本文設計的倉庫溫度控制系統在實現大型物流倉庫溫度調節中的性能，進行系統仿真測試。測試數據采集板由 MCU、電源模塊、LCD顯示電路、電壓采集電路、電流采集電路、溫度采集電路和串行通信電路幾部分組成，實驗環境為Pentium（R）4CPU，3.00GHZ，512M 內存的PC機上，通過 Matlab 2011b進行編程，PLC可編程邏輯控制器片內含4kBytes ISP（In-system programmable）的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，仿真以一組存儲條件需求溫度為10°的存儲實驗環境為例，得到PLC可編程邏輯控制器倉庫溫度控制規則見表1。

表1 倉庫溫度控制規則

根據本文設計的系統，進行倉庫溫度自適應調節控制，得到倉庫溫度自適應調節跟蹤曲線如圖5所示。

圖5 倉庫溫度自適應調節跟蹤曲線及對比

分析上述結果可見，采用本文設計的基于PLC可編程邏輯控制的倉庫溫度調節系統，具有較好的溫度控制性能，溫度控制精度為0.5°C，誤差較傳統系統縮小，對保證貨物存儲條件方面具有優越性。

5 結語

通過對大型物流倉庫的溫度自適應控制條件，提高倉儲貨物的存儲條件和性能。基于PLC可編程邏輯控制器，提出一種基于PLC控制的倉庫溫度調節系統優化設計方案。基于PLC可編程邏輯控制的倉庫溫度調節系統分為PLC可編程邏輯控制軟件與PLC可編程邏輯控制硬件兩部分。整個PLC可編程邏輯控制系統的體系結構可分成四個結構。進行倉庫溫度傳感數據的狀態模式挖掘，采用PLC控制器進行倉庫的溫度調節時，溫度變化率、積分時間和微分時間通過線性組合的方式進行控制，得到倉庫溫度傳感數據的自相關控制狀態方程，最后實現系統的A／D采樣電路和溫度采集電路的硬件設計。測試結果表明，本文設計的系統具有較好的倉庫溫度控制調節性能，誤差較小，提高了倉庫存儲條件。

［1］ 王曉燕，周志文，吳 韜.溫室大棚溫度控制系統的設計［J］.自動化與儀器儀表，2013（3）：63-64.

［2］ 鄧 雯，羅金耀，李小平.自然通風條件下塑料大棚溫度和濕度模擬［J］.灌溉排水學報，2013（2）：10-14.

［3］ LV Z，WU X，LI M，et al.A novel eye movement detection algorithm for EOG driven human computer interface［J］.Pattern Recognition Letters，2012，31（9）：1041-1047.

［4］ 楊 晶，王鐵濱，孫珊珊，等.模糊控制在溫室大棚溫度控制系統中的應用［J］.軟件工程師，2013（7）：30-32.

［5］ 陳 宇.基于DS18B20的溫室大棚溫度檢測報警系統［J］.遼寧師專學報（自然科學版），2012（2）：91-92，107.

［6］ 李先山.基于PLC的蔬菜大棚溫度控制系統［J］.蘭州工業高等專科學校學報，2012（4）：14-16.