基于PLC技术的片烟醇化库温湿度监控系统

基于PLC技术的片烟醇化库温湿度监控系统

刘永超

陕西中烟工业有限责任公司旬阳卷烟厂

摘要：可编程逻辑控制器(PLC)是以自动控制技术、微计算机技术和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置。它的性能强、可靠性强、编程简单、体积小巧，在工业生产中广泛应用，被誉为当代工业自动化主要支柱之一。本论文主要讲述了利用可编程逻辑控制器(PLC)，通过串口通讯，对片烟醇化库各区域的温湿度变送器进行数据采集，再通过以太网通讯，使采集的温湿度数据显示在触摸屏上，在触摸屏设置各区域的温湿度上限，当温湿度超限时，可编程逻辑控制器(PLC)的数字量输出口输出高电平，触发中间继电器使声光报警器报警，同时触发中间继电器使对应区域的降温除湿送风口的电磁铁阀门打开，使库房温湿度超限区域及时降温除湿，从而使片烟醇化库温湿度达到标准。

关键词：可编程逻辑控制器；串口通讯；以太网通讯

Abstract：programmable logic controller（PLC）is a new generation of industrial control device based on automatic control technology, microcomputer technology and communication technology. It is widely used in industrial production because of its strong performance, strong reliability, simple programming and small volume. This paper focuses on the use of programmable logic controller (PLC), via a serial port communication, the piece of smoke alcoholize library regional data acquisition of temperature and humidity transmitter, again through the Ethernet communication, make the acquisition of the temperature and humidity data displayed in the touch screen, the touch screen set the upper limit of temperature and humidity of each area, when the temperature and humidity overrun, programmable logic controller (PLC) output high level, the digital quantity of output trigger intermediate relay to make sound and light alarm, and trigger the intermediate relay make corresponding regional cooling dehumidification air supply outlet solenoid valve open, make the warehouse temperature and humidity transfinite area cooling dehumidification in time, Thus, the temperature and humidity of the tobacco alcoholization library can reach the standard.

Key word  programmable logic controller；serial communication；ethernet communication

目录

1 前言

2片烟醇化库温湿度监控系统设计

2.2硬件组成

3温湿度采集

3.1温湿度变送器工作原理

3.2温湿度变送器通讯方式

3.3硬件连接

3.4软件程序设计

4数据显示

4.1触摸屏通讯方式

4.2触摸屏设置

4.3画面编辑

5温湿度控制

5.1降温除湿方法

5.2控制电路设计

5.3软件程序设计

6系统安装

6.1系统硬件安装

6.2启动系统注意事项

总结

参考文献

1 前言

旬阳县位于陕西省东南部，秦巴山区东段，居东经103°58′至109°48′，北纬32°29′至33°13′之间，属于亚热带大陆性季风气候。旬阳夏季气温高空气湿度大，不利于片烟的醇化，如果不及时对醇化库进行降温除湿处理，就会造成片烟发霉的情况。本论文就片烟醇化库的温湿度监控方法进行研究，设计片烟醇化库温湿度监控系统，并将其应用在片烟醇化库中，以期为库房温湿度管控提供依据和方法。

2片烟醇化库温湿度监控系统设计

2.1片烟醇化库温湿度监控系统设计思路

要实现对片烟醇化库的温湿度进行监控，首先要获取醇化库的实际温湿度，再根据实际温湿度与目标温湿度的差距，对降温除湿送风口进行控制。所以根据片烟醇化库实际情况，将片烟醇化库温湿度监控系统设计如图1所示：

图1片烟醇化库温湿度监控系统原理框图

片烟醇化库温湿度监控系统主要有两个功能即温湿度采集和器件控制。通过PLC可编程逻辑控制器采集各区域温湿度变送器的数据，将采集的温湿度传输给触摸屏进行显示，再对各区域的实际温湿度进行逻辑运算，根据运算结果PLC对各区域的降温除湿送风口进行电磁铁开关远程控制。

2.2硬件组成

2.2.1温湿变送器

温湿度变送器实物图如图2所示：

图2温湿度变送器

温湿度变送参数如表1所示：

表1参数表

2.2.2可编程逻辑控制器

PLC实物图如图3所示：

图3 PLC

PLC参数表如2所示：

表2参数表

2.2.3触摸屏

触摸屏实物图如图4所示：

图4触摸屏

触摸屏参数表如表3所示：

表3参数表

2.2.4电磁铁阀门开关

电磁铁阀门开关实物图如图5所示：

图5电磁铁

电磁铁阀门开关参数表如表4所示：

表4参数表

2.2.5声光报警器

声光报警器实物图如图6所示：

图6声光报警器

声光报警器参数如表5所示：

表5参数表

2.2.6集线器

集线器实物图如图7所示：

图7集线器

集线器参数如表6所示：

表6参数表

2.2.7中间继电器

中间继电器实物图如图8所示：

图8中间继电器

中间继电器参数如表7所示：

表7参数表

3温湿度采集

3.1温湿度变送器工作原理

温湿度变送器是以温湿度为一体式的探头作为测温元件，将温度和湿度信号采集出来，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换、恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度和湿度成线性关系的电流信号或电压信号输出，也可以直接通过主控芯片进行RS485接口输出。

3.2温湿度变送器通讯方式

3.2.1通讯基本参数

通讯基本参数见表8

表8基本参数

3.2.2数据帧格式定义

采用Modbus-RTU通讯协议，格式如下：

主机问询帧结构见表9

表9主机问询帧

从机应答帧结构见表10

表10从机应答帧

寄存器地址见表11

表11寄存器地址

地址码：为变送器的地址，第一个变送器地址为1，第二个变送器地址为2，第N个变送器地址为N。

功能码：读取寄存器数据时，功能码为3。

3.2.3温湿度转换

寄存器中存储的数据为16进制双字节，要将其转换为十进制，再做浮点运算将小数点向前移一位。温湿度数据转换方式如图9所示：

图9数据转化

3.3硬件连接

3.3.1温湿度变送器接口

温湿度变送器采用RS485接口，其端子定义如图10所示：

图10端子定义

定义表如表12所示：

表12定义表

3.3.2引脚接线图

温湿度变送器引脚接线见图11

图11引脚接线图

3.3.3实物接线图

实物接线图如图12所示：

图12实物接线图

3.4软件程序设计

3.4.1Modbus-RTU主站功能块

Modbus-RTU功能块如图13所示

图13功能块

引脚定义如表13所示

表13定义

3.4.2程序编辑

对于串口通讯主机读取从机数据时，可以设置循环读取，也就是说第1秒读取地址为1的从机，第2秒读取地址为2的从机，第N秒读取地址为N的从机。如果一共要读取8个从机，则在第9秒的时候就会返回再次读地址为1的从机。

程序如图14所示：

图14温湿度读取程序

4数据显示

4.1触摸屏通讯方式

4.1.1以太网通讯原理

以太网中所有的站点共享一个通信信道，在发送数据的时候，站点将自己要发送的数据帧在这个信道上进行广播，以太网上的所有其他站点都能够接收到这个帧，他们通过比较自己的MAC地址和数据帧中包含的目的地MAC地址来判断该帧是否是发往自己的，一旦确认是发给自己的，则复制该帧做进一步处理。

4.1.2以太网各字段的含义

前同步信号字段：包括七个字节的同步符和一个的起始符。同步字符是由7个0和1交替的字节组成，而起始符是三对交替的0和1加上一对连续的l组成的一个字节。这个字段其实是物理层的内容，其长度并不计算在以太网长度里面。前同步信号用于在网络中通知其他站点的网卡建立位同步，同时告知网络中将有一个数据帧要发送。

目的站点地址：目的站点的MAC地址，用于通知网络中的接收站点。目的占地MAC地址的左数第一位如果是0，表明目标对象是一个单一的站点，如果是1表明接收对象是一组站点，左数第二位为0表示该MAC地址是由IEEE组织统一分配的，为1表明该地址是自行分配的。

源站地址：帧中包含的发送帧的站点的MAC地址，这是一个6字节的全球唯一的二进制序列，并且最左的一位永远是0。

协议类型字段：以太网帧中的16位的协议类型的字段用于标识数据字段中包含的高级网络协议的类型，如TCP、IP、ARP、IPX等。

数据字段：数据字段包含了来自上层协议的数据，是以太帧的有效载荷部分。为了达到最小帧长，数据字段的长度至少应该为46字节，等于最小帧长减去源地址和目的地址帧校验序列以及协议类型字段等的长度。同时以太网规定了数据字段的最大长度为1500字节。

帧校验字段：帧校验字段是一个32位的循环冗余校验码，校验的范围不包括前同步字段。

4.2触摸屏设置

信捷触摸屏编辑软件Touch Win，新建文件弹出选择型号窗口，选择对应型号点击下一步，进入新页面后选择以太网设备并且设置其IP地址，IP地址必须和PLC的IP地址在一个网段，设置后点击完成。

4.3画面编辑

4.3.1变量设置

变量设置如图15所示：

图15变量设置图

设备：选择新建以太网连接的设备。

对象类型：与smart200中的变量对应，比如V12对应smart200中的VD12。

显示类型：与smart200中的对应的变量一直，比如VD12是浮点型，V12就选浮点型。

4.3.2显示画面

画面设计图如图16所示：

图16显示画面

片烟醇化库共四层楼，分别对每层楼的南北两侧进行温湿度检查，触摸屏上可对温湿度进行上限设置，对应温度上限变量为V50，对应湿度上限变量为V60。

5温湿度控制

5.1降温除湿方法

5.1.1现状说明

片烟醇化库共四层，四层楼共用一台除湿机，每层楼有一个吸风口和一个送风口。吸风口的作用是将库房内的潮湿空气以负压的形式抽到除湿降温设备内进行干燥冷却处理，送风口的作用是将干燥冷却处理后的空气以正压的形式送到库房内。由于楼层结构，到了夏季片烟醇化库的高楼层内的温湿度比片烟醇化库的低楼层的温湿度要高很多，而且远远超过的最佳的醇化温湿度。

5.1.2方案制度

对于除湿机来说，它的功率是一定的，也就是说除湿机给片烟醇化库四个楼层送干燥冷却空气的量和抽潮湿高温空气的量是一定的。

假设片烟醇化库四层楼是独立且密闭的空间，V1为一楼单位时间抽走的空气，V2为一楼单位时间送人的空气，V3为二楼单位时间抽走的空气，V4为二楼单位时间送人的空气，V5为三楼单位时间抽走的空气，V6为三楼单位时间送人的空气，V7为四楼单位时间抽走的空气，V8为四楼单位时间送人的空气，则:

当一层和二层温湿度以及满足要求不再需要抽潮湿空气和送干燥空气时，关掉一层和二层的送风口阀门，则除湿降温设备的所有干燥空气全部送入三层和四层内，这样就加快了三层和四层的除湿降温效率。

所有最终方案定为：通过PLC控制四层楼的除湿降温设备送风口的开关。

5.2控制电路设计

5.2.1旋转电磁铁工作原理

当线圈通电后，铁心和衔铁被磁化，成为极性相反的两块磁铁，它们之间产生电磁吸力。当吸力大于弹簧的反作用力时，衔铁开始向着铁心方向运动。当线圈中的电流小于某一定值或中断供电时，电磁吸力小于弹簧的反作用力，衔铁将在反作用力的作用下返回原来的释放位置。

5.2.2电路图

设计电路图如17所示：

图17电路图

当检测到的温度或者湿度超过设置的上限时，PLC输出高电平，触发中间继电器，从而使电磁铁通电旋转，除湿降温送风口被打开；当检查到的温度或者湿度未超过设置的上限时，PLC输出低电平不触发中间继电器，电磁铁未通电，除湿降温送风口不被打开。

5.3软件程序设计

5.3.1程序逻辑

由于醇化库每层楼西侧有夕晒的情况导致单层东西两侧温湿度不同，所有在醇化库东西两侧各安装了一个温湿度变送器，用实际温度和实际湿度与触摸屏设置的温度上限和温度下限进行比较，如果实际温度大于上限温度，或者实际湿度大于上限湿度，则PLC数字量输出口输出高电平；如果实际温度小于上限温度，且实际温度小于上限湿度，则PLC数字量输出口输出低电平。

5.3.2编辑程序

触摸屏设置的温度上限存在VD50，湿度上限存在VD60，比如第一层，仪表一温度存在VD24，湿度存在VD16，仪表二温度存在VD26，湿度存在VD20。若两个实际温度值和两个实际湿度有任意一个大于上限值，PLC就会输出高电平。程序如图18所示：

图18程序图

6系统安装

6.1系统硬件安装

1.由于片烟醇化库内不允许有外露电线，所以温湿度变送器安装在电缆桥架正下方的墙壁上并且离地面两米，东西两侧墙面各安装一个。

2.由于配电室通风等环境好，而且是电缆桥架的交汇处，方便布线也方便后期检查维修，所以将PLC安装在片烟醇化库配电室的配电箱内。

3.通讯线使用屏蔽双绞线，避免与电力电缆共用桥架，以防磁场干扰导致的通讯不稳定。

4.触摸屏以及声光报警器安装在库管值班室。

6.2启动系统注意事项

电路接线正确、程序设定正确和电源连接正确后，即可上电运行。

1.上电后应首先观察PLC指示灯是否显示在运行状态，如果指示灯状态不正确，请给PLC断电重启。

2.再检查各仪表温湿度有无显示，如果部分仪表温湿度无显示或显示为乱码，请检查集线器和温湿度变送器信号线是否接反。

3.通过手动输入较低的上限值，观察电磁铁和声光报警器是否工作，如果电磁铁和风光报警器均不工作，请检查PLC数字量输出口和中间继电器。

总结

总结本文的研究成果：实现了对片烟醇化库各区域的温湿度采集、实现了各区域温湿度的集中显示和对降温除湿送风口的自动远程控制。

当然由于自身能力的原因，在设计过程中也存在许多缺陷，还有一些问题需要解决：

1.片烟醇化库单层面积比较大，只使用两个温湿度变送器的温湿度数值不足以代表整层的温湿度。

2.降温除湿送风口控制的依据比较粗糙，后期将借鉴ZJ19卷烟机烟枪烙铁使用的PID温控器。

参考文献

[1]徐国林.PLC应用技术[M].北京,机械工业出版社,2007,66-98.

[2]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M],北京,北京航空航天大学出版社,2007,11-56.