基于西門子PLC的智能儲運糧倉設計

嚴佳佳，張志萍，呂宵宵

（揚州大學廣陵學院，揚州 225000）

0 引言

我國是一個農業大國，加快建設倉儲管理智慧化的糧食倉儲體系有助于筑牢大國糧倉，推進鄉村振興。傳統的糧食儲備倉庫大部分是以人工為主的粗放型管理，采用扦樣取糧，依賴人力，勞動強度大，已經不適用于目前的社會形勢，設計具備自動化、工業化特點的糧食存儲以及運輸倉迫在眉睫［1-3］。

本文基于西門子300PLC 設計了一款全自動控制系統的糧食存儲倉庫，只需較少的人工，節省人力資源［4-5］。通過硬件和軟件程序的設計，提升存儲空間的利用率；通過程序和機械設備的結構設計，提高糧食運輸的效率。

1 存儲糧食倉庫系統的控制方案簡介

本次設計的智能儲運糧倉系統，主要由輸送裝置、運轉裝置以及分揀裝置三部分組成。

所設計的智能儲運糧倉系統輸送裝置采用了帶傳動。因為糧食粒在傳輸過程中容易發生抖動，為了防止在輸送過程中滑落到地面，采用防滑性傳送帶。而對于糧食的傳輸來說，為了節約輸送時間、提升效率，采用光滑性傳送帶。

運轉裝置包括了設備的電機、牽引繩、改向裝置、驅動裝置等，整個傳送帶的運動以及運轉裝置的動力是由功率為5.5 kW 的電機將電能轉換成動能。牽引繩使用電機的力量為傳送帶提供牽引力，帶動履帶進行運轉；繞過每一個滾筒形成一個閉合圈狀運轉帶動履帶，實現糧食運輸工作。

分揀裝置主要是對糧食須和糧食粒進行分揀區別。上部是類似篩子的一個裝置，通過不斷抖動可以將糧食粒和糧食須初步分離開來；中部是一個具有一定區域的空間，能夠借用風力將糧食粒和糧食須再次分離，分離出的糧食粒進入下一步繼續運輸，而糧食須則進入處理區域進行下一步的利用。

2 糧食倉庫系統的硬件設計

2.1 硬件控制方案

現如今城市工業通信網絡化，使用較多的是西門子PLC，通信模塊化和編程工具的多樣化技術位于其他品牌前列，控制器之間的通訊連接能力強，兩個型號相同的可編程控制器經過網絡的連接，即可完成設計系統的整個通信，在拓展模塊和通信協議方面，也有著先進的技術。這些既可以擴展PLC 在各個行業的應用范圍，又提高了系統運轉的穩定性和可靠性。因此，選用PLC 作為智能儲運糧倉系統的核心控制器。

硬件部分主要包括PLC 控制器、電源模塊、輸入輸出模塊、通信模塊、拓展模塊。

PLC 控制器：接收輸入信號、處理邏輯信號、輸出控制信號，整個糧倉系統的運行由其控制。

電源模塊：為PLC 控制器以及其他模塊提供相對穩定的電源。

輸入輸出模塊：將傳感器中信號轉換為數字信號輸入到PLC 中，將PLC 輸出的數字信號轉換為控制信號輸出到執行器中。

通信模塊：PLC 控制器與其他設備之間的通信連接。

拓展模塊：用于擴展PLC 控制器的輸入輸出能力、存儲能力等。

2.2 變頻器的選型

將電氣控制柜中電動機直接集成到機器設備中，通過對G130 變頻器的參數設定和通訊模塊連接，采用TCP-IP 通訊方式，實現對電機速度控制的功能。通過設置變頻器輸出的電壓頻率的大小、電機啟停的加減速度大小、限制電機的最大輸出電流、過載保護時間和過載保護電流值等參數變量的值，實現電機的低、中、高三檔速度。

2.3 硬件接線圖

智能儲運糧倉系統的硬件部分主要包括PLC 控制器、輸入輸出模塊、電動機、光電傳感器、指示燈。接線圖如圖1所示。借由這些硬件，可以實現對糧倉內糧食存儲量的實時監控，并將收到的數據通過通訊模塊（如以太網、無線網絡等通訊方式）發送給上位計算機或云端服務器模塊。

圖1 智能儲運糧倉系統的硬件接線圖

2.4 智能儲運糧倉系統的符號表

智能儲運糧倉控制系統的控制使用四個按鈕分別實現啟動、停止、入倉、出倉動作，并通過指示燈顯示工作狀態。智能儲運糧倉系統控制符號表如表1 所示。具體描述功能實現原理：糧食經過傳送帶，對光源到傳感器的光路遮擋，形成脈沖信號。光電傳感器PS1、PS2 將檢測到的信息轉換成電信號輸送到PLC 的輸入模塊各輸入端口中。檢測到糧食進料時，則輸出高電平信號，電機啟動；檢測到糧倉中糧食達到一定高度時，則輸出低電平信號，電機停止；糧食存儲量低于一定值時，會自動啟動進料裝置。PLC 根據輸入信號控制糧倉空指示燈：當PS1、PS2 均未檢測到糧食進料時，指示燈HL1 亮起，糧倉為空；當PS1 或PS2 檢測到糧食進料時，糧倉中的糧食存儲量≥20%時，指示燈HL2 亮起。HL3、 HL4、 HL5 指示燈與其工作原理相同。糧倉中的糧食存儲量滿倉時，PS1、PS2 同時輸出低電平信號，PLC 輸出高電平信號，指示燈HL6亮。

表1 智能儲運糧倉系統控制符號

2.5 輸入輸出地址表分配

通過對所設計智能儲運糧倉系統進行分析，將提前設定的符號表用SIMATIC Manager 軟件進行符號表組態。智能糧倉系統的生產線符號表如圖2所示。

圖2 智能糧倉系統的生產線符號表

3 糧食倉庫系統PLC軟件設計

3.1 糧倉系統的程序編寫

糧食開始運入糧倉工作，傳送帶由按鈕進行隨時控制。按下SB1，電機M1 接通自鎖，傳送帶1 動作，糧食運入糧倉；按下SB2，傳送帶1停止。系統自動檢測糧倉的存儲量，根據設定的指示燈顯示出來。傳送帶的運行速度通過按鈕進行控制，確保糧食的穩定運輸。如圖3 所示，在糧倉系統中，入倉動作進行。同樣，出倉工作原理類似，設計SB3、SB4 兩個按鈕，分別控制傳送帶2開啟和停止動作，實現將糧食運出糧倉。

圖3 智能儲運糧倉系統控制入倉動作程序段

當啟動糧食入倉動作時，安裝在傳送帶兩側的進料光電傳感器發出光束，通過檢測光束是否被遮擋來判斷糧食的數量，并且通過稱重或測量體積的方式實時記錄入倉糧食的數量，如圖4所示。

糧倉系統將計數轉換成百分數，通過指示燈來顯示實時糧食存儲量。糧倉總容量定為100%，糧食實時存儲量轉換為百分比。一旦糧倉內糧食存儲量發生變化，系統會重新計算糧倉存儲量百分比，以便指示燈動作。如圖5所示程序段控制顯示糧食儲存量，并以百分比的形式顯示。

圖5 智能儲運糧倉系統顯示糧食實時存儲量程序段

3.2 基于西門子PLC糧食倉庫系統的仿真調試

使用WICC軟件，先創建系統項目，導入符號表，管理內部變量。打開圖形編輯器，準備畫圖。最開始設置倉庫內使用率為零，即倉庫為空倉，并且倉庫的第一個指示燈常亮為綠色，表示智能儲運糧倉為空。如圖6所示，糧倉系統光電感應器開始入倉動作。

圖6 智能儲運糧倉系統光電感應器開始入倉動作

3.3 仿真效果展示

糧食入倉工作狀態，仿真效果如圖7 所示。按下啟動按鈕SB1，電機開始工作，傳送帶開始運行，安裝在傳送帶兩側的進料光電傳感器檢測入倉數量，不同的指示燈亮起表示糧食入倉數量的變化情況。當糧食入倉達到糧倉的限制值后，“糧倉滿”指示燈亮起，表示此時糧倉使用率為100%，處于滿倉狀態，糧食入倉動作停止。

圖7 智能儲運糧倉系統工作狀態仿真效果

按下SB3 按鈕，電機M2 開始工作，出倉傳送帶開始運行，由指示燈指示糧倉內剩余的糧食數量。糧食出倉工作進行一段時間后，圖7所示為糧倉內剩余的糧食數量為60%的工作狀態。當剩余糧食數量為空倉狀態（即剩余數量為0時），“糧倉空”指示燈HL1 再次亮起。光電傳感器檢測到糧倉空，出料完畢。按下停止按鈕，電動機M2停止運轉，糧倉停止出倉。

3.4 仿真模擬調試目的

通過WinCC 軟件仿真模擬真實的糧倉系統，驗證控制程序和所需實現的功能是否符合要求，檢測系統的穩定性能，對程序設計及時調試和排除故障，以便后續系統安全、穩定、高效地運行，滿足儲運糧倉的實際需求，為實際應用提供參考。

4 結語

本文闡述了基于西門子300PLC 控制器設計的智能儲運糧倉系統，通過硬件設計和軟件設計，實現糧倉自動化和監測糧食儲運過程。當糧食進出料時，光電傳感器對糧食進行監測和數據采集，指示燈指示糧食存儲量。西門子STEP 7 軟件編寫PLC 程序，WinCC 軟件仿真調試程序，實現智能儲運糧倉自動控制和報警系統等功能。所設計的智能儲運糧倉系統考慮糧食的儲存容量以及糧食的運輸等問題，實現糧食儲運過程的智能化。