基于PLC 的食品藥品恒溫恒濕培養室監控系統設計

劉德勝，陳曉偉，劉云鵬，史慶武

（佳木斯大學 信息電子技術學院，佳木斯154007）

隨著我國科技的發展和食品、藥品生產需求的增加，人們對食品、藥品的質量有了更高水平的要求， 它的質量問題一直是大家持續廣泛關注的問題，無論是在植物栽培、藥品、食品存儲及運輸和科學研制等方面都要對溫度和濕度進行測量和監控，進行精準的數據信息處理[1-3]。 而恒溫恒濕培養室是使用專用控制設備將室內的溫度和濕度調到一定的范圍，并在這一情況下進行培養試驗。 由于培養室的多變性和復雜性，一些傳統的實驗設備已經不能滿足于當前高效的實驗要求，對產品的質量沒有確切的保障， 使培養室在試驗過程出現了很多問題，這些問題不能及時的解決，大大延長了試驗的時間，影響了試驗的進展[4-6]。 本文采用西門子Smart系列PLC+觸摸屏作為控制核心， 并通過無線模塊實現培養室溫濕度的遠程監控。

1 恒溫恒濕培養室工藝要求

恒溫恒濕培養室將室內的溫濕度調節到其標準的范圍，并進行溫濕度的調控，使其能夠進行高質量精確的培養[7-8]。 恒溫恒濕培養室作為一種高精度的培養技術，需要滿足如下要求：

（1）要求風道循環設計送風均勻，保證培養室內溫濕度的均一性。 同時應該調控好培養室內應該有足夠數量的傳感器，以便能夠更好的測量每個地方的溫濕度變化情況，及時的進行調整；

（2）要求系統設置三級授權管理，分為操作員級，工藝員級、工程師級，可以通過不同的授權進行不同等級的操作。 進入用戶管理界面，可進行添加或刪除用戶，修改密碼等操作；

（3）要求顯示界面可以顯示工藝步驟所需要的參數、集中顯示各個工藝部分的進程、參數的變化；

（4）要求系統操作簡單，方便不熟悉設備的人員進行操作，具備歷史數據的存貯功能，所存貯的數據可以通過歷史趨勢曲線來顯示，也可以通過報表來顯示和查詢，歷史數據可以存貯12 個月；

（5）培養室內溫濕度的波動范圍：溫度波動范圍為±1 ℃、濕度波動范圍為±5%RH，不可過高或過低。

2 監控系統硬件設計

根據培養室工藝要求，本文設計的溫濕度監控系統主要由制冷降溫系統、送風循環系統、加熱系統、控制采集系統、監控記錄系統和遠程手機APP系統組成，系統結構如圖1 所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 Systematic structure diagram

2.1 數據采集及控制系統

系統要求控制溫濕度全程自動化，除有特殊要求外， 不加人工干預。 系統選用西門子Smart 系列PLC 作為CPU，EMAE08、EMAQ04 作為擴展模塊，選用西門子PT100 溫濕度傳感器（帶變送器）采集室內溫濕度。 基于本次培養室室內尺寸2000 mm*2200 mm*2000 mm，每個培養室選用6 個溫濕度傳感器測量室內溫濕度， 并將6 個傳感器采集到的數據平均值作為室內溫濕度值與系統設置上下限比較。

2.2 風道循環系統

培養室風道循環系統選用1 臺加濕機、2 臺除濕機，1 組電加熱器，1 臺軸流風機，空調機組，升溫、降溫系統完全獨立， 風道循環結構如圖2 所示，其空氣處理功能為過濾段+除濕段+表冷段+加濕段+表熱段+風機段。 室內風路循環采用頂部出風低側下部回風原理，使室內溫度分布均勻，更靜音，更好的保證良好的辦公環境及操作人員的工作環境[9]。

圖2 風道循環系統Fig.2 Air duct circulation system

2.3 觸摸屏設計和遠程控制

觸摸屏是基于WinCC 開發了整個監控畫面，主畫面如圖3 所示，該系統包括溫度設定窗口、設置報警溫度；當低于下限或高于上限時，主界面報警燈報警，可在報警界面查看報警，主界面報警復位，可消除聲音。 自動程序界面可以顯示工藝步驟所需要的參數。 可以集中顯示培養室內各個工藝部分的進程及參數的變化。 觸摸屏具有歷史數據的存貯功能，所存貯的數據可以通過歷史趨勢曲線來顯示或通過報表來顯示和查詢。

系統選用GTU 數據傳送模塊進行數據傳輸，該模塊可通過網絡（網頁版）遠程監控，同時可在手機上（APP）查看現場實時數據及下載歷史存儲數據，也可遠程接收報警短信， 并及時停止系統的運行等。 實時溫度顯示界面如圖4 所示。

圖3 觸摸屏主界面Fig.3 Touch screen home interface

圖4 培養室實時溫度Fig.4 Real-time temperature of incubator

3 軟件設計

3.1 主程序流程

系統主程序如圖5 所示，電源接通后，按下啟動按鈕后，PLC 進行掃描檢查系統故障；觸摸屏設置手動和自動2 種控制方式。 手動時，由觸摸屏手動實現各個環節的啟停，該方式主要用于該系統的安裝調試以及之后的設備檢修；自動時，系統自動運行，將溫濕度傳感器采集的數值與設定上下限值進行比較，PLC 通過比較的結果進行判斷并執行。

圖5 主程序流程Fig.5 Main program flow chart

3.2 溫濕度子程序

當系統自動運行時，PLC 將培養室6 個采集點的平均值與設定值進行比較，如果T平均≤T下限，則壓縮機停止運行，電加熱運行；若T平均＞T上限，則電加熱運行，壓縮機停止運行；若H平均≤H下限，則加濕器運行，除濕器停止運行；若H平均＞H上限，則除濕器運行，加濕器停止運行。 溫濕度子程序如圖6 所示。

圖6 溫濕度控制子程序Fig.6 Temperature and humidity control subroutine flow chart

4 結語

本文以PLC 為控制核心，設計了溫恒濕培養室遠程監控系統， 利用200-Smart 系列的PLC 和無線模塊組成的遠程監控系統可以滿足食品藥品培養室中溫濕度的工藝要求，實現了數據的遠程監控及遠程報警功能，觸摸屏可以直觀顯示培養室各個采集點溫濕度及平均值和變化曲線，設置溫濕度上下限等功能， 恒溫恒濕培養室中溫濕度變化均勻，波動范圍為溫度±1 ℃，濕度±5%RH。