基于PLC的循環(huán)式糧食干燥機控制系統(tǒng)設計

蘇志遠,方壯東,李長友

(華南農業(yè)大學 工程學院,廣州 510642)

0 引言

糧食干燥是糧食產(chǎn)后處理的一個關鍵環(huán)節(jié)。近年來,我國對糧食干燥的機械化應用程度逐年有所提高,如在黑龍江、吉林中部的松嫩平原及黑龍江的三江平原這類的大型糧食生產(chǎn)基地,主要以連續(xù)式干燥機為主[1],可以一次性對數(shù)百噸糧食進行干燥。而在中原和華南地區(qū),由于小農經(jīng)濟的糧食生產(chǎn)特點,糧食種植面積較小且地域較為分散[1-2],對糧食干燥機的需求則以小型的循環(huán)式干燥機為主,但此類干燥設備目前仍以開環(huán)控制為主,導致干燥產(chǎn)品質量參差不齊[3],且受操作經(jīng)驗制約較多。為了實現(xiàn)優(yōu)質、高效、節(jié)能、環(huán)保的干燥目標,研究小型干燥機控制系統(tǒng)在干燥應用領域具有重要的意義。為此,針對小型循環(huán)式糧食干燥機,以PLC為主控制器,并采用模糊PID控制方法,開發(fā)了一套智能控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)總體方案

1.1 干燥機的工作原理

循環(huán)式干燥機主要由熱風爐、換熱器、引風機、皮帶機、提升機、除塵器、混流干燥段、緩蘇段及排糧段等部分組成。糧食干燥過程中,入糧皮帶機首先將糧食運送至干燥機的加料斗內,再由提升機送入塔頂?shù)姆旨Z段,糧食依靠自身重量在干燥機內自上而下的流過緩蘇段→混流干燥段→排糧段→提升機,完成一次循環(huán)干燥。當安置在排糧段下方的水分在線檢測裝置測量到出機糧水分滿足目標水分值后,糧食經(jīng)由排糧段直接排出,通過出糧皮帶機將干燥好的糧食送至糧倉中儲存。

1.2 控制系統(tǒng)功能總體設計

系統(tǒng)功能的總體設計包括3個方面:一是工作模式,分為手動模式和自動模式。手動模式用于設備的調試、故障的檢修等影響設備自動運行的工況,自動模式則用于干燥機正常作業(yè)情況下的運行;二是實現(xiàn)干燥過程信息的采集和對設備運行狀態(tài)的監(jiān)控,即通過傳感器對糧食溫度、環(huán)境溫濕度、糧食水分和干燥熱風溫度等信息進行測量采集,對各運動電機的啟停狀態(tài)、故障報警設置相應的指示標志;三是以模糊PID為基本控制算法,運用到出機糧食水分的控制中,實現(xiàn)干燥機的智能控制。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)采用三菱FX2N-32MT型號PLC作為主控制器,具有16個輸入端X和16個晶體管型輸出端Y,輸出端Y與中間繼電器連接,間接地控制各電機的啟停狀態(tài),并將PLC與觸摸屏進行通信連接,對各個執(zhí)行元件的運動狀態(tài)進行顯示監(jiān)控。溫度采集采用K型熱電偶,通過連接到FX2N-4AD-TC功能模塊,將模擬電信號轉換成數(shù)字信號傳輸給主控器中進行信息處理。FG6010型濕度傳感器采集信號的處理,選用FX2N-4AD模塊,作用是把連續(xù)的模擬電信號轉換成離散的數(shù)字信號,然后通過拓展總線傳輸給PLC主控制器中進行數(shù)據(jù)存儲和處理。進出口糧食水分的檢測采用電容式水分測量儀,通過FX2N-485BD通訊板實現(xiàn)水分測量儀與PLC的通信連接。排糧電機轉速的控制,采用FX2N-4DA模塊,作用是將離散的數(shù)字信號轉換成模擬電信號,即從PLC主控制器中先發(fā)出電機轉速控制的數(shù)字量輸出值給FX2N-4DA模塊,然后通過該模塊將數(shù)字信號轉換成模擬電信號(0～10V)傳輸給排糧電機變頻器,實現(xiàn)最終對排糧電機轉速的調控。

控制系統(tǒng)的輸入部分有各類傳感器的采集信息,如環(huán)境溫度T1、干燥熱風溫度T2、進糧溫度T3、出糧溫度T4、環(huán)境濕度(RH1)、進出糧含水率(M1、M2)及料位器的開關信號(L1、L2),系統(tǒng)的輸出部分為各運動部件電機的啟停以及安全報警系統(tǒng)等。控制系統(tǒng)的結構框架如圖1所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

PLC采用的是“順序掃描,不斷循環(huán)”的工作方式[4-5],在每次掃描過程中,完成對輸入信號的采集和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。

3.1 主程序流程

在糧食干燥過程中,系統(tǒng)完成初始化后,點擊人機界面的運行按鈕,傳感器將采集到的信息經(jīng)模數(shù)處理后輸送至PLC中,PLC與觸摸屏通信連接,將這些采集值實時顯示在人機界面上。在人機界面參數(shù)設定窗口輸入相應控制參數(shù)的初始化設定值,然后點擊人機界面中的自動模式按鈕,入糧皮帶機和提升機首先啟動運行;待干燥機裝滿糧食后,上料位器輸出信號給主控制器PLC,PLC控制其余運動部件電機按照循環(huán)式干燥機的工藝流程順序啟動運行。同時,對出機糧水分的檢測,與目標水分值作比較,經(jīng)過模糊PID算法程序運算,輸出控制信號給相應的執(zhí)行機構來調整排糧電機的轉速,從而改變糧食在干燥機內的干燥滯留時間來提高糧食干燥去水的均勻性。此外,當傳感器檢測的熱風溫度超過上限設定值時,煙氣閥門自動關閉,使糧倉中只引入常溫的自然空氣,確保糧食干燥的安全溫度和干燥品質。控制系統(tǒng)主程序的流程如圖2所示。

圖2 主程序流程

3.2 模糊PID控制策略

3.2.1 控制器結構

糧食干燥是一種大慣性、多變量、非線性的工藝系統(tǒng)[6-8],其中糧食的含水狀態(tài)是確定干燥條件、干燥時間、干燥方式等過程控制量的主要依據(jù),是糧食干燥中的重要變量[9-10]。本控制系統(tǒng)對出機糧水分采用模糊PID的算法推理規(guī)則進行控制,控制器結構如圖3所示。

圖3 模糊PID控制器結構

將出機糧食含水率的測定值M(k)與目標水分設定值M0按式(1)計算得水分偏差e和水分偏差變化率ec(k指采樣序號),并將e和ec作為模糊PID控制器的輸入量,通過模糊推理規(guī)則得到e和ec在不同情況下對應的修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd[11-12];再將修正量的值帶入到式(2)中,完成對傳統(tǒng)PID參數(shù)KP、Ki、Kd的整定工作。

(1)

(2)

式中M(k)—出機糧食含水率的測定值(%);

M0—目標水分設定值(%);

e(k)—第k次采樣時刻水分偏差(%);

e(k-1)—第k-1次采樣時刻水分偏差(%);

ec(k)—第k次采樣時刻水分偏差變化率(%);

KP、Ki、Kd—調整后的PID控制器參數(shù)值;

Kp0、Ki0、Kd0—PID控制器參數(shù)的初始值;

qkp、qki、qkd—修正量的修正系數(shù);

ΔKP、ΔKi、ΔKd—模糊推理得到的修正量。

3.2.2 模糊PID控制算法設計

基于PLC實現(xiàn)的模糊PID算法程序設計主要包括3部分,即輸入量的模糊化程序、離線式模糊控制查詢表輸入程序及PID參數(shù)輸出程序[13-15]。模糊PID算法子程序流程如圖4所示。

圖4 模糊PID控制程序流程

1)輸入量的模糊化程序設計。設定出機糧食水分偏差e和水分偏差變化率ec的基本論域分別為[-1,1]和[-0.6,0.6],模糊論域量化為{-3、-2、-1、0、1、2、3}, 模糊子集為{NB、NM、SN、Z0、PS、PM、PB},子集中的7個元素依次代表負大、負中、負小、中性、正小、正中、正大。此外,e和ec各自基本論域與模糊論域元素Xe、Xec的對應劃分情況如表1所示。

表1 e、ec基本論域與模糊論域元素Xe、Xec對應關系

根據(jù)表1可以確定,糧食水分偏差e和偏差變化率ec在不同情況下,對應模糊論域元素Xe、Xec的值,再將這兩個值分別存放在PLC的數(shù)據(jù)寄存器中,完成對輸入量的模糊化過程。以偏差e的模糊化程序為例,將其量化值Xe送到寄存器D180中,程序流程如圖5所示。

圖5 水分偏差模糊化的流程

2)離線式查詢表輸入程序設計。通過MatLab模糊邏輯工具箱的模糊推理功能模塊可得到對于不同糧食水分偏差e和水分偏差變化率ec下,ΔKP、ΔKi、ΔKd的3個離線模糊控制查詢表。將這些表中的數(shù)據(jù)依次存放入PLC的數(shù)據(jù)寄存器中,以ΔKP的離線式查詢表輸入程序設計為例,通過模糊推理得到的查詢表如表2所示。

表2 ΔKP的模糊查詢表

將表2中各元素按行依次寄存在D200～D297中(每個ΔKP值占用兩個數(shù)據(jù)寄存器),情況如表3所示。

表3 ΔKP的數(shù)據(jù)寄存器分布表

考慮到有對小數(shù)的賦值和運算,采用三菱PLC的浮點運算指令DEDIV將表2中的值輸入到表3對應的寄存器中,完成對ΔKP離線式查詢表的輸入過程。

3)PID參數(shù)輸出程序設計。通過程序設計,可以得到對應不同糧食水分偏差e和水分偏差變化率ec時,ΔKP、ΔKi和ΔKd的3個參數(shù)值,將這3個參數(shù)值帶入至式(2)中,得到整定后的PID參數(shù)KP、Ki、Kd,再運用式(3)計算得到P、I、D的值,將其放入到PLC的PID指令對應的參數(shù)寄存器內,經(jīng)PID指令運算處理輸出對排糧電機轉速的數(shù)字量控制值;最后,可通過FX2N-4DA模塊將數(shù)字量轉化為模擬量,輸出給變頻器來調控排糧電機的轉速Y。

(3)

式中p—比例增益(%);

I—積分時間(ms);

D—微分時間(ms)。

至此,完成以出機糧食水分的變化情況來實時調控排糧電機轉速的模糊PID控制過程。

3.3 人機界面

采用威綸通MT8070iH型號的觸摸屏,并使用EasyBuilder8000軟件進行人機界面的設計。人機界面包括3個窗口,即1個主界面窗口和2個子界面窗口。其中,主界面窗口如圖6所示。

圖6 人機界面主窗口

1)主界面窗口:主要用于在干燥過程中,對采集的信息數(shù)據(jù)進行顯示和監(jiān)控,并把干燥熱風溫度和出機糧水分以實時的變化曲線顯示在坐標圖中,另設有自動模式啟動按鈕、急停按鈕、運行按鈕及干燥熱風溫度報警指示燈。

2)手動啟停操作子界面窗口:功能是對各運動部件電機及上下料位器的啟停控制,主要用于對干燥機各機械設備的調試運行和故障排查。

3)控制參數(shù)設定子界面窗口:用于對模糊PID控制參數(shù)的初始值、糧食干燥目標水分值、干燥熱風目標溫度和上下限的設置。

4 系統(tǒng)性能測試

4.1 測試步驟

完成上述對糧食干燥機控制系統(tǒng)軟、硬件的設計工作后,對搭建好的控制柜進行硬件接線和軟件程序兩方面的性能檢測,發(fā)現(xiàn)問題后逐步優(yōu)化改進控制系統(tǒng)。測試步驟如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)性能的測試步驟圖

4.2 測試儀器

測試用到的試驗器材主要包括阻旋式料位器、K型熱電偶、FG6010濕度傳感器、HY57DJ100步進電機、電容式水分檢測儀、臺達變頻器、風機,以及FX2N-485BD板。

4.3 測試內容

1)利用GX Works2編程軟件將各子功能程序模塊導入至PLC中,并將人機界面通過Easybuilder8000軟件導入到觸摸屏中,觀察各傳感器采集的信息是否可以讀取至主控制器PLC中,并在人機界面中進行實時顯示。

2)手動停止上料位器,模擬糧食裝滿糧倉時的狀態(tài),觀察PLC能否在接受到滿糧信號后按干燥工藝流程順序啟動消煙除塵電機、排糧電機、出糧皮帶機及引風機。

3)在人機界面控制參數(shù)設定窗口設定干燥熱風溫度上限值為50℃,用吹風機對負責測量干燥熱風溫度的K型熱電偶進行加熱,觀察當觸摸屏中干燥熱風溫度顯示值超過50℃時,煙氣閥門能否自動關閉及熱風高溫報警燈是否給出閃爍信號。

4)針對糧食干燥過程的大滯后、大慣性的特點,將糧食干燥機看作一個一階純滯后大慣性的系統(tǒng),構建相應的傳遞函數(shù)[16],并利用MatLab軟件中的Simulink功能模塊,對其進行模糊PID和傳統(tǒng)PID仿真控制效果比較。

4.4 仿真結果與分析

糧食干燥機的傳遞函數(shù)表達式設為

(4)

仿真結果所得模糊PID與傳統(tǒng)PID控制的響應曲線,如圖8所示。

圖8 模糊PID與傳統(tǒng)PID控制仿真結果圖

圖8中,虛線為傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)的響應曲線,實線為模糊PID控制系統(tǒng)的響應曲線。通過觀察曲線可知:模糊PID控制具有較好的控制精度,超調量相對傳統(tǒng)的PID明顯較小,穩(wěn)定性也更好。

5 結論

1)控制系統(tǒng)結合了PLC和觸摸屏各自的特點:PLC具有很好的抗干擾能力,在粉塵多、噪聲大、環(huán)境差和強磁場的糧食干燥現(xiàn)場環(huán)境下,能夠實現(xiàn)穩(wěn)定的運行;觸摸屏提供了良好的人機操作界面,方便操作人員對干燥過程進行監(jiān)控和管理。

2)通過建立模糊PID和傳統(tǒng)PID控制模型,對糧食干燥系統(tǒng)進行仿真控制,結果表明:選擇將模糊PID用作對糧食干燥過程參數(shù)的控制,可以取得比傳統(tǒng)PID更優(yōu)的控制效果。

3)干燥機智能控制系統(tǒng)的開發(fā)降低了現(xiàn)場操作人員的作業(yè)量,提高了干燥效率,具有很好的應用前景。