红枣烘房—温湿度自动控制系统的设计

1 引言引言 温度和湿度是工农业生产中常见的工艺参数之一 任何物理变化和化学反应过 程都与温度和湿度密切相关 在科学研究和生产实践的诸多领域中 温度和湿度控 制占有着极为重要的地位 对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制 所采用的 加热方式 燃料 控制方案也有所不同 同时排湿方式不同 其控制方式也不相同 例如冶金 机械 食品 化工等各类工业生产中加热装置广泛使用的各种加热炉 热处理炉 反应炉等 排湿装置多采用轴流式风机 燃料有煤气 天然气 油 电 等 1 温度和湿度控制系统的工艺过程复杂多变 具有不确定性 因此对系统要求 更为先进的控制技术和控制理论 可编程控制器 PLC 是一种工业控制计算机 是继承计算机 自动控制技术 和通信技术为一体的新型自动装置 它具有抗干扰能力强 价格便宜 可靠性强 编程简单 易学易用等特点 在工农业领域中深受工程操作人员的喜欢 因此 PLC 已在工农业自动控制的各个领域中被广泛地使用 2 红枣在烘干的过程中不仅需要对温度和湿度数值大小进行控制 而且不同烘制 阶段加热和排湿的时间也不相同 用 PLC 来实现温度和湿度的精确控制 方便快捷 使人从繁重的劳动解放出来 2 枣的干制枣的干制 2 1 工艺流程工艺流程 红枣烘制的流程大致如下 原料 挑选 分级 装盘 烘制 包装 成品 2 2 工艺要点工艺要点 2 2 1 温度控制温度控制 通过大量实验表明红枣烘干温度控制分3个阶段 3 分别包括 缓慢升温阶段 恒 温排湿阶段和后熟制干阶段 第1阶段为缓慢升温阶段 点火后温度由常温缓慢升至50 55 保持5小时左 右 此阶段应注意升温不能过高过快 否则枣果表面易形成硬壳 俗称焖枣 破坏 果肉水分向外排放的通道 不利于枣果水分排放 第2阶段为恒温排湿阶段 是整个烘干过程中主要时期 其特点是需要大火 持 续时间长 枣果表面颜色全变为紫红色 在此期既要注意排湿 又要不停地加火 使炕房温度控制在65 70 之间 保持19h左右 若温度低则会延长烘干时间 温度 高则会形成焦枣 第3阶段为后熟制干阶段 其特点是枣果表面由软变为皱褶 趋于成熟 温度应 控制在50 55 之间 保持5h左右 此期要一直打开排湿窗和进气窗 在实际操作中3个阶段是连续进行的 枣农要不断观察枣果的变化 以采取相应 措施 2 2 2 湿度控制湿度控制 红枣在烘干过程中 自身水分在烘房内温度作用下不断向外排出 变干 若烘 房内水份不能及时排除 制干速度延缓 且易形成焦枣 降低食用价值 在第1阶段 温度缓慢升起后 枣果表皮逐渐变软 枣果中的水分慢慢向外排放 炕房内的湿度 一般在65 以下 当进入第2阶段 即点火后5h左右 枣果表面颜色变深 果肉继续 变软 烘房内的湿度不断上升 当烘房内干湿球温度之差小于5 或相对湿度大于 70 时 立即打开排湿窗和进气窗通气排湿 当烘房内干湿球温度差达15 或相对 湿度低于40 时 要停止排湿 若温度上升到65 以上 相对湿度大于70 时仍不 排湿 就会出现焦枣 据经验 相对湿度达到70 以上时 会感到空气潮湿闷热 呼吸困难 枣果表面潮湿 此时 应立即进行烘房内通风排湿工作 经验认为 烘 房内相对湿度达70 左右时 通风排湿1min 可使相对湿度降至60 左右 此时应 停止通风排湿 以后视相对湿度情况 多次进行通风排湿 烘干过程中一般排湿7次 通风排湿时 视烘房内相对湿度的高低和外界风力的大小 决定通风排湿的方法和 时间的长短 相对湿度高 外界风力较小时 则将进气窗和排湿窗全部打开 排湿 时间较长 反之 则可将进气窗和排湿窗交替开放 排湿时间较短 每次通风排湿 时间以10 15min为宜 过短通风排湿不够 相对湿度仍高 影响红枣干燥速度和产 品品质 过长 随着潮湿空气的排出 室内温度也随之下降 当干燥作用继续进行 时 需要重新升高温度 耗煤量增加 成本提高 每次通风排湿结束时 应及时将 通风设备关闭 使烘房内温度迅速回升 干燥作用继续进行时 感到空气干燥 呼 吸顺畅 枣果表皮干燥而出现皱纹 则达到了通风排湿的效果 3 3 烘房结构的设计烘房结构的设计 3 1 烘房的外部结构烘房的外部结构 烘房外部结构如图所 3 1 示 烘制室加热室 图 3 1 烘房结构 3 2 烘房的内部设备烘房的内部设备 烘房的内部设备包括有 观察窗 风机 热风炉 控制器 风门 鼓风机和排 气窗 其布置如图所示 观察窗 风机 热风炉 控制器 风门 排湿窗 鼓风机 图3 2 烘房设备安装位置 1 控制器 三相和单相两类 都带有正反转功能 具有防雷击保护 过流保护 输出短路 保护等安全防护措施 具有缺相 三相 过载 短路保护和电流监测的功能 烘房 管理系统软件组网连接 通过计算机可读取所有网内控制器的工作过程记录 变频器 端口与变频器连接 实现风机的无极调速控制 通过模糊自适应控制算法 自动控 过渡段 制鼓风机的启停和风门的开关角度 可靠并简捷控制烤房内的温度和湿度 并具有 智能报警和语音提示功能 2 热风炉 选用耐酸钢 耐候钢制作 焊接部位选用与母材一致的焊材进行焊接 金属外 表面采用耐 500 以上高温 抗氧化 附着力强的环保材料进行防腐处理 确保设 备使用寿命 10 年以上 3 轴流风机 风机叶片数量 4 个 采用内置直联电动机 叶轮顶部和风筒的间隙 5mm 符合 国家规定 电动机 F 级绝缘 A 级 E 级 B 级 F 级 H 级 4 选用优质高滴点温 度轴承 方形框架结构 强度好 有单相 三相两种规格供选择 适合高温高湿环 境使用 4 风门和排湿窗 风门的风叶材料是厚度 1 5mm 冷轧钢标准板 内设冲压加强筋 风门关闭严密 风叶能在 0 90 开启 并在任意角度保持稳定 电动机控制回路具有保护措施 插 座安装可靠 电动机连接到插座的连线绝缘性能好 不漏电 防雨淋 排湿窗采用轻质材料 不易变形 开关灵活 采用喷塑或镀锌处理 喷塑厚度 不小于 20 m 颜色纯正 5 鼓风机 离心式鼓风机 运转稳定 但是风量较小 对热风炉起到辅助的作用 6 温湿传感器 选择测量精度高 既有测干球温度又有测湿球温度 从而通过干球和湿球温度 之差实现对湿度的测量 使用方便 4 烘房温湿控制系统的原理烘房温湿控制系统的原理 干制过程中 要掌握温度调节 通风排湿及倒换烘盘等技术 以较短的时间获 得较高质量的产品 主要控制以下几大要点 5 对不同品种的红枣采用不同的干制温度和升温方式 根据烘房内相对湿度的高低 适时通风排湿 掌握干燥时间 4 1 目标温湿度设定依据目标温湿度设定依据 影响烘房温湿度的因素有很多 通常烘房温度高 风流速度快则烘制速度就快 但是如果目标湿度设置不合适 比如设定目标湿度较低时 烘房的湿度很快就能达 到目标湿度 造成风门打开过于频繁 外界冷空气进入烘房量加大 烘房内就很难 保证较高的温度 再者 目标湿度较低 就意味着排出的空气含水量较少 却排出 了大量热量 造成很大的热损失 这就提示我们 目标湿度要根据具体情况确定 过低会造成能源的浪费且红枣因温度较低而失水较慢 过高又会造成环境湿度大而 造成的失水较慢 综合以上的因素 应选择刚好能达到目标温度的目标湿度值最为 合适 这就需要根据烘制当时的现场条件摸索出这个值 4 2 温湿度控制系统的选择温湿度控制系统的选择 4 2 1 PLC 的应用及特点的应用及特点 6 随着农业科技的不断发展 大枣烘房的智能化不断提高 为提高红枣烘制品质 工作 人员必须时刻对红枣烘房的温 湿度进行监测和控制 为解决这一问题 多应用一种 基于 PLC 和温湿度传感器的智能温室控制系统 该系统实现了红枣烘房内温湿度的自 动测量和调节 PLC 即可编程序控制器 是在计算机的促进下发展起来的新一代顺序逻辑控制 装置 它使用软件完成顺序逻辑控制功能 用计算机执行操作命令 实时操作 因 此 顺序逻辑控制功能的更改十分方便 并且其工作可靠性和运算速度都比较高 并且具有以下特点 灵活性和通用性强 PLC 是利用存储在机内的程序来实现各种控制功能的 因此在 PLC 控制的系统 中 当控制功能发生改变时只需要修改程序即可 PLC 的外部接线改变极少 甚至 可以不必改动 一台 PLC 在用于不同的控制系统中 只改变其中的程序即可 其灵 活性和通用性是其他电路无法比拟的 可靠性高 抗干扰能力强 在 PLC 控制系统中 大量的开关动作是由半导体电路完成 和同等规模的继电 接触器相比 电气接线和开关节点已经减少到数百甚至数千分之一 故障也就大大 降低 并且在硬件和软件方面都采取了强有力的措施 使其具有极高的可靠性和抗 干扰能力 平均无故障率可达到几万甚至几十万小时以上 编程语言简单易学 在 PLC 是一种计算机产品 但是它的编程很容易掌握 PLC 的设计人员充分考 虑了工程技术人员的技能和习惯 其程序的编制采用继电器形式的 梯形图 编程方 式及命令语句表编程 只用 PLC 的少量开关逻辑控制指令就可以方便的实现继电器 电路的功能 这就使 PLC 的程序简单并且容易被人掌握 为不熟悉的电子电路 不 懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门 PLC 体积小 重量轻 易于实现机电一体化 PLC 内部电路主要采用半导体集成电路 具有结构紧凑 体积小 重量轻 能 耗低的特点 是实现机电一体化的理想设备 4 2 2 温湿度控制系统的工作原理温湿度控制系统的工作原理 本系统主要由 DS18B20 型干湿球温度传感器 集成运算放大器 LM358 A D 转换器 ADC0809 光电耦合器 TLP521 和 PLC S7 200 系列 组成 干湿球温度传 感器用来采集烘房内干球温度和湿球温度信号 通过二者之差来得到湿度信号 将采 集到的信号经 ADC0809 转换成 8 路并行数字信号 信号通过光电耦合器传入 PLC PLC 将经转化后的信号与设定温 湿度值进行比较 若转换后的温度信号若高 于设定温度上限 则开窗降温 若低于设定温度下限 则关窗并驱动加热设备 转换后 的湿度信号高于设定湿度上限 则启动风机 若低于设定湿度下限 则关闭排湿窗并控 制风机停止工作 7 其系统工作原理如图 4 1 所示 温湿度设定值 PLC 驱动相应的外围设备温湿温室传感器 图 4 1 系统工作原理图 5 烘房温湿控制系统设计烘房温湿控制系统设计 根据系统具体指标要求 可以对每一个具体部分进行分析设计 整个控制系统 分为硬件电路设计和软件程序设计两部分 5 1 硬件设计硬件设计 系统硬件框图结构如图 5 1 所示 PLC 信号传感器 给定温度 湿度 集成运算放大 器 LM358 信号转化器 加热器 轴流风机 图 5 1 系统硬件框图 系统硬件连接图如图 5 2 所示 图 5 2 系统硬件连接图 5 1 1 信号的采集信号的采集 温湿度信号是由温湿度传感器采集并转化为电压信号 经运算放大器放大后分别 接入 A D 转换器 ADC0809 的 IN0 IN1 号通道 PLC 输出口 Y0 通过输出电路接 到 A D 转换器 ADC0809 的地址选择输入端 A 控制具体模拟量信号的转换 5 1 2 输入接口电路输入接口电路 在输入采样阶段 PLC 首先扫描所有输入端子 将各输入状态存入内存中的各对应 的输入映像寄存器中 例如按钮 SB1 接点闭合 就将 1 写入对应表示输入继电器 X0 所示的位上 SB1 接点断开 则写入 0 8 为了保证输入灵敏度当输入电流在 4 5mA 以上 X10 以后为 3 5mA 以上 时 就把 1 写入相应的输入映像寄存器中 当输 入电流在 1 5mA 以下时 就把 0 写入相应的输入映像寄存器中 5 1 3 系统的硬件配置系统的硬件配置 1 S7 200PLC 选型选型 S7 200 系列 PLC 是由德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程控制器 它 能够满足多种自动化控制的需求 适用于各行各业 各种场合的检测监测和控制的 自动化 其设计紧凑 价格低廉 并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功能 可代替继电器在简单的控制场合 也可以用于复杂的自动化控制系统 S7 200 系列 可以根据对象的不同 可以选用不同的型号和不同数量的模块 并可以将这些模块 安装在同一机架上 在 S7 200 系列中 单极性模拟量的输入 输出信号的数值范围是 0 32000 双 极性模拟信号的数值范围是 32000 32000 9 综合 S7 200 系列的各种特点 此类型的 PLC 能满足红枣烘房的温 湿度自动控 制的要求 2 温湿传感器 温湿传感器 DS18B20 干湿球温度传感器如图 5 3 所示 它是美国 DALLAS 半导体公司最新 推出的一种改进型智能温度传感器 与传统的热敏电阻等测温元件相比 它能直接 读出被测温度再通过一定的计算方式得到湿度 并且可根据实际要求通过简单的编 程实现 9 12 位的数字值读数方式 可实现高精度测温 转换时间为 200ms 10 干球探头 湿球探头 导水弯管 控制器接头 水壶 图 5 3 干湿球温度传感器 具体参数如下 基本功能 检测温度 显示温度 过限报警 主要技术参数 温度检测范围 55 125 测量精度 0 5 显示方式 四位显示 报警方式 三极管驱动的蜂鸣音报警 传感器放置位置 根据红枣烘房内温湿度的要求 应将传感器放置在正确的位置才能准确的测出 烘房内的温度和湿度 通常将传感器放置在远离加热炉和排湿窗的位置 即通常放 在烘房中间房顶出 若离加热炉较近 则所测温度高于房内温度 若离排湿窗较近 则 此处空气交换较为频繁 所测温度低于房内实际温度 因此传感器的正确位置 直接影响到对房内实际温度的准确控制 进而影响到红枣的烘制品质 3 A D 转换器转换器 ADC0809 A D 转换器 ADC0809 特点是 8 路模拟信号的分时采集 片内有 8 路模拟选通 开关 以及相应的通道抵制锁存用译码电路 其转换时间为 100 s 左右 其内部逻辑结构如图 5 4 所示 图 5 4 A D 转换器 ADC0809 内部逻辑结构图 图中多路开关可选通 8 个模拟通道 允许 8 路模拟量分时输入 共用一个 A D 转换器进行转换 这是一种经济的多路数据采集方法 地址锁存与译码电路完成对 A B C 3 个地址位进行锁存和译码 其译码输出用于通道选择 其转换结果通过 三态输出锁存器存放 输出 因此可以直接与系统数据总线相连 A D 转换后得到的数据应及时传送给 PLC 控制器进行处理 数据传送的关键问 题是如何确认 A D 转换的完成 因为只有确认完成后 才能进行传送 为此可采用 下述三种方式 11 定时传送方式 对于一种 A D 转换其来说 转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的 例 如 ADC0809 转换时间为 128 s 相当于 6MHz 的 MCS 51 单片机共 64 个机器周期 可据此设计一个延时子程序 A D 转换启动后即调用此子程序 延迟时间一到 转 换肯定已经完成了 接着就可进行数据传送 查询方式 A D 转换芯片由表转换完成的状态信号 例如 ADC0809 的 EOC 端 因此可以 用查询方式 测试 EOC 的状态 即可确认转换是否完成 并接着进行数据传送 中断方式 把表转换完成的状态信号 EOC 作为中断请求信号 以中断方式进行数据传 送 不管使用上述哪种方式 只要一旦确定转换完成 即可通过指令进行数据传送 4 集成运算放大器 集成运算放大器 LM358 LM358 内部包括有两个独立的 高增益 内部频率补偿的双运算放大器 适合 于电源电压范围很宽的单电源使用 也适用于双电源工作模式 在推荐的工作条件 下 电源电流与电源电压无关 它的使用范围包括传感放大器 直流增益模块和其 他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合 LM358 的封装形式有塑封 8 引线 双列直插式和贴片式 其脚位排列如图 5 5 所示 图 5 5 LM358 脚位排列图 其特性 内部频率补偿 直流电压增益高约 100dB 单位 增益频带宽约 1MHz 电源电压范围宽 单电源 3 30V 双电源 1 5 15V 低功耗电流 适合于电池供电 低输入失调电压和失调电流 输出电压摆幅大 约为 0 至 1 5V 5 光电耦合器 光电耦合器 TLP521 用来隔离高频电路与低频电路 高频电路产生的高频信号会干扰低频电路 用 光耦合器既能连接两个部分又能屏蔽高频信号 5 2 软件设计软件设计 在温 湿度自动控制器的软件设计中 采用了模块化设计 各个部分分别设计成 子程序 这样便于软件的升级和维护 同时在软件上也采取了防止程序跑飞 程序没 有按指定的要求进行运行 的措施 12 5 2 1 控制算法的设计控制算法的设计 1 PID 控制程序设计控制程序设计 模拟量闭环控制较好的方法之一是 PID 控制 PID 在工业领域的应用已经有 60 多年 现在依然广泛地被应用 人们在应用的过程中积累了许多的经验 PID 的研 究已经到达一个比较高的程度 比例控制 P 是一种最简单的控制方式 其控制器的输出与输入误差信号成比 例关系 其特点是具有快速反应 控制及时 但不能消除余差 在积分控制 I 中 控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系 积分控 制可以消除余差 但具有滞后特点 不能快速对误差进行有效的控制 在微分控制 D 中 控制器的输出与输入误差信号的微分 即误差的变化率 成正比关系 微分控制具有超前作用 它能预测误差变化的趋势 避免较大的误 差出现 微分控制不能消除余差 PID 控制 P I D 各有自己的优点和缺点 它们一起使用的时候又和互相制 约 但只有合理地选取 PID 值 就可以获得较高的控制质量 13 2 PID 控制算法控制算法 反馈环节 PID 控制环节 被控对象 r t e t u t C t 图 5 6 带 PID 控制器的闭控制系统框图 如图 5 6 所示 PID 控制器可调节回路输出 使系统达到稳定状态 偏差 e 和输入量 r 输出量 c 的关系 1 c t r t e t 控制器的输出为 t d i P dt tde Tdtte T teKtu 0 1 2 上式中 PID 回路的输出 tu 比例系数 P Kp 积分系数 I i T 微分系数 D d T PID 调节器的传输函数为 3 ST ST K SE SU SD d i P 1 1 数字计算机处理这个函数关系式 必须将连续函数离散化 对偏差周期采样后 计算机输出值 其离散化的规律如表 5 1 所示 表 5 1 模拟与离散形式 模拟形式离散化形式 tctrte ncnrne dT tde T nene 1 t dtte 0 n i n i ieTTie 00 所以 PID 输出经过离散化后 它的输出方程为 4 0 0 0 1 unununu unene T T ie T T neKnu diP n i d i P 式 4 中 neKnu PP 称为比例项 称为积分项 n i i pi ie T T Knu 0 称为微分项 1 nene T T Knu d pd 上式中 积分项是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累积 n i e 1 i 值 14 计算中 没有必要保留所有的采样周期的误差项 只需要保留积分项前值 计算机的处理就是按照这种思想 故可利用 PLC 中的 PID 指令实现位置式 PID 控制 算法量 15 3 PID 在在 PLC 中的回路指令中的回路指令 现在很多 PLC 已经具备了 PID 功能 STEP 7 Micro WIN 就是其中之一有的是 专用模块 有些是指令形式 西门子 S7 200 系列 PLC 中使用的是 PID 回路指令 见表 5 2 表 5 2 PID 回路指令 名称PID 运算 指令格式PID 指令表格式PID TBL LOOP 梯形图 使用方法 当 EN 端口执行条件存在时候 就可进行 PID 运算 指令的两个操 作数 TBL 和 LOOP TBL 是回路表的起始地址 本文采用的是 VB100 因为一个 PID 回路占用了 32 个字节 所以 VD100 到 VD132 都被占用了 LOOP 是回路号 可以是 0 7 不可以重复使用 PID 回路在 PLC 中的地址分配情况如表 5 3 所示 表 5 3 PID 指令回路表 偏移地址名称数据类型说明 0过程变量 PVn 实数必须在 0 0 1 0 之间 4给定值 SPn s实数必须在 0 0 1 0 之间 8输出值 Mn 实数必须在 0 0 1 0 之间 12增益 Kc 实数比例常数 可正可负 16采样时间 Ts 实数单位为 s 必须是正数 20采样时间 Ti 实数单位为 min 必须是正数 24微分时间 Td 实数单位为 min 必须是正数 28积分项前值 MX 实数必须在 0 0 1 0 之间 32过程变量前值 PVn 1 实数必须在 0 0 1 0 之间 回路输入输出变量的数值转换方法 在本系统中 设定的温度和湿度是给定值 需要控制的变量是烘房中的温度和 湿度 但它不完全是过程变量 PV 过程变量 PV 和 PID 回路输出有关 在本文中 经过测量的温度和湿度信号被转化为标准信号温度和湿度值才是过程变量 所以 这两个数不在同一个数量值 需要他们作比较 那就必须先作一下数据转换 传感 器输入的电压信号经过转换器转换后 是一个整数值 他的值大小是实际温度的把 A D 模拟量单元输出的整数值的 10 倍 但 PID 指令执行的数据必须是实数型 所以 需要把整数转化成实数 使用指令 DTR 就可以了 如本设计中 是从 AIW0 读入温 度被传感器转换后的数字量 实数的归一化处理 因为 PID 中除了采样时间和 PID 的三个参数外 其他几个参数都要求输入或输 出值 0 0 1 0 之间 所以 在执行 PID 指令之前 必须把 PV 和 SP 的值作归一化处 理 使它们的值都在 0 0 1 0 之间 归一化的公式如 5 5 estpanrawnoum OffSRR 式中 Rnoum 标准化的实数值 Rraw 未标准化的实数值 Span 补偿值或偏置 单极性为 0 0 双极性为 0 5 Offest 值域大小 为最大允许值减去最小允许值 单极性为 32000 双极性 为 6400 本文中采用的是单极性 故转换公式为 6 32000 rawnoum RR 因为温度经过检测和转换后 得到的值是实际温度的 10 倍 所以为了 SP 值和 PV 值在同一个数量值 我们输入 SP 值的时候应该是填写一个是实际温度 10 倍的 数 即想要设定目标控制温度为 100 时 需要输入一个 1000 另外一种实现方法 就是 在归一化的时候 值域大小可以缩小 10 倍 那么 填写目标温度的时候就可 以把实际值直接写进去 7 回路输出变量的数据转换 本设计中 利用回路的输出值来设定下一个周期内的加热时间 回路的输出值 是在 0 0 1 0 之间 是一个标准化了的实数 在输出变量传送给 D A 模拟量单元之 前 必须把回路输出变量转换成相应的整数 这一过程是实数值标准化过程 7 SpanOffMR estnscal S7 200 不提供直接将实数一步转化成整数的指令 必须先将实数转化成双整数 再将双整数转化成整数 程序如下 ROUND AC1 AC1 DTI AC1 VW34 4 PID 参数整定参数整定 PID 参数整定方法就是确定调节器的比例系数 P 积分时间 Ti 和和微分时间 Td 改善系统的静态和动态特性 使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求 一般可以通过理论计算来确定 但误差太大 目前 应用最多的还是工程整定法 如经验法 衰减曲线法 临界比例带法和反应曲线法 经验法又叫现场凑试法 它不需要进行事先的计算和实验 而是根据运行经验 利用一组经验参数 根据反应曲线的效果不断地改变参数 对于温度控制系统 工 程上已经有大量的经验 其规律如表 5 4 所示 表 5 4 温度控制器参数经验数据 被控变量 规律的选择比例度积分时间 分钟 微分时间 分钟 温度滞后较大20 603 100 5 3 实验凑试法的整定步骤为 先比例 再积分 最后微分 整定比例控制 将比例控制作用由小变到大 观察各次响应 直至得到反应快 超调小的响应曲线 整定积分环节 先将步骤 中选择的比例系数减小为原来的 50 80 再将积分时间置一个较 大值 观测响应曲线 然后减小积分时间 加大积分作用 并相应调整比例系数 反复试凑至得到较满意的响应为止 确定比例和积分的参数 整定微分环节环节 先置微分时间 TD 0 逐渐加大 ID 同时相应地改变比例系数和积分时间 反 复试凑至获得满意的控制效果和 PID 控制参数 根据反复的试凑 调出比较好的结果是 P 120 I 3 0 D 1 0 5 2 2 主程序主程序温度低于设定下限 温度低于设定下限 系统启动 设定温度 温度采样 温度超标否 温度采样 打开排气窗驱动鼓风机 鼓风机继续工作开窗并驱动风机工作 温度超标否 温度高于设定上限 温度低于设定下限温度高于设定上限 图5 5主程序框图 5 2 3 相关子程序相关子程序 1 温度比较子程序 为适应查表而对数据做必要处理 2 数制转换子程序 完成十六 十进制之间的转换 将采集到的信号进行十六和十进制之间的转换 3 温湿度之间的转换程序 由干球温度 干湿球温差求湿度值 4 显示子程序 显示温 湿度值 5 输出子程序 根据设定值与测量值控制鼓风机 轴流式风机 排湿窗使现场达到相应温度和 降温报警处理 Y 湿度 6 设定值输入子程序 由传感器读入温度 其设定值包括温度上限值 温度下限值 湿度设定值 5 2 4 PLC程序设计程序设计 1 PLC 程序设计的方法程序设计的方法 PLC 程序设计常用的方法 主要有经验设计法 继电器控制电路转换为梯形图 法 顺序控制设计法 逻辑设计法等 17 经验设计法 经验设计法即在一些典型的控制电路程序的基础上 根据被控 制对象的具体要求 进行选择组合 并多次反复调试和修改梯形图 有时需增加一 些辅助触点和中间编程环节 才能达到控制要求 这种方法没有规律可遵循 设计 所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系 故称为经验设计法 继电器控制电路转换为梯形图法 用 PLC 的外部硬件接线和梯形图软件来实 现继电器控制系统的功能 顺序控制设计法 根据功能流程图 以步为核心 从起始步开始一步一步地 设计下去 直至完成 此法的关键是画出功能流程图 逻辑设计法 通过中间量把输入和输出联系起来 实际上就找到输出和输入 的关系 完成设计任务 2 编程软件编程软件 STEP7 Micro WIN 概述概述 STEP7 Micro WIN 编程软件是基于 Windows 的应用软件 由西门子公司专为 S7 200系列可编程控制器设计开发 18 它功能强大 主要为用户开发控制程序使用 同时也可以实时监控用户程序的执行状态 3 STEP7 Micro WIN 简单介绍简单介绍 以 STEP7 Micro WIN 创建程序 为接通 STEP7 Micro WIN 可双击 STEP7 Micro WIN 的图标 如图10所示 STEP7 Micro WIN 项目窗口将提供用于创建程序 的工作空间 浏览条给出了多组按钮 用于访问 STEP7 Micro WIN 的不同编程特 性 指令树将显示用于创建控制程序的所有项目对象指令 程序编辑器包括程序逻 辑和局部变量表 可在其中分配临时局部变量的符号名 子程序和中断程序在程序 编辑器窗口的底部按标签显示 图5 7STEP7 Micro WIN 项目窗口 本项目中主要利用 STEP7 Micro WIN V4 0 SP5编程软件 其界面如图10所示 项目包括的基本组件 程序块 数据块 系统块 符号表 状态表 交叉引用表 5 2 5 主程序语言表主程序语言表 19 见附录 1 5 2 6 程序的保护程序的保护 在PLC程序的设计中 要特别注意几个问题 20 启动和停止控制系统运行的时候 要注意速度不能过快 否则程序很容易跑 偏 程序的纠偏是一件难度非常高的事情 所以从程序设计上和操作上考虑到这点 能少浪费很多时间 程序设计中应控制速度的增量 要注意限制各输出量量程的范围 要是量程过大 会出现一些不必要的麻烦 比如风机的速度转速我们要限制在一定的范围内 要是转速过小 也会出现一些不 必要的状况 在遇到紧急情况的时候要注意急停保护 比如烘房温度过高 传感器会发生 警报 此时采取急停措施 在程序设计中 我们设计了一个急停按钮 当按下按钮 的时候 变频器的输出置为0 加热系统就会自动停止工作 6 结语结语 本文主要阐述了有PLC自动控制系统的原理 结构及软硬件的设计 在软件设计 中结合自动控制基础用PID算法实现了用PLC的自动控制 无论是从硬件的经济实用 性还是软件的简易操作性 都体现出了PLC自动控制系统的方便性 经济性和易操 作性 因此在工农业生产中得到了广泛的应用 在红枣烘房中应用此系统实现了对 红枣烘干过程中温湿度的精确控制提高了红枣干制的质