食品干燥設(shè)備恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張科強(qiáng)，池雄飛

鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院（鄂爾多斯 017000）

干燥是食品加工的一個重要環(huán)節(jié)，主要是利用微生物在脫水的食品中很難繁殖生長的規(guī)律，食品在經(jīng)過脫水處理后容易儲存、運(yùn)輸。干燥設(shè)備在食品加工領(lǐng)域被廣泛使用[1-3]，干燥設(shè)備的關(guān)鍵是需要對溫度進(jìn)行精確控制，常見的控制系統(tǒng)多由溫度感應(yīng)、加熱執(zhí)行、溫度設(shè)定、調(diào)整控制等部分組成。干燥過程中溫度控制參數(shù)的精確控制對食品干燥質(zhì)量的保證至關(guān)重要，因此設(shè)計(jì)一個穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)的食品干燥控制系統(tǒng)十分必要。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)及傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，開發(fā)智能型控制技術(shù)的食品干燥設(shè)備，使得干燥設(shè)備能夠以高精度運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)食品干燥設(shè)備的智能控制，是食品干燥設(shè)備的主要發(fā)展方向[3-7]。由于智能控制理論的快速發(fā)展，可將智能控制算法應(yīng)用于食品干燥裝置的自動化控制中，從而使得干燥設(shè)備溫度更加精確。在干燥設(shè)備控制系統(tǒng)選擇上，為提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及軟件程序的可編輯性，設(shè)計(jì)一款基于PLC的食品干燥控制系統(tǒng)，通過PLC作為系統(tǒng)的主要控制硬件，由PLC完成溫度的采集以及溫度的實(shí)時控制，通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，數(shù)據(jù)曲線顯示。干燥設(shè)備溫度是一個非線性、時變性系統(tǒng)，對于數(shù)學(xué)模型的精確建立較為困難，傳統(tǒng)PID控制由于參數(shù)固定不變[8-10]，使得控制效果并不理想，為此在傳統(tǒng)PID控制基礎(chǔ)上引入模糊控制方法，利用模糊規(guī)則實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線自適應(yīng)調(diào)節(jié)，而使得食品干燥設(shè)備溫度控制具有自適應(yīng)性。

1 恒溫控制基本原理

恒溫控制系統(tǒng)基本原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，恒溫箱體內(nèi)部主要有加熱器、溫度傳感器、濕度傳感器，通過溫度傳感器、濕度傳感器將采集值傳送到控制系統(tǒng)中作為反饋信號，根據(jù)反饋信號與目標(biāo)值的差值進(jìn)行比較，利用PID控制算法對溫度和濕度進(jìn)行自動PID調(diào)節(jié)。

圖1 食品干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)

2 干燥設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

食品干燥設(shè)備控制系統(tǒng)主要由兩大部分組成：下位機(jī)PLC和上位機(jī)觸摸屏。通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)干燥設(shè)備參數(shù)的設(shè)置，并將參數(shù)傳送到PLC控制器中。通過操作觸摸屏上的操作按鈕，由PLC完成加熱任務(wù)的下達(dá)，溫度和濕度等數(shù)據(jù)通過PLC傳送到觸摸屏中，由觸摸屏對干燥設(shè)備工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。PT1000溫度傳感器將電阻信號傳送到溫度變送器中，溫度變送器將4～20 mA溫度信號傳送到PLC模擬量采集模塊中。觸摸屏與PLC通過RS485串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，系統(tǒng)數(shù)據(jù)在觸摸屏中進(jìn)行實(shí)時顯示，由PLC完成溫度采集、PID運(yùn)算及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

溫度傳感器采集鍍槽溫度，并將溫度轉(zhuǎn)化為4～20 mA模擬信號，模擬信號傳送到PLC的模擬量采集系統(tǒng)中，PLC通過內(nèi)部算法進(jìn)行處理并根據(jù)PID輸出結(jié)果對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動控制?？刂葡到y(tǒng)采用威綸MT6070I系列觸摸屏，該款觸摸屏通過RS-232串口與PLC進(jìn)行通訊，觸摸屏主要完成參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示、故障診斷及各種數(shù)據(jù)曲線展示。

食品干燥設(shè)備控制系統(tǒng)的控制核心為PLC，該系統(tǒng)采用擴(kuò)展能力強(qiáng)的松下AFPX-C60R作為PLC的CUP，通過PLC自帶的RS-232串口實(shí)現(xiàn)與觸摸屏通信，由COM6通信模塊將系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)監(jiān)控平臺。在PLC插件口配置一個模擬量輸出模塊DA2，該模塊能夠輸出4～20 mA信號從而實(shí)現(xiàn)對蒸汽調(diào)節(jié)閥的控制。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

為提高程序的可讀性、可編輯性，采用模塊化方式設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件。模塊化編程可以將工藝分成幾個分體程序，最后將分體程序組合在一起，所有的模塊按照一定組織方法組織起來，從而完成整個系統(tǒng)所要求的功能。軟件各部分都擁有自己特殊功能要求，以及便于后期程序修改和調(diào)試，也保證控制系統(tǒng)軟件的可移植性和可擴(kuò)展性，為此該控制系統(tǒng)軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)的方法。

控制系統(tǒng)主程序如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)主要由初始化模塊、設(shè)備啟停模塊、系統(tǒng)控制模塊三大模塊程序構(gòu)成。初始化模塊主要完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的初始化和故障排除以及聯(lián)鎖保護(hù)等任務(wù)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時機(jī)組則無法進(jìn)行啟動。設(shè)備啟停程序主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)各個設(shè)備的啟停進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)工作模式的切換。系統(tǒng)控制程序又包含很多子程序，通過調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)各小模塊的分別控制，在每個階段可以實(shí)現(xiàn)溫度、壓力及濕度等參數(shù)的自動更改。

圖3 控制系統(tǒng)主程序

3.2 模糊PID控制

食品干燥設(shè)備溫度系統(tǒng)具有非線性強(qiáng)、時變性等特點(diǎn)，單純的PID控制并不能滿足系統(tǒng)控制要求[11-15]。為此在PID控制器中引入模糊控制方法，模糊PID控制流程如圖4所示。模糊PID控制器參數(shù)調(diào)整方式為：

圖4 模糊PID控制流程

式中：Kp、Ki、Kd為PID控制器初始參數(shù)，ΔKp、ΔKi、ΔKdPID參數(shù)增量。通過溫度偏差e(t)和偏差變化率ec，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊規(guī)則對其參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。

4 仿真分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的食品干燥設(shè)備恒溫控制系統(tǒng)的性能，對控制系統(tǒng)中主要的模糊PID控制算法進(jìn)行仿真分析。如圖5為采用PID控制和模糊PID控制時的單位階躍響應(yīng)曲線。由圖5中仿真曲線可以看出，模糊PID控制曲線的超調(diào)量明顯小于傳統(tǒng)PID控制，且模糊PID控制方法的穩(wěn)定時間更短，這在溫度控制過程中非常重要，能夠快速實(shí)現(xiàn)各控制量的迅速動作，而單純的PID控制方法相對較弱。

圖5 仿真曲線

為進(jìn)一步驗(yàn)證食品干燥設(shè)備恒溫控制系統(tǒng)的溫度控制特性和響應(yīng)速度，采用實(shí)際的干燥設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和分析。在環(huán)境溫度25 ℃進(jìn)行試驗(yàn)，溫度設(shè)定范圍為140～200 ℃，溫度的實(shí)際采集值如表1所示。由表1可以看出，干燥設(shè)備的恒溫偏差在±0.1℃，這個精度完全能夠滿足食品干燥溫控要求。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

為解決食品干燥設(shè)備控制系統(tǒng)的非線性、時滯性以及控制精度低等問題，設(shè)計(jì)一款基于PLC的智能PID食品干燥設(shè)備控制系統(tǒng)。介紹干燥設(shè)備系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)以PLC和觸摸屏為核心的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。在硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件，并在傳統(tǒng)PID控制方法中引入模糊控制理論，利用模糊控制方法對PID參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整以達(dá)到提高系統(tǒng)響應(yīng)速度、提高控制精度的目的。仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，基于PLC的模糊PID控制系統(tǒng)能使食品干燥設(shè)備的溫度控制精度穩(wěn)定在±0.1 ℃，這個精度完全能夠滿足食品干燥要求。