热风干燥脱水蔬菜控制系统的设计

图书分类号：

密级:

徐M工程挚院

毕业论文

热风干燥脱水蔬菜控制系统的设计

DESIGNOFCONTROLSYSTEMFORHOT

AIRDRYINGANDDEHYDRATING

VEGETABLES

学生姓名

学

班级

指导教师

专业名称电气工程及其自动化

学院名称电气与控制工程学院

2021年5月26日

徐州工程学院毕业论文

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论文。

论文作者签名：导师签名：

日期：年月日日期：年月日

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摘要

蔬菜的脱水保存时间长，运输方便，卫生状态好，维生素等营养素的损失少。蔬菜脱

水在市场上占有很大的比例。热风干燥是蔬菜脱水生产中具有高产量、低经济成本、高生

产效率的加工方法。本文研究的热风干燥系统的热风源是由锅炉加热的蒸汽，通过翅片热

交换器和植物脱水用感应风机传送到烤箱。

本论文的主要内容如下：蔬菜脱水车间的控制系统使用西门子PLC构建，实现了蔬菜

脱水车间设备的自动控制。感应风扇的速度由频率转换器控制，高温蒸汽的流动由电控制

阀控制。为了满足蔬菜脱水过程的管理要求，决定了适当的管理方案，选择了相关硬件设

备，设计了系统硬件的接线图。当蔬菜被热风吹干时：温度管理非常重要。本文设计了PID

控制法来控制热风温度。编译PLC程序，使用WinCC软件设计人机接口，实时显示蔬菜脱

水装置的温度和湿度值，监视生产操作，根据各种蔬菜设定适当的温度和湿度值的品种。

结果表明，控制系统的温度控制完全满足生产过程的要求，改善自动化程度，节约能

源消耗。

关键词PLC；可编程控制器；PID；热风脱水蔬菜

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Abstract

Thedehydratedstoragetimeofvegetablesislong,thetransportationisconvenient,the

sanitaryconditionisgood,andthelossofvitaminsandothernutrientsisless.Vegetable

dehydrationaccountsforalargeproportioninthemarket.Hotairdryingisaprocessingmethod

withhighyield,loweconomiccostandhighproductionefficiencyinvegetabledehydration

production.Thehotairsourceofthehotairdryingsystemstudiedinthispaperisthesteam

heatedbytheboiler,whichistransmittedtotheoventhroughthefinheatexchangerandthe

inductionfanforplantdehydration.

Themaincontentsofthispaperareasfollows:thecontrolsystemofvegetabledehydration

workshopisconstructedbySiemensPLC,whichrealizestheautomaticcontrolofvegetable

dehydrationworkshopequipment.Thespeedofinductionfaniscontrolledbyfrequency

converter,andtheflowofhightemperaturesteamiscontrolledbyelectriccontrolvalve.Inorder

toineeltheiiiaiiageinenlrequireinenlsofvegetabledehydrationprocess,theappropriate

managementschemewasdetermined,therelevanthardwareequipmentwasselected,andthe

wiringdiagramofsystemhardwarewasdesigned.Whenvegetablesaredriedbyhotair,

temperaturemanagementisveryimportant.Inthispaper,PIDcontrolmethodisdesignedto

control(hetemperatureofhotair.CompilePLCprogram,useWinCCsoftwaretodesign

man-machineinterface,real-timedisplaythetemperatureandhumidityvalueofvegetable

dehydrationdevice,monitortheproductionoperation,andsetappropriatevarietiesof

temperatureandhumidityvalueaccordingtovariousvegetables.

Theresultsshowthatthetemperaturecontrolofthecontrolsystemfullymeetsthe

requirementsoftheproductionprocess,improvesthedegreeofautomationandsavesenergy

consumption.

Keywordsplcprogrammablecontrollerpidhotairdehydratedvegetables

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目录

摘要............................................................................I

Abstract...............................................................................................................................................II

1绪论.........................................................................1

1.1课题研究背景及意义.......................................................1

1.2国内外研究现状............................................................1

1.3本文丰要工作.............................................................2

2热风干燥控制系统.............................................................3

2.1热风干燥脱水蔬菜的工艺原理...............................................3

2.2控制系统的概述...........................................................3

2.3控制系统的工作原理.......................................................4

3热风干燥控制系统硬件设计....................................................7

3.1控制系统方案的设计.......................................................7

3.1.1温度和湿度读数设计....................................................8

3.1.2引风机的速度控制设计..................................................8

3.1.3温度控制设计..........................................................9

3.1.4监控软件设计..........................................................9

3.2控制系统电气原理图设计...................................................9

3.2.1主电路.................................................................9

3.2.2PLC接线图............................................................11

3.2.3除湿风机控制电路图...................................................18

4热风干燥控制系统成本核算与可持续发展.......................................19

4.1控制系统硬件选型与成本核算..............................................19

4.1.1温度传感器............................................................20

4.1.2湿度传感器...........................................................20

4.1.3变频器................................................................21

4.1.4电动调节阀...........................................................22

4.2控制系统设计与可持续发展关系............................................23

5热风干燥控制系统控制策略与软件设计.........................................24

5.1PID控制控制器设计与分析................................................24

5.2PLC控制程序设计........................................................26

5.2.1程序结构..............................................................26

5.2.2程序设计..............................................................26

5.2.3温度子程序设计.......................................................29

5.2.4引风机控制子程序设计.................................................3()

ill

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5.3上位机监控界面开发设计31

结论.......................34

致谢.......................36

参考文献...................37

IV

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1绪论

1.1课题研究背景及意义

蔬菜加工产业在中国农'也产业市场占有很大比例，是中国蔬菜产业可持续发展的重要保

证。近年来，中国蔬菜生产规模不断扩大，但蔬菜生产的地区性和季节性特征相对较强。

新鲜蔬菜水分多，量多，比较容易坏，运输和保管过程中会产生严重的废弃物。据统计,

从田地到餐桌的蔬菜年损失达到几千吨。随着蔬菜加工企业的出现，可以减少流通过程

中新鲜蔬菜的浪费，可以长期保存，蔬菜的经济优势也会进一步提高“闵。

人工加工后的脱水蔬菜可以在短时间内去除新鲜蔬菜的水分，保持颜色、味道、营

养成分几乎没TT变化。密封或真空包装的脱水蔬菜具有很长的储藏寿命。干燥蔬菜的颜

色、味道、营养、外观基本不变，便于保管和运输，因此广泛用于便利食品，深受食品

制造商和消费者的喜爱。近年来，国内外脱水蔬菜的市场需求逐年增加。作为脱水蔬菜

的主要来源，中国在国际市场占有很大的份额。出口占世界脱水蔬菜总产量的三分之二,

每年都在增加。

但是，有些脱水蔬菜加工企业依赖于能源，脱水成本高，产品质量不稳定，需要提

高市场竞争力，不能满足高品质产品的需求。目前，脱水蔬菜加工企业面临的实际问题,

不仅仅是增加产量的方法，而是如何改善脱水蔬菜的品质，以适应国际和国内需求的变

化。因此，低能耗、洁净环保、高度自动化的蔬菜脱水装置的研发，具有降低蔬菜脱水

生产成本、提高蔬菜质量的重要实用性。随着科学技术的发展，特别是在产业中PLC技

术的应用越来越广泛，特别是西门子PLC的完全集成自动化的概念、分散型机器的集中

管理，以及这个概念的脱水生产的适用。蔬菜通过脱水工艺装置更好地控制脱水过程，

改善脱水蔬菜的生产效率，稳定产品的生产质量，提高竞争力⑶咒

1.2国内外研究现状

现在蔬菜脱水设备有很多种类，机器设备的品质也不一样。根据脱水原理，目前，

蔬菜脱水常用的方法有热风干燥、真空冻结干燥、微波干燥、远红外线「燥、其他单一

脱水法，以及各种组合干燥法。热风真空和热风微波干燥方法各有优点和缺点⑻。

微波干燥技术利用材料中水分的微波吸收特性使水分子振动发热，将蔬菜的水分转

换成蒸汽实现脱水。微波干燥消耗相对较低的能量，证明适合低含水率。但是，微波干

燥适合小规模生产阶段。

真空冻结脱水是为了达到干燥的目的，使水从固态升华为真空蒸气。本产品的优点

是高质量、低氧化度、保持生物活性以及低营养素的损失。不利的是复杂的技术、高价

格、定期维护、运营成本的增加以及高能量消耗。

热风干燥的研究现状：热风干燥是一种设备价格低、处理能力高的传统干燥方法，

।

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因此，热风干燥是蔬菜脱水的主要技术之一。国内外专家对热风干燥设备进行研究，重

点放在了节能，提高自动化程度上。热风干燥的能源从木材向煤炭和天然气进化，根据

环境条件，脱水蔬菜加工企业主要使用天然气作为主要能源g）

1.3本文主要工作

本文的主要内容包括对热风干燥装置的理解、硬件的选择、PLC软件的设计以及监

视构成的设计。本文的主要内容如下。

（1）研究了脱水蔬菜干燥装置整体的组成和加工工序。在详细分析了热风干燥脱

水蔬菜控制系统的温度控制特性和相关影响因素后，提出了热风干燥脱水蔬菜控制系统

的温度控制方案。

（2）根据热风干燥、脱水蔬菜处理系统的构成，进行控制系统的硬件选择和PLC

电路的设计，主要进行PLC模型的选择、温度传感器的选择、湿度传感器模型的选择、

控制器模型的选择，以及脱水蔬菜控制系统的电气控制概略图的完成。

（3）为了解决在热风干燥及蔬菜脱水控制系统中难以控制温度的问题，采用PID

控制器进行设计。

（4）软件部分使用西门子编程软件，设计脱水蔬菜控制系统的PLC程序，在上部

电脑监视系统中使用WinCC软件进行人机界面的设计。

2

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2热风干燥控制系统

2.1热风干燥脱水蔬菜的工艺原理

蔬菜在干燥之前，应选择适当的成熟度（通常为8成熟），新鲜而不腐败的原材料。

一般来说，莲花、胡萝卜、黄瓜、洋葱、青椒、香菜等肉质好的蔬菜都可以干燥。在干

燥之前，蔬菜要先去腐烂、起皱、生病的部分。除了所有种类的甜瓜种子和肉之外，其

他种类的蔬菜都可以用干净的水洗。必须清除脱水蔬菜表面的污垢和淤泥，保持盘子的

清洁，提高外观和产品质量。然后将原材料切入条状、丝绸或片状，以满足食品要求，

扩大表面积，促进干燥水蒸发。其次，用离心分离器分离蔬菜表面的水滴，提高热风干

燥的效率。在这个过程中，离心分离器的旋转速度不要太快。否则，干燥蔬菜的边缘和

角就不明显了，形状就不漂亮了，而且会去除新鲜蔬菜的营养素。一•般来说，离心分离

机的旋转速度是500-700”分钟。上述预处理后，蔬菜可以干燥3⑷。

热风干燥脱水蔬菜的原理：热风干燥是用锅炉把水加热，产生高温蒸汽，通过管道

接到换热器上部，使用引风机，强制外部冷空气与换热器进行热交换，将冷空气加热为

热干风（一般温度为85C）,然后送到不锈钢的烤箱底部。被加热后的空气从原料外面

连续流过，带走蔬菜中的水分。蔬菜的水分从毛细管的开口部向外扩散，完成二燥。热

风干燥与自然晾晒相比，其优点是，热风干燥的效率比自然干燥的效率要高得多。另外,

热风干燥装置的性能要求低、结构简单、产量大，在中国蔬菜脱水加工行业被广泛使用。

2.2控制系统的概述

热风干燥脱水蔬菜的控制系统由20台热风干燥蔬菜脱水机和一个燃气锅炉构成。

锅炉起着向脱水机提供蔬菜脱水用的高温蒸汽的作用。本系统共20个脱水机，每台脱

水机每次可处理100-250千克的蔬菜，生产车间每次最多可生产脱水蔬菜5000千克。

其结构如图2T所示。

图2-1控制系统结构图

3

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20个蔬菜脱水机配置成2个部分，每部分有10个。锅炉加热产生的高温蒸汽，通

过管道向各蔬菜脱水机提供热源，冷凝水通过管道返回锅炉。

热风干燥蔬菜脱水机的构造如图2-2所示。这是由翅片式热交换器、蒸汽阀门、引

风机、不锈钢烤箱、湿气收集罩和排湿风机构成的。请参照虚线框的部分。

翅

冷

片

空

式

引

风

换

气

机

T热

器

变送器

It

上位机

图热风干燥脱水机的结构图

燃气锅炉供应的高温蒸汽通过上管道进入散热热交换器，冷凝水从下管道回到锅

炉。引风机连接到翅片热交换器。引风机通过不锈钢底部的空气管将加热后的热风送至

烤箱。将网状物的隔板放入烤箱，将干燥的蔬菜和不锈钢制烤箱放入空气。用集水罩收

集的水分，通过被诱导的水分管道排出到蔬菜脱水车间外面。引风机的速度由频率转换

济控制，引风机的速度根据蔬菜脱水过程的需要进行调整，确保不影响脱水蔬菜的品质,

节约能源。蒸汽阀是由电控阀控制的，电感风扇的风速和蒸汽的量一起决定热气出口的

温度。未变更的脱水机的引风机以一定的速度运行，空气量通过手动调整减震器的尺寸

来控制。蒸汽阀是手动控制的，蒸汽流向换热器是通过手动旋转阀来控制的。干燥机的

不锈钢烤箱是开放式的。

2.3控制系统的工作原理

整个控制系统的框图如2-3所示。在脱水和干燥的过程中，控制系统将预处理好的

蔬菜放在隔板上，盖上集水罩，按开始按钮打开除湿风扇，频率转换器控制引风机、蒸

4

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汽阀的启动进入换热器。由于引风机的作用，冷空气与热交换器交换成热风，然后脱水。

在干燥过程的初期阶段，由于水分含量多，蔬菜的重量比较重，为了使更多的蔬菜被充

分加热，需将引风机风速调到最大，烘箱底部安装有温度传感器。此时，热风的温度通

常需要在85℃,通过PLC进行控制。

图2-3热风干燥脱水机的控制系统框图

控制电气控制阀的开放，控制热交换器的蒸汽量，控制热风温度。请将热交换器、

热风温度保持在一定的温度。蔬菜处于脱水状态时，蔬菜的水分会减少，重量会减轻。

引风机的风速不能使用最大风速。一方面为了节能，减少能源浪费，更重要的是因为过

快的风速会把蔬菜吹起，撞击集湿罩，会损害蔬菜的外观，从而降低脱水蔬菜的品质。

因此，在脱水过程中，引风机的风速要调整。

当引风机的风速发生变化时，为了确保热风的温度，需要及时调整电控阀的关断，

或者是及时打开电控阀，使热风的温度保持恒定。因为有很多蔬菜每次都用蔬菜脱水装

置处理，所以在脱水的过程中需要定期打开集湿罩，用手操作使蔬菜旋转，使蔬菜受热

均匀，有利脱水。当烤箱内的湿度满足要求时，必须关闭引风机、排气风机、电控阀阀

门，关闭高温蒸汽。各蔬菜脱水机脱水设备全体的20%的热量由锅炉供给。

5

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在脱水过程中，所有蔬菜脱水机的脱水过程并不是完全一致的。一部分的脱水机完

成蔬菜的脱水，必定会关闭蒸汽阀。这样，高温蒸气的量减少，锅炉内的温度上升。这

时，进入锅炉燃烧的天然气，根据气压控制阀的气体量来控制，使锅炉的温度达到适当

的范围。

6

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3热风干燥控制系统硬件设计

3.1控制系统方案的设计

本文通过西门子PLCS7-15OO控制完成蔬菜脱水控制任务。收集的参数包括各脱水

机的热风温度和烤箱内的湿度。控制对象包括引风机的速度、电动控制阀的打开、除湿

风机的启动和停止。温度由温度传感器收集，湿度由湿度传感器收集。引风机的速度和

电控阀的开放由PLC控制,脱水蔬菜控制系统的结构图3-1所示。

温度设定

温度、湿度监施

上位机

TIAWinCC<记录号据.

<打印报表

A

TCP/IP协议

6___________

西门子S7T500数字星输入模块模拟量输入模块数字最输出模块模拟后输出发块

CPU1516-3PN/DP1+DI324*AI81+DQ32+1+DQ163+AQ8

排

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数字量输入模块模拟量输入模块数字量输出模块模拟成输出或块

ET200MP

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图37脱水蔬菜控制系统结构图

控制系统的硬件部分包括：21个温度传感器，20个湿度传感器，20个电动调节阀,

1个气动调节阀，20个引风机和20个排湿风扇。感应风机需要频率转换器来控制，电

阀的反馈信号会发送给PLC。考虑到各种提示的指示和用于发送显示灯的按钮，整个系

统的控制信号需要61点数字输入信号和80点数字输出信号，62个模拟输入信号和41

7

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个模拟输出信号，引风机需要变频器进行控制，电动阀门的反馈信号需要送入PLC。

本文介绍的热风干燥系统结构较复杂，为了提高生产管理效率，采用PROFFINET

I/O系统，构成了具有管理和网络监视功能的，分布式I/O的网络结构，提高了生产效

率，促进了生产管理。

(1)PROFFINETI/O控制器由CPU1516-3PN/PD和数字及模拟输入模块构成。它

主要用于控制10台干燥机，包括按钮、温度传感器、湿度传感器等来自这些设备的各

种信号接收、引风机、电控阀、除湿风机的操作等。还可以铝现锅炉温度收集和气动控

制阀控制。

(2)PROFFINETI/O系统的I/O设备由ET200MP、数字及模拟输出模块构成，主要

控制剩下的10台干燥机，如接收所需各种信号及控制相关执行设备等。

(3)以太网电缆负责PLCCPU与上级计算机ET200MP之间的通信。上级计算机负

责对整个脱水过程的整体监控，实时显示温度和湿度，并监视报警脱水装置的工作状况

的现场监控等。

(4)操作室设有控制盘和上电脑。操作人员可以根据蔬菜的种类设定不同的脱水

温度，通过上面的电脑发送给PLC,根据需要将所有的脱水和干燥蔬菜机器干燥，然后

用热风脱水。为了确保生产的安全性和效率，热风干燥系统有两种模式，分别是自动模

式和手动模式。在自动模式下，各蔬菜脱水装置根据上位机设定的温度自动调整风扇或

蒸汽阀。在手动模式下，操作员可以根据自己的需要进行调整，上位机只能用于监视。

3.1.1温度和湿度读数设计

温度管理是决定蔬菜脱水效率和质量的整个系统的重要环节。温度传感器和湿度传

感器的作用是：温度由温度传感器收集。各烤•箱底部设有温度传感器，收集热风温度，

显示并控制热风温度。湿度传感器是将蔬菜用热风加热脱水后，为了收集机器内的湿度，

在湿度收集罩的内侧安装的。温度传感器和湿度传感器向PLC提供4〜20mA的电信号，

A/D转换和数据处理后发送到CPU。一种是用于执行PLC程序，另一种是在配置软件上

实时显示，使操作员能够在一定时间内理解蔬菜的脱水工作廿⑺。

3.1.2引风机的速度控制设计

热风干燥系统热风温度的控制：引风机由变频器控制风机转速，根据蔬菜脱水的进

程，需要调节引风机的转速，蒸汽阀门由电动调节阀控制，引风机的风速和蒸汽量的多

少共同决定了热风出口处的温度。

电感风扇的速度控制的目的是控制进入干燥烤箱的热风风速。一方面，风速会影响

温度的变化。另一方面，水分减少的话，蔬菜的重量就会减轻，就没有必要保持高风速

了。因此，必须控制引风机的风速。通过控制引风机的速度，可以节约能源，避免资源

的浪费。根据蔬菜脱水机烤箱内的湿度变化，调整引风机的速度的方法是：湿度传感器

8

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收集信号，处理后发送给PLC。PLC根据软件中设定的湿度值，通过频率转换器控制PLC

控制信号，并变更引风机的速度。当湿度降至70%RH时，引风机的速度设定为0.8额定

速度，维持该速度运行，直到湿度降至30%RH,引风机的速度设定为0.5额定速度；维

持该速度，直到湿度降为15%RH,蔬菜脱水基本完成⑻。

3.1.3温度控制设计

根据工艺要求，第一阶段，热风温度应为85℃,湿度为70%RH；第二阶段，热风温

度控制在75℃,湿度为30%RH；第三阶段，热风的温安控制在65℃,保持到干燥完成为

止。蔬菜脱水机的热风温度受蒸汽量和感应样机风速影响，难以控制。感应样机风扇的

速度发生变化时，需要将调整阀打开，控制电气控制阀的阀打开，调整蒸汽量，维持必

要的热风温度。为了控制系统的加热锅炉温度，只需根据风速的变化，调整电气控制阀

的开度，即可保证锅炉内温度在合理的范围内，复杂的控制就会变得简单。根据脱水的

进展情况，调整引风机风扇的速度，不仅节约了电能，还实现了温度调整，确保了蔬菜

的脱水品质。在电气控制阀开放控制方式中，采用PID控制।⑼。

3.1.4监控软件设计

用WinCC开发了热风干燥蔬菜的过程监控界面，实时显示工作条件参数，并选择

了高级计算机软件，以满足各种蔬菜干燥过程的要求，在线更改温度和湿度设置被选择。

警报接口是由构成系统设计的。温度超过指定的限制时，会发送警报信号，记录警报值。

配置监控系统有助于员工了解现场流程，掌握干燥过程，提高脱水蔬菜的品质㈤211。

3.2控制系统电气原理图设计

本文通过西门子PLCS7-1500控制，完成蔬菜脱水控制任务。收集的参数包括各脱

水机的热风温度和烤箱内的湿度。控制对象包括引风机的速度、电动控制阀的打开、除

湿风机的启动和停I匕温度由温度传感器收集，湿度由湿度传感器收集。感应风机的速

度和电控阀的开放由PLC控制。

系统的电气控制概略图包括引风机的主控制电路、排气风机的主控制电路和控制电

路、PLC布线图、ET200MP配线图。根据热风干燥脱水蔬菜的控制系统的网络构造，

采用PROFFINETI/O系统模式。有四个控制柜，一个PLC控制柜和一个ET200MP控

制柜，以及两个变频器继电器控制柜。其中，PLC控制盘和频率转换器继电器控制盘构

成PLC控制组；ET200MP控带IJ盘、频率转换器和继电器控制盘构成ET200Mp控制组,

分别控制左右10组脱水蔬菜机器。两组的布线基本上相同，PLC控制组、锅炉温度传

感器只有一个，气压控制阀只有一个。本文只介绍PLC控制小组的主电路和控制电路

的配线3.25］。

3.2.1主电路

主电路控制盘的电路图由两部分构成，分别是：由变频器控制的引风机和接触器控

9

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制的排湿风机。变频器分为两组，第一组10台变频器分别控制10台引风机，第二组10

台变频器分别控制10台排湿风机。在控制盘上安装了变频器。变频器的启动模式是端

子启动。根据PLC的模拟输出模块提供的0〜10V的电压信号，变频器实现了调整引风

机的功率频率，控制引风机的速度，从而控制进入烤箱的干燥的热风的温度。热风温度

自动调节的实现：当引风机转速发生变化时，及时调整阀门开度，在电动调节阀阀门开

度控制策略上，采用PTD控制。如图3-2所示。

QFo

图3-2引风机控制主回路

第2部分主要控制排湿风机，如3-3所示，通过接通和关断接触器的主要触点来控

制排湿风机的动作和停止V

10

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图3-3排湿风机控制主回路

3.2.2PLC接线图

PROFFINETI/O控制器的PLC布线主要包括一个数字量输入模块、四个模拟量输

入模块、两个数字量输出模块和三个模拟量输出模块。如图3-4所示。

11

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