基于PLC 技术的循环式粮食干燥机控制系统设计

2022-07-05苏超

南方农机 2022年13期

苏超

（庆阳职业技术学院，甘肃庆阳 745000）

粮食产后处理作为农业生产的一个重要环节，是根据生产加工需求，按照不同脱水程度要求，对粮食进行干燥处理[1]。农业机械化技术的快速发展，提高了粮食干燥作业效率。目前，应用比较多的干燥机作业模式为连续式，单次干燥粮食高达百吨[2]。由于这种干燥机控制模式主要应用于大型农业经济，对于种植比较分散的粮食干燥处理来说，资源耗费较大，故不建议使用[3-4]。为了满足小规模粮食干燥处理需求，我国农业领域研究学者开发了小型干燥机控制系统[5]。由于系统采用开环控制，单次粮食干燥处理后的干燥程度参差不齐。为了弥补开环控制的不足，本文尝试设计一种循环式粮食干燥机控制系统。

1 循环式粮食干燥机作业原理

循环式粮食干燥机与开环控制模式下的粮食干燥机差异较大，按照设定的干燥控制流程，采取多次干燥处理，直至机械设备中所有粮食的干燥程度达到标准。该设备的主要组成包括混流干燥段、换热器、缓苏段、热风炉、提升机、排粮段、皮带机、除尘器、引风机等。该设备作业过程中，将粮食放入皮带机上，随着传送带滚动，将其送往加料斗中[6]。利用提升机载运粮食至塔顶分粮段，达到单次干燥量时，自动分到下一个粮食干燥仓。待干燥的粮食将运往缓苏段，而后转入混流干燥段，经过干燥处理后，流入排粮段[7]。水分检测装置安装在排粮段，按照检测标准，判断本次干燥循环处理流出的粮食是否达到干燥标准，如果达到标准，则将此部分粮食运往干燥粮仓中存储，反之，进入下一次循环干燥处理[8]。

2 循环式粮食干燥机控制系统总体设计

2.1 系统功能总体设计

根据循环式粮食干燥机作业原理，提出控制系统功能总体设计方案。本系统功能主要包括以下3 个方面：1）设置两种作业模式，其中一种作业模式为自动化控制，运用PLC 核心控制器开发控制系统作业程序，实现干燥机自动化作业。另外一种作业模式为手动控制模式，主要应用于干燥机发生故障工况，采用手动控制方式，逐一排查干燥机故障位置。2）采用模糊PID 控制算法，开发粮食水分干燥处理控制功能，实现干燥机设备的智能化操控。3）监控干燥机作业期间粮食的温度、湿度、水分等参数变化情况，为干燥循环控制提供参考依据。同时监控干燥机组成结构中各个装置作业状态，通过采集作业状态数据，从而判断干燥机是否正常运行。

2.2 系统框架结构设计

本系统选取PLC（型号为FX2N-32MT）作为核心控制器，利用该装置下达设备作业驱动命令，采集各项指标数据，将其作为循环干燥设备控制参考依据。PLC 的输出端Y 连接的是中间继电器，起到电机启/停状态控制作用。将触摸屏与PLC 连接，作业粮食干燥作业信息数据显示模块，用于监控系统操作作业状态。其中，粮食干燥信息的处理使用到的工具为FX2N-4AD-TC，利用该工具将系统中的模拟信号采取转换处理，生成数字信号，而后发送至PLC 控制器加以处理[9]。另外，本系统运用FX2N-4AD 模块对传感器采集到的粮食湿度信号加以处理，生成离散数字信号。系统总体框架结构设计如图1 所示。

图1 系统总体框架结构设计

该设计方案中，利用传感器采集环境温度、热风温度、进粮温度、出粮温度等数据信息，通过数据分析，判断当前是否需要对干燥机的作业参数进行调整。另外，运用水分检测仪器采集进粮水分、出粮水分，通过分析采集到的数据，判断当前是否需要开启下一次干燥处理循环操作。其中，PLC 与水分检测仪器之间的通信连接是运用FX2N-485DB 通信板建立。系统中采集到的数据信号采取模数转换处理，而后转入PLC 控制器，经过数据分析与处理后，将下发的控制信号，从模拟信号模式转为数值信号模式，下发给排粮电机。根据粮食干燥程度，调控排粮电机作业期间转速参数，从而实现干燥机高质量排粮操控。另外，PLC 控制器的输出端与提升电机、引风机、出粮皮带机、消烟除尘机、步进电机、进粮皮带机连接，通过Output 信号口，将操控命令下发给这些设备，使干燥机得以按照程序操控命令有序作业。为了避免系统作业期间遭受某些因素影响，发生故障影响粮食干燥作业，本架构增加了安全报警功能模块，当检测到系统某个装置作业异常时，则立即发出报警信号[10]。

3 系统软件开发

3.1 系统主程序流程设计

本系统采用扫描方式获取粮食干燥处理相关数据，通过数据分析，下达循环干燥操作命令，经过多次循环，使粮食得以达到干燥标准。干燥机作业模式开启之前，根据粮食干燥处理要求，设置系统作业参数标准，循环干燥期间，如果粮食水分达到设定的参数标准，则将此部分粮食运往粮仓存储。以下为系统主程序流程。

第一步：系统初始化处理；

第二步：开启数据采集模块作业状态，获取上料位信号、入口端粮食水分信号、环境温湿度等信号；

第三步：按照粮食干燥处理要求，设定模糊PID控制参数标准，即粮食干燥达标情况下的水分数值，同时设定干燥热风上限、下限等参数标准；

第四步：开启干燥机各个设备作业模式，对粮食进行自动化干燥处理；

第五步：检测排粮口的粮食水分是否达到干燥标准，如果达到标准，直接从出口排出，反之，进入第六步；

第六步：检测当前干燥机的热风温度是否超出了上限值，如果超出上限值，则自动关闭烟气阀门。反之，利用模糊PID 控制算法，调整排粮电机转速，延长干燥处理时间，循环干燥处理步骤，继续运用热风等设备对粮食采取干燥处理，转入第五步。

3.2 循环式粮食干燥机作业控制设计

3.2.1 控制器结构设计

粮食干燥工艺较为复杂，对干燥机控制要求较高，需要获取准确的粮食含水量数据，判断当前需要采取的干燥处理条件、干燥方式等，而后下达控制命令。为了改善控制器作业效果，弥补开环控制模式的不足，本研究引入模糊PID 控制算法，打造闭环粮食干燥控制结构。该结构主要由模糊推理、PID 调节器、排粮电机变频器、D/A 模块、水分检测仪组成，按照以下作业原理，开展粮食循环干燥作业。

设定粮食干燥水分目标M0、出机粮食水分测定值M(k)，利用公式（1）计算水分偏差变化率、水分偏差，分别记为ec、e。将计算结果输入模糊PID 控制器中，经过模糊推理获取多种工况下的修正量，记为ΔKp、ΔKd、ΔKi。运用公式（2），按照修正量整定传统PID 参数，包括Kp、Kd、Ki。

上述公式中，ec(k)代表干燥次数为k条件下采样水分偏差变化率，单位%；e(k)代表干燥次数为k条件下采样水分偏差，单位%；M0代表粮食干燥水分目标设定值，单位%；e(k-1)代表干燥次数为k-1 条件下采样水分偏差，单位%；M(k)代表出机粮食水分测定值，单位%；ΔKp、ΔKd、ΔKi均为修正量，经过模糊推理获取；qkp、qkd、qki均为修正量对应的修正系数；均为PID 控制器操控下的初始值；Kp、Kd、Ki均为调整处理后PID 控制器操控下的参数值。

3.2.2 模糊PID 控制设计

设定参数ec基本论域为[-0.6，0.6]，e基本论域为[-1，1]，模糊子集为{PM、NB、ZO、SN、PS、PR}，为子集中的元素赋予大小描述，模糊论域量化为{-3、-2、-1、0、1、2、3}。分别对元素Xec、Xe、ec、e的范围进行划分，如表1所示。

表1 模糊论域元素与基本论域元素对应关系

通过对系统变量采取初始化处理，而后将模糊查询表存储至PLC 寄存器中，计算修正系数与量化因子，同样存储至PLC 寄存器中。判断当前是否到达采样时间，如果达到，则采集粮食水分等参数数值，计算ec 和e，对计算结果分别量化处理，找到模糊论域中对应元素，查询离线模糊控制表，得到修正量ΔKp、ΔKd、ΔKi，将此部分数值与修正系数做乘法运算，得到参数值Kp、Kd、Ki。创建PID 模拟量输出与数字量输出线性关系，运用D/A 模块输出排粮电机模拟量。根据输出结果，控制排粮电机变频器，配合循环干燥作业。