基于PLC与组态的氮气气调储粮监控系统设计.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation222023 年 第 19 期文章编号：2095-6835（2023）19-0022-03基于 PLC 与组态的氮气气调储粮监控系统设计张秋杰1，任龙静2，申会明1（1.广西职业技术学院，广西 南宁 530026；2.广西建设职业技术学院，广西 南宁 530026）摘要：粮食储藏意义重大，为解决因粮食储藏技术不当引起的储粮过程中粮食过量损失问题，提出一种基于西门子 PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）与 MCGS（Monitor and Control Generated System，组态软件系统）相结合的氮气气调储粮方案。在搭建硬件平台基础上开发了程序，并设计了监控系统。经过仿真验证，所设计系统运行稳定，人机交互性好，具有一定推广价值。关键词：储粮；PLC；MCGS；监控系统中图分类号：TP277文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.19.0072022 年全年中国粮食总产量 6.8 亿 t，连续 8 年保持在 6.5 亿 t 以上。然而，每年由于霉变、虫害和鼠害造成的粮食损失约占全国总产量的 3%，严重威胁着国家粮食安全1，做好粮食储藏过程中的虫霉防范意义重大。随着人们的食品安全意识日益提高，以及害虫抗药性上升，人们对粮食仓储技术提出高效、安全、环保等高标准要求，储粮技术逐渐由熏蒸技术向气调技术转变2-3。为此设计了一套基于西门子 S7-200 PLC和 MCGS 触摸屏的粮仓管理系统。该系统不仅可以实现常规粮仓物理量（包括温度、湿度调节）的实时监控，同时也可通过氮气气调技术保证粮食品质、延缓储粮品质劣变。1系统方案粮食储藏除了要保证适宜的储藏温度和湿度，还要做到防虫和防腐。目前在粮食存储过程中常用的一种方式是对温度和湿度进行测量与控制。低温储粮是公认的绿色储粮方式，特别是利用自然低温储粮，是一种经济有效的绿色储粮技术。然而，由于海拔、气候、地域等自然条件限制，部分粮食仍会受微生物、虫子活动或者本身粮食的呼吸作用的影响而腐坏4-5，低温储粮法储粮成本较高，不利于全国大范围推广应用。实验表明6，氮气气调储粮法是经济高效的储粮方式。即采用充氮法向粮仓中充入氮气以降低空气中氧气体积分数，保持氮气体积分数在 90%以上可实现保鲜储粮，氮气体积分数在 95%以上可有效抑制害虫种群繁殖，氮气体积分数在 98%以上可抑制储粮真菌生长，预防粮食发热生霉。氮气气调储粮技术基本原理即创设一种低氧或无氧环境，提取高体积分数的氮气，达到让粮食减少氧化，从而破坏非厌氧细菌生理活动、虫子的生存环境，抑制粮食本身的呼吸作用，让害虫缺氧窒息而死，防止粮食霉变。为此，设计了结构如图 1 所示的氮气气调储粮监控系统。上位机由触摸屏实现对下位机 PLC 的状态监测与控制，主要显示系统运行状态并能观测和设置相应监控预设值。PLC 输入主要连接电源模块、按钮模块、传感器模块（温度/湿度/氮气 N2检测），输出主要控制制冷、加热、通风、加湿和充氮设备的启停。监控过程中对氮气、温度和湿度进行实时监测。以氮气控制为例，氮气检测装置实时将采集到的数据传送至PLC，上位机触摸屏实时读取 PLC 中数据，一旦出现氮气体积分数低于预设值，PLC 便能够通过控制系统进行报警，然后由手动或自动方式启动充气操作，直至氮气传感器的测量值大于或等于预设值。图 1氮气气调储粮监控系统总体结构基金项目广西职业技术学院校级基金项目“基于物联网的储备粮智能仓储管理系统研究与应用”（广西职业技术学院2021121 号，编号：211204）、“新工科建设背景下智能制造专业群人才培养体系研究与实践”（广西职业技术学院2022133 号，编号：223109）N2Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期232硬件设计2.1I/O 分配按照系统方案及总体结构分析，需要 PLC 负责集中处理采集信号和指令，实时将采集到的模拟量进行数据转换，得出粮仓当前氮气体积分数数值以及温湿度数值，系统预设手动运行模式和自动运行模式。PLCI/O 分配表如表 1 所示。表 1PLC I/O 分配表PLC 输入输入量PLC 输出输出量系统启动I0.0Q0.0自动运行指示灯停止I0.1Q0.1黄灯手动加氮启动I0.2Q0.2绿灯手动加氮停止I0.3Q0.3加氮输出手动加热启动I0.4Q0.4加热输出手动加热停止I0.5Q0.5制冷输出手动制冷启动I0.6Q0.6加湿输出手动制冷停止I0.7手动加湿启动I1.0手动加湿停止I1.12.2硬件选型根据系统控制要求和现场工艺，上位机选用昆仑通态 MCGS 触摸屏，下位机 PLC 选用西门子 S7-200CPU224XP CN DC/DC/DC 和扩展模块 EM231（4 路AI 接口用于读取氮气体积分数和温湿度信号）。由于空气中氮气体积分数是 78%，采用氮气气调储粮技术往粮仓慢慢充入氮气直至很高的氮气体积分数，此时需要能检测 100%氮气的传感器。根据需求选用 JA500-N2在线式氮气检测装置，该装置特别适用于检测高纯氮气、各种工业环境中的氮气体积分数连续在线检测。仪器采用进口氮气传感器和微控制器技术，具有信号稳定、精度高、重复性好等优点，防爆接线方式适用于各种危险场所。信号以 010 V 模拟量方式通过 RS485 通信输入至 PLC 模拟量采集模块。氮气检测装置流通式方式安装如图 2 所示。图 2氮气检测装置流通式方式安装该装置配备工业级进口高性能氮气传感器，分辨率 0.01%（体积分数），测量范围 0%100%（体积分数），可以同时进行温湿度监测，温度检测范围为40120，相对湿度检测范围为 0%100%，检测精度3%。其安装方式有流通式安装和泵吸式安装，结合实际情况选用流通式方式安装。该方式适用于检测管道内温湿度、压力是否在正常范围内，且气体是流通的管道内气密密度。3系统软件设计系统软件设计包括MCGS的上位机程序和PLC的下位机程序。上位机程序主要有氮气检测记录曲线组态、温度检测记录曲线组态、湿度检测记录曲线组态、故障异常报警组态、加氮输出、加热输出、制冷输出、加湿输出等组态。下位机程序主要有模拟量转化模块、模式切换控制模块、氮气异常处理模块、温度异常处理模块、湿度异常处理模块等程序段。3.1下位机 PLC 程序设计下位机 PLC 程序主要实现粮仓氮气密度和温湿度数据的采集与处理工作。以氮气控制为例介绍下位机程序设计，程序流程如图 3 所示。图 3程序流程图系统启动后，下位机 PLC 首先利用特殊存储器字节 SMB8 来识别 I/O 模块标识，特殊存储器字节 SMB9来识别错误寄存器通信是否正常，通信异常直接系统报错并结束程序。模块识别和通信正常后模拟量模块自动开始采集氮气传感器体积分数数据，模拟量转换模块将数据计算得到实际氮气体积分数值与预设值进行判断，并与密度设定值上下限进行对比。若采集体积分数数值低于设定值，则控制制氮机开始供氮气；若高于上限，则停止供气。PLC 部分程序如图 4 所示，温湿度传感器控制原理类似。读取氮气体积分数数据氮气体积分数小于设置值？氮气体积分数大于设置值？通信检查正常？科技与创新Science and Technology&Innovation242023 年 第 19 期图 4PLC 程序氮气监测流程图3.2上位机 MCGS 程序设计上位机界面基于 MCGS 组态环境进行设计，实现对粮仓内部储量氮气密度及温湿度情况的监视和控制。主界面主要由氮气密度、温度、湿度实时采集数值窗口，氮气控制栏、温度点控制栏、湿度点控制栏、异常报警状态栏，实时曲线显示界面及温湿度调节装置等部分构成。其中，控制栏用以实现对相应设备输出控制，实时曲线显示界面将采集到的氮气体积分数、温度和湿度数值实时绘制成动态曲线显示并记录，报警状态栏主要显示粮仓氮气体积分数、温度和湿度的异常情况。上位机界面如图 5 所示。图 5上位机界面设计4系统运行调试系统仿真采用 MCGS 触摸屏结合西门子 S7-200PLC 共同完成，上位机在 MCGSE 环境中完成程序编制与下载，下位机 PLC 程序在 STEP 7 MicroWIN SP9中进行调试与下载。系统中分别设置湿度上限值为56.2%，温度上限值为 23.6，氮气体积分数上限值为 98.5%，同时将采集到的数据显示到相应监控数据框内。当温度采集数值超过设定值时控制制冷输出。在温度点控制栏、湿度点控制栏、氮气密度控制栏分别可以进行启动、暂停和停止操作，系统运行界面如图 6 所示。图 6系统运行界面5结束语基于上位机触摸屏和下位机 PLC 结合的硬件平台，设计调试储粮监控系统，通过实时采集高性能传感器数据，实现了远程精确监控。在仿真软件中经过测试，系统具有运行平稳、界面直观、交互性良好的特点，具有一定实用价值。下一步将在多台实际粮仓设备内进行联机调试运行，并采用智能算法对采集信号进行滤波或预判等，实现对粮仓监控系统相关物理量的精确控制。参考文献：1康雅青.中国粮食储藏问题研究J.现代商业，2013（11）：49.2董晓欢，岳纲冬，白春启，等.东南沿海地区浅圆仓进口大豆控温气调试验J.粮食储藏，2021，50（3）：15-19.3郭续，汪福友，张会民，等.豫东地区玉米储藏中绿色储粮技术应用效果研究J.粮食储藏，2022，51（4）：23-28.4王舒欣，付鹏程，刘胜强，等.我国低温储粮技术应用现状与展望J/OL.中国粮油学报.2023-04-13.https:/doi.org/10.20048/ki.issn.1003-0174.000139.5张学习.浅析粮食企业的仓储管理与科学保粮J.中国食品工业，2023（3）：54-56.6赵杨.储粮减损降耗技术研究J.黑龙江粮食，2023（1）：87-89.作者简介：张秋杰（1989），男，河南博爱人，硕士研究生，讲师，研究方向为智能制造、智慧物流。任龙静（1985），男，贵州遵义人，硕士研究生，讲师/工程师，研究方向为机电智能控制、思政教育。通信作者：申会明（1989），女，河南焦作人，硕士研究生，讲师，研究方向为机械设计制造、智慧物流。（编辑：王霞）