基于PLC 技術的循環式糧食干燥機控制系統設計

蘇 超

（慶陽職業技術學院，甘肅 慶陽 745000）

糧食產后處理作為農業生產的一個重要環節，是根據生產加工需求，按照不同脫水程度要求，對糧食進行干燥處理[1]。農業機械化技術的快速發展，提高了糧食干燥作業效率。目前，應用比較多的干燥機作業模式為連續式，單次干燥糧食高達百噸[2]。由于這種干燥機控制模式主要應用于大型農業經濟，對于種植比較分散的糧食干燥處理來說，資源耗費較大，故不建議使用[3-4]。為了滿足小規模糧食干燥處理需求，我國農業領域研究學者開發了小型干燥機控制系統[5]。由于系統采用開環控制，單次糧食干燥處理后的干燥程度參差不齊。為了彌補開環控制的不足，本文嘗試設計一種循環式糧食干燥機控制系統。

1 循環式糧食干燥機作業原理

循環式糧食干燥機與開環控制模式下的糧食干燥機差異較大，按照設定的干燥控制流程，采取多次干燥處理，直至機械設備中所有糧食的干燥程度達到標準。該設備的主要組成包括混流干燥段、換熱器、緩蘇段、熱風爐、提升機、排糧段、皮帶機、除塵器、引風機等。該設備作業過程中，將糧食放入皮帶機上，隨著傳送帶滾動，將其送往加料斗中[6]。利用提升機載運糧食至塔頂分糧段，達到單次干燥量時，自動分到下一個糧食干燥倉。待干燥的糧食將運往緩蘇段，而后轉入混流干燥段，經過干燥處理后，流入排糧段[7]。水分檢測裝置安裝在排糧段，按照檢測標準，判斷本次干燥循環處理流出的糧食是否達到干燥標準，如果達到標準，則將此部分糧食運往干燥糧倉中存儲，反之，進入下一次循環干燥處理[8]。

2 循環式糧食干燥機控制系統總體設計

2.1 系統功能總體設計

根據循環式糧食干燥機作業原理，提出控制系統功能總體設計方案。本系統功能主要包括以下3 個方面：1）設置兩種作業模式，其中一種作業模式為自動化控制，運用PLC 核心控制器開發控制系統作業程序，實現干燥機自動化作業。另外一種作業模式為手動控制模式，主要應用于干燥機發生故障工況，采用手動控制方式，逐一排查干燥機故障位置。2）采用模糊PID 控制算法，開發糧食水分干燥處理控制功能，實現干燥機設備的智能化操控。3）監控干燥機作業期間糧食的溫度、濕度、水分等參數變化情況，為干燥循環控制提供參考依據。同時監控干燥機組成結構中各個裝置作業狀態，通過采集作業狀態數據，從而判斷干燥機是否正常運行。

2.2 系統框架結構設計

本系統選取PLC（型號為FX2N-32MT）作為核心控制器，利用該裝置下達設備作業驅動命令，采集各項指標數據，將其作為循環干燥設備控制參考依據。PLC 的輸出端Y 連接的是中間繼電器，起到電機啟/停狀態控制作用。將觸摸屏與PLC 連接，作業糧食干燥作業信息數據顯示模塊，用于監控系統操作作業狀態。其中，糧食干燥信息的處理使用到的工具為FX2N-4AD-TC，利用該工具將系統中的模擬信號采取轉換處理，生成數字信號，而后發送至PLC 控制器加以處理[9]。另外，本系統運用FX2N-4AD 模塊對傳感器采集到的糧食濕度信號加以處理，生成離散數字信號。系統總體框架結構設計如圖1 所示。

圖1 系統總體框架結構設計

該設計方案中，利用傳感器采集環境溫度、熱風溫度、進糧溫度、出糧溫度等數據信息，通過數據分析，判斷當前是否需要對干燥機的作業參數進行調整。另外，運用水分檢測儀器采集進糧水分、出糧水分，通過分析采集到的數據，判斷當前是否需要開啟下一次干燥處理循環操作。其中，PLC 與水分檢測儀器之間的通信連接是運用FX2N-485DB 通信板建立。系統中采集到的數據信號采取模數轉換處理，而后轉入PLC 控制器，經過數據分析與處理后，將下發的控制信號，從模擬信號模式轉為數值信號模式，下發給排糧電機。根據糧食干燥程度，調控排糧電機作業期間轉速參數，從而實現干燥機高質量排糧操控。另外，PLC 控制器的輸出端與提升電機、引風機、出糧皮帶機、消煙除塵機、步進電機、進糧皮帶機連接，通過Output 信號口，將操控命令下發給這些設備，使干燥機得以按照程序操控命令有序作業。為了避免系統作業期間遭受某些因素影響，發生故障影響糧食干燥作業，本架構增加了安全報警功能模塊，當檢測到系統某個裝置作業異常時，則立即發出報警信號[10]。

3 系統軟件開發

3.1 系統主程序流程設計

本系統采用掃描方式獲取糧食干燥處理相關數據，通過數據分析，下達循環干燥操作命令，經過多次循環，使糧食得以達到干燥標準。干燥機作業模式開啟之前，根據糧食干燥處理要求，設置系統作業參數標準，循環干燥期間，如果糧食水分達到設定的參數標準，則將此部分糧食運往糧倉存儲。以下為系統主程序流程。

第一步：系統初始化處理；

第二步：開啟數據采集模塊作業狀態，獲取上料位信號、入口端糧食水分信號、環境溫濕度等信號；

第三步：按照糧食干燥處理要求，設定模糊PID控制參數標準，即糧食干燥達標情況下的水分數值，同時設定干燥熱風上限、下限等參數標準；

第四步：開啟干燥機各個設備作業模式，對糧食進行自動化干燥處理；

第五步：檢測排糧口的糧食水分是否達到干燥標準，如果達到標準，直接從出口排出，反之，進入第六步；

第六步：檢測當前干燥機的熱風溫度是否超出了上限值，如果超出上限值，則自動關閉煙氣閥門。反之，利用模糊PID 控制算法，調整排糧電機轉速，延長干燥處理時間，循環干燥處理步驟，繼續運用熱風等設備對糧食采取干燥處理，轉入第五步。

3.2 循環式糧食干燥機作業控制設計

3.2.1 控制器結構設計

糧食干燥工藝較為復雜，對干燥機控制要求較高，需要獲取準確的糧食含水量數據，判斷當前需要采取的干燥處理條件、干燥方式等，而后下達控制命令。為了改善控制器作業效果，彌補開環控制模式的不足，本研究引入模糊PID 控制算法，打造閉環糧食干燥控制結構。該結構主要由模糊推理、PID 調節器、排糧電機變頻器、D/A 模塊、水分檢測儀組成，按照以下作業原理，開展糧食循環干燥作業。

設定糧食干燥水分目標M0、出機糧食水分測定值M(k)，利用公式（1）計算水分偏差變化率、水分偏差，分別記為ec、e。將計算結果輸入模糊PID 控制器中，經過模糊推理獲取多種工況下的修正量，記為ΔKp、ΔKd、ΔKi。運用公式（2），按照修正量整定傳統PID 參數，包括Kp、Kd、Ki。

上述公式中，ec(k)代表干燥次數為k條件下采樣水分偏差變化率，單位%；e(k)代表干燥次數為k條件下采樣水分偏差，單位%；M0代表糧食干燥水分目標設定值，單位%；e(k-1)代表干燥次數為k-1 條件下采樣水分偏差，單位%；M(k)代表出機糧食水分測定值，單位%；ΔKp、ΔKd、ΔKi均為修正量，經過模糊推理獲??；qkp、qkd、qki均為修正量對應的修正系數；均為PID 控制器操控下的初始值；Kp、Kd、Ki均為調整處理后PID 控制器操控下的參數值。

3.2.2 模糊PID 控制設計

設定參數ec基本論域為[-0.6，0.6]，e基本論域為[-1，1]，模糊子集為{PM、NB、ZO、SN、PS、PR}，為子集中的元素賦予大小描述，模糊論域量化為{-3、-2、-1、0、1、2、3}。分別對元素Xec、Xe、ec、e的范圍進行劃分，如表1所示。

表1 模糊論域元素與基本論域元素對應關系

通過對系統變量采取初始化處理，而后將模糊查詢表存儲至PLC 寄存器中，計算修正系數與量化因子，同樣存儲至PLC 寄存器中。判斷當前是否到達采樣時間，如果達到，則采集糧食水分等參數數值，計算ec 和e，對計算結果分別量化處理，找到模糊論域中對應元素，查詢離線模糊控制表，得到修正量ΔKp、ΔKd、ΔKi，將此部分數值與修正系數做乘法運算，得到參數值Kp、Kd、Ki。創建PID 模擬量輸出與數字量輸出線性關系，運用D/A 模塊輸出排糧電機模擬量。根據輸出結果，控制排糧電機變頻器，配合循環干燥作業。

4 系統測試與分析

4.1 測試內容與方法

本次仿真實驗按照系統框架結構，連接系統硬件設備，利用Matlab 軟件搭建仿真環境，以傳統PID控制作為對照組，以本文提出的模糊PID 作為實驗組，開展糧食干燥仿真測試實驗，各自生成響應曲線，通過對比兩條曲線的PID 控制精度、超調量、系統作業穩定性，判斷本文提出的控制系統方案是否可靠。

4.2 測試結果分析

仿真結果顯示，與傳統PID 控制方法相比，本文提出的基于模糊PID 控制的循環式糧食干燥機作業控制系統，控制精度更高，系統作業穩定性能較好，并且超調量改善效果較為顯著。因此，本文設計的循環式糧食干燥機作業控制系統可以作為糧食干燥處理的主要工具。

5 總結

本文采用PLC 自動化控制技術，設計一套循環式糧食干燥機控制系統。該系統中，以PLC 作為核心控制器，引入模糊PID 控制算法，創建循環式糧食干燥控制方法。經過循環多次干燥處理，使得糧食能夠達到干燥標準。仿真測試結果顯示，本研究設計的糧食干燥控制系統，能夠提高干燥控制精度，超調量改善效果較為顯著。