基于PLC的小麥著水系統(tǒng)的設(shè)計

李 娟

（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214153）

基于PLC的小麥著水系統(tǒng)的設(shè)計

李 娟

（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214153）

為提高小麥的出粉率和面粉質(zhì)量，滿足小麥加工過程中的著水控制需求，設(shè)計了一種以PLC為控制核心、觸摸屏為人機(jī)交流界面、傳感器為檢測裝備的自動化著水系統(tǒng)。文章詳細(xì)闡釋了系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和軟硬件的設(shè)計過程，在控制過程中采用PID加減水方式，使控制達(dá)到最佳，并給出了核心算法和部分程序。

PLC；傳感器；著水；觸摸屏；PID

小麥制粉是將小麥籽粒經(jīng)清理和水分調(diào)節(jié)后將胚乳與麥胚、麥皮分開，再將胚乳磨細(xì)成粉。由于小麥籽粒的品種差異和產(chǎn)地的不同，其自身水分含量不同，而只有達(dá)到合適的水分含量，才能實現(xiàn)良好的制粉。所以在面粉加工過程中，潤麥（將小麥加水后在倉內(nèi)存放一定時間）階段的著水和水分調(diào)節(jié)比較關(guān)鍵，對于小麥的出粉率和面粉質(zhì)量起著很大的作用。

小麥著水控制過程是一個多輸入、多輸出的系統(tǒng)，需要對流量、水分及時準(zhǔn)確地進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)采用目前先進(jìn)工業(yè)PLC、觸摸屏及高精度測量器件（傳感器）組成一個控制網(wǎng)絡(luò)，傳感器及時檢測流量和水分，并將數(shù)據(jù)傳送給PLC，PLC經(jīng)過分析及時調(diào)整，并通過觸摸屏進(jìn)行顯示和操作執(zhí)行。

一、系統(tǒng)構(gòu)成

（一）系統(tǒng)工作原理

小麥著水系統(tǒng)由微波水分測量傳感器、水分測量通道、加水量調(diào)節(jié)控制部分、電腦控制器組成。

當(dāng)經(jīng)清理后的小麥進(jìn)入著水系統(tǒng)后，由麥溫探頭即溫度傳感器測得溫度，微波傳感器測得小麥的含水量。這些信號采集后送給電腦，由電腦進(jìn)行修正計算得出小麥的實際含水量。然后將這一含水量和預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)水分進(jìn)行比較，根據(jù)差值進(jìn)行水分的調(diào)節(jié)。在水分調(diào)節(jié)過程中，采用PID方式，逐步減小這種差異，直到實際含水量和目標(biāo)水分相符。如果實際含水量低于目標(biāo)水分，則加水，反之則減水。

（二）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該著水控制系統(tǒng)由檢測裝置和控制柜組成。檢測裝置由一套傳感器和檢測通道組成，可以安裝在強(qiáng)力著水機(jī)的進(jìn)料口或出料口處（見圖1）。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

（三）微波水分測量裝置結(jié)構(gòu)

由檢測通道、主通道、麥溫傳感器、微波傳感器、密度調(diào)節(jié)螺絲組成（見圖2）。

圖2 水分測量裝置結(jié)構(gòu)圖

工作時，小麥先進(jìn)入檢測通道，通過調(diào)節(jié)通道下方的密度螺絲使小麥充滿測量通道并能緩慢地勻速流動，其余部分小麥由主通道流出。微波探測出通道內(nèi)信號，來料后，向電腦發(fā)出測量指令，此時測量通道兩側(cè)的微波傳感器利用微波能量隨水分增大而變小的特性，測出小麥水分信號，插在檢測通道側(cè)壁上的麥溫探頭連續(xù)測量麥溫信號，然后由電腦進(jìn)行溫度補(bǔ)償運算，測出小麥的實際水分。

（四）水路調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

加水量調(diào)節(jié)控制部分由供水管道、電磁閥、電動調(diào)節(jié)閥、水流量計、手動調(diào)節(jié)閥、排水閥等組成（見圖3）?？蓪崿F(xiàn)全自動、半自動、手動三種控制方式，保證連續(xù)生產(chǎn)。

圖3 水路調(diào)節(jié)總成結(jié)構(gòu)圖

（五）電腦控制器

電腦控制器由中文人機(jī)操作界面、PLC及數(shù)據(jù)采集模塊、驅(qū)動模塊組成。工作時，電腦控制器根據(jù)微波水分測量傳感器的信號、麥流量的信號、自動運算處理計算出小麥的實際水分、麥流量及加水量，并向加水量調(diào)節(jié)控制部分發(fā)出指令，控制水源總閥開關(guān)和電動調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行加水、減水，保證小麥著水后的水分與所設(shè)定的目標(biāo)水分一致，實現(xiàn)來麥自動開閥加水，斷麥自動關(guān)閥停機(jī)。自動跟蹤小麥原料水分及麥流量變化，自動調(diào)節(jié)加水量。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)總體分為三大部分：傳感器組部分、PLC控制部分和觸摸屏監(jiān)控執(zhí)行部分，這三部分分別實現(xiàn)水分溫度的檢測、加水量控制和執(zhí)行操作、錯誤報警。

小麥著水控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。主要硬件包括觸摸屏、PLC、溫度傳感器、微波傳感器和強(qiáng)力著水機(jī)（見圖4）。

圖4 小麥著水控制系統(tǒng)框圖

PLC是整個控制系統(tǒng)的核心部分，實時處理觸摸屏的操作數(shù)據(jù)和傳感器的檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)實時數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的啟停和加水量的調(diào)節(jié)。觸摸屏和PLC之間通過RS485協(xié)議進(jìn)行通信，觸摸屏通過PLC可以實現(xiàn)系統(tǒng)的手自動控制、控制參數(shù)的設(shè)定等等，信號出錯發(fā)出報警信息。傳感器組采集溫度和水分的信息送給PLC，經(jīng)過與參數(shù)值比對后控制著水量。著水機(jī)由PLC控制進(jìn)行加水。系統(tǒng)的I/O口及模擬量的分配如表1所示。

表1 PLC I/O口及模擬量分配

（一）CPU選型

信捷公司的XC3系列PLC，是國產(chǎn)模塊化小型機(jī)，各模塊之間可以根據(jù)需求進(jìn)行組合從而構(gòu)成不同的系統(tǒng)。

根據(jù)該系統(tǒng)的I/O口點數(shù)要求以及PID自整定的功能需求，選用了信捷公司的XC3-19AR-E，模擬量輸入輸出集于一體，輸入9點，輸出10點。

（二）觸摸屏選型

根據(jù)系統(tǒng)人機(jī)界面的顯示要求，選用了信捷的觸摸屏TG-765-MT、1600萬色的TFT-LCD真彩顯示，高亮屏幕顯示效果更逼真；高速400MHz主頻CPU、128M內(nèi)存配置，其有出色的數(shù)據(jù)處理能力。這個界面動畫效果更加流暢，打破了傳統(tǒng)的串口通訊模式，構(gòu)成開放式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

（一）原理框圖（見圖5）

（二）實時水分測量

本系統(tǒng)采用PID加減水方式，使著水量與設(shè)定要求的差值逐漸縮小，直到相符。

那么，必須測得小麥的實時水分值，而實時水分值又受小麥容重 （單位容積內(nèi)小麥的重量）變化、硬度（破碎小麥籽粒時所需要的力）變化和溫度變化的影響，所以不能簡單地將微波傳感器檢測到的水分信號轉(zhuǎn)化為電信號就結(jié)束，還得根據(jù)容重、硬度和溫度的變化進(jìn)行修正。經(jīng)過實驗驗證，參考三厘米振蕩器測量水分的算法得到本系統(tǒng)實時水分值的算法如下：為加水前后微波信號相比較的對數(shù)，水分值與對數(shù)成反比；b為截距；c×Ti+d為溫度的改變量，針對不同季節(jié)而變化，溫度高時吸水快，水分值高，溫度低時吸水慢，水分值低；K為補(bǔ)償系數(shù)，這是根據(jù)經(jīng)驗值得來的，因為溫度不同，吸收快慢不同，衰減不一樣，所以需要根據(jù)實際進(jìn)行補(bǔ)償；G/V為容重，在糧食加工行業(yè)，容重是涉及糧食質(zhì)量很重要的指標(biāo)。理論上來說，如果加的水能全部吸收，這個公式則不需要分母部分，但實際上由于溫度、小麥容重的影響，水分不可能百分百吸收，所以需要考慮溫度、硬度和容重的因素而進(jìn)行補(bǔ)償，從而實現(xiàn)更精準(zhǔn)的控制。

在實際操作過程中，測得水分后，點擊觸摸屏

圖5 原理框圖

本系統(tǒng)的PID參數(shù)的設(shè)定，采用自整定模式，使系統(tǒng)自動尋找最佳的控制參數(shù)（采樣時間、比例增益KP、積分時間TI、微分時間TD）（見圖6）。

圖6 PID指令參數(shù)設(shè)置

（三）部分核心程序

采用XC編程工具，編寫梯形圖程序。本系統(tǒng)中PLC采集外部傳感器的信號，判斷當(dāng)前狀態(tài)，根據(jù)預(yù)定的要求進(jìn)行調(diào)整輸出，從而完成相應(yīng)的控制任務(wù)。

這里給出了PID程序（見圖7）。

圖7 PID程序

在微波檢測水分過程中采用兩點水分標(biāo)定法，微波電壓與水分值的簡單關(guān)系為：波電壓越大對應(yīng)的水分值越低；微波電壓越小對應(yīng)的水分值越高（見圖8）。

圖8 兩點微波程序

（四）觸摸屏遠(yuǎn)程系統(tǒng)軟件設(shè)計

觸摸屏遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控和操作執(zhí)行兩部分構(gòu)成。監(jiān)控部分主要包括溫度信號、微波信號、小麥流量和運行故障的實時顯示等。操作執(zhí)行部分包括手動/自動選擇、參數(shù)校準(zhǔn)操作、控制參數(shù)的設(shè)定等。

系統(tǒng)的主界面如圖9所示。該畫面可以對目標(biāo)水分、容重、硬度進(jìn)行設(shè)置，在主工作畫面可以通過點擊相應(yīng)按鈕進(jìn)行手動自動控制切換，在手動狀態(tài)下開關(guān)總閥、加水、減水等動作。

四、結(jié)語

圖9 系統(tǒng)主界面

小麥著水的目的是為了增加小麥皮層的水分，以提高皮層的抗破壞強(qiáng)度，在小麥制粉時皮層不易破碎，從而提高面粉的精度、出粉率，并降低灰分，所以小麥在制粉過程中著水環(huán)節(jié)必不可少。隨著食品加工技術(shù)、食品機(jī)械工業(yè)的迅速發(fā)展，自動化的小麥著水系統(tǒng)在面粉加工行業(yè)得到了普遍應(yīng)用。

以觸摸屏為上位機(jī)監(jiān)控執(zhí)行和PLC為控制器的小麥著水控制系統(tǒng)，在控制速度和精度上，能夠完全滿足企業(yè)的加工需求。本系統(tǒng)中，PLC具有靈活的選擇性（針對不同的功能和控制需求可以選擇不同的PLC），觸摸屏監(jiān)控執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)了控制過程的可視化操作和實時報警功能，大大提高了小麥的出粉率和質(zhì)量，減輕了工作人員的勞動強(qiáng)度。

本系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)為：著水量0～1600L/H；麥流量0～30T/H；著水范圍9.0～20.0%；著水精度±0.15%；溫度補(bǔ)償-20℃～50℃；功率小于100W。本系統(tǒng)除了能用于小麥加工行業(yè)，其他糧食加工行業(yè)都可以應(yīng)用，比如大米、玉米、大豆等加工行業(yè)，但是因為它們的吸水性、硬度和容重與小麥不同，所以算法中的參數(shù)要根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。

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[6]李方園.觸摸屏工程應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2008：3.

Design of Wheat Damping System Based on PLC

LI Juan
（Wuxi Institute of Commerce,Wuxi 214153,China）

In order to improve flour yield and quality and to meet the requirement of damping control in wheat milling,an automatic damping system is designed with PLC as the key control,a touch screen for man-machine communication interface and a sensor as measuring device.The present paper elaborates on the system components,operating principle and the design process of hardware and software.In the control process PID is used to add the desired water,and the core algorithm and some programming are described to reach the best control effect.

PLC;sensor;damping;touch screen;PID

TP 29

A

1671-4806（2017）06-0106-04

2017-06-10

李娟（1981—），女，江蘇如東人，講師，碩士，研究方向為電氣控制。

（編輯：申小中 張雪梅）