基于PLC的冷库控制系统设计说明

目录

1 绪论 (1)

1.1冷库系统研究背景 (1)

1.2国外冷库发展现状 (3)

1.3 PLC在冷库中的应用简介 (4)

1.4本论文做的主要工作 (6)

2 冷库系统概述 (7)

2.1冷库的组成 (7)

2.1.1主库 (7)

2.1.2制冷压缩机房和设备间 (8)

2.1.3其他设施 (9)

2.2冷库控制系统基本结构 (9)

2.2.1系统框架 (10)

2.2.2温度控制流程 (11)

2.3冷库系统配件的选取 (12)

2.3.1压缩机组的选取 (12)

2.3.2变频器的选取 (13)

2.3.3 A/D、D/A转换器的选取 (14)

2.3.4传感器的选取 (15)

2.4冷库的监控系统 (15)

2.4.1 RS-485总线 (16)

2.4.2 CPU315-2DP主从站 (17)

2.4.3人机界面 (18)

3 模糊PID控制器及其PLC设计 (19)

3.1 PID控制器概述 (19)

3.1.1 PID控制器的原理 (19)

3.1.2 PID控制器的数字算法 (21)

3.1.3 PID控制器的参数整定 (22)

3.2模糊控制器概述 (22)

3.2.1模糊化 (23)

3.2.2模糊推理 (25)

3.2.3反模糊化 (26)

3.4模糊PID控制器的PLC实现 (26)

4 冷库控制电路设计 (30)

4.1电路控制要求 (30)

4.2西门子S7—200系列PLC简介 (30)

4.3 PLC程序 (31)

结论 (37)

致 (38)

参考文献 (39)

附录…………………………………………………………………………………

1、绪论

1.1冷库系统研究背景

冷库，是利用降温设施创造适宜的湿度和低温条件的仓库,又称冷藏库,是加工、贮存农畜产品的场所。它能摆脱气候的影响，延长农畜产品的贮存保鲜期限，以调节市场供应。冷库主要用作对食品、乳制品、肉类、水产、禽类、果蔬、冷饮、花卉、绿植、茶叶、药品、化工原料、电子仪表仪器等的恒温贮藏。从冷库的现状与发展趋势来看，果品恒温气调库发展迅速，低温库比例有所增加，适合农户建造使用的微型冷库异军突起。冷库设计自动化控制程度逐步提高，政府安全生产和质量监督等管理部门对冷库的监管力度大大加强。因此，本论文就是根据市场需要研究自动化的果蔬恒温冷库。

在我国，食品专用冷库严重的不足，食品的冷藏链的不完善，加之食品经营管理的各种因素，每年约有3000万吨水果、蔬菜、乳制品和其他易腐食品有待于从变质中拯救出来，易腐食品每年要损失十多亿元。养殖种植业的大幅度发展与保鲜、存储及流通的发展极不协调，产量越大亏损越多，我国现有人口已达13亿，食品资源非常宝贵，如不尽快改观，不仅是中国的食品工业的水平将大幅度落后于先进国家，而且将会照成资源的大量浪费。当务之急，我们要提高冷库整体的自动化管理水平，加强管理，降低运营成本，促进冷库向安全、规、节能、环保结构简单、操作方便的方向发展。

制冷系统、控制装置、隔热库房、附属性建筑物等是冷库的基本组成部分。冷库的制冷系统主要包括冷库机组，它是冷库的核心，保证冷库库房的冷源供应。控制装置是冷库的大脑，它指挥制冷系统保证冷量供应。冷库的冷库房如图1-1所示。

图1-1 冷库的冷库房外观图

制冷系统的自动控制是提高制冷品质的最有效手段之一。采用自动控制可以保证库温稳定，避免不必要的低温，并可使食品在贮藏期间质量稳定，减缓食品表面水分的蒸发。此外，采用自动控制还可以使冷库制冷系统运行中的温度、压力、液位等状态参数保持在要求的围，保证系统安全高效运行。据统计，冷库制冷系统采用自动控制比手动控制可节能10% ~ 15%。

近年来，随着计算机控制技术的不断发展，计算机越来越广泛地被应用到工业领域中，冷库系统也不例外。目前，越来越多的冷库系统采用计算机进行检测、实施控制与管理，使产品的自动化提高了一个新的水平。典型的微机过程控制系统如图1-2所示。图1-2中，该系统以微型计算机作为控制器，由A/D和D/A转换器、计算机、执行器和被控对象组成。A/D转换器将物理信号转换成计算机能够识别的数字信号，经计算机分析计算出调节量，D/A转换器将计算机输出的数字量转换成模拟量，控制执行器的调节工作。整个系统控制规律的实现是通过软件来完成的，改变控制规律只需要通过改变相应的程序即可。

微型计算机冷库系统

图1-2 微机过程控制系统

制冷系统的自动控制，可采用继电器与其它控制仪表组成全自动控制器、工业可编程控制器，即PLC、单板计算机和工业控制计算机等。事实上，PLC也是一种计算机控制系统，只不过具有更强的与工业控制元件相连接的接口，具有更直接地适应控制要求的编程语言。另外，现代PLC的功能指令越来越大，能够实现许多复杂的控制算法，结合模拟量输入、输出扩展模块，在复杂的过程控制、运动控制中应用越来越广泛。其中，将模糊控制技术和PLC现结合，对一些无法建立精确数学模型的、复杂的非线性控制系统具有较好的控制效果。还有，当前许多PLC配备有模糊控制软件程序，使用起来很方便。因此，PLC控制应用到冷库中具有很大的前景。

1.2国外冷库发展现状

随着人民营养和生活水平的提高，食品冷藏链近年来有了快速的发展，已经有了良好的基础，然而与国外发达国家相比仍由非常大的差距。国外食品冷藏发展情况对比如表1-1所示。目前国冷库较多，但冷库的压缩机控制大多仍采用继电器逻辑电路组成的控制器，这种控制器具有接线复杂、功耗高、工作寿命短、可靠性、通用性及灵活性低的缺点；而且大多数选用库房温度作为检测信号，反应慢，不经济。我国冷库的制冷设备大多采用手动控制，或者仅对某一个制冷部件采用了局部自动控制技术，对整个制冷系统做到完全自动控制的较少，货物进出、装卸等方面的自动化程度普遍较低。总之，PLC的应用在国冷库行业还没有得到完全的重视。

表1-1 国外冷藏链的发展状况

国外冷库的制冷装置广泛采用了自动控制技术，而他们采用的可编程控制器PLC恰恰具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、使用方便以及功耗低等特点。并采用压缩机的吸入压力作为检测参数，具有反应迅速，经济性能比高的特点。国外大多数冷库只有1 ~ 3名操作人员，许多冷库基本实现夜间无人值班。

采用PLC替代原来继电器逻辑电路组成的控制器对压缩机进行控制，使冷库的运行态达到最佳效果，并对节能、减轻劳动强度有实际意义，为实现无人值班冷库提供了方便。因此，PLC在国仍需要不断更新和开发，以适应像冷库系统这样的工艺要求。

1.3 PLC在冷库中的应用简介

与传统的继电器控制相比较，PLC功耗小，有很好的灵活性和扩展性。与单片机比较，PLC是针对工业现场的自动化而设计的，编程简单，易于掌握。大型的冷库控制系统，除了PLC控制之外，还有人机界面辅助。人机界面主要功能是显示冷库机组的运行参数、运行工况和动态流程图，还可以显示故障记录等。由PLC与人机界面组成的冷库控制系统，能够做到一键开机、一键关机。冷库要求冷藏间，低温穿堂，冻结间、预冷间等不同房间的温度控制各有不同，各个单元即要独立运行调节控温又需协调联网及监控管理。由上位计算机、PLC、现场测控元件组成多级、开放、模块化、可扩展的高性价比冷库全自动控制解决方案，确保制冷控制系统安全、可靠、高效、稳定、节能运行，改善工人劳动条件，提升电控配套设备制造档次。PLC控制系统如图1-3所示。

图1-3 PLC控制系统图

为了使冷库机组安全可靠地运行，PLC控制系统充分利用了自身的优势，加入了对冷库机组运行故障的预报功能，称之为故障管理系统。故障管理系统能够通过PLC的操作界面，在机组出现故障时，提示故障部位、故障原因和故障处理方法，使操作人员能够更快地处理故障，提高了机组的使用效率和运行可靠性。与常规的控制器相同，PLC可实现冷库机组所需要的各种控制功能，包括实现冷库机组的能量调节，执行安全保护功能，执行正常的开停机程序和故障停机程序等。PLC用于系统的控制后，不但实现了常规的控制规律，而且可以将最先进的控制方法应用于机组的控制运行中，使得机组的运行能效比更高。另外，PLC控制系统还可以实现远程监测功能，它具有RS-485等通讯接口，可以实现与其他计算机的连接与通讯，实现远程监控。

另外，值得注意的是，与常规的控制系统相比，PLC可以实现包括自适应控制、模糊控制在的更复杂的调节控制规律、改善调节品质、提高冷库机组运行的经济性。根据冷库机组的工作要求，PLC所实现的功能可以划分为检测功能、记忆功能、预报功能和执行功能等四个主要的功能。

1.4本论文做的主要工作