基于PLC的新型冷藏庫(kù)集裝箱溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮曉星 孟芳芳 張慶勇

摘要為了提高特殊醫(yī)藥制品的運(yùn)輸質(zhì)量,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基于PLC的新型冷藏庫(kù)集裝箱溫控系統(tǒng)。上位機(jī)利用VB軟件編程設(shè)計(jì)人機(jī)界面,可在線監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行;通過(guò)串口與PLC通信,控制主副溫區(qū)溫控設(shè)備的啟停,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制。實(shí)踐證明,該系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞冷藏;集裝箱;PLC;溫控系統(tǒng)

0引言

現(xiàn)代集裝箱運(yùn)輸具有標(biāo)準(zhǔn)化程度高、設(shè)備配套性強(qiáng)和便于管理等優(yōu)點(diǎn),是醫(yī)藥制品等物資常用的運(yùn)輸方式。不同醫(yī)藥制品對(duì)儲(chǔ)存環(huán)境的溫度要求不同:一般藥品要求常溫儲(chǔ)存,避免高溫日曬;疫苗和生物制品要求環(huán)境溫度保持在4~6℃;冰凍血漿和冷沉淀要求環(huán)境溫度達(dá)到20℃以下。[1]為了保證醫(yī)藥制品的運(yùn)輸質(zhì)量,設(shè)計(jì)基于可編程邏輯控制器(PLC)的新型冷藏庫(kù)集裝箱自動(dòng)溫控系統(tǒng),該系統(tǒng)人機(jī)接口界面友好且控制功能完善。

1系統(tǒng)描述

該溫控系統(tǒng)原理如下:根據(jù)不同醫(yī)藥制品對(duì)環(huán)境溫度的不同要求,將集裝箱分隔成配有獨(dú)立溫控裝置的主溫區(qū)和副溫區(qū),并可根據(jù)需要設(shè)置溫控?fù)跷?達(dá)到延長(zhǎng)儲(chǔ)運(yùn)時(shí)間的目標(biāo)。主溫區(qū)主要用于儲(chǔ)存疫苗和生物制品等,溫控范圍為2~8℃,設(shè)有疫苗擋(2~8℃)、血液擋(4~6℃)和自設(shè)定擋,自設(shè)定擋允許操作人員在一定范圍內(nèi)任意設(shè)定溫控上下限,具有低溫加熱補(bǔ)償功能;副溫區(qū)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(shè)有疫苗擋(2~8℃)、血液擋(4~6℃)、冷沉淀?yè)?30~20℃)和自設(shè)定擋。

溫控系統(tǒng)共有5個(gè)溫度傳感器,其中主溫區(qū)3個(gè),副溫區(qū)1個(gè),還有1個(gè)用于檢測(cè)環(huán)境溫度。溫度傳感器的型號(hào)為PT-100(鎧封),測(cè)量范圍為200~600℃。溫控設(shè)備主要包括制冷機(jī)組、加熱器和循環(huán)風(fēng)機(jī)等機(jī)組部件。制冷機(jī)組采用特種制冷劑和蒸汽壓縮式循環(huán)技術(shù),可實(shí)現(xiàn)30℃的低溫,具有制冷效能高、啟動(dòng)電流小、能耗低和低溫運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。制冷機(jī)組與加熱器配合工作可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lái)的實(shí)時(shí)溫度信息,自動(dòng)選擇合格測(cè)溫點(diǎn)作為控制依據(jù)。當(dāng)溫度高于閾值上限時(shí),啟動(dòng)壓縮機(jī)制冷;當(dāng)溫度低于閾值下限時(shí),關(guān)閉壓縮機(jī)并開(kāi)啟電加熱器,提高庫(kù)內(nèi)溫度。在空載情況下,集裝箱內(nèi)的溫度從46℃降到4℃所需時(shí)間不超過(guò),溫度均勻性為。

(2)除霜因主溫區(qū)溫度恒大于零,所以僅在副溫區(qū)安裝化霜加熱器。制冷機(jī)組運(yùn)行時(shí)間累計(jì)達(dá)到設(shè)定時(shí)長(zhǎng)時(shí),化霜加熱器開(kāi)始工作,同時(shí)關(guān)閉副溫區(qū)除循環(huán)風(fēng)機(jī)外的其他設(shè)備。副溫區(qū)溫度或化霜時(shí)長(zhǎng)達(dá)到設(shè)定值時(shí),化霜加熱器停止工作,延遲一段時(shí)間后,副溫區(qū)其他設(shè)備恢復(fù)正常工作。

(3)故障檢測(cè)報(bào)警為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,方便人員檢修,系統(tǒng)對(duì)以下3個(gè)方面的故障或異常情況進(jìn)行檢測(cè)或報(bào)警:①傳感器和中間繼電器工作狀態(tài)異常;②制冷設(shè)備過(guò)壓過(guò)流;③制冷設(shè)備工作時(shí)間異常。其中,前2項(xiàng)故障可能導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行,需要報(bào)警提醒;工作時(shí)間異常則可能是因系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)而引起的,無(wú)需報(bào)警。[2]

(4)上位機(jī)監(jiān)控人機(jī)監(jiān)控界面采用VB 6.0軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā),主要包括監(jiān)控界面、參數(shù)設(shè)置以及與PLC通信等方面的設(shè)計(jì)。監(jiān)控界面分為3個(gè)區(qū)域,即當(dāng)前溫度區(qū)、設(shè)備狀態(tài)區(qū)和設(shè)置區(qū)。當(dāng)前溫度區(qū)動(dòng)態(tài)顯示5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)采集到的溫度和主副溫區(qū)的工作擋位,若檢測(cè)到溫度傳感器發(fā)生故障,則溫度顏色由藍(lán)色變?yōu)榧t色。設(shè)備狀態(tài)區(qū)反映各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障位置。點(diǎn)擊設(shè)置區(qū)的按鈕,可在下拉菜單中選擇主副溫區(qū)的工作擋位,并對(duì)擋位的溫度和時(shí)間閾值及系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完成后,將所設(shè)值寫入PLC相應(yīng)的存儲(chǔ)單元,并啟動(dòng)主副溫區(qū)制冷控制,系統(tǒng)即進(jìn)入工作狀態(tài)。[3]

3硬件配置

根據(jù)系統(tǒng)所需的輸入輸出點(diǎn)數(shù)、循環(huán)掃描周期及用戶程序容量等要求,選用LG公司生產(chǎn)的MASTER-K120S系列中的K7M-DRT30U型PLC。該系列PLC有18點(diǎn)直流電輸入(),4點(diǎn)繼電器輸出和4點(diǎn)晶體管輸出,可與外設(shè)進(jìn)行RS-232和RS-485通信。此外,MASTER-K120S系列PLC具有集溫度采集和數(shù)據(jù)處理于一體的專用熱電偶模塊G7F-RD2A,這種智能轉(zhuǎn)換模塊集成16位A/D轉(zhuǎn)換器,15位數(shù)據(jù)位加1位符號(hào)位,分辨率達(dá)0.1℃,不需要任何外部變送器或外部電路。G7F-RD2A模塊可同時(shí)連接4個(gè)熱電偶傳感器,輸入4路溫度數(shù)據(jù),用于多路溫度的采集。[4]

4控制系統(tǒng)的PLC軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)編程采用LG梯形圖編程語(yǔ)言。PLC控制程序采用模塊化編程形式,溫度控制過(guò)程中只需調(diào)用子程序模塊,從而降低程序的復(fù)雜程度,方便程序的修改。整個(gè)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(qū)壓縮機(jī)啟停程序模塊、主副溫區(qū)加熱器啟停程序模塊、副溫區(qū)化霜加熱器啟停程序模塊和故障報(bào)警子程序模塊。開(kāi)發(fā)中需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

4.1溫度采集和處理

選擇主溫區(qū)第1個(gè)傳感器作為采集點(diǎn),程序每掃描執(zhí)行1次就采集1次溫度。若第1個(gè)傳感器發(fā)生故障,則選擇第2個(gè)傳感器,依次類推。如果1個(gè)或2個(gè)傳感器發(fā)生故障,則在液晶屏上顯示;如果3個(gè)傳感器均出現(xiàn)故障,除在液晶屏上顯示外,報(bào)警指示燈亮,同時(shí)不再控制主溫區(qū)。

4.2溫度控制

溫控設(shè)備的啟停均以溫度和時(shí)間為參數(shù),具有一定的相似性,現(xiàn)僅以主溫區(qū)溫度控制為例,程序流程如圖1所示。主副溫區(qū)均配置一主一副2組壓縮機(jī)。首先啟動(dòng)主壓縮機(jī),若在設(shè)定時(shí)間內(nèi)庫(kù)內(nèi)溫度值未落入設(shè)定的溫度區(qū)間,則啟動(dòng)副壓縮機(jī)。循環(huán)風(fēng)機(jī)可使制冷產(chǎn)生的冷量和制熱產(chǎn)生的熱量迅速傳至溫區(qū)并保證溫度均勻。

圖1主溫區(qū)程序流程

因溫度區(qū)間小,若加熱器在運(yùn)行狀態(tài)下持續(xù)加熱,容易導(dǎo)致溫度波動(dòng)過(guò)大,造成壓縮機(jī)頻繁啟停,所以在編制加熱器工作程序時(shí),可用設(shè)定占空比的PWM波驅(qū)動(dòng)加熱器的啟停。比如,使加熱器間歇工作,間隔時(shí)間為,并保留一定的溫度余量,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制。

4.3故障報(bào)警

PLC通過(guò)電流傳感器和電壓傳感器檢測(cè)設(shè)備的過(guò)流過(guò)壓情況,并在程序中對(duì)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行計(jì)時(shí)。對(duì)于異常情況,有的必須報(bào)警,有的則不必。例如,通過(guò)選擇合適的時(shí)間參數(shù),可避免主副溫區(qū)溫控設(shè)備工作超時(shí)的情況發(fā)生。設(shè)備的工作狀態(tài)可通過(guò)上位機(jī)的監(jiān)控面板直接觀察。

4.4其他注意事項(xiàng)

制冷機(jī)組啟動(dòng)瞬間電流較大,主副溫區(qū)共4臺(tái)機(jī)組在剛開(kāi)始工作時(shí)可能同時(shí)啟動(dòng)。為確保系統(tǒng)安全運(yùn)行,應(yīng)當(dāng)盡量避免主副溫區(qū)同時(shí)制冷。

5結(jié)束語(yǔ)

以PLC為控制中心的冷藏庫(kù)集裝箱自動(dòng)溫控系統(tǒng)已經(jīng)投入使用,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,能夠滿足特殊醫(yī)藥制品的低溫儲(chǔ)運(yùn)需求,控制精度達(dá)到。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)用性強(qiáng),利用PLC良好的擴(kuò)展性,擴(kuò)展其他輸入輸出模塊,可組成功能更加強(qiáng)大的綜合控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn):

[1] 劉景漢,韓瑋,潘紀(jì)春,等. 非4℃條件儲(chǔ)運(yùn)后CPDA血液保存期的變化[J]. 中國(guó)醫(yī)師雜志,2004,6(11):46-47.

[2] 張輝,張浩. 基于PLC的聯(lián)華集團(tuán)溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 自動(dòng)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(jī)通信及其應(yīng)用[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2001,23(3): 91-94.

[4] 黃菊生,胡爭(zhēng)先,唐喚清. 基于PLC和PC的溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J]. 自動(dòng)化儀表,2005, 26(4): 48-50.

(編輯:張敏收稿日期:2009-06-09)