红枣烘房温湿度自动控制系统设计方案.docx

1、红枣烘房温湿度自动控制系统设计方案1 引言温度和湿度是工农业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度和湿度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中, 温度和湿度控制占有着极为重要的地位。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式、燃料、控制方案也有所不同；同时排湿方式不同，其控制方式也不相同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中加热装置广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，排湿装置多采用轴流式风机，燃料有煤气、天然气、油、电等1。温度和湿度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。可编程控制器，破坏果肉水

2、分向外排放的通道，不利于枣果水分排放。第2阶段为恒温排湿阶段，是整个烘干过程中主要时期。其特点是需要大火，持续时间长，枣果表面颜色全变为紫红色。在此期既要注意排湿，又要不停地加火，使炕房温度控制在6570之间，保持19h左右，若温度低则会延长烘干时间，温度高则会形成焦枣。第3阶段为后熟制干阶段，其特点是枣果表面由软变为皱褶，趋于成熟，温度应控制在5055之间，保持5h左右。此期要一直打开排湿窗和进气窗。在实际操作中3个阶段是连续进行的，枣农要不断观察枣果的变化，以采取相应措施。2.2.2 湿度控制红枣在烘干过程中，自身水分在烘房内温度作用下不断向外排出、变干，若烘房内水份不能及时排除，制干速度

3、延缓，且易形成焦枣，降低食用价值。在第1阶段，温度缓慢升起后，枣果表皮逐渐变软，枣果中的水分慢慢向外排放，炕房内的湿度一般在65以下。当进入第2阶段，即点火后5h左右，枣果表面颜色变深，果肉继续变软，烘房内的湿度不断上升，当烘房内干湿球温度之差小于5或相对湿度大于70时，立即打开排湿窗和进气窗通气排湿。当烘房内干湿球温度差达15或相对湿度低于40时，要停止排湿。若温度上升到65以上，相对湿度大于70时仍不排湿，就会出现焦枣。据经验，相对湿度达到70以上时，会感到空气潮湿闷热，呼吸困难，枣果表面潮湿。此时，应立即进行烘房内通风排湿工作。经验认为，烘房内相对湿度达70左右时，通风排湿1min，可使

4、相对湿度降至60左右，此时应停止通风排湿。以后视相对湿度情况，多次进行通风排湿(烘干过程中一般排湿7次。通风排湿时，视烘房内相对湿度的高低和外界风力的大小，决定通风排湿的方法和时间的长短。相对湿度高，外界风力较小时，则将进气窗和排湿窗全部打开，排湿时间较长。反之，则可将进气窗和排湿窗交替开放，排湿时间较短，每次通风排湿时间以1015min为宜。过短通风排湿不够，相对湿度仍高，影响红枣干燥速度和产品品质；过长，随着潮湿空气的排出，室内温度也随之下降。当干燥作用继续进行时，需要重新升高温度，耗煤量增加，成本提高。每次通风排湿结束时，应及时将通风设备关闭，使烘房内温度迅速回升。干燥作用继续进行时，感

5、到空气干燥，呼吸顺畅，枣果表皮干燥而出现皱纹，则达到了通风排湿的效果3。3 烘房结构的设计3.1烘房的外部结构烘房外部结构如图所3-1示过渡段图3-1烘房结构3.2烘房的内部设备烘房的内部设备包括有：观察窗、风机、热风炉、控制器、风门、鼓风机和排气窗，其布置如图所示图3-2 烘房设备安装位置1）控制器 三相和单相两类，都带有正反转功能，具有防雷击保护、过流保护、输出短路保护等安全防护措施。具有缺相三相）、过载、短路保护和电流监测的功能。烘房管理系统软件组网连接,通过计算机可读取所有网内控制器的工作过程记录。变频器端口与变频器连接. 实现风机的无极调速控制。通过模糊自适应控制算法，自动控制鼓风机

6、的启停和风门的开关角度，可靠并简捷控制烤房内的温度和湿度。并具有智能报警和语音提示功能。2）热风炉选用耐酸钢、耐候钢制作，焊接部位选用与母材一致的焊材进行焊接。金属外表面采用耐500以上高温、抗氧化、附着力强的环保材料进行防腐处理。确保设备使用寿命10年以上。3）轴流风机 风机叶片数量4个，采用内置直联电动机，叶轮顶部和风筒的间隙5mm，符合国家规定。电动机F级绝缘 、A /D转换器(ADC0809、光电耦合器(TLP521和PLC (S7-200系列组成。干湿球温度传感器用来采集烘房内干球温度和湿球温度信号,通过二者之差来得到湿度信号，将采集到的信号经ADC0809转换成8路并行数字信号,信

7、号通过光电耦合器传入PLC,PLC将经转化后的信号与设定温、湿度值进行比较。若转换后的温度信号若高于设定温度上限,则开窗降温。若低于设定温度下限,则关窗并驱动加热设备。转换后的湿度信号高于设定湿度上限,则启动风机。若低于设定湿度下限,则关闭排湿窗并控制风机停止工作7。其系统工作原理如图4-1所示：图4-1系统工作原理图5 烘房温湿控制系统设计根据系统具体指标要求，可以对每一个具体部分进行分析设计，整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。5.1硬件设计系统硬件框图结构如图5-1所示: 图5-1系统硬件框图系统硬件连接图如图5-2所示图5-2 系统硬件连接图5.1.1信号的采集温湿度信号

8、是由温湿度传感器采集并转化为电压信号, 经运算放大器放大后分别接入A /D转换器(ADC0809的IN0、IN1 号通道。PLC输出口Y0 通过输出电路接到A /D转换器(ADC0809的地址选择输入端(A ,控制具体模拟量信号的转换。5.1.2输入接口电路在输入采样阶段, PLC首先扫描所有输入端子,将各输入状态存入内存中的各对应的输入映像寄存器中(例如按钮SB1，接点闭合，就将1写入对应表示输入继电器X0所示的位上, SB1接点断开,则写入08。为了保证输入灵敏度当输入电流在4.5mA以上(X10以后为3. 5mA以上时,就把1写入相应的输入映像寄存器中,当输入电流在1. 5mA以下时,就

9、把0写入相应的输入映像寄存器中。5.1.3系统的硬件配置1）S7-200PLC选型 S7-200系列PLC是由德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程控制器，它能够满足多种自动化控制的需求，适用于各行各业，各种场合的检测监测和控制的自动化，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功能，可代替继电器在简单的控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。S7-200系列可以根据对象的不同, 可以选用不同的型号和不同数量的模块。并可以将这些模块安装在同一机架上。在S7-200系列中，单极性模拟量的输入/输出信号的数值范围是032000，双极性模拟信号的数值范围是-32000+32000

10、9综合S7-200系列的各种特点，此类型的PLC能满足红枣烘房的温、湿度自动控制的要求。2）温湿传感器DS18B20干湿球温度传感器如图5-3所示，它是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度再通过一定的计算方式得到湿度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。可实现高精度测温，转换时间为200ms10。图5-3干湿球温度传感器具体参数如下：基本功能：检测温度；显示温度；过限报警主要技术参数 温度检测范围： -55+125测量精度：0.5显示方式：四位显示报警方式：三极管驱动的蜂鸣音报警传感器放置位

11、置 根据红枣烘房内温湿度的要求，应将传感器放置在正确的位置才能准确的测出烘房内的温度和湿度，通常将传感器放置在远离加热炉和排湿窗的位置，即通常放在烘房中间房顶出。若离加热炉较近，则所测温度高于房内温度，若离排湿窗较近则，此处空气交换较为频繁，所测温度低于房内实际温度，因此传感器的正确位置直接影响到对房内实际温度的准确控制，进而影响到红枣的烘制品质。3）A /D转换器(ADC0809A /D转换器(ADC0809特点是：8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100s左右。其内部逻辑结构如图5-4所示：图5-4A /D转换器(ADC0809内

12、部逻辑结构图图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。A/D转换后得到的数据应及时传送给PLC控制器进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式11。定时传送方式对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单

13、片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。查询方式A/D转换芯片由表转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。中断方式把表转换完成的状态信号LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358 的封装

14、形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。其脚位排列如图5-5所示：图5-5 LM358脚位排列图其特性:内部频率补偿直流电压增益高约100dB单位增益频带宽约1MHz电源电压范围宽：单电源330V；双电源1.515V低功耗电流，适合于电池供电低输入失调电压和失调电流输出电压摆幅大，约为0 至1.5V5）光电耦合器(TLP521 用来隔离高频电路与低频电路，高频电路产生的高频信号会干扰低频电路，用光耦合器既能连接两个部分又能屏蔽高频信号。5.2软件设计在温、湿度自动控制器的软件设计中, 采用了模块化设计。各个部分分别设计成子程序, 这样便于软件的升级和维护, 同时在软件上也采取了防止程序跑飞是一种最

15、简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。其特点是具有快速反应，控制及时，但不能消除余差。在积分控制(I中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分控制可以消除余差，但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。在微分控制(D中，控制器的输出与输入误差信号的微分 控制器的输出为:数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后，计算机输出值。其离散化的规律如表5-1所示：表5-1模拟与离散形式模拟形式离散化形式所以PID输出经过离散化后，它的输出方程为:(4式4）中， 称为比例项； 称为积分项； 称为微分项；上式中，积分项是包括第一个采样周期到当前采样

16、周期的所有误差的累积值14。计算中，没有必要保留所有的采样周期的误差项，只需要保留积分项前值，计算机的处理就是按照这种思想。故可利用PLC中的PID指令实现位置式PID控制算法量15。3）PID在PLC中的回路指令现在很多PLC已经具备了PID功能，STEP 7 Micro/WIN就是其中之一有的是专用模块，有些是指令形式。西门子S7-200系列PLC中使用的是PID回路指令。见表5-2。表5-2 PID回路指令名称PID运算指令格式PID指令表格式PID TBL，LOOP梯形图使用方法：当EN端口执行条件存在时候，就可进行PID运算。指令的两个操作数TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址

17、，本文采用的是VB100，因为一个PID回路占用了32个字节，所以VD100到VD132都被占用了。LOOP是回路号，可以是07，不可以重复使用。PID回路在PLC中的地址分配情况如表5-3所示。表5-3PID指令回路表偏移地址名称数据类型说明0过程变量PVn）实数必须在0.01.0之间4给定值SPn）/ s实数必须在0.01.0之间8输出值Mn）实数必须在0.01.0之间12增益Kc）实数比例常数，可正可负16采样时间Ts）实数单位为s，必须是正数20采样时间Ti）实数单位为min，必须是正数24微分时间Td）实数单位为min，必须是正数28积分项前值MX）实数必须在0.01.0之间32过程

18、变量前值:5）式中, Rnoum标准化的实数值；Rraw 未标准化的实数值。Span补偿值或偏置，单极性为0.0，双极性为0.5。Offest值域大小，为最大允许值减去最小允许值，单极性为32000.双极性为6400。本文中采用的是单极性，故转换公式为: 6）因为温度经过检测和转换后，得到的值是实际温度的10倍，所以为了SP值和PV值在同一个数量值，我们输入SP值的时候应该是填写一个是实际温度10倍的数，即想要设定目标控制温度为100时，需要输入一个1000。另外一种实现方法就是，在归一化的时候，值域大小可以缩小10倍，那么，填写目标温度的时候就可以把实际值直接写进去7。回路输出变量的数据转换

19、本设计中，利用回路的输出值来设定下一个周期内的加热时间。回路的输出值是在0.01.0之间，是一个标准化了的实数，在输出变量传送给D/A模拟量单元之前，必须把回路输出变量转换成相应的整数。这一过程是实数值标准化过程。 PID参数整定PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和和微分时间Td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于温度控制系统，工程上已经有大量的经验，其规律如表5-4所示。表5-4温度控制器参数经验数据被控变量规律的选择比例度积分时间分钟）微分时间 温度比较子程序为适应查表而对数据做必要处理。Y(2 数制转换子程序完成十六十进制之间的转换。将采集到的信号进行十六和十进制之间的转换。(3 温湿度之间的转换程序由干球温度、干湿球温差求湿度值(4 显示子程序显示温、湿度值。 (5 输出子程序根据设定值与测量值控制鼓风机、轴流式风机、排湿窗使现场达到相应温度和湿度。(6 设定值输入子程序由传感