甘蔗種苗溫水脫毒池的系統(tǒng)設(shè)備及控制

陳 平，秦會(huì)敏，葉權(quán)圣，秦健南*，黃 爽

(1廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業(yè)研究所) 廣東省甘蔗改良與生物煉制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510316；2廣東省綠色制糖工程技術(shù)研究中心，廣東廣州510316)

0 引言

甘蔗是我國(guó)主要的糖料作物，已經(jīng)成為地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱和農(nóng)民增收的主要經(jīng)濟(jì)來源。但是，近年來，由于甘蔗病蟲害普遍發(fā)生，尤其傳種甘蔗病害(宿根矮化病RSD、花葉病Mosaic等)危害更嚴(yán)重，致使甘蔗種質(zhì)退化、宿根年限短、產(chǎn)量下降快，已成為制約蔗糖產(chǎn)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展和蔗糖優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)發(fā)揮的重大問題。為解決甘蔗脫毒問題，研究開發(fā)甘蔗種苗溫水脫毒池的系統(tǒng)設(shè)備及控制的關(guān)鍵技術(shù)，保證脫毒池溫度控制在50℃±0.2℃，水溫過高、處理時(shí)間過長(zhǎng)易使種芽燙傷喪失發(fā)芽力，水溫過低、處理時(shí)間過短起不到脫毒效果，同時(shí)保持脫毒池水體循環(huán)[1]。本研究通過對(duì)甘蔗種苗溫水脫毒池系統(tǒng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立了增量式PID控制算法模型，通過Matlab仿真及對(duì)S7-200 CPU的自整定，實(shí)現(xiàn)了甘蔗種苗脫毒池的溫度控制。

1 脫毒池的結(jié)構(gòu)

甘蔗種苗溫水脫毒池由溫度檢測(cè)裝置(熱電阻)、液位檢測(cè)裝置(液位計(jì))、冷熱水混合箱、循環(huán)水泵組成，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。安裝4支熱電阻在脫毒池的4個(gè)角，以保證水溫控制的均勻性；冷熱水混合箱保證脫毒池的水溫相對(duì)穩(wěn)定，防止高溫?zé)崴疇C傷蔗苗；采用循環(huán)水泵對(duì)水池溫水進(jìn)行循環(huán)處理；留有溢流孔保證水的循環(huán)使用。

圖1 脫毒池結(jié)構(gòu)圖

2 脫毒池控制系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)使用S7-200 PLC作為核心現(xiàn)場(chǎng)控制器。擴(kuò)展模塊EM231和EM232用于實(shí)現(xiàn)模擬量的輸入和輸出。閥門的開閥采用 PWM 控制方式。溫度控制增量式PID算法的實(shí)現(xiàn)。

2.1 控制器

本系統(tǒng)中選用西門子CPU224作為PLC的主機(jī)模塊，西門子CPU224集成了14點(diǎn)輸入和10個(gè)點(diǎn)的輸出，共有24點(diǎn)數(shù)字量I/O，最大擴(kuò)展至168點(diǎn)數(shù)字量I/O或者摸擬量I/O。同時(shí)具有32位浮點(diǎn)運(yùn)算功能和內(nèi)置集成的PID調(diào)節(jié)運(yùn)算指令，比較適用于溫度控制系統(tǒng)?？稍赑LC的內(nèi)部完成溫度的調(diào)節(jié)以及所有的控制邏輯的計(jì)算。

2.2 控制模塊

由于西門子PLC控制器CPU224不能直接接收和輸出模擬量信號(hào)，所以選取2塊熱電阻輸入模塊EM231和1塊模擬量輸入輸出模塊EM235。EM231帶有4路模擬量輸入，集成有16位AD轉(zhuǎn)換器，分辨率達(dá)0.1℃，能自動(dòng)進(jìn)行線性化處理，當(dāng)用作熱電偶測(cè)量時(shí)具有冷端補(bǔ)償功能，不再需要外部變送器，能一個(gè)模塊就完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理功能。系統(tǒng)溫度信號(hào)的采集選用 A級(jí)熱電阻 pt100，精度為±(0.15+0.002|t|)℃，但價(jià)格較貴，PLC的控制指令經(jīng)數(shù)字I/O輸出控制熱水閥或冷水閥的開啟和關(guān)閉。

2.3 閥門控制

本系統(tǒng)中采用的閥門電動(dòng)定位器不能無級(jí)調(diào)節(jié)，只能控制開或關(guān)，所以在系統(tǒng)調(diào)度前將閥門的滿度限位調(diào)節(jié)至全開的 30%左右。這樣做既降低硬件成本也保證了因開閥過大，熱水量過大使溫度超調(diào)超差而影響控制精度。閥門的開閥采用 PWM方式，每30 s為1周期，每周期打開1次，每次打開的時(shí)間由PID控制器計(jì)算所得。如圖2所示。

圖2 溫度控制增量式PID算法的實(shí)現(xiàn)

3 溫度控制增量式PID算法的實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)模型的建立

3.1.1 系統(tǒng)啟動(dòng)過程

設(shè)備通電啟動(dòng)后直接進(jìn)入自動(dòng)控制，CPU根據(jù)水池液位、池水溫度及給定溫度值同時(shí)注入冷水和熱水，當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，進(jìn)入恒溫狀態(tài)后，吊入種苗，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入精確控溫狀態(tài)，此過程只是加入少量熱水調(diào)節(jié)溫度即可，否則超調(diào)。因而主要考慮這個(gè)階段的控制參數(shù)。此時(shí)，溫控系統(tǒng)采用一階延遲控制系統(tǒng)模型，模型中K、T、τ參數(shù)的使用以下公式來確定[2]。

其中：K為過車工過程增益系數(shù)，T為過程時(shí)間常數(shù)，單位為s，τ為過程時(shí)間常數(shù)，單位為s，

式中：y(0)：階躍擾動(dòng)給定前的溫度值；y(∞)：階躍擾動(dòng)給定后系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的溫度值；Δu：給定的輸出量；t(0.28)：溫度由 y(0)升至 y(0)+0.28×Δy所需的時(shí)間值；t(0.632)：溫度由 y(0)升至y(0)+0.632×Δy所需的時(shí)間值。

3.1.2 系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)測(cè)定

水溫恒定后在階躍擾動(dòng)給定Δt=5 s(脈沖寬度為5 s)的開閥時(shí)間的作用下，每隔10 s記錄水溫的變化情況，如表 1所示。由表 1中數(shù)據(jù)得知：Δy=y(∞)-y(0)=51.9-49=2.9，Δu=5(本系統(tǒng)對(duì)應(yīng)開閥脈沖高電平時(shí)間)；靜態(tài)放大系數(shù) K＝Δy/Δu＝2.9/5＝0.58。

Matlab是一個(gè)用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法等。根據(jù)表 1中的溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)在Matlab中進(jìn)行仿真得K、T、τ的值，通過顯示函數(shù)顯示在仿真圖表上，運(yùn)行結(jié)果如圖3所示，根據(jù)圖3可知，K=0.58，T=44.3，τ=16.8。

表1 水溫變化情況表

圖3 Matlab仿真曲線

根據(jù)ZRT原理整定出控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型為：

在此可根據(jù) a的值來選擇控制規(guī)律，當(dāng) a=0.2時(shí)應(yīng)選用比例或比例積分控制規(guī)律；當(dāng) 0.2＜a＜1時(shí)，應(yīng)選用比例-積分-微分控制規(guī)律；當(dāng)a＞1時(shí)應(yīng)采用串級(jí)控制或前饋控制。而該系統(tǒng)的 a屬于第 2種情況，所以應(yīng)當(dāng)選用比例-積分-微分控制規(guī)律，即PID控制，脫毒池的系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。

圖4 甘蔗種苗溫水脫毒池的系統(tǒng)控制框圖

3.2 控制傳遞函數(shù)及PID參數(shù)的整定

具有比例-積分-微分控制規(guī)律的控制器，稱為PID控制器[3]。這種組合具有3種基本規(guī)律各自的特點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)方程為：

式中Kp：比例系數(shù)；e(t)：溫度測(cè)量值-給定值，即偏差值；Ti：積分時(shí)間；Td：微分時(shí)間；e(t)的微分，即(上次偏差-本次偏差)。

PID控制器相應(yīng)的傳遞函數(shù)是：

PID參數(shù)的整定在Matlab R2015a中PID參數(shù)的整定可用PID Tuner或Simulink工具進(jìn)行。

3.2.1 使用PID Tuner

打開Matlab R2015a，在工作區(qū)鍵入系統(tǒng)的輸入輸出傳遞函數(shù)G0=tf(0.58,[44.3,1])，然后點(diǎn)擊頂部菜單中的APPS下的PID Tuner，在PID Tuner對(duì)話框中對(duì)選導(dǎo)入系統(tǒng)的輸入輸出傳遞函數(shù)G0，PID類型選擇PID，仿真結(jié)果如下圖5。點(diǎn)擊Show Parameters顯示PID參數(shù)如下圖6所示。

3.2.2 使用Simulink工具

圖5 PID Tuner中數(shù)據(jù)仿真圖

圖6 Show Parameters顯示PID參數(shù)圖

打開Matlab R2015a，點(diǎn)擊頂部菜單中的HOME下的Simulink Library，在庫(kù)瀏覽器對(duì)話框的上部圖標(biāo)中點(diǎn)New Model，在新的對(duì)話框中建立如下圖的連接圖7。

圖7 Matlab模型連接圖

3.2.3 S7-200 CPU中PID參數(shù)的自整定

PID參數(shù)的整定主要有Ziegler-Nichols整定法、臨界比例度法、衰減曲線法，經(jīng)Matlab仿真得知，本系統(tǒng)振蕩周期長(zhǎng)且難以形成等幅振蕩，故采用衰減曲線法。其方法如下：把PID參數(shù)中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)去掉(積分時(shí)間 9999，微分時(shí)間 0)，只保留比例項(xiàng)，在閉環(huán)系統(tǒng)中設(shè)定給定值為45℃投入自動(dòng)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，提高給定值為50℃，記錄溫度測(cè)量值的歷史趨勢(shì)如圖8。圖中：衰減比例δs=Vp2/Vp1；Ts：為第1個(gè)峰值與第2個(gè)峰值之時(shí)間差，可依據(jù)表2經(jīng)驗(yàn)公式算出PID的參數(shù)。

圖8 溫度測(cè)量值的歷史趨勢(shì)

表2 調(diào)節(jié)器參數(shù)表

3.3 控制程序的編制

軟件控制流程如圖9所示。

3.3.1 參數(shù)初始化控制

糖廠因原料等原因每年停機(jī)半年以上，停機(jī)后設(shè)備電源關(guān)閉，而S7-200 CPU為早期設(shè)計(jì)，電路較為落后，仍采用備份電池保存參數(shù)，斷電時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)備份電池耗盡，導(dǎo)致運(yùn)行所需參數(shù)值丟失。為保證任何時(shí)候開機(jī)設(shè)備均能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，程序設(shè)計(jì)時(shí)將

正常運(yùn)行時(shí)的參數(shù)值固化于代碼中，利用CPU內(nèi)的首次運(yùn)行標(biāo)志及參數(shù)異常值判定是否進(jìn)行參數(shù)值初始化。

3.3.2 回差設(shè)置

由于閥門控制為開關(guān)量輸出，必須做好回差控制梯形圖，避免閥門在開關(guān)位置不停振蕩，最終閥門會(huì)迅速損壞。

圖9 軟件流程圖

3.3.3 熱水水溫控制

由于水池恒溫時(shí)間長(zhǎng)，保溫期間熱水添加量極少，熱水管流動(dòng)量少，冬天降溫較快，因此將熱水水溫引入控制回路，并在熱水水溫較低時(shí)加快流量，提高溫度回路反應(yīng)速度，否則實(shí)際操作中會(huì)出現(xiàn)水溫低于給定值時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間水溫提升不到給定值。

4 結(jié)論

由于使用Matlab對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行建立和仿真，充分引入控制回路所需的測(cè)量參數(shù)，并在編程過程中充分考慮了異常情況的處理，因而整體運(yùn)行良好，系統(tǒng)開機(jī)后即進(jìn)入自動(dòng)控制狀態(tài)，無需人工干預(yù)。溫度控制效果好，使用穩(wěn)定。