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        基于PLC 技術(shù)的循環(huán)式糧食干燥機控制系統(tǒng)設(shè)計

        2022-07-05 05:31:38
        南方農(nóng)機 2022年13期
        關(guān)鍵詞:糧食作業(yè)系統(tǒng)

        蘇 超

        (慶陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 慶陽 745000)

        糧食產(chǎn)后處理作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié),是根據(jù)生產(chǎn)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(nóng)業(yè)機械化技術(shù)的快速發(fā)展,提高了糧食干燥作業(yè)效率。目前,應(yīng)用比較多的干燥機作業(yè)模式為連續(xù)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(yīng)用于大型農(nóng)業(yè)經(jīng)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(guī)模糧食干燥處理需求,我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究學(xué)者開發(fā)了小型干燥機控制系統(tǒng)[5]。由于系統(tǒng)采用開環(huán)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(huán)控制的不足,本文嘗試設(shè)計一種循環(huán)式糧食干燥機控制系統(tǒng)。

        1 循環(huán)式糧食干燥機作業(yè)原理

        循環(huán)式糧食干燥機與開環(huán)控制模式下的糧食干燥機差異較大,按照設(shè)定的干燥控制流程,采取多次干燥處理,直至機械設(shè)備中所有糧食的干燥程度達到標準。該設(shè)備的主要組成包括混流干燥段、換熱器、緩蘇段、熱風(fēng)爐、提升機、排糧段、皮帶機、除塵器、引風(fēng)機等。該設(shè)備作業(yè)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(zhuǎn)入混流干燥段,經(jīng)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(huán)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(huán)干燥處理[8]。

        2 循環(huán)式糧食干燥機控制系統(tǒng)總體設(shè)計

        2.1 系統(tǒng)功能總體設(shè)計

        根據(jù)循環(huán)式糧食干燥機作業(yè)原理,提出控制系統(tǒng)功能總體設(shè)計方案。本系統(tǒng)功能主要包括以下3 個方面:1)設(shè)置兩種作業(yè)模式,其中一種作業(yè)模式為自動化控制,運用PLC 核心控制器開發(fā)控制系統(tǒng)作業(yè)程序,實現(xiàn)干燥機自動化作業(yè)。另外一種作業(yè)模式為手動控制模式,主要應(yīng)用于干燥機發(fā)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(fā)糧食水分干燥處理控制功能,實現(xiàn)干燥機設(shè)備的智能化操控。3)監(jiān)控干燥機作業(yè)期間糧食的溫度、濕度、水分等參數(shù)變化情況,為干燥循環(huán)控制提供參考依據(jù)。同時監(jiān)控干燥機組成結(jié)構(gòu)中各個裝置作業(yè)狀態(tài),通過采集作業(yè)狀態(tài)數(shù)據(jù),從而判斷干燥機是否正常運行。

        2.2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

        本系統(tǒng)選取PLC(型號為FX2N-32MT)作為核心控制器,利用該裝置下達設(shè)備作業(yè)驅(qū)動命令,采集各項指標數(shù)據(jù),將其作為循環(huán)干燥設(shè)備控制參考依據(jù)。PLC 的輸出端Y 連接的是中間繼電器,起到電機啟/停狀態(tài)控制作用。將觸摸屏與PLC 連接,作業(yè)糧食干燥作業(yè)信息數(shù)據(jù)顯示模塊,用于監(jiān)控系統(tǒng)操作作業(yè)狀態(tài)。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(tǒng)中的模擬信號采取轉(zhuǎn)換處理,生成數(shù)字信號,而后發(fā)送至PLC 控制器加以處理[9]。另外,本系統(tǒng)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(shù)字信號。系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。

        圖1 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

        該設(shè)計方案中,利用傳感器采集環(huán)境溫度、熱風(fēng)溫度、進糧溫度、出糧溫度等數(shù)據(jù)信息,通過數(shù)據(jù)分析,判斷當前是否需要對干燥機的作業(yè)參數(shù)進行調(diào)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(shù)據(jù),判斷當前是否需要開啟下一次干燥處理循環(huán)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(tǒng)中采集到的數(shù)據(jù)信號采取模數(shù)轉(zhuǎn)換處理,而后轉(zhuǎn)入PLC 控制器,經(jīng)過數(shù)據(jù)分析與處理后,將下發(fā)的控制信號,從模擬信號模式轉(zhuǎn)為數(shù)值信號模式,下發(fā)給排糧電機。根據(jù)糧食干燥程度,調(diào)控排糧電機作業(yè)期間轉(zhuǎn)速參數(shù),從而實現(xiàn)干燥機高質(zhì)量排糧操控。另外,PLC 控制器的輸出端與提升電機、引風(fēng)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(fā)給這些設(shè)備,使干燥機得以按照程序操控命令有序作業(yè)。為了避免系統(tǒng)作業(yè)期間遭受某些因素影響,發(fā)生故障影響糧食干燥作業(yè),本架構(gòu)增加了安全報警功能模塊,當檢測到系統(tǒng)某個裝置作業(yè)異常時,則立即發(fā)出報警信號[10]。

        3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

        3.1 系統(tǒng)主程序流程設(shè)計

        本系統(tǒng)采用掃描方式獲取糧食干燥處理相關(guān)數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)分析,下達循環(huán)干燥操作命令,經(jīng)過多次循環(huán),使糧食得以達到干燥標準。干燥機作業(yè)模式開啟之前,根據(jù)糧食干燥處理要求,設(shè)置系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)標準,循環(huán)干燥期間,如果糧食水分達到設(shè)定的參數(shù)標準,則將此部分糧食運往糧倉存儲。以下為系統(tǒng)主程序流程。

        第一步:系統(tǒng)初始化處理;

        第二步:開啟數(shù)據(jù)采集模塊作業(yè)狀態(tài),獲取上料位信號、入口端糧食水分信號、環(huán)境溫濕度等信號;

        第三步:按照糧食干燥處理要求,設(shè)定模糊PID控制參數(shù)標準,即糧食干燥達標情況下的水分數(shù)值,同時設(shè)定干燥熱風(fēng)上限、下限等參數(shù)標準;

        第四步:開啟干燥機各個設(shè)備作業(yè)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(fēng)溫度是否超出了上限值,如果超出上限值,則自動關(guān)閉煙氣閥門。反之,利用模糊PID 控制算法,調(diào)整排糧電機轉(zhuǎn)速,延長干燥處理時間,循環(huán)干燥處理步驟,繼續(xù)運用熱風(fēng)等設(shè)備對糧食采取干燥處理,轉(zhuǎn)入第五步。

        3.2 循環(huán)式糧食干燥機作業(yè)控制設(shè)計

        3.2.1 控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計

        糧食干燥工藝較為復(fù)雜,對干燥機控制要求較高,需要獲取準確的糧食含水量數(shù)據(jù),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(yè)效果,彌補開環(huán)控制模式的不足,本研究引入模糊PID 控制算法,打造閉環(huán)糧食干燥控制結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要由模糊推理、PID 調(diào)節(jié)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(yè)原理,開展糧食循環(huán)干燥作業(yè)。

        設(shè)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(jié)果輸入模糊PID 控制器中,經(jīng)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(tǒng)PID 參數(shù),包括Kp、Kd、Ki。

        上述公式中,ec(k)代表干燥次數(shù)為k條件下采樣水分偏差變化率,單位%;e(k)代表干燥次數(shù)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(shè)定值,單位%;e(k-1)代表干燥次數(shù)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(jīng)過模糊推理獲??;qkp、qkd、qki均為修正量對應(yīng)的修正系數(shù);均為PID 控制器操控下的初始值;Kp、Kd、Ki均為調(diào)整處理后PID 控制器操控下的參數(shù)值。

        3.2.2 模糊PID 控制設(shè)計

        設(shè)定參數(shù)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(yīng)關(guān)系

        通過對系統(tǒng)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(shù)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(shù)數(shù)值,計算ec 和e,對計算結(jié)果分別量化處理,找到模糊論域中對應(yīng)元素,查詢離線模糊控制表,得到修正量ΔKp、ΔKd、ΔKi,將此部分數(shù)值與修正系數(shù)做乘法運算,得到參數(shù)值Kp、Kd、Ki。創(chuàng)建PID 模擬量輸出與數(shù)字量輸出線性關(guān)系,運用D/A 模塊輸出排糧電機模擬量。根據(jù)輸出結(jié)果,控制排糧電機變頻器,配合循環(huán)干燥作業(yè)。

        4 系統(tǒng)測試與分析

        4.1 測試內(nèi)容與方法

        本次仿真實驗按照系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu),連接系統(tǒng)硬件設(shè)備,利用Matlab 軟件搭建仿真環(huán)境,以傳統(tǒng)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(yīng)曲線,通過對比兩條曲線的PID 控制精度、超調(diào)量、系統(tǒng)作業(yè)穩(wěn)定性,判斷本文提出的控制系統(tǒng)方案是否可靠。

        4.2 測試結(jié)果分析

        仿真結(jié)果顯示,與傳統(tǒng)PID 控制方法相比,本文提出的基于模糊PID 控制的循環(huán)式糧食干燥機作業(yè)控制系統(tǒng),控制精度更高,系統(tǒng)作業(yè)穩(wěn)定性能較好,并且超調(diào)量改善效果較為顯著。因此,本文設(shè)計的循環(huán)式糧食干燥機作業(yè)控制系統(tǒng)可以作為糧食干燥處理的主要工具。

        5 總結(jié)

        本文采用PLC 自動化控制技術(shù),設(shè)計一套循環(huán)式糧食干燥機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)中,以PLC 作為核心控制器,引入模糊PID 控制算法,創(chuàng)建循環(huán)式糧食干燥控制方法。經(jīng)過循環(huán)多次干燥處理,使得糧食能夠達到干燥標準。仿真測試結(jié)果顯示,本研究設(shè)計的糧食干燥控制系統(tǒng),能夠提高干燥控制精度,超調(diào)量改善效果較為顯著。

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