基于PLC的冷庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、歐陽陽理創(chuàng)編2021.03.04時間：2021.03.05創(chuàng)作：歐陽理1緒論11.1冷庫系統(tǒng)研究背景1國內(nèi)外冷庫發(fā)展現(xiàn)狀3PLC在冷庫中的應(yīng)用簡介4本論文做的主要工作62冷庫系統(tǒng)概述7冷庫的組成7主庫72.1.2制冷壓縮機(jī)房和設(shè)備間82.1.3其他設(shè)施92.2冷庫控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)9系統(tǒng)框架102.2.2溫度控制流程112.3冷庫系統(tǒng)配件的選取12壓縮機(jī)組的選取122.3.2變頻器的選取132.3.3A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的選取142.3.4傳感器的選取152.4冷庫的監(jiān)控系統(tǒng)15RS-485總線16CPU315-2DP主從站17人機(jī)界面183模糊PID控制器及其PLC設(shè)計(jì)19PID控制器概述19

2、PID控制器的原理19PID控制器的數(shù)字算法21PID控制器的參數(shù)整定223.2模糊控制器概述223.2.1模糊化233.2.2模糊推理25反模糊化263.4模糊PID控制器的PLC實(shí)現(xiàn)264冷庫控制電路設(shè)計(jì)30電路控制要求304.2西門子S7200系列PLC簡介30PLC程序31結(jié)論37致謝38參考文獻(xiàn)39附錄1、緒論1.1冷庫系統(tǒng)研究背景冷庫，是利用降溫設(shè)施創(chuàng)造適宜的濕度和低溫條件的倉庫,又稱冷藏庫,是加工、貯存農(nóng)畜產(chǎn)品的場所。它能擺脫氣候的影響，延長農(nóng)畜產(chǎn)品的貯存保鮮期限，以調(diào)節(jié)市場供應(yīng)。冷庫主要用作對食品、乳制品、肉類、水產(chǎn)、禽類、果蔬、冷飲、花卉、綠植、茶葉、藥品、化工原料、電子儀表

3、儀器等的恒溫貯藏。從冷庫的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢來看，果品恒溫氣調(diào)庫發(fā)展迅速，低溫庫比例有所增加，適合農(nóng)戶建造使用的微型冷庫異軍突起。冷庫設(shè)計(jì)自動化控制程度逐步提高，政府安全生產(chǎn)和質(zhì)量監(jiān)督等管理部門對冷庫的監(jiān)管力度大大加強(qiáng)。因此，本論文就是根據(jù)市場需要研究自動化的果蔬恒溫冷庫。在我國，食品專用冷庫嚴(yán)重的不足，食品的冷藏鏈的不完善，加之食品經(jīng)營管理的各種因素，每年約有3000萬噸水果、蔬菜、乳制品和其他易腐食品有待于從變質(zhì)中拯救出來，易腐食品每年要損失十多億元。養(yǎng)殖種植業(yè)的大幅度發(fā)展與保鮮、存儲及流通的發(fā)展極不協(xié)調(diào)，產(chǎn)量越大虧損越多，我國現(xiàn)有人口已達(dá)13億，食品資源非常寶貴，如不盡快改觀，不僅是中國的食

4、品工業(yè)的水平將大幅度落后于先進(jìn)國家，而且將會照成資源的大量浪費(fèi)。當(dāng)務(wù)之急，我們要提高冷庫整體的自動化管理水平，加強(qiáng)管理，降低運(yùn)營成本，促進(jìn)冷庫向安全、規(guī)范、節(jié)能、環(huán)保結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的方向發(fā)展。制冷系統(tǒng)、控制裝置、隔熱庫房、附屬性建筑物等是冷庫的基本組成部分。冷庫的制冷系統(tǒng)主要包括冷庫機(jī)組，它是冷庫的核心，保證冷庫庫房內(nèi)的冷源供應(yīng)?？刂蒲b置是冷庫的大腦，它指揮制冷系統(tǒng)保證冷量供應(yīng)。冷庫的冷庫房如圖1-1所示。圖1-1冷庫的冷庫房外觀圖制冷系統(tǒng)的自動控制是提高制冷品質(zhì)的最有效手段之一。采用自動控制可以保證庫溫穩(wěn)定，避免不必要的低溫，并可使食品在貯藏期間質(zhì)量穩(wěn)定，減緩食品表面水分的蒸發(fā)。此外，采

5、用自動控制還可以使冷庫制冷系統(tǒng)運(yùn)行中的溫度、壓力、液位等狀態(tài)參數(shù)保持在要求的范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，冷庫制冷系統(tǒng)采用自動控制比手動控制可節(jié)能10%15%。近年來，隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)越來越廣泛地被應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域中，冷庫系統(tǒng)也不例外。目前，越來越多的冷庫系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行檢測、實(shí)施控制與管理，使產(chǎn)品的自動化提高了一個新的水平。典型的微機(jī)過程控制系統(tǒng)如圖1-2所示。圖1-2中，該系統(tǒng)以微型計(jì)算機(jī)作為控制器，由A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)、執(zhí)行器和被控對象組成。A/D轉(zhuǎn)換器將物理信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識別的數(shù)字信號，經(jīng)計(jì)算機(jī)分析計(jì)算出調(diào)節(jié)量，D/A轉(zhuǎn)換器將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字

6、量轉(zhuǎn)換成模擬量，控制執(zhí)行器的調(diào)節(jié)工作。整個系統(tǒng)控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)是通過軟件來完成的，改變控制規(guī)律只需要通過改變相應(yīng)的程序即可。冷庫系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)給定值I被控+變量圖1-2微機(jī)過程控制系統(tǒng)制冷系統(tǒng)的自動控制，可采用繼電器與其它控制儀表組成全自動控制器、工業(yè)可編程控制器，即PLC、單板計(jì)算機(jī)和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等。事實(shí)上，PLC也是一種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，只不過具有更強(qiáng)的與工業(yè)控制元件相連接的接口，具有更直接地適應(yīng)控制要求的編程語言。另外，現(xiàn)代PLC的功能指令越來越大，能夠?qū)崿F(xiàn)許多復(fù)雜的控制算法，結(jié)合模擬量輸入、輸出擴(kuò)展模塊，在復(fù)雜的過程控制、運(yùn)動控制中應(yīng)用越來越廣泛。其中，將模糊控制技術(shù)和PLC現(xiàn)結(jié)合，對一

7、些無法建立精確數(shù)學(xué)模型的、復(fù)雜的非線性控制系統(tǒng)具有較好的控制效果。還有，當(dāng)前許多PLC配備有模糊控制軟件程序，使用起來很方便。因此，PLC控制應(yīng)用到冷庫中具有很大的前景。1.2國內(nèi)外冷庫發(fā)展現(xiàn)狀隨著人民營養(yǎng)和生活水平的提高，食品冷藏鏈近年來有了快速的發(fā)展，已經(jīng)有了良好的基礎(chǔ)，然而與國外發(fā)達(dá)國家相比仍由非常大的差距。國內(nèi)外食品冷藏發(fā)展情況對比如表1-1所示。目前國內(nèi)冷庫較多，但冷庫的壓縮機(jī)控制大多仍采用繼電器邏輯電路組成的控制器，這種控制器具有接線復(fù)雜、功耗高、工作壽命短、可靠性、通用性及靈活性低的缺點(diǎn)；而且大多數(shù)選用庫房溫度作為檢測信號，反應(yīng)慢，不經(jīng)濟(jì)。我國冷庫的制冷設(shè)備大多采用手動控制，或者

8、僅對某一個制冷部件采用了局部自動控制技術(shù)，對整個制冷系統(tǒng)做到完全自動控制的較少，貨物進(jìn)出、裝卸等方面的自動化程度普遍較低?？傊?，PLC的應(yīng)用在國內(nèi)冷庫行業(yè)還沒有得到完全的重視。表1-1國內(nèi)外冷藏鏈的發(fā)展?fàn)顩r內(nèi)容國外國內(nèi)原因分析預(yù)冷保鮮率美國和歐洲80%100%30%左右沒有有效地冷臧技術(shù)冷凍冷藏能力世界總量為8000萬噸800萬噸冷藏業(yè)發(fā)展無序冷藏鏈管理咼效復(fù)雜沒有真正建立冷藏鏈管理體系國外冷庫的制冷裝置廣泛采用了自動控制技術(shù)，而他們采用的可編程控制器PLC恰恰具有可靠性高、功能完善、組合靈活、編程簡單、使用方便以及功耗低等特點(diǎn)。并采用壓縮機(jī)的吸入壓力作為檢測參數(shù)，具有反應(yīng)迅速，經(jīng)濟(jì)性能比高的

9、特點(diǎn)。國外大多數(shù)冷庫只有13名操作人員，許多冷庫基本實(shí)現(xiàn)夜間無人值班。采用PLC替代原來繼電器邏輯電路組成的控制器對壓縮機(jī)進(jìn)行控制，使冷庫的運(yùn)行態(tài)達(dá)到最佳效果，并對節(jié)能、減輕勞動強(qiáng)度有實(shí)際意義，為實(shí)現(xiàn)無人值班冷庫提供了方便。因此，PLC在國內(nèi)仍需要不斷更新和開發(fā)，以適應(yīng)像冷庫系統(tǒng)這樣的工藝要求。1.3PLC在冷庫中的應(yīng)用簡介與傳統(tǒng)的繼電器控制相比較，PLC功耗小，有很好的靈活性和擴(kuò)展性。與單片機(jī)比較，PLC是針對工業(yè)現(xiàn)場的自動化而設(shè)計(jì)的，編程簡單，易于掌握。大型的冷庫控制系統(tǒng)，除了PLC控制之外，還有人機(jī)界面輔助。人機(jī)界面主要功能是顯示冷庫機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行工況和動態(tài)流程圖，還可以顯示故障記

10、錄等。由PLC與人機(jī)界面組成的冷庫控制系統(tǒng)，能夠做到一鍵開機(jī)、一鍵關(guān)機(jī)。冷庫要求冷藏間，低溫穿堂，凍結(jié)間、預(yù)冷間等不同房間的溫度控制各有不同，各個單元即要獨(dú)立運(yùn)行調(diào)節(jié)控溫又需協(xié)調(diào)聯(lián)網(wǎng)及監(jiān)控管理。由上位計(jì)算機(jī)、PLC、現(xiàn)場測控元件組成多級、開放、模塊化、可擴(kuò)展的高性價比冷庫全自動控制解決方案，確保制冷控制系統(tǒng)安全、可靠、高效、穩(wěn)定、節(jié)能運(yùn)行，改善工人勞動條件，提升電控配套設(shè)備制造檔次。PLC控制系統(tǒng)如圖1-3所示。蒸發(fā)式冷凝器迖2箔自動型空氣為離器礫桿壓縮機(jī)1局域網(wǎng)貉戒因特網(wǎng)零藏間1:蓉卻.：.冷藏間n低溫貯氨器揀結(jié)臥式桶泵機(jī)組圖1-3PLC控制系統(tǒng)圖為了使冷庫機(jī)組安全可靠地運(yùn)行，PLC控制系統(tǒng)

11、充分利用了自身的優(yōu)勢，加入了對冷庫機(jī)組運(yùn)行故障的預(yù)報(bào)功能，稱之為故障管理系統(tǒng)。故障管理系統(tǒng)能夠通過PLC的操作界面，在機(jī)組出現(xiàn)故障時，提示故障部位、故障原因和故障處理方法，使操作人員能夠更快地處理故障，提高了機(jī)組的使用效率和運(yùn)行可靠性。與常規(guī)的控制器相同，PLC可實(shí)現(xiàn)冷庫機(jī)組所需要的各種控制功能，包括實(shí)現(xiàn)冷庫機(jī)組的能量調(diào)節(jié)，執(zhí)行安全保護(hù)功能，執(zhí)行正常的開停機(jī)程序和故障停機(jī)程序等。PLC用于系統(tǒng)的控制后，不但實(shí)現(xiàn)了常規(guī)的控制規(guī)律，而且可以將最先進(jìn)的控制方法應(yīng)用于機(jī)組的控制運(yùn)行中，使得機(jī)組的運(yùn)行能效比更高。另外，PLC控制系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測功能，它具有RS-485等通訊接口，可以實(shí)現(xiàn)與其他計(jì)算

12、機(jī)的連接與通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。另外，值得注意的是，與常規(guī)的控制系統(tǒng)相比，PLC可以實(shí)現(xiàn)包括自適應(yīng)控制、模糊控制在內(nèi)的更復(fù)雜的調(diào)節(jié)控制規(guī)律、改善調(diào)節(jié)品質(zhì)、提高冷庫機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)冷庫機(jī)組的工作要求，PLC所實(shí)現(xiàn)的功能可以劃分為檢測功能、記憶功能、預(yù)報(bào)功能和執(zhí)行功能等四個主要的功能。1.4本論文做的主要工作一般的冷庫包含冷卻間、凍結(jié)間、冷卻物冷藏間、凍結(jié)物冷藏間、氣調(diào)保鮮間和儲冰間。高溫冷庫的控制溫度范圍是-55oC,適合果品蔬菜類保鮮。為了簡化說明本系統(tǒng)，本論文以控制室溫為01oC，相對濕度為85%95%的冷卻物冷藏間為研究對象，主要用于儲藏經(jīng)過冷卻的果蔬。本文主要做了以下工作：學(xué)習(xí)了解冷

13、庫系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，主要包括壓縮機(jī)、變頻器、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器，并要學(xué)會這些配件的選型。針對冷庫系統(tǒng)是一個包含很多冷藏室且必須對其實(shí)施在線監(jiān)控的大系統(tǒng)，本文討論了冷庫監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。繪制冷庫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖，說明該系統(tǒng)主要是由模糊溫度控制系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)組成。其中模糊溫度控制系統(tǒng)主要由模糊參數(shù)自整定PID控制器組成。模糊參數(shù)自整定PID控制器和電路控制系統(tǒng)都是通過PLC來實(shí)現(xiàn)。在模糊溫度控制系統(tǒng)中，針對冷庫控制系統(tǒng)大滯后、大慣性、時變性的特點(diǎn)，而常規(guī)PID控制具有參數(shù)整定困難、無法克服超調(diào)而造成資源浪費(fèi)的問題，本文提出了模糊PID參數(shù)自整定控制。在模糊控制部分，本系統(tǒng)充分利

14、用了MATLAB。PLC首先根據(jù)環(huán)境與冷庫庫溫，對實(shí)際偏差值及偏差值的變化率進(jìn)行模糊PID運(yùn)算，調(diào)整PLC的PID參數(shù)，并將運(yùn)算結(jié)果傳遞給壓縮機(jī)的變頻器，改變壓縮機(jī)的頻率，控制送往冷凝器的輸氣量或制冷能量。（4）在電路控制系統(tǒng)中，本文用最簡單的PLC控制代替了老式的繼電器控制，從而讓整個控制系統(tǒng)得以穩(wěn)定的操作和運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無人操作的便捷。主要介紹了冷庫冷藏程序的編寫，包括輸入輸出地址表的建立、狀態(tài)流程圖的繪制、程序梯形圖的編寫，再次說明了PLC在冷庫應(yīng)用中的優(yōu)勢。2、冷庫系統(tǒng)概述2.1冷庫的組成冷庫，按控制溫度可分為高溫冷庫、中溫冷庫、低溫冷庫和凍結(jié)冷庫。高溫冷庫的控制溫度范圍是-55oC,

15、適合果品蔬菜類保鮮；中溫冷庫的控制溫度范圍是-10-5oC，適合凍結(jié)后的食品冷藏；低溫冷庫的控制溫度范圍是-20-10oC,適合凍結(jié)后的水產(chǎn)、禽肉類食品的冷藏；凍結(jié)冷庫的控制溫度范圍是-23oC以下，適合在鮮品冷藏前的快速凍結(jié)。同樣，冷庫按容積可分為小型冷庫（500m3），中型冷庫（5001000m3）和大型冷庫（1000m3）。一般的冷庫，特別是大中型冷庫是一個建筑群，主要由建筑主體（主庫）、制冷壓縮機(jī)房及設(shè)備間、其他設(shè)施組成。2.1.1主庫主庫主要由冷卻間、凍結(jié)間、再凍間、冷卻物冷藏間、凍結(jié)物冷藏間、氣調(diào)保鮮間、制冰間、穿堂等組成。冷卻間：冷卻間是用來對食品進(jìn)行冷卻加工的庫房。水果、蔬菜在

16、進(jìn)行冷藏前，為防止某些生理病害，應(yīng)及時逐步降溫冷卻。鮮蛋在冷藏前也應(yīng)進(jìn)行冷卻，以免驟然遇冷時，內(nèi)容物收縮，蛋內(nèi)壓力降低，空氣中微生物隨空氣從蛋殼氣孔進(jìn)入蛋內(nèi)而使鮮蛋變壞。此外，牲畜屠宰后也可加工為冷卻肉（中心溫度04oC）作短期儲藏，肉味較凍肉鮮美。對于采用二次凍結(jié)工藝來說，也需將屠宰處理后的家畜胴體送入冷卻間冷卻，使食品溫度由35oC降至4oC，再進(jìn)行凍結(jié)。冷卻間的室溫為0-2oC,達(dá)到冷卻要求溫度的食品稱為“冷卻物”，可轉(zhuǎn)入冷卻物冷藏問。當(dāng)果蔬、鮮蛋的一次進(jìn)貨量小于冷藏間容量的5%時，也可不經(jīng)冷卻直接進(jìn)入冷藏間。凍結(jié)間：對于需長期儲藏的食品，需要將其由常溫或冷卻狀態(tài)迅速降至-15-18oC

17、的凍結(jié)狀態(tài)，達(dá)到凍結(jié)終溫的食品稱為“凍結(jié)物”。凍結(jié)間是借助冷風(fēng)機(jī)或?qū)Ｓ脙鼋Y(jié)裝置用以凍結(jié)食品的冷間，它的室溫為-23-30oC（國外有采用-40oC或更低溫度的）。另外，凍結(jié)間也可移出主庫而單獨(dú)建造。再凍間：再凍間設(shè)于分配性冷庫中，供外地調(diào)入凍結(jié)食品中溫度超過-8oC的部分在入庫前再凍用。再凍間分配設(shè)備的選用與凍結(jié)間相同。冷卻物冷藏間：冷卻物冷藏間又稱高溫冷藏間，室溫為4-2oC,相對濕度為85%95%，因儲藏食品的不同而異。它主要用于儲藏經(jīng)過冷卻的鮮蛋、果蔬；由于果蔬在儲藏中仍有呼吸作用，庫內(nèi)除需保持合適的溫濕度條件外，還要引進(jìn)適量的新鮮空氣。如儲藏冷卻肉，儲藏時間不宜超過15天。凍結(jié)物冷藏間

18、：凍結(jié)物冷藏間又稱低溫冷藏間，室溫在-18-25oC,相對濕度95%98%，用于較長凍結(jié)期的儲藏凍結(jié)食品。在國外有的凍結(jié)物冷藏間溫度有降至-28-30oC的趨勢，日本對凍金槍魚還采用了-45-50oC所謂超低溫的冷藏間。氣調(diào)保鮮間：氣調(diào)保鮮主要是針對果蔬的儲藏而言。果蔬采收后，仍然保持著旺盛的生命活動能力，呼吸作用就是這種生命活動最明顯的表現(xiàn)。在一定范圍內(nèi)，溫度越高，果蔬呼吸作用越強(qiáng)，衰老越快。所以多年來生產(chǎn)上一直采用降溫的辦法來延長果蔬的儲藏期。目前國內(nèi)外正在發(fā)展控制氣體成分的儲藏，簡稱“CA”儲藏，即在果蔬儲藏環(huán)境中適當(dāng)降低氧的含量和提高二氧化碳的濃度，來抑制果實(shí)的呼吸強(qiáng)度，延緩成熟，達(dá)到

19、延長儲藏的目的。一般情況下，氣體成分控制如下：氧氣為2%5%；二氧化碳為0%4%。制冰間：制冰間的位置宜靠近設(shè)備間，水產(chǎn)冷庫常把它設(shè)于多層冷庫的頂層，以便于冰塊的輸出。制冰間宜有較好的采光和通風(fēng)條件，要考慮到冰塊入庫或輸出的方便，室內(nèi)高度要考慮到提冰設(shè)備運(yùn)行的方便，并要求排水暢通，以免室內(nèi)積水和過分潮濕。穿堂是食品進(jìn)出的通道，并起到溝通各制冷間、便于裝卸周轉(zhuǎn)的作用。庫內(nèi)穿堂有低溫穿堂和中溫穿堂兩種，分屬高、低溫庫房使用。目前冷庫中較多采用庫外常溫穿堂，將穿堂布置在常溫環(huán)境中，通風(fēng)條件好，改善了工人的操作條件，也能延長穿堂使用年限。常溫穿堂的建筑結(jié)構(gòu)一般與庫房結(jié)構(gòu)分開。此外，主庫還包括其他部分，

20、如電梯間、挑選間、包裝間、分發(fā)間、副產(chǎn)品冷藏間、次品冷藏問、樓梯問等。2.1.2制冷壓縮機(jī)房和設(shè)備間制冷壓縮機(jī)房是冷庫主要的動力車間，安裝有制冷壓縮機(jī)、中間冷卻器、調(diào)節(jié)站、儀表屏及配用設(shè)備等。目前國內(nèi)大多將制冷壓縮機(jī)房裝置在主庫附近，且單獨(dú)建造，一般采用單層建筑。國外的大型冷庫常把制冷壓縮機(jī)房布置在樓層內(nèi)，以提高底層利用率。對于單層冷庫，也有在每個庫房外分設(shè)制冷機(jī)組，采用分散供液的方法，而不設(shè)置集中供冷的制冷壓縮機(jī)房。設(shè)備間安裝有殼管臥式冷凝器、儲氨器、氣液分離器、循環(huán)儲液桶、氨泵等制冷設(shè)備，其位置緊靠制冷壓縮機(jī)房。在小型冷庫中，因機(jī)器設(shè)備不多，制冷壓縮機(jī)房與設(shè)備間可合為一間，水泵房也包括在設(shè)

21、備間內(nèi)。變、配電間包括變壓器間、高壓配電間、低壓配電間（大型冷庫還設(shè)有電容器間）。變、配電間應(yīng)盡量靠近負(fù)荷大的機(jī)房間，當(dāng)機(jī)房間為單層建筑時，一般多設(shè)在機(jī)房間的一端。變壓器間也可單獨(dú)建筑，高度不得小于5m,要求通風(fēng)條件良好。在小型冷庫中，也可將變壓器放在室外架空擱置。變、配電間內(nèi)的具體布置視電氣工藝要求而定。2.1.3其他設(shè)施冷庫的呼叫系統(tǒng)是為了防止人員被誤關(guān)在冷間內(nèi)而設(shè)置的，其控制原理包括呼叫、呼叫確認(rèn)、呼叫回應(yīng)和呼叫解除幾個部分。新規(guī)范中沒有要求冷庫必需裝設(shè)呼叫系統(tǒng)。由于現(xiàn)在的冷藏門有較大改進(jìn)，在庫內(nèi)可以方便地將門開啟，因而設(shè)計(jì)人員可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。但如果有安裝呼叫系統(tǒng)，冷庫間內(nèi)門上方要設(shè)

22、置常明燈。工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性條文的房屋建筑部分規(guī)定電梯電源應(yīng)專用，機(jī)房照明電源應(yīng)與電梯電源分開。因此按負(fù)荷的重要性，將貨梯主機(jī)電源和控制箱的照明、報(bào)警、通風(fēng)電源，歸為電梯電源從變、配電所低壓配電屏單獨(dú)引出電源，貨梯機(jī)房照明、空調(diào)、插座電源和井道插座、照明電源另從照明回路引出。此外，冷庫還配備消防設(shè)施，消防設(shè)施可分為庫內(nèi)監(jiān)控警報(bào)、室內(nèi)消防設(shè)備、消防報(bào)警三部分。2.2冷庫控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)本論文以控制室溫為01oC，相對濕度為85%95%的冷卻物冷藏間為研究對象，主要用于儲藏經(jīng)過冷卻的果蔬，為此有必要對該冷卻物冷藏間的系統(tǒng)框架圖及溫度控制流程圖做出相關(guān)說明。2.2.1系統(tǒng)框架如圖2-1所示，該冷卻物

23、冷藏間系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)組成，即模糊溫度控制系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)組成。其中模糊溫度控制系統(tǒng)主要由模糊參數(shù)自整定PID控制器組成。模糊參數(shù)自整定PID控制器和電路控制系統(tǒng)都是通過PLC來實(shí)現(xiàn)。模糊參數(shù)自整定PID控制器，簡稱模糊PID控制器，由PID控制器和模糊控制器組成。該冷卻物冷藏間的模糊控制主要是根據(jù)溫度傳感器測得的溫度和算出的溫度變化，運(yùn)用模糊推理確定果蔬溫度，控制壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到最佳的運(yùn)行效果和保鮮效果。同樣，模糊PID控制器的輸入也要充分考慮戶外溫度、庫門開關(guān)狀態(tài)和室內(nèi)濕度檢測。模糊參數(shù)自整定PID控制器由PLC實(shí)現(xiàn)，在冷卻物冷藏間系統(tǒng)中需要考慮PID計(jì)算、模糊推理系統(tǒng)以及其它各種數(shù)據(jù)

24、的處理，為了滿足這樣大容量的數(shù)據(jù)傳輸和處理，本文選用西門子S7-200系列的PLC,其具體實(shí)現(xiàn)方法見本文第三章。在電路控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)思想是用最簡單的PLC控制代替了老式的繼電器控制，從而讓整個控制系統(tǒng)得以穩(wěn)定的操作和運(yùn)行，西門子S7-200系列的PLC恰恰具有連接方便、簡單易懂、價格便宜的優(yōu)點(diǎn)。因而，該冷卻物冷藏間的電路控制系統(tǒng)采用西門子S7-200系列的PLC。其具體實(shí)現(xiàn)方法見本文第四章。如圖2-1中虛線框所示，電路硬件系統(tǒng)由輸入電路、西門子S7-200系列的PLC和輸出電路組成。輸入電路主要用于輸入冷卻物冷藏間的內(nèi)部狀態(tài)、電源狀態(tài)和用戶所設(shè)定的溫度，所以輸入部件包括冷卻物冷藏間溫度檢測電

25、路、電源檢測電路和溫度給定電路等。輸出部件主要用于控制壓縮機(jī)和溫度顯示，所以輸出部件包括壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)電路和溫度顯示電路。模糊PID控制器嚴(yán)冷藏溫度檢測電源檢測冷藏溫度設(shè)定周圍環(huán)境狀態(tài)亍*門狀態(tài)檢測I壓縮機(jī)斷電時間檢測_可編程邏輯控制器圖2-1冷庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖該冷卻物冷藏間系統(tǒng)以冷卻物冷藏間的溫度作為控制目標(biāo)，根據(jù)溫度與設(shè)定指標(biāo)的偏差來決定壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)經(jīng)過冷卻的果蔬運(yùn)送到該冷卻物冷藏間后，壓縮機(jī)制冷運(yùn)行，溫度開始慢慢下降，直至溫度在01oC時，壓縮機(jī)恒溫運(yùn)行；當(dāng)溫度不在01oC時，壓縮機(jī)制冷運(yùn)行，如此往復(fù)，直至庫溫穩(wěn)定在0loC,壓縮機(jī)循環(huán)控制如圖2-2所示。圖2-2壓縮機(jī)循環(huán)控制圖

26、2.2.2溫度控制流程如圖2-3所示，該冷庫控制結(jié)構(gòu)流程圖主要由模糊PID控制器、變頻器、壓縮機(jī)、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器組成。模糊PID控制器主要由模糊推理系統(tǒng)和PID控制器組成。模糊PID控制器由PLC來實(shí)現(xiàn)。PLC首先根據(jù)環(huán)境與冷庫庫溫，對實(shí)際偏差值及偏差值的變化率進(jìn)行模糊PID運(yùn)算，調(diào)整PLC的PID參數(shù)，并將運(yùn)算結(jié)果傳遞給壓縮機(jī)的變頻器，改變壓縮機(jī)的頻率，控制送往冷凝器的輸氣量或制冷能量。圖2-3冷庫控制結(jié)構(gòu)圖2.3冷庫系統(tǒng)配件的選取冷庫系統(tǒng)配件主要包括壓縮機(jī)、變頻器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和溫度傳感器，這些配件的選取將直接影響冷庫系統(tǒng)的性能。2.3.1壓縮機(jī)組的選取在

27、冷庫控制系統(tǒng)中，是最為關(guān)鍵的配件。壓縮機(jī)是冷庫中能耗最大的裝置，約占電機(jī)輸入功率的30%左右。在環(huán)境溫度較低時，壓縮機(jī)的性能幾乎決定著整個冷庫系統(tǒng)的性能。一般情況下，小型冷庫選用全封閉壓縮機(jī)，中型冷庫一般選用半封閉壓縮機(jī)，大型冷庫選用半封閉壓縮機(jī)。無論何種品牌的壓縮機(jī)組的選型,都是根據(jù)冷庫的蒸發(fā)溫度及冷庫有效工作容積來確定，另外還要參考冷凍或冷藏物品的冷凝溫度、入庫量、貨物進(jìn)出庫頻率等參數(shù)。冷庫制冷量根據(jù)冷凍或冷藏物品的冷凝溫度、入庫量、貨物進(jìn)出庫頻率來確定。通常高溫冷庫制冷量計(jì)算公式為：冷庫容積X90X1.16+正偏差，正偏差量根據(jù)冷凍或冷藏物品的冷凝溫度、入庫量、貨物進(jìn)出庫頻率確定，范圍在

28、100400W之間。中溫冷庫制冷量計(jì)算公式為：冷庫容積x95x1.16+正偏差，正偏差量范圍在200600W之間。低溫冷庫壓縮機(jī)組制冷量計(jì)算公式為：冷庫容積x110 x1.2+正偏差，正偏差量范圍在300800W之間。在生產(chǎn)實(shí)際中，為了確定各個庫房的壓縮機(jī)組和配電設(shè)備，一般要計(jì)算庫房耗冷量。對于儲藏果蔬的冷庫系統(tǒng)，庫房的耗冷量一般包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗冷量，果蔬的呼吸熱，冷庫開門和通氣換風(fēng)的耗冷量，電機(jī)運(yùn)行的耗冷量和運(yùn)行管理耗冷量。冷庫壓縮機(jī)組的品牌選用主要根據(jù)用戶對某種品牌的了解程度、維護(hù)方便、項(xiàng)目投資的數(shù)額各方面來考慮，目前國內(nèi)通常選用法國的美優(yōu)樂、美國的谷輪以及德國的比澤爾，這三種品牌的壓縮機(jī)組

29、性能都很穩(wěn)定，而且三者在國內(nèi)都有合資生產(chǎn)企業(yè)。谷輪的ZB系列渦旋壓縮機(jī)外形如圖2-4所示。圖2-4谷輪ZB系列渦旋壓縮機(jī)2.3.2變頻器的選取壓縮機(jī)一般是按設(shè)計(jì)工況所需制冷量進(jìn)行選型，冷庫系統(tǒng)使用的環(huán)境溫度橫跨夏冬兩季的極限高低溫，與傳統(tǒng)的空調(diào)制冷系統(tǒng)相對穩(wěn)定的環(huán)境溫度有著較大的差別，因而其實(shí)際使用工況難免會與設(shè)計(jì)工況存在一定的偏差。為了使冷庫系統(tǒng)適應(yīng)不同工況的要求，使制冷量與負(fù)荷盡量品配，因此有必要對壓縮機(jī)進(jìn)行能量調(diào)節(jié)。目前壓縮機(jī)的能量調(diào)節(jié)方式有：壓縮機(jī)間歇控制（ON/OFF）運(yùn)行；吸氣調(diào)節(jié)；氣缸卸載；熱氣旁通能量調(diào)節(jié)；分檔變進(jìn)調(diào)節(jié)輸氣量;無級變速調(diào)節(jié)。目前，冷庫及冷藏箱制冷系統(tǒng)的能量調(diào)節(jié)方

30、法一般采用壓縮機(jī)間歇運(yùn)行。當(dāng)庫溫高于設(shè)定溫度上限時，壓縮機(jī)啟動運(yùn)行，當(dāng)庫溫低于設(shè)定溫度下限時，壓縮機(jī)停機(jī)，這種調(diào)節(jié)方法適用于負(fù)荷變化不大時的工況。而實(shí)際使用中，冷庫的負(fù)荷受季節(jié)的影響較大，然而冷庫的負(fù)荷還受流動地域環(huán)境等的影響，因此壓縮機(jī)基本上處于變工況下運(yùn)行。此外，壓縮機(jī)的頻繁啟停會造成額外的能量損耗，引起電網(wǎng)的波動增大，且對壓縮機(jī)的壽命影響也較大。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，變頻器已廣泛用于空調(diào)制冷行業(yè)。變頻技術(shù)就是利用變頻器輸出相應(yīng)的頻率電源到壓縮機(jī)，其實(shí)質(zhì)類似于分檔變速調(diào)節(jié)，但其能在一定范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行能量調(diào)節(jié)，使制冷量與負(fù)荷達(dá)到最佳匹配。如表2-1所示，對比各種調(diào)節(jié)方法，變頻調(diào)節(jié)是以上各種方法

31、中能耗最小的調(diào)節(jié)手段，而且其控溫精度也是最高的。因此，變頻壓縮機(jī)在冷庫制冷系統(tǒng)上具有較大的應(yīng)用前景。在理想情況下，制冷機(jī)組的制冷量與制冷劑的質(zhì)量流量成正比。變頻能量調(diào)節(jié)的基本思想就是改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，使制冷劑的質(zhì)量流量發(fā)生變化，從而改變機(jī)組的制冷量。表2-1調(diào)節(jié)方法優(yōu)缺點(diǎn)及能耗調(diào)節(jié)方法優(yōu)缺點(diǎn)負(fù)荷為60%時的能耗百分?jǐn)?shù)ON/OFF控制結(jié)構(gòu)簡單，便宜，主要用于小型機(jī)組，部分負(fù)荷及啟動時損失較大，溫控精度差63%氣缸卸載有級調(diào)節(jié)，只用于多氣缸機(jī)組，部分負(fù)荷時效率下降較小0%吸氣節(jié)流無級調(diào)節(jié)，系統(tǒng)簡單但調(diào)節(jié)范圍較小，效率低70%吸氣節(jié)流無級調(diào)節(jié)，系統(tǒng)簡單但調(diào)節(jié)范圍較小，效率低70%熱氣旁通無級調(diào)節(jié)，調(diào)

32、節(jié)范圍較廣，但系統(tǒng)復(fù)雜，效率低100%變頻調(diào)節(jié)無級調(diào)節(jié)，系統(tǒng)簡單，效率高，但裝置成本高60%2.3.3A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的選取一般冷庫中包含A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器將物理信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識別的數(shù)字信號，經(jīng)計(jì)算機(jī)分析計(jì)算出調(diào)節(jié)量；D/A轉(zhuǎn)換器將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，控制執(zhí)行器的調(diào)節(jié)工作。選取A/D、D/A轉(zhuǎn)換器時，要充分考慮系統(tǒng)的精度問題。D/A轉(zhuǎn)換器要滿足模糊控制器和變頻器的精度要求，A/D轉(zhuǎn)換器要滿足傳感器的精度要求。MAXIM公司推出的16位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器MAX195和16位D/A轉(zhuǎn)換器MAX5631，具有體積小、功耗低、轉(zhuǎn)換速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可

33、以滿足冷庫系統(tǒng)要求。2.3.4傳感器的選取考慮到冷庫內(nèi)蔬果監(jiān)測必須采用全方位多點(diǎn)監(jiān)測有效地保證果蔬的安全儲藏，系統(tǒng)選取一種連線簡單、測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)的傳感器DS18B20,其接線圖如圖2-5所示。該芯片在冷庫監(jiān)測系統(tǒng)中有其它芯片無法比擬的特點(diǎn)，該芯片溫度測量范圍為-55C+125oC，以0.5oC遞增。該溫度測量值可以滿足低溫監(jiān)測的要求。溫度以9位數(shù)字量讀出，通過一個單線接口DQ發(fā)送或接收信息。如果在測量點(diǎn)數(shù)不多的情況下，PLC與DS18820之間僅需一根連接線而無需外部電源供電（寄生電源方式）。每個DS18820都有一個唯一的長達(dá)64位的光刻ROM編碼。最前面的8位是單線系列編碼，中

34、間48位是唯一的序列號，最后8位是前面56位的CRC碼。由于每個DS18820擁有唯一的一個序列號，所以多個DS18820可以在一條線上工作，通過對DQ時序的操作只有被選中ROM序號的DS18820才能響應(yīng)和工作。冷庫中庫溫采用多點(diǎn)監(jiān)測，考慮到驅(qū)動的因數(shù)不采用寄生電源方式而是直接采用外部電源供電。圖2-5DSl8B20接線圖2.4冷庫的監(jiān)控系統(tǒng)要保證新鮮的果蔬充足，安全保鮮是必不可少的。庫溫檢測是冷庫關(guān)注的重點(diǎn)。對于大型冷庫，倉容巨大，如何有效地對每個倉庫的庫溫進(jìn)行中央檢測顯得尤為重要。監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架如圖2-6所示。圖2-6監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架RS-485總線在冷庫這樣的工業(yè)環(huán)境中，為了使設(shè)備簡單、成本

35、低廉和維護(hù)方便，總希望用最少的信號線來完成數(shù)據(jù)采集與控制。RS-485串行接口就具有此功能。在RS-485發(fā)送端，驅(qū)動器將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出，在接收端接收器將差分信號還原成TTL信號，所以RS-485有很強(qiáng)的和很高的抗干擾能力和接收靈敏度。RS-485是一個電氣接口規(guī)范，它只規(guī)定了平衡驅(qū)動器和接收器的電特性，而沒有規(guī)定接插件、傳輸電纜和通信協(xié)議。RS-485標(biāo)準(zhǔn)定義了一個基于單對平衡線的多點(diǎn)、雙向（半雙工）通信鏈路，是一種極為經(jīng)濟(jì)、并具有相當(dāng)高噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離和寬共模范圍的通信平臺。該冷庫監(jiān)控系統(tǒng)用RS-485構(gòu)成分布式數(shù)據(jù)采集與控制，采用總線方式，而傳達(dá)數(shù)據(jù)采用主從

36、站方法。主站啟動并控制每一次通信，每一個從站有一個識別地址。在此選用半雙式低功耗收發(fā)器件MAX487來完成RS-485通信。MAX487接收器輸入阻抗為十分之一單位負(fù)載，允許在總線上掛接128個MAX487收發(fā)器。MAX487如圖所示2-7所示。GNDR0一REDFADIP/SO圖2-7MAX4872.4.2CPU315-2DP主從站由于冷庫與控制室之間大約有50m的距離，因此系統(tǒng)選用了帶從站功能的CPU315-2DP,其具有大中規(guī)模的程序容量，對二進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)有較高的處理性能，有兩個PROFIBUS-DP主站/從站接口，可用于建立分布式I/O結(jié)構(gòu)和大規(guī)模的I/O配置。本系統(tǒng)采用主從方式因而具

37、備主-從兩種結(jié)構(gòu)。上位機(jī)PLC作為主站，下位機(jī)作為從站。根據(jù)系統(tǒng)要求，主站用于模塊擴(kuò)展，負(fù)責(zé)收集從站檢測的數(shù)據(jù)并將其傳給PLC,從而控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和溫度控制。從站中配置了開關(guān)量輸入模塊和輸出模塊和模擬量輸入模塊，用來控制庫門的升降、壓縮機(jī)的動作、庫門安全銷的動作、冷庫上各種儀表或傳感器的檢測，并且接收主機(jī)命令回傳溫度值。主、從機(jī)程序流程圖如圖2-8所示。圖2-8主、從機(jī)程序流程圖2.4.3人機(jī)界面該冷庫控制系統(tǒng)采用人機(jī)界面TP270-10。它能對圖形進(jìn)行快速響應(yīng)，具有高對比度的STN顯示，能夠CCFL背光顯示，壽命超過4000060000小時，可適用中文組態(tài)軟件CPI和直接控制鍵可用為快速響應(yīng)

38、，可顯示漢字，可組態(tài)的觸摸按鈕用于文本、狀態(tài)指標(biāo)、圖形及圖形狀態(tài)指示，在Windows環(huán)境下使用ProTool軟件進(jìn)行組態(tài)，擁有IP65保護(hù)等級，可與多種PLC進(jìn)行連接。在冷庫控制系統(tǒng)中，人機(jī)界面完成智能化的后臺管理、各種溫度參數(shù)的設(shè)定及制冷狀況的監(jiān)視和報(bào)警。3、模糊PID控制器及其PLC設(shè)計(jì)3.1PID控制器概述在自動控制系統(tǒng)中，常用的控制器有P、PI、PD、PID控制器。其中在這幾種調(diào)節(jié)規(guī)律中，PID的調(diào)節(jié)規(guī)律最為理想。在工程實(shí)際中，PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)，是一種應(yīng)用最為廣泛的控制方法，而PID控制器是一種應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定

39、性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器(儀表)已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，且各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(int

40、elligentregulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等?？删幊炭刂破?PLC)是利用其閉環(huán)控制模塊來實(shí)現(xiàn)PID控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等。還有可以實(shí)現(xiàn)PID控制功能的控制器，如Rockwell的Logix產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。311PID控制器的原理常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3-1所示，

41、系統(tǒng)由常規(guī)PID控制器和被控對象組成。對象積分竺打執(zhí)彳了機(jī)構(gòu)+丄微分比例圖3-1常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理圖由于PID調(diào)節(jié)器是由比例積分微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律合成的一種調(diào)節(jié)器，因此比例積分微分調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律為：u(t)=KPe(t)+11e(t)dt+TT0DIde(t)dt(3-1)e(t)=r(t)-c(t)式(3-1)中：u(t)為控制器的輸出;e(t)為控制器的輸入，它是給定值和被控對象輸出值的差，稱偏差信號;Kp:控制器的比例系數(shù)；T：控制器的積分時間；TD：控制器的微分時間。D(S)=U(=K1+丄+TS調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：E(S)吐TiSDPID控制器包括比例、積分、微分這三個環(huán)節(jié)。各環(huán)

42、節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號e，偏差-旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)片，片越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。PID控制器的數(shù)字算法PID調(diào)節(jié)原理簡單，魯棒性強(qiáng)，易于工程實(shí)現(xiàn)。在計(jì)算機(jī)用于自動控制系統(tǒng)之前，人們采用氣動、液動和電動調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)規(guī)律。隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了一些復(fù)雜的，只有計(jì)算機(jī)才能實(shí)現(xiàn)的控制算法

43、，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍然以PID控制算法為主流。與計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算功能和邏輯判斷功能相結(jié)合，使PID控制規(guī)律數(shù)字化，是自動控制技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的重要方向之一。因此，需要將PID控制規(guī)律進(jìn)行離散化處理，如表3-1所示。表3-1模擬PID控制規(guī)律的離散化模擬形式離散化形式e(t)=r(t)c(t)e(n)=r(n)一c(h)de(t)dTe(h)一e(n一1)Tite(t)dt0工e(i)T=T工e(i)i=0i=0PID差分方程5在離散控制系統(tǒng)中可表示為：-e(n-1)(3-2)u(n)=Ke(n)+Ee(i)pITIi=0=u(n)+u(n)+u(n)PID式（3-2）中T為采樣周期uP(n)=KPe(n

44、)稱為比例項(xiàng)K工e(i)PTIi=0稱為積分項(xiàng)u(n)=Kde(h)一e(n一1)DPT稱為微分項(xiàng)PID增量型算法的算式為：Au(n)=u(n)一u(n一1)二Kle(n)-e(n一)+Ke(n)+K:le(n)-2e(n一1)+e(n2)PPTPT313PID控制器的參數(shù)整定控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、

45、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。32模糊控制器概述模糊控制是近代控制理論中建立在模糊集合論基礎(chǔ)上的一種基于語言規(guī)則與模糊推理的控制理論。它是智能控制的一個重要分支。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，在那些復(fù)雜的，受多因素影響的，嚴(yán)重非線性、不確定性、多樣性的大系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的控制理論和方法越來越顯示出其局限性。為此我們以人類思維的控制方案為基礎(chǔ)，創(chuàng)造出了一種能反映人類經(jīng)驗(yàn)的控

46、制過程知識，并可以達(dá)到控制目的，能夠用某種形式表示出來，而且這種形式既能夠取代那種精密、反復(fù)、有錯誤傾向的模型建造過程，又能避免精密地估計(jì)模型方程中各種參數(shù)的過程。這就是模糊控制產(chǎn)生的背景。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用的控制機(jī)理是經(jīng)典或現(xiàn)代控制理論，而模糊控制器是一般的數(shù)字控制器，模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用模糊控制機(jī)理。模糊控制器的一般組成如圖3-2所示，為多輸入多輸出模糊控制器，包括輸入量模糊化、數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫、模糊推理和反模糊化組成。模糊控制器在輸入和輸出之間起著非線性映射作用，其輸入和輸出都是確定的實(shí)數(shù)值，而不是模糊集合。模糊化是指將輸入轉(zhuǎn)換為模糊集合，模糊推理使用規(guī)則庫中的規(guī)則產(chǎn)生模糊結(jié)論，反模糊化則將模糊

47、結(jié)論轉(zhuǎn)換為確定實(shí)數(shù)輸出。根據(jù)控制對象的特點(diǎn)、要求及專家經(jīng)驗(yàn)，合理選擇控制器的輸入量、輸出量，從而確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)。輸入維數(shù)越多，控制會更精密，但控制規(guī)則的選取越困難，控制算法也越復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來較困難。二維模糊控制器是最為常用的一類模糊控制器。二維模糊控制器的兩個輸入基本上都選為被控變量與給定值的偏差E和EC。由于它能較嚴(yán)格地反映控制系統(tǒng)中輸出變量的動態(tài)特性，因此在控制效果上要比一維模糊控制器好得多。當(dāng)二維模糊控制器有多個輸出時，應(yīng)當(dāng)將這個模糊控制器拆分成多個二輸入一輸出的模糊控制器。例如，本論文中的模糊控制器有兩個輸入和一個輸出，則可以將該模糊控制器拆分成三個二輸入一輸出的模糊控制器。下面

48、就兩輸入以輸出的模糊控制器進(jìn)行分析。模糊化輸入模糊結(jié)論圖3-2模糊控制器的組成3.2.1模糊化模糊化是將測量得到的精確量轉(zhuǎn)化為模糊量，以作為模糊推理的輸入。模糊化處理的過程分為兩步：首先確定論域，并把精確量轉(zhuǎn)換成論域中的元素；然后再進(jìn)行模糊化。精確量到論域中的元素得轉(zhuǎn)換：對每個輸入變量都指定一個標(biāo)準(zhǔn)的論域-n,+n,n為正整數(shù)。例如，對偏差e和偏差的變化率de/dt，取論域?yàn)椋篍=-4,-3,-2,-1,-0,+0,+1,+2,+3,+4EC=-4,-3,-2,-1,-0,+0,+1,+2,+3,+4(3-3)將精確量(實(shí)際量)轉(zhuǎn)換并統(tǒng)一到規(guī)定的論域中，其變換關(guān)系為：2n.a+b.y=(x-)

49、b-a2(3-4)式（3-4）中，a,b為變量x的實(shí)際變化范圍，y為論域-n,+n中的變量。模糊化：模糊化的主要任務(wù)是求得輸入對應(yīng)于語言變量的隸屬度。偏差及其變化率的常用語言詞匯表示為：負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，負(fù)零，正零，正小，正中，正大用英文字母簡記為：E=NB,NM,NS,NZ,PZ,PS,PM,PBEC=NB,NM,NS,NZ,PS,PM,PB（3-5）式（3-5）為偏差和偏差變化率的模糊集合，括號內(nèi)的每一個詞匯都是一個模糊子集。語言變量的隸屬函數(shù)有兩種表達(dá)方法，即離散方式和連續(xù)方式。離散方式取論域中的離散點(diǎn)（整數(shù)值）及這些點(diǎn)的隸屬度來描述一個語言變量。例如，取n=4,“正大”的隸屬函數(shù)可寫成

50、：10.60.2+PB=432這是查表中常用的。連續(xù)方式將隸屬度表示成論域變量的連續(xù)函數(shù)，最常見的函數(shù)形式是三角函數(shù)。所謂模糊化就是確定式（3-3）中所示論域中的各元素隸屬于式（3-5）中各模糊子集的程度。在模糊控制中，通常制成隸屬度賦值表，通過查表得到有關(guān)隸屬函數(shù)，見表3-2所示。表3-2隸屬度賦值表E栄-4-3-2-1-0+0+1+2+3+4PB00000000.20.61.0PM000000.10.50.90.90.5PS00000.20.61.00.60.20PZ0000.10.50.90.50.100NZ000.10.50.90.50.1000NS00.20.61.00.60.200

51、00NM0.50.90.90.50.100000NB1.00.60.200000003.2.2模糊推理模糊控制算法常用語言規(guī)則表達(dá)，而控制作用的產(chǎn)生是推理的結(jié)果。模糊推理環(huán)節(jié)的輸入為偏差E和偏差的變化率EC,輸出為控制作用U,它們都是模糊量，它給定U和E、EC的關(guān)系，即模糊控制規(guī)則。模糊控制規(guī)則是根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和對生產(chǎn)過程的認(rèn)識和分析得到的，全部規(guī)則的組合構(gòu)成模糊控制規(guī)則集。模糊邏輯推理方法尚在發(fā)展中，比較典型的方法有Zadeh方法、Baldwin方法、Tsukamoto方法、Yager方法和Mizumoto方法。Zadeh方法是最為常見的模糊推理方法。例如，某一生產(chǎn)過程的被調(diào)參數(shù)的偏差、偏

52、差變化率和控制輸出分別為：E=NB,NM,NS,NZ,PZ,PS,PM,PBEC=NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PBU=NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB則一種可能的控制規(guī)則集如表3-3所示。表3-3中包含的控制規(guī)則，均為條件語句（ifE=EiandEC=ECithenU=U,形式，它相當(dāng)于2個輸入和一個輸出的模糊關(guān)系，其輸入和輸出的模糊量關(guān)系，滿足上述模糊關(guān)系的合成運(yùn)算，共有78=56種模糊控制規(guī)則。這56個規(guī)則可以用MATLAB中的RuleEditor來進(jìn)行編輯。表3-3模糊控制規(guī)則集EC-NBNMNSNZPZPSPMPBNBNBNBNBNMNSZOPSPSNMNBNBNMNS

53、NSZOPSPMNSNBNBNMNSZOPSPMPMZONBNMNSZOZOPSPMPBPSNMNMNSZOPSPMPBPBPMNMNSZOPSPSPMPBPBPBNSNSZOPSPMPBPBPB3.2.3反模糊化根據(jù)規(guī)則經(jīng)過推理得到的模糊集合（單點(diǎn)集合除外）無法被執(zhí)行機(jī)構(gòu)識別和執(zhí)行，所以需要將模糊集合U轉(zhuǎn)換成精確值u這一轉(zhuǎn)換過程稱為反模糊化。反模糊化常用的計(jì)算方法有重心法、最大隸屬度法、加權(quán)平均算法等。3.4模糊PID控制器的PLC實(shí)現(xiàn)SIEMENSS7-200PLC的編程系統(tǒng)STEP7提供了豐富的功能模塊，為模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)提供了方便。主循環(huán)程序模塊OB1實(shí)現(xiàn)對功能和功能塊的調(diào)用以及信號

54、和數(shù)據(jù)的傳遞。循環(huán)中斷組織塊選擇時間間隔為Is的0B31。功能模塊FB10完成整個模糊控制功能。與之相對應(yīng)的背景數(shù)據(jù)塊為DB10，主要存儲量化因子及目標(biāo)溫度，測量溫度等其他的參數(shù)。FB10由功能FC1、FC2、FC3、FC4這四個子程序組成。其中FC1完成E和EC的計(jì)算；FC2進(jìn)行模糊化處理；FC3實(shí)現(xiàn)模糊控制表的查詢功能；FC4完成KP、TI和TD的清晰化處理。模糊控制程序設(shè)計(jì)流程見圖3-11。用FB41“CONT_C”可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制,FB“CONT_C”用于在SIMATICS7可編程控制器上，控制帶有連續(xù)輸入和輸出變量的工藝過程。在參數(shù)分配期間，用戶可以激活或取消激活PID控制器的子功能

55、，以使控制器適合實(shí)際的工藝過程?？梢詫⒖刂破饔米鱌ID固定設(shè)定值控制器，或者在多回路控制中用作級聯(lián)、混合或比率控制器?？刂破鞯墓δ芑诓蓸涌刂破鞯腜ID控制算法，采樣控制器帶有一個模擬信號；如果需要的話，還可以擴(kuò)展控制器的功能，增加一個脈沖生成器環(huán)節(jié)，以產(chǎn)生脈寬調(diào)制的輸出信號，用于帶有比例執(zhí)行器的兩步或三步控制器。除了設(shè)定值和過程值分支中的功能以外，F(xiàn)B還實(shí)現(xiàn)了一個完整的PID控制器，該控制器具有連續(xù)的可調(diào)節(jié)變量輸出，并且還可以選擇手動影響調(diào)節(jié)值。在PID控制模塊FB41中，Kp、K和KD分別對應(yīng)于輸入?yún)?shù)GAIN、T和Td。HC越界M采樣時間到?令越界變量対苴上限或F限（結(jié)束J將輸入量分別鈕

56、化亍J輸入語法變覽的模糊論域屮并置入石儲區(qū)調(diào)整厲的參數(shù)置入P1D松塊FB4U井輸岀控制量將匕EC#入PLC看儲區(qū)査詢模糊控制表得IS心Q丿I；始）將畫化因置入PLC屮KrK心左模糊化圖3-11模糊控制程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3-11所示，該流程圖的核心是模糊控制查詢表的查詢程序。模糊控制表中的模糊控制量KP按照先行后列，由左向右的訪問方式順序存儲到數(shù)據(jù)塊DB10中。數(shù)據(jù)類型為整形（INT）。首地址為DBO,依次為DB2、DB4.DB336（KP的規(guī)則數(shù)是169）。如采用常規(guī)的判斷語句的查表方法,將會使程序語句多而繁瑣,因此采用STEP7中的指針尋址查表方法。為了簡化設(shè)計(jì),將輸入模糊論域的元素均增加6

57、，即化為0，12?？刂屏康幕窞?，偏移地址為2x（13xXj+Yj），由谷，片可以確定控制量的絕對地址為2x（13xXj+Yj），通過指針變量獲得地址中存儲的Kp的模糊值。以下給出系統(tǒng)的主要程序：循環(huán)中斷組織塊0B31：/每隔1s調(diào)用FB10實(shí)現(xiàn)模糊參數(shù)自整定CALLFB10，DB10pV：=MD0Sp：=MD4E：=MD8EC：=MD12Kp：=DB20.DBD20/FB41所對應(yīng)共享數(shù)據(jù)塊的比例增益輸入TI：=DB20.DBD24/FB41所對應(yīng)共享數(shù)據(jù)塊的積分時間輸入TD：=DB20.DBD28/FB41所對應(yīng)共享數(shù)據(jù)塊的微分時間輸入功能FC3：/實(shí)現(xiàn)模糊控制量的查詢功能Lp#DB21

58、.DBW0L#address1/輸入變量address1中SLD3+DT#p1/臨時變量p1LDBW#p1TMW100/將KP的值存入MW100最后由FC4實(shí)現(xiàn)控制量Kp、K和KD的清晰化轉(zhuǎn)換，將最終計(jì)算結(jié)果送到FB41中對應(yīng)的參數(shù)中。通過FB41，輸出控制量送到模擬量輸出模塊實(shí)現(xiàn)控制作用。4、冷庫控制電路設(shè)計(jì)4.1電路控制要求要求用PLC程序模擬自動化控制，從按下啟動按鈕壓縮機(jī)組制冷啟動、冷庫指示燈（綠）常亮，直至溫度限定開關(guān)或庫門位置開關(guān)動作，壓縮機(jī)組恒溫運(yùn)行，溫度限定開關(guān)或庫門位置開關(guān)復(fù)位后，壓縮機(jī)組制冷再次啟動，反復(fù)運(yùn)行；冷庫呼叫系統(tǒng)被啟動后，壓縮機(jī)組恒溫運(yùn)行，冷庫指示燈（紅）以0.5

59、/0.5S閃爍，庫內(nèi)警報(bào)鈴聲響起，按下呼叫/警報(bào)解除按鈕后，冷庫正常運(yùn)行；冷庫消防警報(bào)啟動后，壓縮機(jī)組停止運(yùn)行，冷庫指示燈（紅）以0.5/0.5S閃爍，庫內(nèi)警報(bào)鈴聲響起，按下呼叫/警報(bào)解除按鈕后，冷庫正常運(yùn)行，過程中按下停止按鈕隨即停止。對于一個控制系統(tǒng)，PLC的選型尤為重要。比如對于要進(jìn)行溫度監(jiān)控及PID調(diào)節(jié)等控制的大系統(tǒng)，適宜選擇西門子S7-200的PLC。S7-20O系列PLC簡介S7-200是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能

60、/價格比。S7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）極高的可靠性；（2）極豐富的指令集；（3）易于掌握；（4）便捷的操作；（5）豐富的內(nèi)置集成功能；（6）實(shí)時特性；（7）強(qiáng)勁的通訊能力；（8）豐富的擴(kuò)展模塊。S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。如：沖壓機(jī)床，磨床，印刷機(jī)械，橡膠化工機(jī)械，中央空調(diào)，電梯控制，運(yùn)動系統(tǒng)。S7-200系列PLC可提供4個不同的基本型號的8種CPU供您使用。4.3