劉德勝，陳曉偉，劉云鵬，史慶武

（佳木斯大學(xué) 信息電子技術(shù)學(xué)院，佳木斯154007）

隨著我國科技的發(fā)展和食品、藥品生產(chǎn)需求的增加，人們對食品、藥品的質(zhì)量有了更高水平的要求， 它的質(zhì)量問題一直是大家持續(xù)廣泛關(guān)注的問題，無論是在植物栽培、藥品、食品存儲及運(yùn)輸和科學(xué)研制等方面都要對溫度和濕度進(jìn)行測量和監(jiān)控，進(jìn)行精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息處理[1-3]。 而恒溫恒濕培養(yǎng)室是使用專用控制設(shè)備將室內(nèi)的溫度和濕度調(diào)到一定的范圍，并在這一情況下進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn)。 由于培養(yǎng)室的多變性和復(fù)雜性，一些傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備已經(jīng)不能滿足于當(dāng)前高效的實(shí)驗(yàn)要求，對產(chǎn)品的質(zhì)量沒有確切的保障， 使培養(yǎng)室在試驗(yàn)過程出現(xiàn)了很多問題，這些問題不能及時的解決，大大延長了試驗(yàn)的時間，影響了試驗(yàn)的進(jìn)展[4-6]。 本文采用西門子Smart系列PLC+觸摸屏作為控制核心， 并通過無線模塊實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)室溫濕度的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 恒溫恒濕培養(yǎng)室工藝要求

恒溫恒濕培養(yǎng)室將室內(nèi)的溫濕度調(diào)節(jié)到其標(biāo)準(zhǔn)的范圍，并進(jìn)行溫濕度的調(diào)控，使其能夠進(jìn)行高質(zhì)量精確的培養(yǎng)[7-8]。 恒溫恒濕培養(yǎng)室作為一種高精度的培養(yǎng)技術(shù)，需要滿足如下要求：

（1）要求風(fēng)道循環(huán)設(shè)計(jì)送風(fēng)均勻，保證培養(yǎng)室內(nèi)溫濕度的均一性。 同時應(yīng)該調(diào)控好培養(yǎng)室內(nèi)應(yīng)該有足夠數(shù)量的傳感器，以便能夠更好的測量每個地方的溫濕度變化情況，及時的進(jìn)行調(diào)整；

（2）要求系統(tǒng)設(shè)置三級授權(quán)管理，分為操作員級，工藝員級、工程師級，可以通過不同的授權(quán)進(jìn)行不同等級的操作。 進(jìn)入用戶管理界面，可進(jìn)行添加或刪除用戶，修改密碼等操作；

（3）要求顯示界面可以顯示工藝步驟所需要的參數(shù)、集中顯示各個工藝部分的進(jìn)程、參數(shù)的變化；

（4）要求系統(tǒng)操作簡單，方便不熟悉設(shè)備的人員進(jìn)行操作，具備歷史數(shù)據(jù)的存貯功能，所存貯的數(shù)據(jù)可以通過歷史趨勢曲線來顯示，也可以通過報(bào)表來顯示和查詢，歷史數(shù)據(jù)可以存貯12 個月；

（5）培養(yǎng)室內(nèi)溫濕度的波動范圍：溫度波動范圍為±1 ℃、濕度波動范圍為±5%RH，不可過高或過低。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)培養(yǎng)室工藝要求，本文設(shè)計(jì)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)主要由制冷降溫系統(tǒng)、送風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、控制采集系統(tǒng)、監(jiān)控記錄系統(tǒng)和遠(yuǎn)程手機(jī)APP系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Systematic structure diagram

2.1 數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)

系統(tǒng)要求控制溫濕度全程自動化，除有特殊要求外， 不加人工干預(yù)。 系統(tǒng)選用西門子Smart 系列PLC 作為CPU，EMAE08、EMAQ04 作為擴(kuò)展模塊，選用西門子PT100 溫濕度傳感器（帶變送器）采集室內(nèi)溫濕度。 基于本次培養(yǎng)室室內(nèi)尺寸2000 mm*2200 mm*2000 mm，每個培養(yǎng)室選用6 個溫濕度傳感器測量室內(nèi)溫濕度， 并將6 個傳感器采集到的數(shù)據(jù)平均值作為室內(nèi)溫濕度值與系統(tǒng)設(shè)置上下限比較。

2.2 風(fēng)道循環(huán)系統(tǒng)

培養(yǎng)室風(fēng)道循環(huán)系統(tǒng)選用1 臺加濕機(jī)、2 臺除濕機(jī)，1 組電加熱器，1 臺軸流風(fēng)機(jī)，空調(diào)機(jī)組，升溫、降溫系統(tǒng)完全獨(dú)立， 風(fēng)道循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其空氣處理功能為過濾段+除濕段+表冷段+加濕段+表熱段+風(fēng)機(jī)段。 室內(nèi)風(fēng)路循環(huán)采用頂部出風(fēng)低側(cè)下部回風(fēng)原理，使室內(nèi)溫度分布均勻，更靜音，更好的保證良好的辦公環(huán)境及操作人員的工作環(huán)境[9]。

圖2 風(fēng)道循環(huán)系統(tǒng)Fig.2 Air duct circulation system

2.3 觸摸屏設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程控制

觸摸屏是基于WinCC 開發(fā)了整個監(jiān)控畫面，主畫面如圖3 所示，該系統(tǒng)包括溫度設(shè)定窗口、設(shè)置報(bào)警溫度；當(dāng)?shù)陀谙孪藁蚋哂谏舷迺r，主界面報(bào)警燈報(bào)警，可在報(bào)警界面查看報(bào)警，主界面報(bào)警復(fù)位，可消除聲音。 自動程序界面可以顯示工藝步驟所需要的參數(shù)。 可以集中顯示培養(yǎng)室內(nèi)各個工藝部分的進(jìn)程及參數(shù)的變化。 觸摸屏具有歷史數(shù)據(jù)的存貯功能，所存貯的數(shù)據(jù)可以通過歷史趨勢曲線來顯示或通過報(bào)表來顯示和查詢。

系統(tǒng)選用GTU 數(shù)據(jù)傳送模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該模塊可通過網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)頁版）遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時可在手機(jī)上（APP）查看現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)及下載歷史存儲數(shù)據(jù)，也可遠(yuǎn)程接收報(bào)警短信， 并及時停止系統(tǒng)的運(yùn)行等。 實(shí)時溫度顯示界面如圖4 所示。

圖3 觸摸屏主界面Fig.3 Touch screen home interface

圖4 培養(yǎng)室實(shí)時溫度Fig.4 Real-time temperature of incubator

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程

系統(tǒng)主程序如圖5 所示，電源接通后，按下啟動按鈕后，PLC 進(jìn)行掃描檢查系統(tǒng)故障；觸摸屏設(shè)置手動和自動2 種控制方式。 手動時，由觸摸屏手動實(shí)現(xiàn)各個環(huán)節(jié)的啟停，該方式主要用于該系統(tǒng)的安裝調(diào)試以及之后的設(shè)備檢修；自動時，系統(tǒng)自動運(yùn)行，將溫濕度傳感器采集的數(shù)值與設(shè)定上下限值進(jìn)行比較，PLC 通過比較的結(jié)果進(jìn)行判斷并執(zhí)行。

圖5 主程序流程Fig.5 Main program flow chart

3.2 溫濕度子程序

當(dāng)系統(tǒng)自動運(yùn)行時，PLC 將培養(yǎng)室6 個采集點(diǎn)的平均值與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果T平均≤T下限，則壓縮機(jī)停止運(yùn)行，電加熱運(yùn)行；若T平均＞T上限，則電加熱運(yùn)行，壓縮機(jī)停止運(yùn)行；若H平均≤H下限，則加濕器運(yùn)行，除濕器停止運(yùn)行；若H平均＞H上限，則除濕器運(yùn)行，加濕器停止運(yùn)行。 溫濕度子程序如圖6 所示。

圖6 溫濕度控制子程序Fig.6 Temperature and humidity control subroutine flow chart

4 結(jié)語

本文以PLC 為控制核心，設(shè)計(jì)了溫恒濕培養(yǎng)室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)， 利用200-Smart 系列的PLC 和無線模塊組成的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以滿足食品藥品培養(yǎng)室中溫濕度的工藝要求，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控及遠(yuǎn)程報(bào)警功能，觸摸屏可以直觀顯示培養(yǎng)室各個采集點(diǎn)溫濕度及平均值和變化曲線，設(shè)置溫濕度上下限等功能， 恒溫恒濕培養(yǎng)室中溫濕度變化均勻，波動范圍為溫度±1 ℃，濕度±5%RH。