吳子敬

（齊齊哈爾大學(xué) 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

夏末秋初是野山菇的生長旺季，在此期間林區(qū)雨多，空氣潮濕，野山菇晾曬和干燥特別困難，易導(dǎo)致大量發(fā)霉腐爛。關(guān)于野山菇的干燥問題，國內(nèi)學(xué)者給出了一些相關(guān)的研究成果[1-4]。但現(xiàn)有成果主要著重于理論層面的分析和研究，出現(xiàn)在市場上的商用干燥裝備多是大型產(chǎn)品，其對象主要是進(jìn)行大規(guī)模干燥生產(chǎn)的企業(yè)，而家庭用的干燥裝備較少，性價(jià)比不高。為此，本文設(shè)計(jì)了面向家庭的基于PLC 的野山菇干燥裝置控制系統(tǒng)，有效解決了林區(qū)家庭山貨干燥問題。

1 干燥系統(tǒng)的控制要求及組成

1.1 控制要求

干燥箱的溫度范圍為37～45 ℃，濕度范圍為10%～20%，間隔30 s 定時(shí)采集干燥箱內(nèi)溫濕度，循環(huán)顯示溫濕度。當(dāng)溫度超限時(shí)系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警；可根據(jù)野山菇的新鮮狀態(tài)設(shè)置箱內(nèi)溫濕度的標(biāo)準(zhǔn)值。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

整個(gè)干燥系統(tǒng)由電氣系統(tǒng)和干燥箱組成，干燥箱的布置情況如圖1 所示。

圖1 干燥箱布置示意圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)主要由PLC、EM231、EM235 模擬量輸入輸出模塊、文本顯示器、帶變送器的溫濕度傳感器、熱泵、加熱器、引風(fēng)機(jī)等組成（圖2）。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

干燥控制系統(tǒng)屬小型單機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，以西門子S7-200 CPU 224CN 為控制器，進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集和處理、完成加熱器的PID 控制以及風(fēng)機(jī)和熱泵控制。

為使采集數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確反映干燥箱內(nèi)的溫濕度，可布置2 個(gè)檢測點(diǎn)。PLC 定時(shí)中斷時(shí)間設(shè)置30 s，工作狀態(tài)下，可從EM231 模擬量輸入模塊讀取2 路溫濕度檢測數(shù)據(jù)，取其平均值作為干燥箱內(nèi)的實(shí)際溫濕度值。

在干燥過程中，開通熱泵對野山菇進(jìn)行去濕干燥處理，加熱器進(jìn)行輔助加熱干燥，它根據(jù)溫、濕度實(shí)際數(shù)據(jù)，按照PID 控制規(guī)律，通過EM235 模擬量模塊進(jìn)行D/A 轉(zhuǎn)換完成控制，加熱過程平穩(wěn)、精確。

MD204L 文本顯示器只需用自帶的通訊線連接到CPU224 的接口上即可。它與PLC 之間保持實(shí)時(shí)通信?？蓪?shí)時(shí)顯示溫濕度實(shí)際值、可以設(shè)置溫、濕度的標(biāo)準(zhǔn)值和限值。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

干燥箱中的溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示是主程序、定時(shí)采集數(shù)據(jù)的中斷程序組成。

3.1 溫濕度標(biāo)度變換

模擬量與轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的對應(yīng)關(guān)系如圖3 所示，實(shí)際溫濕度值的線性標(biāo)度變換[5]計(jì)算公式為

圖3 模擬量與轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的對應(yīng)關(guān)系

其中，0A和mA（如4～20 mmA）為模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號最小值和最大值；D0和Dm（如6 400～32 000）分別為A/D 轉(zhuǎn)換后0A和mA的對應(yīng)值；A為模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號值，D為A/D 轉(zhuǎn)換后A的對應(yīng)數(shù)值。

3.2 加熱器PID 控制

加熱器模擬PID 控制規(guī)律[6]為

其中，e(t) 為偏差輸入函數(shù)；u(t) 為調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)；KP為比例系數(shù)；IT為積分時(shí)間常數(shù)；DT為微分時(shí)間常數(shù)。因?yàn)镾7-200 CPU 中央處理單元只能處理離散化的數(shù)字量，而式(2)為模擬量函數(shù)，故要把式(2)轉(zhuǎn)化為離散形式的差分方程

其中，k為采樣序號，i= 0,1,2, …,i,…；u(k)為k采樣時(shí)刻的輸出值；e(k)為k采樣時(shí)刻的偏差值；e(k-1)為k-1 采樣時(shí)刻的偏差值?？蓪⑹?3)轉(zhuǎn)化成遞推關(guān)系形式，從而減小計(jì)算量和節(jié)省CPU 內(nèi)存占用量。

其中，SP為調(diào)節(jié)器的設(shè)定值；f(k) 為k采樣時(shí)刻的反饋值；f(k-1) 為k-1 采樣時(shí)刻的反饋值；f(k-2)為k-2 采樣時(shí)刻的反饋值。

3.3 程序流程圖

主程序先進(jìn)行初始化，初始化主要完成定時(shí)中斷設(shè)置、中斷連接和開中斷。接著調(diào)用計(jì)算平均值子程序、溫濕度標(biāo)度變換子程序和比較輸出子程序等，主程序流程圖如圖4 所示。計(jì)算平均值子程序?qū)Σ杉降? 路溫度數(shù)據(jù)計(jì)算平均值，作為干燥箱內(nèi)部的實(shí)際溫度和實(shí)際濕度，該數(shù)據(jù)存儲到PLC 的指定單元。由于溫度和濕度的流程圖結(jié)構(gòu)相同，本文僅給出了計(jì)算溫度平均值子程序流程圖，如圖5 所示。在EM231模擬量輸入模塊中，選擇電流輸入和單極性輸出，溫度變送器輸出4～20 mmA 模擬量（對應(yīng)37～45 ℃）對應(yīng)于數(shù)字量為6 400～32 000，溫度標(biāo)度變換子程序流程圖如圖6 所示。

圖4 主程序流程圖

圖5 計(jì)算平均值子程序流程圖

圖6 標(biāo)度變換子程序流程圖

4 試驗(yàn)測試

取樣野山菇150 kg 分層置于載車托網(wǎng)上，推到干燥箱內(nèi)合適位置。設(shè)置溫度和干燥時(shí)間，啟動(dòng)干燥設(shè)備烘干。從試驗(yàn)結(jié)果看，干燥后的菌菇形態(tài)飽滿，品質(zhì)良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的干燥控制系統(tǒng)，經(jīng)過長期實(shí)際運(yùn)行表明，由于采用了熱泵去濕干燥，節(jié)能效果明顯，控制系統(tǒng)安全可靠，控制精度、生產(chǎn)效率和性價(jià)比都很高。在全封閉的干燥箱加工出來的野山菇，衛(wèi)生且無污染，經(jīng)濟(jì)價(jià)值大幅提高，干燥裝置具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。