煙葉烘干窯自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

朱國(guó)權(quán)

摘 要：長(zhǎng)期以來，由于我國(guó)制煙過程中烘烤設(shè)備較為落后，導(dǎo)致煙農(nóng)的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)較大但生產(chǎn)效率低下，經(jīng)濟(jì)效益較差。針對(duì)我國(guó)制煙過程中烘烤設(shè)備存在的問題，同時(shí)根據(jù)對(duì)煙農(nóng)等需求的實(shí)地調(diào)研，筆者設(shè)計(jì)了一套基于模糊控制理論的煙葉烘干窯自動(dòng)控制系統(tǒng)，其能夠通過溫濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)烘干窯內(nèi)的溫度與濕度，并根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯通過對(duì)電機(jī)和天窗的控制，實(shí)現(xiàn)烘干窯內(nèi)溫濕度的實(shí)時(shí)智能控制，同時(shí)將溫濕度顯示在液晶屏上，便于工作人員的操作。

關(guān)鍵詞：煙葉烘干窯；模糊控制；溫濕度值；智能控制

1 引言

傳統(tǒng)的煙草烘干方式，是將待烘干的鮮煙葉放入相應(yīng)的烘干設(shè)備，之后通過人工控制調(diào)節(jié)的方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備溫度濕度保持在一定范圍內(nèi)，以保證煙草的烘干質(zhì)量。隨著人們對(duì)制煙流程認(rèn)識(shí)的不斷加深，人們認(rèn)識(shí)到煙葉烘干過程中溫濕度的控制精度對(duì)煙草的質(zhì)量有著重要的影響，同時(shí)隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們開始利用自動(dòng)控制方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工控制方式，大大提高了煙草烘干的質(zhì)量。近年來，基于對(duì)煙草烘干過程的長(zhǎng)期研究，研究人員已經(jīng)得到了煙草烘烤的專家曲線，即煙草烘烤過程中的溫濕度隨時(shí)間變化的最佳曲線，因此為了進(jìn)一步提高煙草烘干質(zhì)量，設(shè)計(jì)一套煙葉烘干窯自動(dòng)控制系統(tǒng)十分必要。

2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該煙葉烘干窯的自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)主要從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)這樣兩大部分來進(jìn)行的。具體的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

從總體結(jié)構(gòu)框圖我們可以看出整個(gè)系統(tǒng)是由微控制器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊以及外圍電路模塊這樣幾大部分所組成的。其中，根據(jù)系統(tǒng)所需完成的功能，外圍電路模塊主要包括電源模塊、按鍵輸入模塊以及顯示模塊；數(shù)據(jù)采集模塊主要包括溫度采集和濕度采集這樣兩大部分；執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊主要是由風(fēng)機(jī)控制、發(fā)熱管控制、換風(fēng)擋板控制以及噴濕閥控制這樣幾大部分所組成。

3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要基于模糊控制理論，根據(jù)用戶對(duì)溫濕度的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)烤煙窖內(nèi)的溫濕度的精確控制。通過對(duì)發(fā)熱絲及噴濕閥的控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度與濕度的調(diào)節(jié)，同時(shí)通過對(duì)換氣擋板和風(fēng)機(jī)的控制，可以通過對(duì)窖內(nèi)空氣流動(dòng)的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)溫濕度更精確的控制。在本系統(tǒng)的控制電路中，噴濕閥和風(fēng)機(jī)采用繼電器實(shí)現(xiàn)開關(guān)式的控制方式，發(fā)熱絲采用IR2130驅(qū)動(dòng)IGBT實(shí)現(xiàn)不同加熱電流的控制，而換氣擋板通過步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)到角度的控制實(shí)現(xiàn)擋板位置的調(diào)整。具體的總的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3.1 微控制器模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中選用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的超低功耗16位微處理芯片MSP430F250，MSP430系列的單片機(jī)將大量外設(shè)模塊整合到片內(nèi)，非常適合單片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。MSP430F250是該系列中一款較常用的產(chǎn)品，它的工作電壓典型值為3.3V，最低電壓可以低至1.8V。

3.2 外圍電路模塊設(shè)計(jì)

在實(shí)際煙葉的烘烤過程中，操作人員需要對(duì)烤窖內(nèi)的溫濕度信息進(jìn)行設(shè)備，因此本系統(tǒng)還需要設(shè)計(jì)人機(jī)交互模塊，主要可以分為電源模塊、按鍵模塊以及液晶顯示模塊三大部分。

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

精確的溫濕度控制是建立在精準(zhǔn)的溫濕度測(cè)量的基礎(chǔ)上，因此提高烤窯內(nèi)溫濕度的測(cè)量精度至關(guān)重要。本系統(tǒng)采用美國(guó)模擬器件公司的AD590作為烤窯內(nèi)的溫度傳感器，其作為IC化的溫度感測(cè)器，能夠?qū)h(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字電流。本系統(tǒng)中將AD590與一個(gè)5～30V的直流電源相連，并在輸出端串接了一個(gè)1kΩ的恒值電阻，此時(shí)電阻上流過的電流將和環(huán)境溫度成正比，環(huán)境溫度每增加1℃，電阻兩端電壓增加1mV，即AD590輸出電流增加1μA。

濕度的測(cè)量采用線性電壓輸出式集成濕度傳感器HM1500，該傳感器可靠性高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，適用于3V～7V電壓供電。采用Humirel專利濕敏電容HS1101設(shè)計(jì)制造，帶防護(hù)棒式封裝，線性電壓輸出濕度傳感器HM1500是用HS1101做成的電壓輸出模塊，高可靠性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在5VDC供電時(shí)，0～100%RH對(duì)應(yīng)輸出1～4VDC線性電壓，溫度依賴性非常低，采用三線制的連接，電路非常簡(jiǎn)單，引線的不同顏色分別為：白色為地線，藍(lán)色為電源線，黃色為輸出線。

3.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)烤煙窖內(nèi)的濕度低于設(shè)定值時(shí)，需打開噴濕閥門，當(dāng)濕度高于設(shè)定值時(shí)，則必須關(guān)閉噴濕閥門，此外，當(dāng)需要加快窖內(nèi)的氣體流動(dòng)時(shí)，要打開風(fēng)機(jī)。這些操作需要控制繼電器的閉合與斷開。本系統(tǒng)采用電磁繼電器作為噴濕閥門和風(fēng)機(jī)的控制元件。由于控制節(jié)點(diǎn)上的微控制器MSP430的I/O口的輸出電流較小，不能直接驅(qū)動(dòng)繼電器電路，需要加驅(qū)動(dòng)電路?？紤]到繼電器可能會(huì)出現(xiàn)反向電壓的現(xiàn)象，采用能耐高反向電壓的三極管作為驅(qū)動(dòng)元件，繼電器選用12V的JZX-18F小型電磁繼電器，最大工作電流為3A，具有體積小、動(dòng)作迅速等特點(diǎn)。

在整個(gè)系統(tǒng)中，對(duì)電熱絲進(jìn)行控制是最為重要的部分，因?yàn)樵摬糠衷O(shè)計(jì)的好壞與控制直接影響和關(guān)系到煙葉烘干的質(zhì)量。電熱絲的控制，筆者采取的是利用脈寬調(diào)制的方式通過對(duì)IGBT的通斷進(jìn)行控制，從而來對(duì)電熱絲進(jìn)行相應(yīng)的通斷控制的，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，通過借助于模糊PID模塊的控制，從而可以達(dá)到對(duì)烘干窯內(nèi)的溫度能夠起到一個(gè)非?？刂坪玫男Ч?。

4 模糊PID控制

模糊-PID控制是一種將PID控制以及模糊控制兩種優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行相互結(jié)合而成的控制器，通過對(duì)溫度控制系統(tǒng)的具體研究，筆者發(fā)現(xiàn)，如果是在溫度變化速度比較快的情況下可以直接利用PID來進(jìn)行相應(yīng)的控制，當(dāng)溫度進(jìn)入到較為穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，也就是指當(dāng)實(shí)際的溫度和先前所設(shè)定的溫度值比較接近時(shí)，此時(shí)模糊控制便才起作用。

根據(jù)前面的介紹我們可以知道模糊PID控制比較適合溫度控制的過程。模糊PID控制器是建立在常規(guī)的PIS控制器的基礎(chǔ)上，根據(jù)反饋的偏差e和偏差的變化率ec對(duì)PID控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，從而實(shí)現(xiàn)更優(yōu)秀的控制。作為典型的溫度控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)也具有較大的滯后性和非線性等特點(diǎn)，因此采用模糊PID控制這種具有互補(bǔ)特性的控制機(jī)制可以很好的兼顧模糊控制和PID控制兩者的優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的更好的控制。

5 總結(jié)

筆者通過對(duì)煙葉烘干技術(shù)的學(xué)習(xí)以及煙廠的實(shí)地調(diào)研，得到了煙葉烘干的相關(guān)技術(shù)資料，并針對(duì)溫濕度對(duì)煙葉烘烤的影響進(jìn)行了分析。結(jié)合實(shí)際的煙葉烘干工藝與設(shè)備，本文設(shè)計(jì)了一套基于MSP430F250單片機(jī)的煙葉烘干窯自動(dòng)控制系統(tǒng)，利用模糊PID控制實(shí)現(xiàn)了煙葉烘干窯內(nèi)溫濕度的精準(zhǔn)控制，大大提高了煙葉烘干的工藝水平。

參考文獻(xiàn)

[1] 方平，張曉力.煙葉烤房溫濕度自動(dòng)控制儀的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，30（7）：11-15.

[2] 劉渙軍，劉向群.基于多片MSP430單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2014（7）.

[3] 方愛平.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2013.

[4] 韓俊峰，李玉惠等.模糊控制技術(shù).重慶：重慶大學(xué)出版社，2013.