毕业设计（论文）-基于PLC的热风干燥机的设计.docx

南 京 工 程 学 院毕业设计说明书(论文)作 者： 学 号：系 部： 能源与电气工程学院 专 业： 自动化 题 目：基于多路PID的双热源式热风干燥机的设计 指导者： 讲师 (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2016年 5月 南 京热风干燥系统是一种提供温度恒定，风量恒定的工业热风的系统，在印刷行业和造纸等行业有着广泛的应用。传统的热风干燥系统只使用电加热作为热源，同时用作除湿装置，能耗较高；而新型的双热源式热风干燥机，增加了热泵装置，热泵可通过冷凝过程进行除湿，并且此过程吸收的热量又可以用来加热，大大降低了能耗。本文主要介绍了一种以PLC为控制中枢的双热源式热风干燥机，详细介绍了其硬件构成，控制要求以及控制算法的基本实现方法。在温度和风量的控制中，引入了PID算法，并结合PID功能，达到这两个参数的精确控制。并且由于PID的引入，使系统具有了很强的抗干扰能力。本文还涉及了组态技术，通过撰写组态界面使系统易于使用。此外，对系统的能耗进行了分析，提出了几种降低能耗提高效率的方法。经过调试和检验，本系统温度和风量的控制均稳定且快速，达到了预期的控制要求。关键词 热风干燥系统 热泵除湿 PID算法 组态 PLC毕业设计说明书（论文）中文摘要毕业设计说明书（论文）外文摘要Title The Design of A Convective Hot Air Dryer Based On Multi-loop PID Algorithm AbstractHot air drying system is a system that provides hot air which has constant temperature and air volume, its been widely used in printing and papermaking industry. The traditional hot air drying systems only use electrical heating as their heat source and at the same time the dehydrating unit. They have higher energy consumption than the new hot air drying systems which are equipped heat pump as the additional heat source. The condensation process of heat pump can not only be used to dehumidification but also to heat. It reduces the energy consumption quite a lot.This article is mainly focused on a bio heat source hot air system based on PLC, introduces its hardware, control requirement as well as the way to realize it in detail. PID algorithm is introduced to control temperature and air volume precisely and the system gets the very strong anti-interference ability in the wake of the introduction of PID algorithm. Configuration Technology is also involved in this article to make the system easier to use. Furthermore, we made some analyzes about power consumption of the system, after that came up with some kinds of methods to improve its efficiency.We can control temperature and air volume steady and quickly after tuning it. Which achieves the control requirement. Keywords Hot air drying system heat pump dehumidification PID algorithm configuration南京工程学院毕业设计说明书（论文）目录1 绪论11.1 概述11.2 热风干燥机的分类11.2.1 单热源与双热源式干燥机11.2.2 双热源式相较于单热源式的优点11.3 本课题研究的主要内容22 双热源式热风干燥机的总体设计32.1 热风干燥机综述32.2 热风干燥系统的功能设计42.3 热风干燥系统实现方法概述53 热风干燥系统硬件设计73.1 热风干燥控制系统的总体构成73.1.1 干燥机腔体73.1.2 主控器 DCCE MAC1120 PLC简介93.2 热风干燥系统的电气设备选型103.2.1 检测与执行装置103.2.2 输入输出模块的选择143.2.3 电源模块的选择163.2.4 变频器的选择163.2.5 可控硅功率调节器的选择173.2.6 触摸屏的选择173.3设备间的通讯以及接线183.3.1 输入输出的接线183.3.2 变频器的接线及其控制方式193.3.3 触摸屏与PLC的通讯连接214 热风干燥系统软件设计224.1 控制系统的流程图224.2 系统软件实现234.2.1 数据的转换234.2.2 风机启动与延时停止的实现244.2.3 补压与泄压的实现244.2.4 PID控制的实现254.2.5 PLC与变频器通讯的编程实现344.2.6 触摸屏画面的编纂354.2.7 报警功能的实现385 降低系统能耗的方法405.1 系统能耗分布概述405.2 降低能耗与提高效率的方法405.2.1 硬件上的改进405.2.2 软件上的改进416 总结42致 谢43参考文献:44南京工程学院毕业设计说明书（论文） 441 绪论1.1 概述热风干燥机是利用加热技术和热交换技术来产生热风的设备，在印刷业应用很多。在传统的干燥设备中，电加热干燥设备占据了很大一部分，但这部分设备存在普遍的问题，就是能耗特别大，热风干燥机和普通的电加热设备相比，节能比例达到了80%左右传统意义上热风干燥机是由鼓风机、加热器、控制电路三大部分组成。热风干燥机在电子、食品、制药、包装等各行业应用前景十分广泛。1.2 热风干燥机的分类1.2.1 单热源与双热源式干燥机单热源式干燥机，是指这种干燥机只有一个热源，普遍是电加热，电加热模块既用来加热，也用来除湿干燥。从进风腔传入的空气经过电加热除湿和加热之后又被送进进风腔。双热源式热风干燥机，是指拥有电加热和热泵除湿两种热源的干燥机。它有两个蒸发器，利用除湿蒸发量，吸收水蒸汽的汽化潜热，脱去水分；利用热泵蒸发器向环境空气采热，使制冷工质在蒸发器内由液体变为气体，经压缩机，压至冷凝器。冷凝器也称为热交换器，脱湿后的空气，在此处被高温制冷工质加热，而制冷工质在此放出汽化潜热而被冷却为同压下的液体，经膨胀阀，回到蒸发器继续循环。1.2.2 双热源式相较于单热源式的优点双热源式热风干燥机要比单热源式干燥机更加节能。如果要求仅仅需要供给热风而对湿度没有要求的话，那么普遍使用电加热就可以达到要求。而热泵可以通过吸收大气的热量来用于加热，它的能耗仅仅为电加热的约1/3，并且如果两种热源配合使用的话，可以达到既快速又节能的控制要求。双热源热风干燥机是现在的主流，单热源式的干燥机正在慢慢被淘汰。1.3 本课题研究的主要内容双热源式热风干燥机的应用已经成为一种趋势，面对用户日益严格的控温精确度和节能的要求，如何让热风干燥机温度控制更加精确，在不影响效率的情况下更加节能成了设备设计者要解决的一大难题。在干燥机系统中，影响被控对象（温度，风量）的扰动有非常多。如：进风温度，环境温度等，如何克服这些扰动，实现系统对扰动的实时响应，以提高控制精度，也是影响产品性能的 一大因素。本次设计主要内容如下：(1)对热风干燥系统进行概述。(2)为解决单热源干燥机的能耗问题，设计一款双热源干燥机，包括机械部分电气部分以及控制算法。并结合自动控制原理对控制算法进行调试和优化，力求系统快速性好，准确性高，稳定性好。(3)探究更多节能的方法，降低系统能耗。(4)设计人机界面，使系统简单易用。2 双热源式热风干燥机的总体设计2.1 热风干燥机综述现需要向印刷行业提供稳定可靠的热风风源设备，本设备主要由：电加热设备，压缩机，入风电机，和各种风量和温度传感器组成，其工艺流程图如图2-1所示。其中箭头空气流动方向。图2-1 干燥机原理图如图所示，在腔体底层的风机先吸入大量的空气作为加热的原材料，此风机也是腔体内气体流动的动力源，吸入的空气通过压缩机和电加热（PWM可控硅调功加热），使空气的温度到达设定值，此时被加热的空气（热风）被送入另一个腔体中，对加工的产品进行加热烘干，当压缩机不能够满足加热的需求时，便会启动压缩机加热，两个加热方式协同作用，达到高效节能的目的。使用过后的废弃，会通过两次排气，最终被排出。从产品加工的腔体被排出，此时是第一次排气，在此过程中，使用热交换装置对废气中剩余的能量进行回收，回收的能量通过大规模并且复杂的铜管传入加热装置，在此用于加热环节 ，废弃经过能量回收之后，最终被排出腔体外，在第二次排气的排气口，亦可设有风机来抽风，保证废弃正常排出。其中风量由风门的开度进行控制，在排风口和回风口分别设有风门执行器，通过两个风门执行器在开度上的配合可以控制风量保持稳定。本系统通过电加热与压缩机协同控温，使用废弃能量回收装置来使能源利用最大化，并且使用PID技术，对温度，风量进行精确控制。达到了高效，并且节能的效果。2.2 热风干燥系统的功能设计1、设好风机风量，启动风机，风量控控制置自动。2、回风风量控制阀置手动，并给一个初始值（此值由触摸屏输入），排风风压控制阀置手动，并给一个初始值（此值由触摸屏输入）。3、选择是否只用电加热，如只用电加热则，电加热控制回路置自动，设定值由触摸屏给出。如不选择只用电加热，则根据温度设定值与实际值的差，当差大于5度时，压缩机和电加热输出置100%，当差小于5度时，先使用压缩机来控制温度，压缩机温度控制回路置自动、电加热输出置0。当压缩机输出100%并维持一定时间（此时间由触摸屏输入）后，压缩机输出保持在100%然后电加热回路置自动。同时，当压缩机高压压力高于高压1保护压力时，压缩机改为由高压压力控制，并自动保持在一个值（此值即压缩机压力控制的设定值），此时电加热仍然由温度控制并自动。当电加热自动并且压缩机不由压力控制时，如控制回路输出为0%并保持一定时间（此时间由触摸屏输入）后，电加热输出置0，压缩机温度控制回路置自动。如压缩机为压力控制，当加热温度设定值低于压力转温控的温度值（此值由触摸屏输入）时，压缩机由压力控制改为温度控制，此时电加热仍然自动，当加热温度设定值小于直接投入电加热温度值（此值由触摸屏输入，并小于压力转温控的温度值）时，电加热改手动并输出置0，此时压缩机由温度控制并自动。4、当回风风量有显示后，设定好回风风量（此值由触摸屏输入），并将风量控制阀置自动。当回风风压有显示后，设定好回风风压（此值由触摸屏输入），并将风压控制阀置自动。5、当正常停车时，按下风机停止按钮，则压缩机和电加热立即同时停止，延时一段时间（此时间由触摸屏输入）后，再停止风机。当紧急停车时，按下紧急停车按钮后，风机、压缩机、电加热立即同时停止。2.3 热风干燥系统实现方法概述系统中，各个模拟量与数字量的采集点并没有广泛分布。所以将所有控制模块集成在控制柜内，分布在各个地方传感器以及数字量开关直连到控制柜内的控制器以及其模块上。这样布局，缩短了控制器与模块之间的距离，增加了模块之间的数据传输的速度提高了数据传输的可靠性。最大可能性的增加了系统的可靠性。系统采用了一个上位机（触摸屏），控制多台设备（113），即为1:N的形式，多台设备各自通过以太网链接到交换机，交换机再链接到上位机，形成了星型拓补，各个设备之间通过不同的IP地址区分，由此形成了一对多的控制系统，如图2-2所示。图2-2 系统结构图本系统主要通过控制压缩机和电加热的功率来控制加热的效率，前者由变频器控制，后者由SCR交流调功器控制。要知道加热的最终效果，需要通过温度传感器测得排风口的温度，此温度用于反馈，之后和设定值相比较决定加热装置的工作状态。排风的风量由进风风机转速，排风阀和回风阀的开度共同控制，在进风口和排风口都需要加装风速和风压传感器，用于反馈，根据反馈值改变前面三个执行机构的状态，从而控制风量稳定在一个稳定值。在风量和温度的控制中，由于需要比较精确的控制，以保证输出的热风符合工业需求，所以在这里引入PID算法对每一个执行机构的状态进行精确控制。控制柜内部由电源模块、PLC系统、两台变频器，可控硅功率调节器和直流稳压源组成；控制台主要由触摸屏，各种硬件开关按钮组成，硬件开关包括，起停控制按钮，总启、总停按钮。系统原理图如图2-3所示。图2-3 系统原理图3 热风干燥系统硬件设计热风干燥控制系统主要由PLC、人机界面、变频器、可控硅整流器，电加热装置和多种传感器等组成，这些元器件都组装在腔体上，变频器控制一台风机和一台压缩机，传感器检测风量，温度等模拟量用作反馈调节。PLC是整套系统的控制中心，用于处理所有数据，提供控制算法，然后将各种信息在触摸屏上集中显示。下面我们对热风干燥控制系统系统各部分进行详细的介绍。3.1 热风干燥控制系统的总体构成3.1.1 干燥机腔体干燥机的腔体是干燥机的主要机械结构，空气的收集，升压，加热，送风都是由在此腔体内完成，此腔体内集成了进风风机，压缩机，电加热装置，热回收装置和各种传感器等，具体结构如图3-1所示。图3-1 等轴测图图3-2 正视图 图3-3 侧视图干燥机正视图如图3-3所示，进风口内部有一个变频器控制的风机，用于将空气吸入腔体内，在进风口处还集成了温度和压力传感器，用于检测进风风压和温度，根据这两个参数，决定进风风机的转速和内部电加热和压缩机的工作情况，当空气经过加热之后，从图所示的排风口排出，在排风口出有风量，风压，和温度传感器，实时检测排风的参数，系统会根据这些检测值和实际值的误差情况，改变加热增压器件的功率，使检测值不断的逼近设定值。当热风被使用之后，会被送到回风口，回风口内集成了热回收装置，废气的余热会通过热回收装置，被回收并在此用于加热。当检测到回收腔体内压力过大时，会打开泄压阀，使空气泄放，从而使整个系统的压力保持相对稳定。侧面的铜管有很多，用于导热和热交换，铜管与空气的接触面积越大，效率就越高，所以铜管采用了多叶片的方式，如图3-4所示。 图3-4 多叶片方式增大与空气接触面积3.1.2 主控器 DCCE MAC1120 PLC简介MAC1120是一种模块化的可编程控制器，所有模块通过地板进行通讯，使用DCCE自家的扩展I/O协议，最大通讯速率可以达到4Mbps。这里所说的MAC1120仅仅表示一个CPU模块，但是此CPU模块不光可以添加扩展模块，它本体也自带了24点数字量输入与12点继电器类型的数字量输出。并且带有两个串口，硬件是485口，支持标准Modbus RTU/ASCII，Profibus-DP等通讯协议。并且带有以太网口，可用于与编程电脑，触摸屏或者使用EPA协议与其它DCCE控制器通讯。系统架构如图3-5所示。图3-5 MAC1120示意系统架构底板与导轨：底板是连接设备与设备，设备与扩展模块的工具，底板上不仅集成了通讯口，还有供电端口，只要将设备插入底板，经过一定配置既可以让设备之间互通。导轨是固定PLC使用的一种金属长条，本PLC以及其扩展模块使用的是标准导轨，兼容性好，市场上很容易买到。 电源模块：电源模块是给PLC以及外围设备供电的设备，实际上是一个直流稳压源，将AC转化为DC电源输出，也是插在底板上，即插即用。 中央处理单元模块：即MAC1120本体。信号模块：信号模块包含数字量输入/输出，模拟量输入/输出模块，或者输入/输出混合模块。其中模拟量输入模块由包含电流输入，电压输入，PT100，K偶型等信号输入或者混合输入模块，根据量程或者信号的不同，可以选择不同的模块，模拟量输出模块也是类似。数字量输出模块包含继电器类型或者晶体管类型。继电器输出驱动能力强，没有极性限制，交直流通用，但是相应较晶体管输出慢；晶体管类型输出响应快速，但是驱动能力稍弱，并且只支持灌输出。3.2 热风干燥系统的电气设备选型3.2.1 检测与执行装置为了能够检测腔体内实时的状况，集成了许多传感器，来检测，反馈这些信息，证实由于这些信息，控制系统才能够判断系统所处在的状态，并且用这些信息来决定控制过程。 1、温度检测本次设计中，需要两个温度传感器，分别检测进风的温度，与排出热风的温我们均使用热电阻温度传感器。现场的温度最低为室温，最高温度不超过150。我们采用了北京星仪传感器技术有限公司的CWDZ11插入一体化温度变送器。该传感器外形如图3-7所示。图3-7 CWDZ11本传感器是PT100型传感器，PT100就是铂热电阻，它的温度特性稳定，温度变化之后，它的阻值也会有相应的变化。它在0时候的温度为100，在100时的温度为138.5，所以取名为PT100。此传感器内部集成了温度变送器，将PT100的信号转化为420mA的电流信号或者其它电信号，简化了模拟量模块的选型，只要支持标准电流电压信号输入即可。此传感器的具体参数如表3-1所示。表3-1 CWDZ11基本参数测量范围-50300供电电压936VDC输出信号420mA、05V、15V、010V、RS485精度等级+-0.52、风量检测风量即风速，本次设计中，需要用到两个风量传感器，分别检测进风风量和排风风量。在这里我们选用西门子QVM62.1风管型风量传感器。如图3-8所示。图3-8 西门子QVM62.1风管型风量传感器风管型风量传感器是通过压差变化的原理而测量风量，通过将风管设置在流动的方向上，从而气体的流速发生变化从而产生压差，由压差的变化转化为风速的变化，最后输出标准的电信号。它的参数如表3-2所示。表3-2 西门子QVM62.1参数工作电压AC 24 V 20 %（50/60Hz）量程015m/s输出信号010VDC精度0.3m/s3、风压检测风压实际上就是排风口内部和外部的风压差，由于风压差的大小也直接关系到排出热风的温度。所以需要知道风压，作为控制温度的辅助参数。我们选用了北京星仪传感器技术有限公司的CCY11微差压变送器。如图3-9所示：图3-9：CCY11微差压变送器它的参数如表3-3所示。表3-3 CCY11微差压变送器参数压差量程-1010kPa最大静差70kPa输出信号420mA、05V、15V、010V、RS485精度等级0.25%FS4、进风进风由进风风机实现，这里选用2.2kW的三相异步电机，三相异步电机具有价格便宜，结构简单，等优点。此电机采用三角形接法，额定电压为220V，采用变频器调速。关于变频器调速的具体实现方法会在第三、四节中介绍。5、热泵制热由于空气需要加热，这里使用热泵作为主要热源。热泵实际上是由压缩机，冷凝器和蒸发器组成。这里直接作用于加热的是冷凝器，制冷气体通过压缩机压缩之后，会冷凝，此物理过程是放热的，此时将放出的热能通过铜管传输到腔体的加热铜网上进行加热。此时压缩机的功率决定了加热的功率。此设计中，选用松下C-SB涡旋压缩机，额定功率为5.5kW，使用变频器调频。如图3-10所示。图3-10 松下C-SB涡旋压缩机6、电加热模块电加热模块用于空气的辅助加热，当热泵全功率输出时，加热效果还是不理想时，启动电加热。这里使用电阻加热方式，当电流流过电阻较大的电加热元件时，由于焦耳效应，会将电能转化为热能，从而达到加热的目的。本次设计使用镍铬合金作为加热体，并使用铜管导热，将热能传输到铜网上。使铜网与空气大面积接触，提高加热效率。电加热的功率使用三相可控硅功率调节器控制，关于可控硅功率调节器会在第三、四节详细介绍。7、自动风门排风阀的开度直接影响了排风风量，回风阀的开度也直接影响了回风的风量，如果排风阀开度过大，那么排风风量变大，气体可能还未充分加热就被排出到加工腔体；如果排风风阀开度过小，那么排风风量过小，可能会导致工作腔体内热风量过少，达不到理想值，而加热腔体内温度过高无法排出。回风阀也是同理，所以排风阀和回风阀的开度都需要根据相对应位置的热风温度而变化。控制阀门开度的执行器，我们选择了霍尼韦尔CN7510A2001风门执行器。如图3-11所示。图3-11 霍尼韦尔CN7510A2001风门执行器风门执行器是将自己接受到的风门开度信号转换为机械上的风门位移或者转动角度的一种器件。在这里我们使用05VDC的标准信号控制风门090开度的情况。风门执行器的工作原理图如图3-12，具体参数如表3-4示。图3-12 风门执行器原理图表3-4 霍尼韦尔CN7510A200风门执行器参数额定电压24VAC/DC（50/60Hz）输入信号010VDC旋转角度95+-33.2.2 输入输出模块的选择1、确定I/O点数经过计算，本次设计需要7个开关量输入，5个开关量输出，8个模拟量输入，3个模拟量输出，具体见表3-5。表3-5 I/O统计数字量输入数字量输出模拟量输入模拟量输出风机运行反馈风机启动进风温度风机报警反馈压缩机启动进风风量压缩机运行反馈电加热启动热风温度电加热功率压缩机报警反馈补压阀排风风压排风阀开度电加热运行反馈泄压阀压缩机高压回风阀开度电加热报警反馈压缩机低压电加热热敏保护排风风量排风温度总计7583在上表中，所有反馈信号均是继电器引出的干接点，信号不需要经过放大等处理，输出均为继电器类型输出。MAC1120自带24点数字量输入与12点继电器类型数字量输出，完全满足数字量输入输出的需要。2、数字量模块的选择由于MAC1120本体自带的数字量输入输出以及远远满足要求并且留有很大余量，所以不需要另外添加数字量扩展模块。3、模拟量模块的选择.模拟量输入模块的选择由于之前选配的传感器均支持010V的输出，所以模拟输入模块选择电压型模块，并且支持010V即可，这里我们选择DCCE的EA211模拟量输入模块。EA211是一款模拟量输入的扩展IO设备，该设备支持8路标准电流、标准电压传感器类型，抗干扰能力通过电磁兼容3级标准，所有接口都具备隔离电路，将AI输入电源隔离提高整个系统的稳定性，支持标准Modbus协议，可作任意设备的第三方I/O扩展设备。支持端子可拆卸、带电插拔等多种实用性功能，且产品体积小巧，节省空间。.模拟量输入模块的码值对应模拟量模块接收到的电压信号，比如说010VDC信号，并不能直接传入PLC进行使用，需要先在模块内部进行模数转换，把模拟量转化为对应区间的数字。本PLC的模拟量输入对应2000码/V，也就是说010VDC的信号对应020000的码值，它们的对应关系是线性的。模拟量输入在PLC内映射的存储区是EAI区，模拟量被映射成字的大小，即EAIW。我们假设扩展模块上通道1的电压信号是5V,映射地址为EAIW0，那么此时EAIW0的值就为10000。.模拟量输出模块的选择模拟量输出主要控制阀门开度和电加热功率，它们均支持05VDC，或者010VD电压信号输入。我们选择支持此信号输出的模拟量输出模块。在这里选择DCCE的 EA166模拟量输出模块，它具有8路020VDC的电压输出，完全满足上述要求。4、模拟量输出模块的码值对应模拟量和输入模块的码值对应稍有不同，电压输出为1000码/V，即05VDC对应05000，010VDC对应010000。5、I/O地址对应表表3-6 数字量输入对应表绝对地址Modbus变量地址符号数据类型I0.000风机反馈位变量I0.011风机报警位变量I0.022压缩机运行位变量I0.033压缩机报警位变量I0.044电加热运行位变量I0.055电加热报警位变量I0.066电加热热敏保护位变量表3-7 数字量输出对应表Q0.0016704风机工作位变量Q0.0116705压缩机工作位变量Q0.0216706电加热工作位变量Q0.0316707补压阀工作位变量Q0.0416708泄压阀工作位变量表3-8 模拟量输入对应表EAIW022408进风温度输入有符号双字节EAIW122409热风温度输入有符号双字节EAIW222410排风温度输入有符号双字节EAIW622414进风风量输入有符号双字节EAIW722415排风风量输入有符号双字节EAIW822416排风风压输入有符号双字节EAIW922417压缩机高压输入有符号双字节EAIW1022418压缩机低压输入有符号双字节表3-9 模拟量输出对应表EQW222378电加热功率有符号双字节EQW322379排风阀开度有符号双字节EQW422380回风阀开度有符号双字节3.2.3 电源模块的选择电源模块是PLC，扩展模块以及各种有源信号输入的供电模块，本次需要供电的设备的总功率不超过52w，所以选择DCCE的CPS100电源模块。它的额定功率为96w，远远满足实际需要，并且提供三路隔离的直流输出，分别是底板的V+V-，以及侧边的V+V-以及EV+EV-，此模块可以插在PLC底板上，通过底板的直流电源给底板上的模块供电。3.2.4 变频器的选择变频调速是三相电机调速的一种重要的方式，基本原理是通过三相电机的转速与输入频率成正比的特性，通过改变电机供电频率而改变电机的转速。而变频器正是改变三相电机供电频率的器件。变频器可以把动力电源的标频交流电转化成频率可调的三相交流电，从而驱动三相电机的转动，并且改变其转速。在此过程中，交流电先经过整流，转化成直流电，再通过功率器件进行逆变，将直流电逆变成交流电，通过对逆变电路加以控制，以改变最终产生的三相电的频率与电角度。原理如图3-13所示。图3-13 变频器的工作原理本次设计中，需要用到两个变频器，第一个是进风风机需要的变频器，风机的额定功率为2.2kW，我们选择DCCE的VIT022E100-1变频器，此变频器额定功率为2.2kW，且有比较强的过载能力，能够胜任本次设计的要求。另外，此变频器的动力电源为单项220V，并且具有多种调速方式，一个485串口，支持标准Modbus RTU/ASCII通讯协议。第二个是压缩机需要的变频器，压缩机的额定功率为5.5kW，输入相电压为380V，此时选择DCCE 的VIT200T075变频器，这款变频器的额定功率为7.5kW，大于压缩机的额定功率，可以胜任要求，并且其动力电源为三相380V，其它特性与风机变频器类似。3.2.5 可控硅功率调节器的选择可控硅功率调节器是精确调节电加热功率的大功率器件，它的性能好坏，将直接决定电加热得到稳定性和准确度。这里我们选择TOYO公司的功率调节器，额定功率为5.0kW，功率调节范围从05.5kW可调，可以通过给定010VDC电压信号调节。3.2.6 触摸屏的选择触摸屏是人机交互的窗口，要求速度快，抗干扰能力强。并且由于PLC上的两个通讯接口，一个被用作与扩展模块的通讯主口，另一个被用作与变频器通讯的主口，而如果触摸屏用串口与PLC连接，那么触摸屏必定做主站，而主站与主站是不能建立通讯的。所以我们在这里选择剩余的网口与触摸屏通讯，因此触摸屏也必须带有以太网口。我们选择DCCE的TP210E触摸屏，作为这次设计的触摸屏。使用以太网口搭载EPA协议与PLC互联。由于是网线传输，具有抗干扰能力强，中转方便，响应速度快等优点。3.3设备间的通讯以及接线3.3.1 输入输出的接线1、数字量输入的接线MAC1120的数字量输入支持正负输入，所有的输入端口有一个公共端，名为COM端，因此，此端口可接0V，也可接+24V,建议采用0.51.0mm2的BVR或者RV普通单芯软导线。示意图如图3-14。图3-14 输入接线示意图2、数字量输出的接线由于数字量输出为继电器输出，所以，不用考虑极性问题。每四个输出共用一个公共端M。3、模拟量输入的接线本次设计的模拟量输入均为010VDC电压信号，模拟量输入以及输出的线缆建议使用0.5mm2的RVVP带屏蔽的线缆。模拟量输入采用三线制，但是电压输入只需要用到两线，接线示意图如3-15所示。图3-15 电压型输入接线示意图4、模拟量输出的接线模拟量输出使用线缆与输入一致，示意图如图3-16所示。图3-16 电压输出接线3.3.2 变频器的接线及其控制方式变频器的控制要求能够单向起停，并且频率可控，这里采用了端子起停的方式，并且频率采用通讯给定。1、端子起停的接线变频器具有数字量输入端子DI，每个端子可以用来自定义不同的导通时功能。所有的DI端子在内部都接了+24V作为公共端，又因为PLC的输出端子为负输出，所以只要将DI直连到PLC的输出端子，并让变频器的COM端子与PLC的输出公共端共地就可以了。示意图如3-17所示。图3-17 端子起停接线示意图2、通讯给定频率的实现方式PLC与变频器的通讯采用两线485通讯，通讯协议为Modbus RTU，接线使用屏蔽双绞线。如图3-18所示。图3-18 485接线示意图关于Modbus RTU 协议：Modbus RTU 协议的报文的组成如图3-19。图3-19：RTU报文格式设备地址：即为站号，每个设备使用不同的站号，组成一主站多从站的结构，这里有两台变频器，一台站号设置成2，另一台设置成3。功能码：Modbus RTU 协议一共有9种不同的功能码，如图3-20所示。图3-20 功能码详解这里要修改变频器里某个地址里的频率值，用6号命令。数据信息：这里使用6号命令的话，数据信息应该包含要写入的Modbus地址（2字节），要写入的数据（2字节）。CRC校验：通过对前面接收到的数据进行CRC校验，校验结果与这里的预存的CRC结果进行比较，如果相同，表示数据正确，如果不同，表示数据错误。CRC有专用的校验算法，算法在此不表。DCCE变频器的频率地址在手册中可查，如图3-21所示。图3-21 频率的Modbus地址3、变频器的参数设置要使变频器能够正常通讯，通过端子起停，需要设置变频器的对应参数，另外，我们对系统的快速性有一定要求，所以变频器中的加减速时间都要设定尽量小。具体的参数设定如表3-10。表3-10 变频器参数表功能码参数介绍参数值（风机变频）参数值（压缩机变频）F0.01启停信号选择1（端子起停）1F0.03频率设定源6（通讯给定）6F0.04最大输出频率200Hz200HzF0.05运行频率上限200Hz200HzF0.06运行频率下限0Hz0HzF0.08加速时间0.1s0.1sF0.09减速时间0.1s0.1sF5.00DI1端子功能1（正转运行）1FC.00站号23FC.01波特率5（38400bps）5FC.02数据位校验设置0（N81，RTU）03.3.3 触摸屏与PLC的通讯连接本次设计触摸屏选用DCCE 的TP210E触摸屏，此触摸屏带有以太网口，直接使用网口与PLC通讯，使用专用的EPA协议。PLC的IP地址为192.168.1.181，触摸屏的IP设为192.168.1.100系统配置以及参数如图3-22。图3-22 触摸屏与PLC的以太网连接参数设置4 热风干燥系统软件设计4.1 控制系统的流程图图4-1 系统软件流程图DCCE MAC1120所使用的编程软件为PLC_Config，这是一个类似于西门子Step7的编程软件，它使用梯形图和功能块的编程方式，看起来直观，方便。并且内部集成了非常丰富的功能块，编程非常的方便。除了编程上的便利，它还提供了包括工程管理，状态符号表，变量监控趋势图，可以在监控时实时改变变量的值，也支持在线编辑，不用停止PLC的运行就可以下载，调试非常方便。该系统有两种控制模式，一种是只使用电加热的模式，在此模式中，压缩机不参与加热过程，全程均使用电加热；另一种是电加热和热泵（压缩机）共同使用，如果设定值与实际值相差过大时，两种加热方式全功率输出，在输出的过程中由于压缩机功率限制，高压达到保护压力时，需要改变控制方法，在安全的前提下实现效率最大化的温控。系统在停机时，电加热和压缩机立即停止，而风机延时一段时间再停止，让腔体内的温度稍微冷却。4.2 系统软件实现4.2.1 数据的转换1、风量风速与风压的转换由于风量，风压与风管面积之间存在一定的数学关系，如下式所示。风速=风压*9.8*2/1.06 （4-1）风量=风速*风管面积+60 （4-2）所以我们在程序内对采集到的模拟量信息做了如下处理：图4-2 式4-1的编程实现图4-3 式4-2的编程实现再通过式4-1与式4-2算出风速与风量，如图4-4所。图4-4 求得风速与风量2、模拟量的标准化在第三节我们提到过，模拟量输入的码值为020000，这样的值，还不能用于运算，需要将值线性化，也就是统一单位，转换成能够参与计算的值，如图4-5所示。图4-5 模拟量的标准化4.2.2 风机启动与延时停止的实现风机的启动是立即的，但是停止时需要延时停止，这是因为在停止时，腔体内温度还很高，需要对腔体内进行降温，所以要在压缩机和电加热停止后，延时一段时间再停止。实现方法如图4-6所示。图4-6 风机的起停的实现图中M3.03是风机的启动位，可见在停止按钮未按下，紧急停机未按下，风机未报警的时候，风机会启动运行。当某个停止条件导通之后，M3.03的常闭触点导通，定时器T0开始计时，延时一段时间后，断开风机。延时时间由VW550控制。4.2.3 补压与泄压的实现当压缩机压力过高时，这时候继续加压会导致压缩机损坏；而压缩机压力过低时，加热效率会严重下降。所以压缩机压力过高和过低都不行，采取的措施是，压力过低时，打开补压阀开始补压，到补压目标值时停止；压力过高时，打开泄压阀开始泄压，到泄压目标值时停止。这里采用模糊控制的算法，由于压缩机压力对控制效果的影响不是直接的，这个扰动可以在PID回路里迅速被消除，所以这样的方法是可取的。实现方法如图4-7。图4-7 补压和泄压的实现4.2.4 PID控制的实现1、PID的原理PID控制的根本，是设定值与实际值的偏差值，将偏差值经过比例运算，积分运算，微分运算之后得出的值，加上系数线性叠加之后，确定输出的值。它在模拟系统的表达式如下： Ut=Kpet+1Tietdt+Tdde(t)dt （4-3） 式中: Ut：输出信号 et：设定值与实际值之差 Kp ：比例系数 Ti ：积分时间 Td ：微分时间由式4-3可见，输出的大小与比例度，积分时间和微分时间是息息相关的，它们对控制性能的影响如下：比例系数对系统控制性能的影响：比例系数影响系统的快速性，比例系数越大，系统对偏差的响应速度越快，加快系统的调节作用，减小偏差。但是比例增益过大的话，会是系统产生很大的超调量，在某些对被控对象很敏感的控制中，往往过大的超调量会导致加工过程中器件的损坏，是不可取的；比例增益过小会导致系统对误差的响应变慢，不能及时调节。积分时间对系统控制性能的影响：积分作用主要用于消除稳态误差，最终使系统保持在无差的状态，由公式可见，只有在偏差e(t)为0的时候，输出U才会保持稳定，此时被控对象也是稳定的，系统达到稳态时没有稳态误差。当Ti减小时，积分作用增强；Ti增加时，积分作用变弱。积分作用的增强会导致系统的动态响应变慢，影响系统稳定性，有种矫枉过正的感觉。微分时间对系统控制性能的影响：微分作用是一种超前作用，通过对误差的微分，可以得出误差的变化率。知道了误差的变化趋势，就可以通过改变输出去抑制即将发生的误差变化，所以有超前作用，可以在误差还没有出现的时候就消除误差。但是微分作用也是个双刃剑，它又是一个高通滤波器，假如误差信号出现了干扰，那么这个干扰就会被误认为是误差，微分之后会导致输出陡增或者陡降，影响系统的稳定性。所以说，要使用好PID，必须要设定好三个参数，比例系数，积分时间和微分时间。但对于不同的系统来说，这三个参数又是不一样的。对于PID控制来说，调节这三个参数需要花费大量的时间。2、PID参数的自整定为了减少工程人员的工作量，DCCE MAC1120 控制器中自带了PID三个参数的自整定算法，在确定一个未知系统的PID参数时，可以打开自整定开关，这时候系统就会自动整定，得出三个参数，并用于之后的调节中。PID的自整定包含有超调和无超调两种模式，前者整定速度较快，但是有超调，不能用在不允许超调的场合，如会发生危险或使被控对象的性质发生变化的场合；后者速度较慢，但是没有超调，适用场合比较广泛。两种整定模式的趋势图如图4-8所示。图4-8 有超调自整定如图4-8所示，此时为有超调自整定，横轴的蓝线为设定值，在自整定开始时，PID全功率输出，很快就超过了设定值，之后关闭输出，待降到设定值以下的时候，再全功率输出。循环三次，最终确定Kp，Ti，Td的值。 有超调自整定也叫做继电器反馈法整定，它主要使用继电器反馈原理，结合ZN公式最终确定三个参数的值，它的原理框图如图4-9所示：图4-9 继电器反馈法整定原理框图图中，系统有两种状态，PID控制状态和继电器整定模块。在整定状态时，调节继电器滞环的参数，在被控对象至少具有-的相位滞后就可以产生临界振荡，在此过程中，震荡三次获得足够的临界信息后，就可以根据ZN公式得出整定值，ZN公式如式4-6所示。Kp=0.6KPcrit Ti=0.5Tcrit （4-6）Td=0.12Tcrit在式4-6中，KPcrit为临界系数，Tcrit为临界震荡周期，这两个参数信息都可以在震荡时得出。图4-9 无超调自整定如图4-9所示，此时为无超调自整定，开始整定时，PID也是全功率输出，但是检测值达到设定值的60%的时候，PID的输出开始减少，之后再分几个区间，每个区间阶梯性的减少输出，直到慢慢逼近设定值。在此过程中建立数学模型，整定出三个参数的值。图4-10是由使用无过冲自整参数定后的控制曲线。图4-10 使用整定得出的三个参数PID控制曲线由图4-10可见，使用自整定确定的值后的控制曲线非常的平滑，几乎达到了稳态无静差。3、PID在本设计中的具体应用.系统PID回路统计本次设计中一共有6个PID回路，分别是：压缩机功率（压缩机高压控制）、压缩机功率（排风温度控制）、排风风量、回风风量、进风风量、电加热功率。它们的具体信息如表4-1。表4-1 各PID回路的详细信息回路名称被控对象执行机构控制依据压缩机回路（高