气调储粮气体自动检测系统主机位设计.docx
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气调储粮气体自动检测系统主机位设计
东北大学
毕业设计
设计题目:
气调储粮气体自动检测系统主机位设计
学生姓名：
学号：
专业班级：
机制
指导教师：
2011年5月25日
1本次设计的概述
1.1本次设计的任务
本课题通过设计的装置读取对高大平房仓或圆筒仓内小麦气调储粮过程中二氧化碳、氧气、氮气及环境温度、湿度等参数数据（参数的检测由其他的检测机构实现，本设计不涉及），分析粮堆储藏环境的特征特点，在提供仓房整体查询、单点查询的同时，能够自动控制通风装置、气源装置动作，完成小麦的自动气调储粮过程，形成自己的产品设计成果。
本次设计是依据毕业设计要求来完成，这次设计涉及到了PLC编程、变频电机工作原理及人机界面搭接等有关方面的内容，综合全面地锻炼了自己的实际设计能力。
1.2国外国内粮食储藏气调技术应用的发展现状
1.2.1国际粮食科技现状
进入新世纪以来，发达国家的农业现代化更加明显。
随着生物技术、信息技术，特别是细胞工程、基因工程、发酵工程、酶工程、蛋白工程技术的发展，世界农业领域正处在重大历史转折和高速发展时期。
农业技术的进步，同样促进了粮食资源利用技术的发展，粮食资源的合理利用和资源的深度开发已成为发达国家最主要的特征。
主要表现在以下方面。
（1）粮食储存广泛采用绿色生态储粮技术
由于发达国家粮食资源丰富，可以满足需求，粮食储存时间短、数量少，粮食储存不仅注重数量，更关注储粮的内在品质和营养变化，长期进行储量基础研究，注重储粮应用技术的环保提升。
因此，以低温、气调、生物、物理和综合防治相结合的绿色储粮技术已成为其主要特色。
以澳大利亚为典型代表的绿色储粮技术发展到较高的水平。
目前，一些欧洲国家已经禁用溴甲烷作为熏蒸剂使用。
经济效益最大化成为发达国家储粮仓型选择的主要标准。
储粮设施主流仓型以系列浅圆仓为主，单仓仓容越来越大。
在欧美发达国家，主流仓型的单仓仓容已发展为0.7万～1.2万t。
粮食仓储机械化程度高，产后损失少。
（2）信息化技术在粮食储藏领域广泛应用
美国、加拿大、澳大利亚等国，粮食市场化程度高，信息化技术在粮食储藏领域广泛应用。
有专门的机构利用高新技术，如利用卫星遥感技术装备，预测世界农业生产情况，通过网络信息和电子商务平台，分析国内和国际期货和现货市场信息，预测全球粮食的需求形势，及时调整粮价和贸易策略。
粮食仓储及流通过程，通过研究粮食品质测定方法，运用信息处理技术，开发数据管理系统，把粮食流通中品质测定各个环节通过信息系统结合起来，进行粮食品质跟踪管理，从农场收购粮食、粮食流通到最终消费的全过程实施质量品质跟踪和安全控制，基本上达到信息化管理。
1.2.2发达国家粮食科技发展趋势
进入21世纪以来，全球农业技术变化集中地体现在基因技术及专用种植技术创新和技术集成、学科渗透。
发达国家把粮食流通产品经营的生产技术的高新化、生产规模的大型化、资源利用的精深化、企业管理的信息网络化、产品质量的标准化作为战略重点，增强国际竞争力，发展态势十分迅猛。
主要表现在：
（1）技术装备的智能控制技术和降低能耗技术
粮食加工、储运等技术装备向机电一体控制、微机智能控制等现代化方向发展，使生产工艺和技术的稳定性提高。
同时，生产规模的大型化和机械装备的现代化，使生产过程的能耗大大降低，资源、能源得以充分利用，生产效率和效益大大提高。
（2）以低温储粮为代表的“绿色”储粮技术将得到进一步发展
以低温、气调杀虫和符合绿色环保的杀虫剂为代表的“绿色”储粮技术和有害生物综合防治技术是未来的发展方向，影响粮油食品安全和环境保护的支撑害虫综合防治的非化学防治技术将得到进一步的重视。
仓房结构和仓储设备向大型化、专业化和标准化方向发展。
最终粮食食用品质的优劣和储粮经济效益、社会效益及生态效益将是评判储粮技术的标准。
（3）重视粮食流通的信息化建设和应用
鉴于信息化在发达国家社会生活和经济建设中发挥越来越重要的作用，重视信息化整体的规划和建设被视为国家经济战略的一个重要方面。
信息化将贯穿到粮食的生产、收获、储藏、加工、管理的全过程，实现数字化、网络化和智能化，以实现粮食生产和流通的全过程质量安全控制是国外粮食质量安全科技发展的趋势。
（4）以人为本，粮食流通的清洁和环境生产正在日益受到重视
随着工业化和经济的发展，使得水、土等资源紧张，并对生态环境造成影响；随着物资的丰富和生活质量的提高，人们对生活和工作环境的要求越来越高。
以人为本，对环境的保护，粮食流通环节的清洁生产和保持环境生产技术，特别是节能、节水工艺技术，防粉尘、防噪声、防污染技术和智能控制技术将成为粮食流通科技发展的突出需求。
1.3本次设计的目的和意义
粮食是食品工业的源头，正是由于绿色食品的大力发展，粮食储藏技术也正在发生深刻的变化。
低温储粮已经被广泛采用，仅德国阿克西玛制冷设备公司（原来的苏尔寿爱雪维斯公司），生产的谷物冷却机就有1万多台在世界上60多个国家使用，全世界采用低温储粮的粮食已经超过了1亿t；气调储粮是另一个被广泛采用的绿色储粮技术，已经在澳大利亚、美国、俄罗斯、中国等国得到有效应用。
在欧洲，对于绿色储粮技术的应用，政府在政策上给予了大力支持。
所以今后破绿色储量技术将会有很大的发展。
在“中国储粮生态系统理论体系”的指导下，我国粮食储藏理念正发生着深刻的变化，粮食储藏技术正在由传统储粮技术向绿色储粮技术发展，由粗放型仓储管理向精细化仓储管理发展。
尤其是最近几年，用自然低温的控温技术、气调技术、替代甲基溴等许多新技术在粮食储藏中的应用，大大提升了我国粮食储藏的技术水平，同时也为节能减排、环境保护作出了积极的贡献，得到了国际社会的广泛认同。
随着我国农业的发展,农产品的产量不断提高,且农产品的需求量也不断增加，大量的粮食囤积，需要进行很好的储存。
然而传统的低温，密封，磷化氢等方法存储不能有效的防潮防虫害。
迄今国内外已确认气调储藏对粮食生理、生物学、品质保持以及控虫、防霉等方面均较之空气常规储藏更具明显的优越性和储藏效应。
本课题研究的目的就是设计控制气调系统，主要是对影响储粮的氮气、氧气、二氧化碳气体、湿度、温度等因素的测量，来达到自动控制。
2.储粮气调装置控制系统设计
2.1系统整体设计
总体的设计是要完成对储粮气调的全自动控制，在这个要求之下，我们需要选择经济适用的PLC系统，并编写控制程序，通过人机界面即触摸屏，以适应全自动控制的需要。
主要的控制流程方案：
是通过有线I/O接口模块主动接收下机位传递的数据信息，运用换位开关，编码输入选取粮仓内位点参数，经过PLC程序计算、分析、执行程序处理转化的控制信号来控制电磁阀的开启和变频风机的的动作，来达到自动检测粮仓温度、湿度、氧气、二氧化碳、氮气等参量。
2.2系统的工作原理
图1.系统的工作原理示意图
该系统装置的工作原理过程：
通过各个传感器读取（数据接收采用有线IO接收模块，接收方式主动式）对高大平房仓或圆筒仓内小麦气调储粮过程中二氧化碳、氧气、氮气及环境温度、湿度等参数数据，选取合适的数模转换模块，把参数数据转化成合适的电信号，经过换位开关选取测定组的电信号，通过并口线传到PLC中。
通过PLC程序编程能够自动控制通风装置（变频风机）、气源装置动作（电磁阀的开闭），并把PLC同人机界面相连接，完成对小麦的自动气调储粮过程。
3.PLC原理接线图设计
3.1PLC选型
分析系统数据接收和输出需要几个I/O口：
通过方案系统整体设计知，需要10输入插盘和下机位相连，每个采样数据通过8字节输入，PLC共需要8个输入口，下机位另两根线是与上机的对话线，一个是输入口，一个是输出口。
再者选择四个风机共输出四个数字量，四个变频器控制的风机共输出四个模拟量。
还需要七个输出口，来对96组数据进行选择。
综上可知，要想满足系统设计要求，PLC需要有16个输出量和9个输入量。
此次毕业设计所需要的PLC的I/O点数较少，PLC的输入为：
氮气传感器输入、氧气传感器输入、二氧化碳传感器输入、湿度传感器输入、温度传感器输入。
PLC的输出为风机电机、电磁阀。
因为所需要的PLC的点数较少，所以可以选择小型的PLC,满足以上条件的PLC有西门子的，欧姆龙的，还有三菱的。
这三种PLC,其I/O点数在256点以下时，三种PLC都是有一定优势的，欧姆龙和西门子的PLC的性价比较高，三种PLC的容量也是能满足要求的，因为平常学习的是西门子的PLC,所以选择西门子的小型PLC,西门子小型PLC,是S7-200系列的PLC,S7-200的PLC根据CPU结构配置不同又分为五种，分别为CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM。
CPU221它有6输入4输出，I/O共计10点，但是没有扩展能力，CPU222有8输入6输出，I/O共计14点，可以扩展2个扩展模块，CPU224有14输入10输出，I/O共计24点，可以扩展7个扩展模块，有内置时钟，CPU226有24输入16输出，它比CPU224具有更强的扩展能力，CPU226XM这是西门子公司后来推出的一种增强型主机，它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展，其他指标和CPU226相同。
通过以上分析可知选择西门子CPU224，即能满足设计要求又经济适用，最后选择用。
3.2扩展模块的选择
选择了S7-224有I/O口14/10，可知还有需要15个输出口，这里面有四个输出模拟量，十一个输出数字量。
接下来分析各种扩展模块：
S7-200PLC硬件的配置方式采用整体式加积木式，即主机中包含一定量的输入/输出，同时还可以有一定数量的输出模块，以及功能模块，CPU22*系列的每种主机所提供的本机I/O点的I/O地址是固定的，进行扩展时，可以在CPU右边连接多个扩展模块，每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型和该模块在I/O链中的位置。
编址方法是同种类型输入或输出点的模块在链中按与主机的位置而递增，其他类型模块的有无以及所处的位置不影响本类型模块的编号。
现在还需要扩展4路模拟输出量和4路数字输出量，选择两个EM232和一个EM222，就可实现4路模拟输出量和4路数字输出量。
模块的连接示意图如图2所示：
图二：
各模块与主机的链接示意图
3.3环路开关的选择
在本设计过程中共有（4*6）*4及96组数据，怎样循环扫描96组数据，并依次通过输出路线存入寄存器中，等待上机位读取？
现通过设计换路开关选择传出哪一组数据，再进行程序执行，以致把96组数据都读取，进而实现自动检测控制。
选择下机位组点的工作过程：
可以设置96个线圈来作为96组数据的开关，当触电得电时，触电闭合，传出这一组的数据，经过译码器传出信号与PLC相连，来响应传入哪一组的数据。
图三：
96组数据通信表示图
经过分析可选择38译码器和416译码器，来对所选数据译码输出。
开始时各端清零，触电失电，无信号输出。
如A0高电平输入，A1.A2低点平输入，B0高电平输入，B1、B2、B3低电平输入，继电器触电只有一位得点闭合，输出数据，实现单点输入。
依次译码输出96组数据。
3.4变频器的选择
变频器的调速原理:
变频器是通过对电力半导体器件的通断控制将电压和频率固定不变的交流电电源变换为电压或频率可变的交流电的电能控制装置。
对于交-直-交型变频器来说，为产生可变的电压和频率，首先要把工频交流电源变换成直流电，再转化成各种频率的交流电，最终实现对电机的调速运行。
3.4.1变频器不同种类的比较
根据负载机械的工作特点，结合对调速范围、调速精度和经济性的要求，用户可以选择不同种类的变频器来控制调速运行。
（1）通用型变频器
一般采用v／f控制方式，适用于风机、泵类负载场合。
其节能效果显著，调速范围和调速精度较低，因此成本较低。
（2）多功能通用变频器
多功能变频器主要适应工业自动化，自动仓库、升降机、搬运系统、小型CNC机床、挤压成型机、纺织及包装机械等高速、高效需求。
因为控制的是控制风机的电机，因为要求不高所以选择通用型的变频器就可以满足设计要求。
风机动力系统中的电机所用的是380V,所以低压变频器是可以满足要求的低压变频器指输入电源电压为单相220V和三相380V的变频器，用量最大、应用最为广泛的变频器系列。
低压变频器的选型首先要考虑用途，选择通用型还是专用型，要尽量使系统的各种功能通过变频器来实现。
其次比较各厂家同类变频器的功能差别、性能价格比、售后服务，确定厂家及变频器型号。
选择的是西门子的PLC,为了发挥控制系统最佳的控制性能，所以选择西门子的变频器，西门子的MM440和MM430,都是通用型的变频器，能够满足所需要的性能，因为MM430的变频器有详细的说明书，能帮助初学者更好的去应用。
通过变频器的说明书可以确定变频器和PLC的接线，在控制系统中变频器和PLC的连接是通过数字输出口和模拟模块，变频器的速度调节是通过数模转化模块来进行设定的，下面是MM430变频器主电路图和控制系统图，从下图4中可以看出变频器的接线端子。
图4：
MM430的主电路及控制系统结构图
3.4.2变频器参数的设定
变频器在应用时，需要对其参数进行初始化设定，参数设定服务于快速调试，其中访问级和Cstat是默认值，其设定值是根据电机和调试情况来设定的，变频器1和变频器2的参数设定见表2。
表1：
变频器参数设定
参数号
参数名称
访问级
Cstat
设定值
变频器1
变频器2
P0003
用户访问级
1：
标准级
2：
扩展级
1
根据调试的具体情况而定
根据调试的具体情况而定
P0010
开始快速调试
0：
准备运行
1：
快速调试
1
1
1
P0100
欧洲/北美
0:
功率单位为KW;f的缺省值50HZ
1：
功率单位为hp;f的缺省值60HZ
1
C
0
0
P0205
变频器的应用对象
0：
恒转矩
1：
变转矩
3
1
1
P0300
选择电动机的类型
1：
异步电动机
2：
同步电动机
2
C
1
1
P0304
电动机的额定电压
设定值的范围：
10-2000V
1
C
380
380
P0305
电动机的额定电流
1
C
151
6
P0307
电动机的额定功率
1
C
75
2.2
P0308
电动机额定功率因数
2
C
0.81
0.71
P0309
电动机额定效率
2
C
92.5
80.5
P0310
电动机额定频率
1
C
50
50
P0311
电动机额定速度
设定值范围:
0-40000r/min
1
C
740
710
P0320
电动机磁化电流
3
CT
-
-
P0335
电动机的冷却
0：
自冷
1：
强制冷却
2：
自冷和内置风机冷却
2
CT
0
0
P0640
电动机的过载倍数（%）
2
CUT
100
100
P0700
选择命令源
0：
工厂设置值
1：
基本操作面板
2：
端子输入
1
CT
2
2
P705
选择数字5的输入功能
0：
禁止数字输入
1：
ON/OFF1接通正转/停车命令
CT
15
1
1
P706
选择数字6的功能
0：
禁止数字输入
1：
ON/OFF1接通正转/停车命令
2：
Onreverse/OFF1接通反转/停车命令
CT
15
2
2
P1000
选择频率设定值
1：
电动电位计设定值
2：
模拟设定值1
3：
固定频率设定值
4：
模拟设定值2
1
CT
2
4
P1080
电动机最小速度（r/min）
1
CT
0
0
P1082
电动机最大速度（r/min）
1
CT
P1300
控制方式
0:
线性u/f控制
1：
带FCC的u/f控制
2:
抛物线u/f控制
2
CT
0或2
0或2
P1910
选择电动机数据自动检测
0：
禁止自动检测
1：
所有参数都带参数修改的自动检测
2
CT
1
1
P3900
快速调试结束
0：
结束快速，不进行电动机计算或复位为工厂缺省设置
1：
结束快速，进行电动机计算和复位为工厂缺省设置值
1
C
1
1
3.5人机界面的选择
可编程终端（ProgrammableTerminal,PT）又称人机界面（HMI）。
PT是PLC的一种外部设备，PT与PLC联机通信后，通过轻触键盘或屏幕上的触摸键，可向PLC输入数据、显示数据或图形，对PLC控制系统进行操作。
在普通PC上使用厂家提供的PT支持软件，通过调用各种控件，如各种按钮、数值输入、指示灯、数值显示、文字/数值显示、信息显示、条状图柱状图、曲线图、趋势图、XY图、仪表图、动态图、图形元素、静态文字、静态图形及其他通用控件，可以制作数百幅生动、丰富的监控画面，完成编译后，通过PC的USB端口和PT的USB端口的通信电缆或RS-232C的通信线缆，将监控画面由PC下载到PT，此后，PT就可以脱离PC而协同PLC一起工作。
PT的RS-485C端口与PLC的RS-485端口通过通信电缆相连接，此后，就可以使用PT对PLC控制系统进行操作并显示各种信息。
下面有机种输入设备的比较，通过比较选择合适的
HITECH各种人机界面的比较
HITECH人机界面一贯的高品质,型号齐全功能强大,以极高的稳定性,极低的故障率满足客户的要求，HITECH人机界面能与所选的西门子S7-200的PLC通信，二者具有兼容性，以下是几种HITECH的人机界面的比较，分别是从显示器种类、显示器尺寸、分辨率、颜色、CPU来进行比较的，几种人机界面的比较如表1所示。
表2：
几种人机界面的比较
型号
显示器种类
显示尺寸
分辨率
颜色
CPU
PWS5600S-S
MonoSTNLCD
5.7”（对角线）
320*240
16灰阶（天蓝色）
32位RISC
PWS5600T-S
ColorSTNLCD
5.7”（对角线）
320*240
16灰阶（天蓝色）
32位RISC
PWS6300S
MonoSTNLCD
3.0”（对角线）
160*80
黑/白，16灰阶
32位RISC
PWS6500S-S
MonoSTNLCD
4.7”（对角线）
240*180
16灰阶天蓝色
32位RISC
PWS6600C-P
ColorSTNLCD
5.7”（对角线）
320*240
全彩256色
32位RISC
PWS6600S-P
MonoSTNLCD
5.7”（对角线）
320*240
16阶灰色
32位RISC
PWS6800C-S
ColorSTNLCD
7.5”（对角线）
640*480
全彩256色
32位RISC
上面介绍的几种人机界面的硬件图如下面图5所示
图5:
人机界面硬件图
在本次设计中要涉及到料位的显示，数据的显示，报警指示灯的显示，还有按钮，所以最好选择彩色的的触摸屏，触摸屏的分辨率也是有一定的要求的。
最后从经济效益和性能考虑,选择PWS6800C-S触摸屏,一来这种人机界面的显示尺寸比较大易于观察，而且分辨率很高,达到了640*480，能够从上面清晰看出相关的信息,能方便操作.二来彩色画面，在色彩的设计上具有更大的自主性，所以画面也更加好看，当然更重要的是处理器都一样，价位没有太大差别，为了更好的实现功能，选择PWS6800C-S触摸屏。
3.6电动机的选择
根据实用性和经济方便行原则，通过PLC控制电机原理分析，以及考据风机的性能，先选择90BYG550B的步进电机，其各项参数如下表：
表3：
90BYG550B的步进电机有关参数表
产品型号
最大静转矩
（Nm）
相电流（A）
相数
步距角
空载启动频率（HZ）
运行频率（HZ）
净重（kg）
外形尺寸长×宽×高
90BYG3502
5
3
3
0.06
1600
20
4.5
130×
90
该电机有配套的驱动电源，型号为MSA-3H090M,有关参数表如表4
表4：
MSa-3H090M步进电机驱动电源有关参数表
产品型号
工作电压
相电流
（A）
相数
配套电机
外形尺寸
长×宽×高
Msa-3H090M
AC60～110V
3
3
90BYG
130×85
68
3.7PLC原理连线图
通过以上选择的器件,分析系统动作过程,连接电路如图6所示:
图6:
PLC原理连线图
4PLC程序设计
4.1内部地址的分配
（1）PLC的I/O地址分配如表5
表5：
I/O分配表
输入口
对应外部设备
输出口
对应外部设备
I0.0
接参数采集模块P0.0口
AO
单点选择信号
I0.1
接参数采集模块P0.1口
A1
单点选择信号
I0.2
接参数采集模块P0.2口
A2
单点选择信号
I0.3
接参数采集模块P0.3口
A3
单点选择信号
I0.4
接参数采集模块P0.4口
B0
单点选择信号
I0.5
接参数采集模块P0.5口
B1
单点选择信号
I0.6
接参数采集模块P0.6口
B2
单点选择信号
I0.7
接参数采集模块P0.7口
Q0.7
接参数采集模块
EN口
AQW0
变频器1速度控制
AQW8
控制阀1开关控制
AQW2
变频器2速度控制
AQW10
控制阀2开关控制
AQW4
变频器3速度控制
AQW12
控制阀3开关控制
AQW6
变频器4速度控制
AQW14
控制阀4开关控制
（2）与触摸屏对应的PLC内部地址
表6：
内部地址表
变量
地址
变量
地址
设置温度
VB0
风机速度增/减量
VW100
设置湿度
VB1
风机1当前速度
VW104
设置O2浓度
VB2
风机2当前速度
VW108
设置CO2浓度
VB3
风机3当前速度
VW112
设置N2浓度
VB4
风机4当前速度
VW116
当前温度
VB5
风机最大速度
VW120
当前湿度
VB6
控制阀1当前状态
MB0.0
当前O2浓度
VB7
控制阀2当前状态
MB0.1
当前CO2浓度
VB8
控制阀3当前状态
MB0.2
当前N2浓度
VB9
控制阀4当前状态
MB0.3
控制阀最大开度
VW140
4.2主程序流程图设计
主程序图：
图7:
主程序流程图
4.3子程序流程图设计
初始化：
SBR=0QBR=0
子程序一：
图8:
子程序一流程图
子程序二：
图9:
子程序二流程图
子程序三
图10：
子程序三程序流程图
（程序见附录2）
5人机界面设计
在人机界面设计时，需要用到软件。
ADP6软件是PWS6800系列配套的PC或工作站的二次开发软件，规划开发画面操作显示元素和编程组态可在触摸屏内执行的脚本语言，然后执行编译过程，编译无误后通过USB端口或串口下载到触摸屏中，触摸屏与PLC相连，触摸屏启动运行后不再需要ADP6软件
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