基于PLC的粮食烘干机系统设计与实现文档格式.docx
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据统计，我国粮食收获后在脱粒、晾晒、贮存、运输、加工、消费等过程中的损失高达18％左右，远远超过了联合国粮农组织规定的5％的标准。
在这些损失中，每年因气候原因，粮食来不及晒干或未达到安全水分造成霉变、发芽等损失的粮食高达5％，若按年产5亿吨粮食计算，相当于2500万吨粮食，若每人每天食用500克粮食，可供6．8万人食用1年。
这数字是惊人的。
从这一意义上说，我们需要使用新技术来降低损失。
它便是由PLC程序编写控制的粮食烘干机。
随着我国现代化建设的不断推进，我国的农业机械化自动化水平也相应不断提高，各种形式粮食烘干机源源不断地推向市场。
粮食烘干机的自动控制可用传统的电器控制，也可用单片机控制，还可用PLC控制[1]。
粮食干燥同时也是农业生产中重要的步骤，也是农业生产中的关键环节，是实现粮食生产全程机械化的重要组成部分。
粮食干燥机械化技术是以机械为主要手段，采用相应的工艺和技术措施，人为地控制温度、湿度等因素，在不损害粮食品质的前提下，降低粮食中含水量，使其达到国家安全贮存标准的干燥技术。
本文主要探讨用对燃油循环式粮食烘千机进行自动控制。
本文共分为三大部分即PLC基础知识、系统软件设计部分、组态王设计部分。
其中第一部分介绍了PLC系统的发展、定义、工作原理等。
第二部分主要介绍了PLC系统的软件设计，用PLC实现了现粮食烘干全过程即进粮、循环烘干、出粮的自动控制。
并且在系统正常工作过程中对燃烧室温度进行实时监控，保证系统的烘干效率空。
第三部分主要介绍了组态王软件系统画面的设计，并可以用组态王软件监控粮食烘干机的实时工作状况，最后经过仿真调试证明本系统性能良好、运行稳定。
1系统的主要硬件选择
1.1控制系统选择
随着随着我国农业产业化进程的推进，农业机械化自动化水平不断提高，各种形式粮食烘干机源源不断地推向市场。
粮食烘干机的自动控制可用传统的电器控制，也可用单片机控制，而PLC高抗干扰性及丰富的接口等特点使得PLC成为粮食烘干机控制系统的最佳选择。
本设计选择欧姆龙系列的PLC。
1.1.1欧姆龙PLC的介绍
ProgrammableLogicController简称为PLC，即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
由定义可知，它是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程[2]。
1.1.2PLC的产生与发展
可编程控制器是以自动控制技术、微计算机技术和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置。
首先提出PLC这个概念的是美国通用汽车公司提出的，1968年，该公司希望能有一种新型的控制装置来取代传统继电器控制装置，1969年，美国数字设备公司就研制出了一种可以把计算机的通用、灵活、功能完备等优点与继电器控制的简单、易懂、操作方便、价格便宜等特点结合起来的控制装置，这就是第一代可编程逻辑控制器，称Programmable
LogicController（PLC）。
后来，可编程控制器用微处理器作为控制核心，功能已不仅仅局限于逻辑控制的范畴，因此又称其为Programmable
Controller（PC），但为了与个人计算机（PersonalComputer）简称相混淆，可编程控制器仍然被称为PLC。
PLC的定义有许多种。
国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
凭借其优越的性能，PLC自问世以来发展极为迅猛，处理速度和可靠性大大提高。
到20世纪90年代中期，PLC几乎完全计算机化，速度更快、功能更强，而且各种智能化模块被不断开发出来。
现在，PLC不仅可以进行逻辑控制，更是在数字量的智能控制、模拟量的闭环控制、数据采集、系统监控、通信联网等方面得到广泛的应用。
我国从上世纪70年代中期开始研制PLC，随着PLC产品的性能不断提高，PLC技术的推广会使我国工业自动化产生革命性的飞跃。
1.1.3PLC的特点
1、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，当控制功能改变时，PLC控制只需修改程序即可，无需改动外部接线。
与继电器控制系统的控制电路在工艺要求稍有改变就需重新人工布线，改变控制电路相比，PLC的灵活性和通用性具有无可比拟的优势。
2、抗干扰能力强、可靠性高
在继电器控制系统中，器件的脱焊、老化、触电电弧的现象是不可避免的。
这就大大降低了继电器控制系统的可靠性。
而且继电器系统的维护工作需要消耗大量的人力物力。
在停机维修期间也会对企业造成不可估量的损失。
但在PLC控制系统中，由于大量的开关动作是通过半导体电路完成的，并且PLC在软件和硬件上都采取了强有力的保护措施。
例如，主要控制核心元件，如电源变压器、CPU、编程器等都采取严格的屏蔽措施，以防外界干扰；
供电系统及输入电路采用多种形式的滤波，以消除或抑制高频干扰；
采用模块式结构，一旦某一模块有故障可以迅速更换，从而缩短系统的停机维修时间；
PLC通过监控程序定时进行检测，当检测到故障时，会将当前的状态保护起来，并立即报警，停止程序的执行。
故障排除后恢复到故障前的状态继续执行程序。
3、PLC的功能强、功能的扩展能力强
⑴PLC利用程序进行定时、计数、顺序、步进等控制，与继电器控制动则使用大量的计数器、时间继电器、步进控制开关等设备相比，在准确性和可靠性上具有无可比拟的优势
⑵PLC具有A/D和D/A转换、数据处理和数据运算、运动控制等功能。
因此，相对于继电器控制，PLC既可以对模拟量进行控制，也可以对数字量进行控制。
⑶PLC还具有通信连网功能，因此可以控制一个机群，多个生产线，也可以进行现场控制或者远距离监控。
4、PLC控制系统的设计、调试周期短
由于PLC是通过程序来控制系统，因此设计人员可以在实验室进行设计和修改程序，并且可以在实验室进行系统的模拟运行和调试。
不必亲临现场，使现场工作量大为减少。
这与继电器控制系统靠费时费力的调整控制电路的接线来改变控制功能相比有了十足的进步。
5、体积小、重量轻、能耗低
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、能耗低等特点[4]，而且PLC所具有的强抗干扰性和适应性，使得它成为机电一体化的理想装置。
1.2粮食烘干机的选择
1.2.1概述
粮食干燥是农业生产中重要的步骤，也是农业生产中的关键环节，是实现粮食生产全程机械化的重要组成部分。
粮食干燥是粮食收获后的一个重要环节，因为收获是为了减少田间落粒损失，因此人们都会注意适时收获，而适时收获的粮食其水分较大。
如不及时干燥会造成粮食霉烂变质。
据统计，我国每年收获的粮食中由于干燥不及时而造成的霉烂损失达500－1000万吨，估计占全年粮食总产量的1.5%－3%，可见粮食干燥是一个农业生产中不容忽视的问题。
虽然我国粮食烘干机械有近30多年的发展历史，但技术含量偏低，产量偏少，烘干技术不成熟，烘干机种类少，耗能高，自动化水平偏低，缺乏适合个体户、种粮大户以及以村为单位使用的中小型多功能烘干机械等缺点大大限制了我国农业的发展。
全国现有2万多台粮食烘干机，每年烘干的粮食不足全国总产量的1％左右，与世界发达国家机械粮食烘干占总产量的95％左右相比，我国粮食烘干机械发展远远不能适应于粮食生产发展需要
1.2.2粮食烘干技术
干燥粮食的方法有日晒干燥和机械化干燥。
日晒干燥是我国几千年来采用的老方法。
机械化干燥是通过专业干燥机对粮食进行机械自动化干燥。
现代人在马路上晒谷不但危害交通，也污染粮食；
用晒谷场晒谷，又浪费宝贵的土地资源。
人工晒谷耗费大量人力，成本高，稻谷质量无法掌控。
遇到梅雨天就无法晒谷，无法将收成掌握在自己手中，很不科学。
我国粮食产区特别是南方地区，稻麦收获期常常出现阴雨梅雨天气。
农民最担心粮食收获期遇上阴雨霉雨天气，因为这种天候收获的粮食含水率都是非常高，造成湿谷来不及晒干或无法达到安全水份，因而产生霉变发芽。
湿谷没有抢鲜干燥，除了经济上的损失，粮食会产生黄曲霉，黄曲霉的毒性非常强，可引起肝的癌变,严重危害人民的健康。
所有粮食只要含水率过高，都有可能会产生黄曲霉。
如果可以马上进行干燥，就能抢救粮食免于霉变发芽，杜绝黄曲霉产生，所以抢鲜将粮食干燥到安全的含水率是储粮安全的首要条件。
由于人工晒谷的局限性，无法解决及时干燥粮食和保证粮食高质量的问题，难以面对国内对粮食质量的需求及国外市场的竞争。
据估计我国农户收割后及储粮损失率在8%~10%，每年损失粮食超过150亿公斤，损失高达300-600亿元。
相对于人工晒谷，机械化干燥不但不怕阴雨天，整个干燥过程的质量都是科学化自动监控的。
全面推广干燥机械化，配合低温均匀干燥的技术，生产出的优质米就可高价外销世界各地，创收外汇。
不但不用担心进口大米的竞争，还可享受出口优质大米带来的收益[5]。
现今欧、美、日等发达国家都全面采用干燥机械化，粮食质量都很高，所以粮食干燥机械化是必走之路。
而机械化烘干技术主要分为以下几种：
1、对流干燥法
对流干燥法作为最常用的粮食干燥方法，它是将加热的空气或气流与冷空气的混合气以对流的方式接触物料，从而进行热交换。
蒸发出来的水分则被干燥介质（空气等）带走。
这种方法的主要特点是干燥介质的温度和湿度容易被控制，可避免物料发生过热现象（过干燥）而降低其品质。
国内外企业中，上海的三久公司和日本的金子公司生产的干燥设备大多是采用对流干燥方法[6]。
2、吸收干燥法
吸收干燥法是利用常温接触的干燥工艺进行干燥的方法。
它一般采用两种方法，一是湿的粮食和谷糠（含水率2%-3%）进行混合贮存，实现对湿谷的干燥；
另一种方法是湿谷和干谷（含干率为12%-14%）进行混合贮存，然后再对粮食进行通风，实现对粮食的干燥。
吸收干燥法的优点明显，用这种方法进行干燥时不需要粮食临时贮藏设备及配备大型风机，不用加热粮食，而且，每一次接触干燥，湿谷中的水分向谷糠中转移的过程大约需6小时左右完成，节省了干燥时间。
3、仓式干燥法
这种干燥方法是一种经济、有效地处理各种高水分粮食的科学手段。
它不仅可以改善工作条件，克服外界环境的制约，同时具有设备简单、投资少、可与现有仓储机械通风系统联网配套使用，干燥粮食品质好，处理费用低等优点。
4、联合作业干燥法
联合作业干燥法是把传统的干燥方法进行纵使考虑，联合作业进行干燥的方法。
这种方法是通过控制粮食的干燥速度和通风的气流的速度进行干燥。
美国福特斯公司采用烘干——通风干燥法对粮食进行干燥。
用顺流——逆流组合干燥方法对粮食进行干燥在德国广泛应用。
5、微波干燥法
微波干燥的原理是通过微波与物质相互作用而产生热效应。
一些微波在所谓吸收性介质中传播时，其大部分能量呗介质吸收而产生热量，即具有明显的热效应，这类吸收性介质最宜用于微波加热。
水能强烈地吸收微波。
含水物质一般都是吸收性介质，都可以用微波来加热
6、红外干燥法
它是利用物料吸收有一定穿透性的远红外线使内部自身发热、湿度升高导致失水，具有保质、干燥快和节能等特点。
但由于远红外干燥作业靠较高温度的远红外辐射板辐身大量远红外线来工作，整个干燥室必存在温度和物料失水的不一致，易导致箱体内各处温度分布、物料水分含量差异进行研究，其结论将对远红外干燥设计、干燥工艺参数选择具有指导意义。
由于本设计只是一个初步设计，因此选择最常用的对流干燥技术。
1.2.3粮食烘干机的组成
粮食干燥设备有很多种，他们的原理和操作方法各不相同，用途也有所差异。
这里只介绍两种应用不同方式进行粮食干燥的干燥机。
1、箱式通风干燥机
箱式通风干燥机，属于静置式干燥机。
它由燃烧室和干燥室组成。
其中，燃烧室包括控制箱，热风机，油箱。
干燥室包括热风室，网板，箱板。
箱式通风干燥机结构简单，价格相对比较低，并且操作简单，是一种通用型的干燥机。
适合用来干燥粮食的种子和各种颗粒状物品，如花生，辣椒，蒜头，咖啡等[7]。
2、循环式干燥机
循环式干燥机，是日本、东南亚以及我国最广泛使用的干燥机。
循环干燥机主要由大漏斗，热风机，油箱，电脑水份计，升降机，排风机，仓库层，出谷管组成。
为了能够实现循环控制，因此选择循环干燥机。
2自动控制系统设计
2.1粮食烘干工艺流程
图2.1工艺流程图
说明：
高水分粮食通过进料斗进入后，由水分检测仪进行检测，如果水分检测仪检测粮食没有达标，则提升机启动，通过上绞龙使粮食进入到干燥室进行烘干，再通过排粮轮和下绞龙来到检测处，再次检测，如果还不达标，则继续循环干燥，如果达标则排粮管打开，进行打包储存，流程结束[8]。
2.2系统硬件设备
2.2.1PLC的基本组成
根据结构形式不同，PLC可分为组合式（也称模块式）和整体式（也称箱体式）两类。
整体式结构的PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入\输出单元、电源、通信端口、I/O扩展端口等组装在一个箱体内构成主机。
另外，还有独立的I\O扩展单元等与主机配合使用。
由于整体式PLC的结构紧凑、体积小。
因此本次试验采用这种结构的PLC。
图2.2整体式PLC的组成示意图
⑴CPU是PLC的核心部件，能指挥PLC按照预先编号的程序完成各种任务。
起作用有以下几点：
①接收、存储由编程工具输入的用户程序和数据，并可通过显示器显示出程序的内容和存储地址。
②检查、校验用户程序。
③接收、调用现场信息。
④执行用户程序。
⑤故障诊断。
⑵存储器可以分为3种：
系统程序存储器、用户程序存储器、工作程序存储器。
⑶输入/输出单元是PLC与外部设备连接的窗口。
按照输入端电源类型的不同，开关量输入单元可分为直流输入电源和交流输入单元。
按输出电路所用开关器件的不同，PLC的开关量输出单元可分为晶体管输出单元、双向晶闸管输出单元和继电器输出单元。
⑷PLC中一般配有开关式稳定电源为内部电路供电。
开关电源的输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高抗干扰性能好。
⑸一般PLC都有扩展端口。
主机可以通过扩展端口连接I/O扩展单元来增加I/O点数，也可以通过扩展端口连接各种特殊功能单元以扩展PLC的功能。
而通过外部设备端口，PLC可与各种外部设备连接。
⑹常用的特殊功能单元有A/D单元、D/A单元、高速计数器单元、位置控制单元、PID控制单元、温度控制单元、各种通信单元等。
2.2.2系统机型的选择与配置
系统选用CPM2A-20CDR-DPLC，其中10点DC24V输入，6点继电器输出，DC24V电源[9]，如图2.3所示。
L
N
COM
01
03
05
07
09
11
00
02
04
06
08
10
+
-
图2.3CPM2A端子台分配图
所有输入点用24V电源共用一个公共点（COM点），且无需外部提供24V电源。
对继电器分别提供4个公共点，公共点间相互独立，提供4个独立的输出通道，对应有隔离要求的输出控制。
每台粮食有1个湿度检测器，1个显示器。
总的输入点为开关量8点，输出点为开关量6点。
2.2.3定义号的分配
PLC对输入/输出定义号采用分别编号的原则进行定义号分配，输入信号点用I表示，输出信号用Q表示，其中输入从I0开始依次分配，见表2.1，输出从Q0开始依次分配，见表2.2。
表2.1输入信号分配表
编号
输入定义号
输入信号
1
I1
系统启动开关
2
I2
粮食水分检测是否合格
3
I3
燃烧室温度与给定值比较
4
I4
停止按钮
5
I5
提升机、上绞龙是否启动
6
I6
鼓风机是否启动
7
I7
下绞龙是否启动
8
I8
排粮轮是否启动
表2.2输出信号分配表
输出定义号
输出信号
Q1
提升机、上绞龙启停
Q2
鼓风机启停
Q3
下绞龙启停
Q4
排粮轮启停
Q5
燃烧机控制
Q6
水分监测报警
2.3系统的软件设计
2.3.1程序框图
PLC梯形图是根据继电器控制电路图来设计的,它是由若干图形符号组合的图形语言，也称为命令语句表达。
它的编程语言类似计算机的汇编语言，用助记符来表示各种指令的功能。
指令语句是PLC用户程序的基础元素，多条语句组合而成了语句表。
一个复杂的控制功能是用较长的语句表来描述的。
继电器控制电路是并行的工作方式，而PLC采用了循环扫描的工作方式。
在PLC执行用户程序时，CPU对梯形图自上而下，从左到右地逐次进行扫描，程序的执行时按语句的先后排列顺序进行的，因此可以说PLC梯形图状态的变化在时间上是串行的。
不会出现多个线圈同时改变的状况。
粮食烘干机的主程序部分的程序框图，如图2.4所示。
图2.4自动控制主程序程序框图
系统主要有粮食水分检测和燃烧室的控制。
水分检测每隔一定时间要进行，将检测到的粮食水分与给定值比较,如果检测粮食水分大于粮食水分给定值，则控制燃烧室启动,反之则控制燃烧室关闭。
而燃烧室控制主要是控制燃烧室内的温度，本系统通过控制供油量来控制火焰温度。
燃烧室控制程序框图如图2.5所示。
首先，启动鼓风机，当鼓风机正常启动后，供油管供油，点火。
燃烧室内温度升高，然后通过安装在燃烧室内的温度检测器来检测燃烧室内温度，若燃烧室内温度大于给定值，则关闭供油管，打开出油量较小的供油管供油。
反之，若燃烧室内温度小于于给定值，则打开出油量较大的供油管供油。
其中给定值是有粮食水分监测装置给出的信号决定的[10]。
图2.5燃烧室控制程序框图
2.3.2梯形图设计
1、顺序控制设计法
⑴分析控制要求，将控制过程分成若干个工作步，明确每个工作步的功能，明确步的转换是单向行进（单序列）还是多向行进（选择或并行序列），确定步的转换条件。
⑵为每步设定控制位。
⑶确定所需输入和输出点的个数，选择PLC的机型，作出I/O分配。
⑷在前两步的基础上，画出顺序功能图。
⑸根据顺序功能图画梯形图。
⑹添加某些特殊要求的程序。
本系统主程序采用选择序列来完成控制要求。
顺序功能图如图2.6所示，I/O分配如表2.3所示，主程序梯形图见附表A。
实物接线图见附表B。
表2.3主程序I/O分配表
输入
输出
系统启动控制开关
00000
排粮管线圈
20000
粮食水分检测合格
00001
温度检测线圈
20001
粮食水分检测不合格
00002
出粮口线圈
20002
燃烧室工作线圈
20003
提升机线圈
上、下蛟龙线圈
20004
图2.6主控制程序顺序功能图
2、经验设计法
⑴确定输入、输出电器。
⑵确定输入和输出点个数，选择PLC机型，作出I/O分配。
⑶为了分析问题方便，可先作出I/O分配表。
⑷选择PLC指令并编写程序。
⑸编写其他控制要求的程序。
⑹将对各环节编写的程序合理联系起来，即得到一个满足控制要求的程序。
本系统的燃烧室供油控制系统采用经验设计法，I/O分配如表2.4所示，燃烧室供油控制系统梯形图见附表A。
表2.4燃烧室供油控制I/O分配表
鼓风机开关
00003
鼓风机线圈
20005
点火开关
00004
1号供油管线圈
20006
检测温度大于给定值
00005
20007
检测温度小于给定值
00006
升级会员 