紅棗烘房—溫濕自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、1 引言溫度和濕度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度和濕度密切相關(guān)。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的諸多領(lǐng)域中, 溫度和濕度控制占有著極為重要的地位。對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式、燃料、控制方案也有所不同；同時(shí)排濕方式不同，其控制方式也不相同。例如冶金、機(jī)械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中加熱裝置廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等，排濕裝置多采用軸流式風(fēng)機(jī)，燃料有煤氣、天然氣、油、電等1。溫度和濕度控制系統(tǒng)的工藝過程復(fù)雜多變，具有不確定性，因此對(duì)系統(tǒng)要求更為先進(jìn)的控制技術(shù)和控制理論?？删幊炭刂破鳎≒LC）是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是繼承計(jì)算機(jī)、

2、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)裝置。它具有抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格便宜，可靠性強(qiáng)，編程簡(jiǎn)單，易學(xué)易用等特點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中深受工程操作人員的喜歡，因此PLC已在工農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制的各個(gè)領(lǐng)域中被廣泛地使用2。紅棗在烘干的過程中不僅需要對(duì)溫度和濕度數(shù)值大小進(jìn)行控制，而且不同烘制階段加熱和排濕的時(shí)間也不相同，用PLC來實(shí)現(xiàn)溫度和濕度的精確控制，方便快捷，使人從繁重的勞動(dòng)解放出來。2 棗的干制2.1 工藝流程紅棗烘制的流程大致如下：原料挑選分級(jí)裝盤烘制包裝成品2.2 工藝要點(diǎn) 溫度控制通過大量實(shí)驗(yàn)表明紅棗烘干溫度控制分3個(gè)階段3,分別包括：緩慢升溫階段、恒溫排濕階段和后熟制干階段。第1階段為緩慢升溫階段

3、，點(diǎn)火后溫度由常溫緩慢升至5055，保持5小時(shí)左右。此階段應(yīng)注意升溫不能過高過快，否則棗果表面易形成硬殼(俗稱燜棗)，破壞果肉水分向外排放的通道，不利于棗果水分排放。第2階段為恒溫排濕階段，是整個(gè)烘干過程中主要時(shí)期。其特點(diǎn)是需要大火，持續(xù)時(shí)間長，棗果表面顏色全變?yōu)樽霞t色。在此期既要注意排濕，又要不停地加火，使炕房溫度控制在6570之間，保持19h左右，若溫度低則會(huì)延長烘干時(shí)間，溫度高則會(huì)形成焦棗。第3階段為后熟制干階段，其特點(diǎn)是棗果表面由軟變?yōu)榘欛?，趨于成熟，溫度?yīng)控制在5055之間，保持5h左右。此期要一直打開排濕窗和進(jìn)氣窗。在實(shí)際操作中3個(gè)階段是連續(xù)進(jìn)行的，棗農(nóng)要不斷觀察棗果的變化，以采取

4、相應(yīng)措施。 濕度控制紅棗在烘干過程中，自身水分在烘房內(nèi)溫度作用下不斷向外排出、變干，若烘房內(nèi)水份不能及時(shí)排除，制干速度延緩，且易形成焦棗，降低食用價(jià)值。在第1階段，溫度緩慢升起后，棗果表皮逐漸變軟，棗果中的水分慢慢向外排放，炕房內(nèi)的濕度一般在65以下。當(dāng)進(jìn)入第2階段，即點(diǎn)火后5h左右，棗果表面顏色變深，果肉繼續(xù)變軟，烘房內(nèi)的濕度不斷上升，當(dāng)烘房內(nèi)干濕球溫度之差小于5或相對(duì)濕度大于70時(shí)，立即打開排濕窗和進(jìn)氣窗通氣排濕。當(dāng)烘房內(nèi)干濕球溫度差達(dá)15或相對(duì)濕度低于40時(shí)，要停止排濕。若溫度上升到65以上，相對(duì)濕度大于70時(shí)仍不排濕，就會(huì)出現(xiàn)焦棗。據(jù)經(jīng)驗(yàn)，相對(duì)濕度達(dá)到70以上時(shí)，會(huì)感到空氣潮濕悶熱，呼

5、吸困難，棗果表面潮濕。此時(shí)，應(yīng)立即進(jìn)行烘房內(nèi)通風(fēng)排濕工作。經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，烘房內(nèi)相對(duì)濕度達(dá)70左右時(shí)，通風(fēng)排濕1min，可使相對(duì)濕度降至60左右，此時(shí)應(yīng)停止通風(fēng)排濕。以后視相對(duì)濕度情況，多次進(jìn)行通風(fēng)排濕(烘干過程中一般排濕7次)。通風(fēng)排濕時(shí)，視烘房內(nèi)相對(duì)濕度的高低和外界風(fēng)力的大小，決定通風(fēng)排濕的方法和時(shí)間的長短。相對(duì)濕度高，外界風(fēng)力較小時(shí)，則將進(jìn)氣窗和排濕窗全部打開，排濕時(shí)間較長。反之，則可將進(jìn)氣窗和排濕窗交替開放，排濕時(shí)間較短，每次通風(fēng)排濕時(shí)間以1015min為宜。過短通風(fēng)排濕不夠，相對(duì)濕度仍高，影響紅棗干燥速度和產(chǎn)品品質(zhì)；過長，隨著潮濕空氣的排出，室內(nèi)溫度也隨之下降。當(dāng)干燥作用繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，需要重

6、新升高溫度，耗煤量增加，成本提高。每次通風(fēng)排濕結(jié)束時(shí)，應(yīng)及時(shí)將通風(fēng)設(shè)備關(guān)閉，使烘房內(nèi)溫度迅速回升。干燥作用繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，感到空氣干燥，呼吸順暢，棗果表皮干燥而出現(xiàn)皺紋，則達(dá)到了通風(fēng)排濕的效果3。3 烘房結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.1 烘房的外部結(jié)構(gòu)烘房外部結(jié)構(gòu)如圖所3-1示過渡段烘制室加熱室圖3-1烘房結(jié)構(gòu)3.2 烘房的內(nèi)部設(shè)備烘房的內(nèi)部設(shè)備包括有：觀察窗、風(fēng)機(jī)、熱風(fēng)爐、控制器、風(fēng)門、鼓風(fēng)機(jī)和排氣窗，其布置如圖所示觀察窗風(fēng)機(jī)熱風(fēng)爐控制器風(fēng)門排濕窗鼓風(fēng)機(jī)圖3-2 烘房設(shè)備安裝位置1）控制器 三相和單相兩類，都帶有正反轉(zhuǎn)功能，具有防雷擊保護(hù)、過流保護(hù)、輸出短路保護(hù)等安全防護(hù)措施。具有缺相（三相）、過載、短路保護(hù)和

7、電流監(jiān)測(cè)的功能。烘房管理系統(tǒng)軟件組網(wǎng)連接,通過計(jì)算機(jī)可讀取所有網(wǎng)內(nèi)控制器的工作過程記錄。變頻器端口與變頻器連接. 實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的無極調(diào)速控制。通過模糊自適應(yīng)控制算法，自動(dòng)控制鼓風(fēng)機(jī)的啟停和風(fēng)門的開關(guān)角度，可靠并簡(jiǎn)捷控制烤房內(nèi)的溫度和濕度。并具有智能報(bào)警和語音提示功能。2）熱風(fēng)爐選用耐酸鋼、耐候鋼制作，焊接部位選用與母材一致的焊材進(jìn)行焊接。金屬外表面采用耐500以上高溫、抗氧化、附著力強(qiáng)的環(huán)保材料進(jìn)行防腐處理。確保設(shè)備使用壽命10年以上。3）軸流風(fēng)機(jī) 風(fēng)機(jī)葉片數(shù)量4個(gè)，采用內(nèi)置直聯(lián)電動(dòng)機(jī)，葉輪頂部和風(fēng)筒的間隙5mm，符合國家規(guī)定。電動(dòng)機(jī)F級(jí)絕緣（A級(jí) E級(jí) B級(jí) F級(jí) H級(jí) ）4，選用優(yōu)質(zhì)高滴點(diǎn)溫度

8、軸承，方形框架結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度好，有單相、三相兩種規(guī)格供選擇，適合高溫高濕環(huán)境使用。4）風(fēng)門和排濕窗 風(fēng)門的風(fēng)葉材料是厚度1.5mm冷軋鋼標(biāo)準(zhǔn)板，內(nèi)設(shè)沖壓加強(qiáng)筋。風(fēng)門關(guān)閉嚴(yán)密。風(fēng)葉能在090°開啟，并在任意角度保持穩(wěn)定。電動(dòng)機(jī)控制回路具有保護(hù)措施。插座安裝可靠，電動(dòng)機(jī)連接到插座的連線絕緣性能好，不漏電，防雨淋。 排濕窗采用輕質(zhì)材料，不易變形，開關(guān)靈活。采用噴塑或鍍鋅處理，噴塑厚度不小于20m，顏色純正。5）鼓風(fēng)機(jī)離心式鼓風(fēng)機(jī)，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，但是風(fēng)量較小，對(duì)熱風(fēng)爐起到輔助的作用。6）溫濕傳感器選擇測(cè)量精度高，既有測(cè)干球溫度又有測(cè)濕球溫度，從而通過干球和濕球溫度之差實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的測(cè)量，使用方便。4

9、烘房溫濕控制系統(tǒng)的原理干制過程中，要掌握溫度調(diào)節(jié)、通風(fēng)排濕及倒換烘盤等技術(shù)，以較短的時(shí)間獲得較高質(zhì)量的產(chǎn)品。主要控制以下幾大要點(diǎn)5：對(duì)不同品種的紅棗采用不同的干制溫度和升溫方式根據(jù)烘房內(nèi)相對(duì)濕度的高低，適時(shí)通風(fēng)排濕掌握干燥時(shí)間4.1 目標(biāo)溫濕度設(shè)定依據(jù)影響烘房溫濕度的因素有很多，通常烘房溫度高、風(fēng)流速度快則烘制速度就快，但是如果目標(biāo)濕度設(shè)置不合適，比如設(shè)定目標(biāo)濕度較低時(shí)，烘房的濕度很快就能達(dá)到目標(biāo)濕度，造成風(fēng)門打開過于頻繁，外界冷空氣進(jìn)入烘房量加大，烘房內(nèi)就很難保證較高的溫度。再者，目標(biāo)濕度較低，就意味著排出的空氣含水量較少，卻排出了大量熱量，造成很大的熱損失。這就提示我們，目標(biāo)濕度要根據(jù)具體

10、情況確定，過低會(huì)造成能源的浪費(fèi)且紅棗因溫度較低而失水較慢，過高又會(huì)造成環(huán)境濕度大而造成的失水較慢，綜合以上的因素，應(yīng)選擇剛好能達(dá)到目標(biāo)溫度的目標(biāo)濕度值最為合適，這就需要根據(jù)烘制當(dāng)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)條件摸索出這個(gè)值。4.2 溫濕度控制系統(tǒng)的選擇 PLC的應(yīng)用及特點(diǎn)6隨著農(nóng)業(yè)科技的不斷發(fā)展,大棗烘房的智能化不斷提高,為提高紅棗烘制品質(zhì),工作人員必須時(shí)刻對(duì)紅棗烘房的溫、濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。為解決這一問題,多應(yīng)用一種基于PLC和溫濕度傳感器的智能溫室控制系統(tǒng),該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了紅棗烘房內(nèi)溫濕度的自動(dòng)測(cè)量和調(diào)節(jié)。PLC即可編程序控制器，是在計(jì)算機(jī)的促進(jìn)下發(fā)展起來的新一代順序邏輯控制裝置，它使用軟件完成順序邏輯控制功能，

11、用計(jì)算機(jī)執(zhí)行操作命令，實(shí)時(shí)操作。因此，順序邏輯控制功能的更改十分方便，并且其工作可靠性和運(yùn)算速度都比較高。并且具有以下特點(diǎn)：靈活性和通用性強(qiáng)PLC是利用存儲(chǔ)在機(jī)內(nèi)的程序來實(shí)現(xiàn)各種控制功能的，因此在PLC控制的系統(tǒng)中，當(dāng)控制功能發(fā)生改變時(shí)只需要修改程序即可，PLC的外部接線改變極少，甚至可以不必改動(dòng)。一臺(tái)PLC在用于不同的控制系統(tǒng)中，只改變其中的程序即可，其靈活性和通用性是其他電路無法比擬的?？煽啃愿?、抗干擾能力強(qiáng)在PLC控制系統(tǒng)中，大量的開關(guān)動(dòng)作是由半導(dǎo)體電路完成，和同等規(guī)模的繼電接觸器相比，電氣接線和開關(guān)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。并且在硬件和軟件方面都采取了強(qiáng)有力的

12、措施，使其具有極高的可靠性和抗干擾能力，平均無故障率可達(dá)到幾萬甚至幾十萬小時(shí)以上。編程語言簡(jiǎn)單易學(xué)在PLC是一種計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，但是它的編程很容易掌握，PLC的設(shè)計(jì)人員充分考慮了工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣，其程序的編制采用繼電器形式的“梯形圖”編程方式及命令語句表編程，只用PLC的少量開關(guān)邏輯控制指令就可以方便的實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能，這就使PLC的程序簡(jiǎn)單并且容易被人掌握，為不熟悉的電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。PLC體積小、重量輕、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化PLC內(nèi)部電路主要采用半導(dǎo)體集成電路，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、能耗低的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想

13、設(shè)備。 溫濕度控制系統(tǒng)的工作原理本系統(tǒng)主要由DS18B20型干濕球溫度傳感器、集成運(yùn)算放大器(LM358) 、A /D轉(zhuǎn)換器(ADC0809)、光電耦合器(TLP521)和PLC (S7-200系列)組成。干濕球溫度傳感器用來采集烘房內(nèi)干球溫度和濕球溫度信號(hào),通過二者之差來得到濕度信號(hào)，將采集到的信號(hào)經(jīng)ADC0809轉(zhuǎn)換成8路并行數(shù)字信號(hào),信號(hào)通過光電耦合器傳入PLC,PLC將經(jīng)轉(zhuǎn)化后的信號(hào)與設(shè)定溫、濕度值進(jìn)行比較。若轉(zhuǎn)換后的溫度信號(hào)若高于設(shè)定溫度上限,則開窗降溫;若低于設(shè)定溫度下限,則關(guān)窗并驅(qū)動(dòng)加熱設(shè)備。轉(zhuǎn)換后的濕度信號(hào)高于設(shè)定濕度上限,則啟動(dòng)風(fēng)機(jī);若低于設(shè)定濕度下限,則關(guān)閉排濕窗并控制風(fēng)機(jī)

14、停止工作7。其系統(tǒng)工作原理如圖4-1所示：溫濕度設(shè)定值PLC驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外圍設(shè)備溫濕溫室傳感器圖4-1系統(tǒng)工作原理圖5 烘房溫濕控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)具體指標(biāo)要求，可以對(duì)每一個(gè)具體部分進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，整個(gè)控制系統(tǒng)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)兩部分。5.1 硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件框圖結(jié)構(gòu)如圖5-1所示: PLC信號(hào)傳感器給定溫度（濕度）集成運(yùn)算放大器(LM358)信號(hào)轉(zhuǎn)化器加熱器（軸流風(fēng)機(jī)）圖5-1系統(tǒng)硬件框圖系統(tǒng)硬件連接圖如圖5-2所示圖5-2 系統(tǒng)硬件連接圖5.1.1 信號(hào)的采集溫濕度信號(hào)是由溫濕度傳感器采集并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào), 經(jīng)運(yùn)算放大器放大后分別接入A /D轉(zhuǎn)換器(ADC0809)的IN0、IN1

15、 號(hào)通道。PLC輸出口Y0 通過輸出電路接到A /D轉(zhuǎn)換器(ADC0809)的地址選擇輸入端(A) ,控制具體模擬量信號(hào)的轉(zhuǎn)換。5.1.2 輸入接口電路在輸入采樣階段, PLC首先掃描所有輸入端子,將各輸入狀態(tài)存入內(nèi)存中的各對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器中(例如按鈕SB1)，接點(diǎn)閉合，就將1寫入對(duì)應(yīng)表示輸入繼電器X0所示的位上, SB1接點(diǎn)斷開,則寫入0 8 。為了保證輸入靈敏度當(dāng)輸入電流在4.5mA以上(X10以后為3. 5mA以上)時(shí),就把1寫入相應(yīng)的輸入映像寄存器中,當(dāng)輸入電流在1. 5mA以下時(shí),就把0寫入相應(yīng)的輸入映像寄存器中。 系統(tǒng)的硬件配置1）S7-200PLC選型S7-200系列PLC是

16、由德國西門子公司生產(chǎn)的一種超小型系列可編程控制器，它能夠滿足多種自動(dòng)化控制的需求，適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合的檢測(cè)監(jiān)測(cè)和控制的自動(dòng)化，其設(shè)計(jì)緊湊，價(jià)格低廉，并且具有良好的可擴(kuò)展性以及強(qiáng)大的指令功能，可代替繼電器在簡(jiǎn)單的控制場(chǎng)合，也可以用于復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。S7-200系列可以根據(jù)對(duì)象的不同, 可以選用不同的型號(hào)和不同數(shù)量的模塊。并可以將這些模塊安裝在同一機(jī)架上。在S7-200系列中，單極性模擬量的輸入/輸出信號(hào)的數(shù)值范圍是032000，雙極性模擬信號(hào)的數(shù)值范圍是-32000+320009綜合S7-200系列的各種特點(diǎn)，此類型的PLC能滿足紅棗烘房的溫、濕度自動(dòng)控制的要求。2）溫濕傳感器DS1

17、8B20干濕球溫度傳感器如圖5-3所示，它是美國DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，它能直接讀出被測(cè)溫度再通過一定的計(jì)算方式得到濕度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？蓪?shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫，轉(zhuǎn)換時(shí)間為200ms10。干球探頭濕球探頭導(dǎo)水彎管控制器接頭水壺圖5-3干濕球溫度傳感器具體參數(shù)如下：基本功能：檢測(cè)溫度；顯示溫度；過限報(bào)警主要技術(shù)參數(shù) 溫度檢測(cè)范圍： -55+125測(cè)量精度：±0.5顯示方式：四位顯示報(bào)警方式：三極管驅(qū)動(dòng)的蜂鳴音報(bào)警傳感器放置位置根據(jù)紅棗烘房內(nèi)溫濕度的要求，應(yīng)將傳感器放置在正確的位置才

18、能準(zhǔn)確的測(cè)出烘房內(nèi)的溫度和濕度，通常將傳感器放置在遠(yuǎn)離加熱爐和排濕窗的位置，即通常放在烘房中間房頂出。若離加熱爐較近，則所測(cè)溫度高于房內(nèi)溫度，若離排濕窗較近則，此處空氣交換較為頻繁，所測(cè)溫度低于房內(nèi)實(shí)際溫度，因此傳感器的正確位置直接影響到對(duì)房內(nèi)實(shí)際溫度的準(zhǔn)確控制，進(jìn)而影響到紅棗的烘制品質(zhì)。3）A /D轉(zhuǎn)換器(ADC0809)A /D轉(zhuǎn)換器(ADC0809)特點(diǎn)是：8路模擬信號(hào)的分時(shí)采集，片內(nèi)有8路模擬選通開關(guān)，以及相應(yīng)的通道抵制鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s左右。其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖5-4所示：圖5-4 A /D轉(zhuǎn)換器(ADC0809)內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖圖中多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路

19、模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟(jì)的多路數(shù)據(jù)采集方法。地址鎖存與譯碼電路完成對(duì)A、B、C 3個(gè)地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給PLC控制器進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。為此可采用下述三種方式11。定時(shí)傳送方式對(duì)于一種A/D轉(zhuǎn)換其來說，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如ADC0809轉(zhuǎn)換時(shí)間為128s，相當(dāng)于6MHz的MCS-51單片機(jī)共64個(gè)機(jī)器周期?？蓳?jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序，A/

20、D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后即調(diào)用此子程序，延遲時(shí)間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。查詢方式A/D轉(zhuǎn)換芯片由表轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測(cè)試EOC的狀態(tài)，即可確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。中斷方式把表轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)（EOC）作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。4）集成運(yùn)算放大器(LM358)LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的

21、使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。LM358 的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。其腳位排列如圖5-5所示：圖5-5 LM358腳位排列圖其特性:內(nèi)部頻率補(bǔ)償直流電壓增益高約100dB單位增益頻帶寬約1MHz電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫?30V；雙電源±1.5±15V低功耗電流，適合于電池供電低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流輸出電壓擺幅大，約為0 至1.5V5）光電耦合器(TLP521)用來隔離高頻電路與低頻電路，高頻電路產(chǎn)生的高頻信號(hào)會(huì)干擾低頻電路，用光耦合器既能連接兩個(gè)部分又能屏蔽高頻信號(hào)。5.2 軟件設(shè)計(jì)在溫、濕度自動(dòng)控制器的

22、軟件設(shè)計(jì)中, 采用了模塊化設(shè)計(jì)。各個(gè)部分分別設(shè)計(jì)成子程序, 這樣便于軟件的升級(jí)和維護(hù), 同時(shí)在軟件上也采取了防止程序跑飛（程序沒有按指定的要求進(jìn)行運(yùn)行）的措施12。 控制算法的設(shè)計(jì)1）PID控制程序設(shè)計(jì)模擬量閉環(huán)控制較好的方法之一是PID控制，PID在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有60多年，現(xiàn)在依然廣泛地被應(yīng)用。人們?cè)趹?yīng)用的過程中積累了許多的經(jīng)驗(yàn)，PID的研究已經(jīng)到達(dá)一個(gè)比較高的程度。比例控制(P)是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。其特點(diǎn)是具有快速反應(yīng)，控制及時(shí)，但不能消除余差。在積分控制(I)中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。積分控制可以消除余差，但具有滯后

23、特點(diǎn)，不能快速對(duì)誤差進(jìn)行有效的控制。在微分控制(D)中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。微分控制具有超前作用，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)。避免較大的誤差出現(xiàn)，微分控制不能消除余差。PID控制，P、I、D各有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，它們一起使用的時(shí)候又和互相制約，但只有合理地選取PID值，就可以獲得較高的控制質(zhì)量13。2）PID控制算法反饋環(huán)節(jié)PID控制環(huán)節(jié)被控對(duì)象r(t)e(t)u(t)C(t)圖5-6帶PID控制器的閉控制系統(tǒng)框圖 如圖5-6所示，PID控制器可調(diào)節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差e和輸入量r、輸出量c的關(guān)系: (1) 控制器的輸出為: （2）上式中,

24、PID回路的輸出; 比例系數(shù)P; 積分系數(shù)I; 微分系數(shù)D;PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)為： (3)數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)函數(shù)關(guān)系式，必須將連續(xù)函數(shù)離散化，對(duì)偏差周期采樣后，計(jì)算機(jī)輸出值。其離散化的規(guī)律如表5-1所示：表5-1模擬與離散形式模擬形式離散化形式所以PID輸出經(jīng)過離散化后，它的輸出方程為: (4)式（4）中， 稱為比例項(xiàng)； 稱為積分項(xiàng)； 稱為微分項(xiàng)；上式中，積分項(xiàng)是包括第一個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期的所有誤差的累積值14。計(jì)算中，沒有必要保留所有的采樣周期的誤差項(xiàng)，只需要保留積分項(xiàng)前值，計(jì)算機(jī)的處理就是按照這種思想。故可利用PLC中的PID指令實(shí)現(xiàn)位置式PID控制算法量15。3）PID在PLC

25、中的回路指令現(xiàn)在很多PLC已經(jīng)具備了PID功能，STEP 7 Micro/WIN就是其中之一有的是專用模塊，有些是指令形式。西門子S7-200系列PLC中使用的是PID回路指令。見表5-2。表5-2 PID回路指令名稱PID運(yùn)算指令格式PID指令表格式PID TBL，LOOP梯形圖使用方法：當(dāng)EN端口執(zhí)行條件存在時(shí)候，就可進(jìn)行PID運(yùn)算。指令的兩個(gè)操作數(shù)TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB100，因?yàn)橐粋€(gè)PID回路占用了32個(gè)字節(jié)，所以VD100到VD132都被占用了。LOOP是回路號(hào)，可以是07，不可以重復(fù)使用。PID回路在PLC中的地址分配情況如表5-3所示。表5-

26、3 PID指令回路表偏移地址名稱數(shù)據(jù)類型說明0過程變量（PVn）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間4給定值（SPn）/ s實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間8輸出值（Mn）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間12增益（Kc）實(shí)數(shù)比例常數(shù)，可正可負(fù)16采樣時(shí)間（Ts）實(shí)數(shù)單位為s，必須是正數(shù)20采樣時(shí)間（Ti）實(shí)數(shù)單位為min，必須是正數(shù)24微分時(shí)間（Td）實(shí)數(shù)單位為min，必須是正數(shù)28積分項(xiàng)前值（MX）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間32過程變量前值（PVn-1）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間回路輸入輸出變量的數(shù)值轉(zhuǎn)換方法 在本系統(tǒng)中，設(shè)定的溫度和濕度是給定值，需要控制的變量是烘房中的溫度和濕度。但它不完全是過程變量PV，過程

27、變量PV和PID回路輸出有關(guān)。在本文中，經(jīng)過測(cè)量的溫度和濕度信號(hào)被轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)溫度和濕度值才是過程變量，所以，這兩個(gè)數(shù)不在同一個(gè)數(shù)量值，需要他們作比較，那就必須先作一下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。傳感器輸入的電壓信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，是一個(gè)整數(shù)值，他的值大小是實(shí)際溫度的把A/D模擬量單元輸出的整數(shù)值的10倍。但PID指令執(zhí)行的數(shù)據(jù)必須是實(shí)數(shù)型，所以需要把整數(shù)轉(zhuǎn)化成實(shí)數(shù)。使用指令DTR就可以了。如本設(shè)計(jì)中，是從AIW0讀入溫度被傳感器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。實(shí)數(shù)的歸一化處理因?yàn)镻ID中除了采樣時(shí)間和PID的三個(gè)參數(shù)外，其他幾個(gè)參數(shù)都要求輸入或輸出值0.01.0之間，所以，在執(zhí)行PID指令之前，必須把PV和SP的值作歸一

28、化處理。使它們的值都在0.01.0之間。歸一化的公式如(5): （5）式中, Rnoum標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值； Rraw 未標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值; Span補(bǔ)償值或偏置，單極性為0.0，雙極性為0.5; Offest值域大小，為最大允許值減去最小允許值，單極性為32000.雙極性為6400。本文中采用的是單極性，故轉(zhuǎn)換公式為: （6）因?yàn)闇囟冉?jīng)過檢測(cè)和轉(zhuǎn)換后，得到的值是實(shí)際溫度的10倍，所以為了SP值和PV值在同一個(gè)數(shù)量值，我們輸入SP值的時(shí)候應(yīng)該是填寫一個(gè)是實(shí)際溫度10倍的數(shù)，即想要設(shè)定目標(biāo)控制溫度為100時(shí)，需要輸入一個(gè)1000。另外一種實(shí)現(xiàn)方法就是，在歸一化的時(shí)候，值域大小可以縮小10倍，那么，填寫

29、目標(biāo)溫度的時(shí)候就可以把實(shí)際值直接寫進(jìn)去7。回路輸出變量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換本設(shè)計(jì)中，利用回路的輸出值來設(shè)定下一個(gè)周期內(nèi)的加熱時(shí)間?；芈返妮敵鲋凳窃?.01.0之間，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化了的實(shí)數(shù)，在輸出變量傳送給D/A模擬量單元之前，必須把回路輸出變量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的整數(shù)。這一過程是實(shí)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化過程。 （7） S7-200不提供直接將實(shí)數(shù)一步轉(zhuǎn)化成整數(shù)的指令，必須先將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)化成雙整數(shù)，再將雙整數(shù)轉(zhuǎn)化成整數(shù)。程序如下：ROUND AC1, AC1DTI AC1, VW344) PID參數(shù)整定PID參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時(shí)間Ti和和微分時(shí)間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)的過渡過程達(dá)到最為滿意

30、的質(zhì)量指標(biāo)要求。一般可以通過理論計(jì)算來確定，但誤差太大。目前，應(yīng)用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。經(jīng)驗(yàn)法又叫現(xiàn)場(chǎng)湊試法，它不需要進(jìn)行事先的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，利用一組經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)反應(yīng)曲線的效果不斷地改變參數(shù)，對(duì)于溫度控制系統(tǒng)，工程上已經(jīng)有大量的經(jīng)驗(yàn)，其規(guī)律如表5-4所示。表5-4溫度控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)被控變量規(guī)律的選擇比例度積分時(shí)間（分鐘）微分時(shí)間（分鐘）溫度滯后較大20603100.53實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。 整定比例控制將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。整定積分環(huán)節(jié)先將步

31、驟中選擇的比例系數(shù)減小為原來的5080，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)為止，確定比例和積分的參數(shù)。 整定微分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大ID，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。根據(jù)反復(fù)的試湊，調(diào)出比較好的結(jié)果是P=120. I=3.0 D=1.0。5.2.2 主程序溫度低于設(shè)定下限溫度低于設(shè)定下限系統(tǒng)啟動(dòng)設(shè)定溫度 溫度采樣溫度超標(biāo)否 溫度采樣打開排氣窗驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)機(jī)繼續(xù)工作開窗并驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)工作溫度超標(biāo)否溫度高于設(shè)定上限溫度低于設(shè)定下限溫度高于設(shè)定上限圖

32、5-5主程序框圖5.2.3 相關(guān)子程序(1) 溫度比較子程序?yàn)檫m應(yīng)查表而對(duì)數(shù)據(jù)做必要處理。降溫報(bào)警處理Y (2) 數(shù)制轉(zhuǎn)換子程序完成十六十進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換。將采集到的信號(hào)進(jìn)行十六和十進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換。(3) 溫濕度之間的轉(zhuǎn)換程序由干球溫度、干濕球溫差求濕度值(4) 顯示子程序顯示溫、濕度值。(5) 輸出子程序根據(jù)設(shè)定值與測(cè)量值控制鼓風(fēng)機(jī)、軸流式風(fēng)機(jī)、排濕窗使現(xiàn)場(chǎng)達(dá)到相應(yīng)溫度和濕度。(6) 設(shè)定值輸入子程序由傳感器讀入溫度。其設(shè)定值包括溫度上限值、溫度下限值、濕度設(shè)定值。5.2.4 PLC程序設(shè)計(jì)1) PLC程序設(shè)計(jì)的方法PLC程序設(shè)計(jì)常用的方法：主要有經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、繼電器控制電路轉(zhuǎn)換為梯形圖法、順序

33、控制設(shè)計(jì)法、邏輯設(shè)計(jì)法等17。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法：經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法即在一些典型的控制電路程序的基礎(chǔ)上，根據(jù)被控制對(duì)象的具體要求，進(jìn)行選擇組合，并多次反復(fù)調(diào)試和修改梯形圖，有時(shí)需增加一些輔助觸點(diǎn)和中間編程環(huán)節(jié)，才能達(dá)到控制要求。這種方法沒有規(guī)律可遵循，設(shè)計(jì)所用的時(shí)間和設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有很大的關(guān)系，故稱為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法。 繼電器控制電路轉(zhuǎn)換為梯形圖法：用PLC的外部硬件接線和梯形圖軟件來實(shí)現(xiàn)繼電器控制系統(tǒng)的功能。順序控制設(shè)計(jì)法：根據(jù)功能流程圖，以步為核心，從起始步開始一步一步地設(shè)計(jì)下去，直至完成。此法的關(guān)鍵是畫出功能流程圖。邏輯設(shè)計(jì)法：通過中間量把輸入和輸出聯(lián)系起來。實(shí)際上就找到輸出和輸入的關(guān)系，完成設(shè)計(jì)任務(wù)

34、。2)編程軟件STEP7-Micro/WIN 概述 STEP7-Micro/WIN 編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，由西門子公司專為S7-200系列可編程控制器設(shè)計(jì)開發(fā)18，它功能強(qiáng)大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。3)STEP7-Micro/WIN 簡(jiǎn)單介紹 以 STEP7-Micro/WIN創(chuàng)建程序，為接通STEP7-Micro/WIN，可雙擊STEP7 -Micro/WIN的圖標(biāo)，如圖10所示，STEP7-Micro/WIN項(xiàng)目窗口將提供用于創(chuàng)建程序的工作空間。瀏覽條給出了多組按鈕，用于訪問STEP7-Micro/WIN的不同編程特性。指令樹將

35、顯示用于創(chuàng)建控制程序的所有項(xiàng)目對(duì)象指令。程序編輯器包括程序邏輯和局部變量表，可在其中分配臨時(shí)局部變量的符號(hào)名。子程序和中斷程序在程序編輯器窗口的底部按標(biāo)簽顯示。圖5-7STEP7-Micro/WIN項(xiàng)目窗口本項(xiàng)目中主要利用 STEP7-Micro/WIN V4.0 SP5編程軟件，其界面如圖10所示。項(xiàng)目包括的基本組件：程序塊、數(shù)據(jù)塊、系統(tǒng)塊、符號(hào)表、狀態(tài)表、交叉引用表。5.2.5 主程序語言表19 見附錄15.2.6 程序的保護(hù)在PLC程序的設(shè)計(jì)中，要特別注意幾個(gè)問題20:啟動(dòng)和停止控制系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候，要注意速度不能過快，否則程序很容易跑偏。程序的糾偏是一件難度非常高的事情，所以從程序設(shè)計(jì)上

36、和操作上考慮到這點(diǎn)能少浪費(fèi)很多時(shí)間。程序設(shè)計(jì)中應(yīng)控制速度的增量。要注意限制各輸出量量程的范圍，要是量程過大，會(huì)出現(xiàn)一些不必要的麻煩。比如風(fēng)機(jī)的速度轉(zhuǎn)速我們要限制在一定的范圍內(nèi)。要是轉(zhuǎn)速過小，也會(huì)出現(xiàn)一些不必要的狀況。在遇到緊急情況的時(shí)候要注意急停保護(hù)。比如烘房溫度過高，傳感器會(huì)發(fā)生警報(bào)，此時(shí)采取急停措施。在程序設(shè)計(jì)中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)急停按鈕。當(dāng)按下按鈕的時(shí)候，變頻器的輸出置為0，加熱系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)停止工作。6 結(jié)語本文主要闡述了有PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)及軟硬件的設(shè)計(jì)，在軟件設(shè)計(jì)中結(jié)合自動(dòng)控制基礎(chǔ)用PID算法實(shí)現(xiàn)了用PLC的自動(dòng)控制。無論是從硬件的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性還是軟件的簡(jiǎn)易操作性，都體現(xiàn)出了PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的方便性、經(jīng)濟(jì)性和易操作性，因此在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。在紅棗烘房中應(yīng)用此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅棗烘干過程中溫濕度的精確控制提高了紅棗干制的質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，達(dá)到了一定的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)然本文設(shè)計(jì)的溫濕控制系統(tǒng)還有一定的不足：其一，在軟件設(shè)計(jì)方面還有一定的欠缺。軟件設(shè)計(jì)本身就