基于PLC控制的倉(cāng)庫(kù)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

陸晶晶

（遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

倉(cāng)庫(kù)的溫度自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是保證倉(cāng)庫(kù)物品儲(chǔ)存安全的基礎(chǔ)。通過(guò)PLC可編程邏輯控制實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)庫(kù)溫度的自適應(yīng)控制，保障物品的存儲(chǔ)安全。PLC可編程邏輯控制器，它采用一類(lèi)可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，PLC可編程邏輯控制的整個(gè)射頻識(shí)別工作無(wú)須外界人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，特別適用于對(duì)大型物流倉(cāng)庫(kù)的溫度自適應(yīng)控制調(diào)節(jié)環(huán)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(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)，采用基于PLC的無(wú)線組網(wǎng)方法，在大型物流倉(cāng)庫(kù)中布設(shè)多個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)在中心控制單元中設(shè)置中斷觸發(fā)采集機(jī)制，實(shí)現(xiàn)溫度采集和控制。研究倉(cāng)庫(kù)溫度的優(yōu)化自適應(yīng)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)優(yōu)化物品存儲(chǔ)條件具有重要意義［1］。

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要采用EPGA／CPLD控制方案，具有實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性不好的問(wèn)題。采用PID控制系統(tǒng)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、專(zhuān)家控制系統(tǒng)等自組織學(xué)習(xí)和復(fù)合控制方案，結(jié)合相關(guān)的邏輯控制編程器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的自適應(yīng)控制調(diào)節(jié)。但傳統(tǒng)的控制方法具有時(shí)效性差、控制精度不好的問(wèn)題。對(duì)此相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了算法改進(jìn)，其中文獻(xiàn)［2］提出一種基于進(jìn)化迭代方法倉(cāng)庫(kù)溫濕度監(jiān)控方法，通過(guò)對(duì)環(huán)境溫度感知采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)庫(kù)溫度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，但是該控制系統(tǒng)具有精度較差的缺點(diǎn)；文獻(xiàn)［3］采用DSP控制設(shè)計(jì)，把倉(cāng)庫(kù)溫度調(diào)節(jié)控制分為輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，但是該控制系統(tǒng)采用大功率信號(hào)進(jìn)行通信，在不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入休眠期，導(dǎo)致倉(cāng)庫(kù)溫度調(diào)節(jié)中斷，適應(yīng)性不好。PLC可編程邏輯控制器，它采用一類(lèi)可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，在溫度調(diào)節(jié)控制中具有較好的自適應(yīng)性。因此，本文呢針對(duì)上述問(wèn)題，采用可編程邏輯控制實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)庫(kù)溫度的自適應(yīng)控制，提出一種基于PLC控制的倉(cāng)庫(kù)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)，得到了有效的結(jié)論。

1 PLC可編程邏輯控制倉(cāng)庫(kù)溫度調(diào)節(jié)基本結(jié)構(gòu)

基于PLC可編程邏輯控制的倉(cāng)庫(kù)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)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(chǎn)品中都需要PLC可編程邏輯控制軟件來(lái)提高其性能。成功的PLC可編程邏輯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，須開(kāi)發(fā)一個(gè)合適的軟件和硬件平臺(tái)［4］。整個(gè)PLC可編程邏輯控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)可分成四個(gè)結(jié)構(gòu)：PLC可編程邏輯控制處理器、PLC可編程邏輯控制外圍設(shè)備、PLC可編程邏輯控制操作系統(tǒng)和PLC可編程邏輯控制應(yīng)用軟件，其層次關(guān)系及操作流程如圖1所示。

圖1 PLC可編程邏輯控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

（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(tǒng)中，它通過(guò)CPU中的主板完成對(duì)程序數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)傳輸?shù)叫酒瑑?nèi)部，從而有利于PLC可編程邏輯控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)趨于小型化的發(fā)展，同時(shí)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(shè)備

PLC可編程邏輯控制系統(tǒng)硬件中，除主要控制部件（MCU、DSP、EMPU、SOC）外，還包括用于控制存儲(chǔ)、通信、調(diào)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(shè)備。

（3）PLC可編程邏輯控制操作系統(tǒng)

為使PLC可編程邏輯控制系統(tǒng)更加迅速發(fā)展，需有專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)管理存儲(chǔ)器分配、中斷處理、任務(wù)調(diào)度等功能的軟件程序，被統(tǒng)稱(chēng)為PLC可編程邏輯控制操作系統(tǒng)。

（4）PLC可編程邏輯控制應(yīng)用軟件

PLC可編程邏輯控制應(yīng)用軟件是針對(duì)一定應(yīng)用區(qū)域，基于固定的程序平臺(tái)，來(lái)達(dá)到用戶預(yù)想的PLC可編程邏輯控制軟件，由于用戶可能有速度和準(zhǔn)確上的目標(biāo)，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(tǒng)的支持。

基于上述分析，采用PLC可編程邏輯控制進(jìn)行倉(cāng)庫(kù)溫度調(diào)節(jié)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程如圖2所示。

圖2 采用PLC可編程邏輯控制進(jìn)行倉(cāng)庫(kù)溫度調(diào)節(jié)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

圖2中，PLC可編程邏輯控制包括輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程包括如下幾個(gè)方面：

（1）系統(tǒng)需求分析 確定設(shè)計(jì)目標(biāo)，且規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)格承諾，提出設(shè)計(jì)程序的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

（2）體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能和非功能要求，包括對(duì)硬件、軟件以及系統(tǒng)的軟件、硬件選型等。

（3）硬件／軟件協(xié)同設(shè)計(jì) 基于體系結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的軟件、硬件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

（4）系統(tǒng)集成 把系統(tǒng)的軟件、硬件和執(zhí)行裝置集成一個(gè)開(kāi)發(fā)程序，發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)單元設(shè)計(jì)過(guò)程中的誤差。

（5）系統(tǒng)測(cè)試 對(duì)系統(tǒng)程序進(jìn)行調(diào)試，檢查是否滿足功能要求［6］。

2 基于PLC的溫度調(diào)節(jié)控制算法設(shè)計(jì)

在上述總體模型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基于PLC的溫度調(diào)節(jié)控制算法設(shè)計(jì)。進(jìn)行倉(cāng)庫(kù)溫度傳感數(shù)據(jù)的狀態(tài)模式挖掘，采用PLC控制器進(jìn)行倉(cāng)庫(kù)的溫度調(diào)節(jié)時(shí)，溫度變化率、積分時(shí)間和微分時(shí)間通過(guò)線性組合的方式進(jìn)行控制，得到倉(cāng)庫(kù)溫度傳感數(shù)據(jù)的自相關(guān)控制狀態(tài)方程為：

式中Lq——PLC邏輯編程控制溫度變化率；

UJ——積分時(shí)間；

UE——微分時(shí)間。

倉(cāng)庫(kù)溫度控制方程表示為：

式中Lq——倉(cāng)庫(kù)溫度變化率；

LJ——倉(cāng)庫(kù)溫度采集積分參數(shù)；

LE——倉(cāng)庫(kù)溫度控制的微分參數(shù)。

采用正態(tài)相關(guān)狀態(tài)特征提取方法，結(jié)合PID控制調(diào)節(jié)性能的自動(dòng)模糊匹配的優(yōu)點(diǎn)，在模糊控制理論中引入簡(jiǎn)單解析式的控制規(guī)制，可表示為：

式中U——控制量；

α——配置權(quán)重系數(shù)。

采用PLC可編程邏輯控制組網(wǎng)分割可得溫度傳感數(shù)據(jù)的變化率為：

設(shè)溫度控制量偏差為e，在模糊控制器控制量偏差較大時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)粗調(diào)，偏差較小是進(jìn)行系統(tǒng)細(xì)調(diào)。實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)溫度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在完成上述模型設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用PLC可編程邏輯控制存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(hào)必須是數(shù)字量，因此，數(shù)據(jù)采集板所采集到的輸出電壓、輸出電流、環(huán)境溫度等信息都要通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如圖3所示。其中，檢測(cè)裝置中為PLC供電的電源電壓為5V，采用專(zhuān)業(yè)基準(zhǔn)源芯片PLC來(lái)產(chǎn)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(hào)輸出的，VIN和LIN是由電壓和電流信號(hào)調(diào)理電路產(chǎn)生的。由于設(shè)計(jì)時(shí)留出了足夠的端口，可以利用P1口對(duì)ADC0809進(jìn)行啟動(dòng)、信息讀取以及通道選擇等工作。

圖3 A／D采樣電路

倉(cāng)庫(kù)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(lái)構(gòu)成溫度采集電路，，如果距離值增大，便將R3減小到1 k。當(dāng)測(cè)量裝置工作時(shí)，倉(cāng)庫(kù)頂端太陽(yáng)強(qiáng)烈的照射會(huì)使采溫部分所采集到的溫度失準(zhǔn)，所以，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，將采溫裝置置于百葉箱中以避免太陽(yáng)的直射產(chǎn)生的誤差，并且，實(shí)際應(yīng)用中對(duì)PLC可編程邏輯控制的傳感器探頭進(jìn)行了專(zhuān)業(yè)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(gè)階段稱(chēng)作一個(gè)掃描周期，用戶程序執(zhí)行過(guò)程中，只有輸入點(diǎn)在PLC可編程邏輯控制器I／O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，PLC可編程邏輯控制器系統(tǒng)的RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，通過(guò)上述處理，實(shí)現(xiàn)溫度自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的倉(cāng)庫(kù)溫度控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)大型物流倉(cāng)庫(kù)溫度調(diào)節(jié)中的性能，進(jìn)行系統(tǒng)仿真測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)環(huán)境為Pentium（R）4CPU，3.00GHZ，512M 內(nèi)存的PC機(jī)上，通過(guò) Matlab 2011b進(jìn)行編程，PLC可編程邏輯控制器片內(nèi)含4kBytes ISP（In-system programmable）的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，仿真以一組存儲(chǔ)條件需求溫度為10°的存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)環(huán)境為例，得到PLC可編程邏輯控制器倉(cāng)庫(kù)溫度控制規(guī)則見(jiàn)表1。

表1 倉(cāng)庫(kù)溫度控制規(guī)則

根據(jù)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，進(jìn)行倉(cāng)庫(kù)溫度自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制，得到倉(cāng)庫(kù)溫度自適應(yīng)調(diào)節(jié)跟蹤曲線如圖5所示。

圖5 倉(cāng)庫(kù)溫度自適應(yīng)調(diào)節(jié)跟蹤曲線及對(duì)比

分析上述結(jié)果可見(jiàn)，采用本文設(shè)計(jì)的基于PLC可編程邏輯控制的倉(cāng)庫(kù)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，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(tǒng)系統(tǒng)縮小，對(duì)保證貨物存儲(chǔ)條件方面具有優(yōu)越性。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大型物流倉(cāng)庫(kù)的溫度自適應(yīng)控制條件，提高倉(cāng)儲(chǔ)貨物的存儲(chǔ)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(cāng)庫(kù)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案?；赑LC可編程邏輯控制的倉(cāng)庫(kù)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)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(gè)PLC可編程邏輯控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)可分成四個(gè)結(jié)構(gòu)。進(jìn)行倉(cāng)庫(kù)溫度傳感數(shù)據(jù)的狀態(tài)模式挖掘，采用PLC控制器進(jìn)行倉(cāng)庫(kù)的溫度調(diào)節(jié)時(shí)，溫度變化率、積分時(shí)間和微分時(shí)間通過(guò)線性組合的方式進(jìn)行控制，得到倉(cāng)庫(kù)溫度傳感數(shù)據(jù)的自相關(guān)控制狀態(tài)方程，最后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的A／D采樣電路和溫度采集電路的硬件設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較好的倉(cāng)庫(kù)溫度控制調(diào)節(jié)性能，誤差較小，提高了倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)條件。

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