基于PLC的家用野山菇干燥控制系统设计

2022-11-28吴子敬

齐齐哈尔大学学报（自然科学版） 2022年6期

吴子敬

（齐齐哈尔大学计算机与控制工程学院，黑龙江齐齐哈尔 161006）

夏末秋初是野山菇的生长旺季，在此期间林区雨多，空气潮湿，野山菇晾晒和干燥特别困难，易导致大量发霉腐烂。关于野山菇的干燥问题，国内学者给出了一些相关的研究成果[1-4]。但现有成果主要着重于理论层面的分析和研究，出现在市场上的商用干燥装备多是大型产品，其对象主要是进行大规模干燥生产的企业，而家庭用的干燥装备较少，性价比不高。为此，本文设计了面向家庭的基于PLC 的野山菇干燥装置控制系统，有效解决了林区家庭山货干燥问题。

1 干燥系统的控制要求及组成

1.1 控制要求

干燥箱的温度范围为37～45 ℃，湿度范围为10%～20%，间隔30 s 定时采集干燥箱内温湿度，循环显示温湿度。当温度超限时系统发出声光报警；可根据野山菇的新鲜状态设置箱内温湿度的标准值。

1.2 系统构成

整个干燥系统由电气系统和干燥箱组成，干燥箱的布置情况如图1 所示。

图1 干燥箱布置示意图

2 硬件系统设计

电气控制系统主要由PLC、EM231、EM235 模拟量输入输出模块、文本显示器、带变送器的温湿度传感器、热泵、加热器、引风机等组成（图2）。

图2 控制系统框图

干燥控制系统属小型单机自动控制系统，以西门子S7-200 CPU 224CN 为控制器，进行温湿度数据采集和处理、完成加热器的PID 控制以及风机和热泵控制。

为使采集数据能够准确反映干燥箱内的温湿度，可布置2 个检测点。PLC 定时中断时间设置30 s，工作状态下，可从EM231 模拟量输入模块读取2 路温湿度检测数据，取其平均值作为干燥箱内的实际温湿度值。

在干燥过程中，开通热泵对野山菇进行去湿干燥处理，加热器进行辅助加热干燥，它根据温、湿度实际数据，按照PID 控制规律，通过EM235 模拟量模块进行D/A 转换完成控制，加热过程平稳、精确。

MD204L 文本显示器只需用自带的通讯线连接到CPU224 的接口上即可。它与PLC 之间保持实时通信。可实时显示温湿度实际值、可以设置温、湿度的标准值和限值。

3 系统软件设计

干燥箱中的温湿度的实时监控和显示是主程序、定时采集数据的中断程序组成。

3.1 温湿度标度变换

模拟量与转换后的数字量的对应关系如图3 所示，实际温湿度值的线性标度变换[5]计算公式为

图3 模拟量与转换后的数字量的对应关系

其中，0A和mA（如4～20 mmA）为模拟量的标准电信号最小值和最大值；D0和Dm（如6 400～32 000）分别为A/D 转换后0A和mA的对应值；A为模拟量的标准电信号值，D为A/D 转换后A的对应数值。

3.2 加热器PID 控制

加热器模拟PID 控制规律[6]为

其中，e(t) 为偏差输入函数；u(t) 为调节器输出函数；KP为比例系数；IT为积分时间常数；DT为微分时间常数。因为S7-200 CPU 中央处理单元只能处理离散化的数字量，而式(2)为模拟量函数，故要把式(2)转化为离散形式的差分方程

其中，k为采样序号，i= 0,1,2, …,i,…；u(k)为k采样时刻的输出值；e(k)为k采样时刻的偏差值；e(k-1)为k-1 采样时刻的偏差值。可将式(3)转化成递推关系形式，从而减小计算量和节省CPU 内存占用量。

其中，SP为调节器的设定值；f(k) 为k采样时刻的反馈值；f(k-1) 为k-1 采样时刻的反馈值；f(k-2)为k-2 采样时刻的反馈值。

3.3 程序流程图

主程序先进行初始化，初始化主要完成定时中断设置、中断连接和开中断。接着调用计算平均值子程序、温湿度标度变换子程序和比较输出子程序等，主程序流程图如图4 所示。计算平均值子程序对采集到的2 路温度数据计算平均值，作为干燥箱内部的实际温度和实际湿度，该数据存储到PLC 的指定单元。由于温度和湿度的流程图结构相同，本文仅给出了计算温度平均值子程序流程图，如图5 所示。在EM231模拟量输入模块中，选择电流输入和单极性输出，温度变送器输出4～20 mmA 模拟量（对应37～45 ℃）对应于数字量为6 400～32 000，温度标度变换子程序流程图如图6 所示。