基于PLC 技術(shù)的循環(huán)式糧食干燥機控制系統(tǒng)設(shè)計

蘇 超

（慶陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 慶陽 745000）

糧食產(chǎn)后處理作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)，是根據(jù)生產(chǎn)加工需求，按照不同脫水程度要求，對糧食進行干燥處理[1]。農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)的快速發(fā)展，提高了糧食干燥作業(yè)效率。目前，應(yīng)用比較多的干燥機作業(yè)模式為連續(xù)式，單次干燥糧食高達百噸[2]。由于這種干燥機控制模式主要應(yīng)用于大型農(nóng)業(yè)經(jīng)濟，對于種植比較分散的糧食干燥處理來說，資源耗費較大，故不建議使用[3-4]。為了滿足小規(guī)模糧食干燥處理需求，我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究學(xué)者開發(fā)了小型干燥機控制系統(tǒng)[5]。由于系統(tǒng)采用開環(huán)控制，單次糧食干燥處理后的干燥程度參差不齊。為了彌補開環(huán)控制的不足，本文嘗試設(shè)計一種循環(huán)式糧食干燥機控制系統(tǒng)。

1 循環(huán)式糧食干燥機作業(yè)原理

循環(huán)式糧食干燥機與開環(huán)控制模式下的糧食干燥機差異較大，按照設(shè)定的干燥控制流程，采取多次干燥處理，直至機械設(shè)備中所有糧食的干燥程度達到標(biāo)準(zhǔn)。該設(shè)備的主要組成包括混流干燥段、換熱器、緩蘇段、熱風(fēng)爐、提升機、排糧段、皮帶機、除塵器、引風(fēng)機等。該設(shè)備作業(yè)過程中，將糧食放入皮帶機上，隨著傳送帶滾動，將其送往加料斗中[6]。利用提升機載運糧食至塔頂分糧段，達到單次干燥量時，自動分到下一個糧食干燥倉。待干燥的糧食將運往緩蘇段，而后轉(zhuǎn)入混流干燥段，經(jīng)過干燥處理后，流入排糧段[7]。水分檢測裝置安裝在排糧段，按照檢測標(biāo)準(zhǔn)，判斷本次干燥循環(huán)處理流出的糧食是否達到干燥標(biāo)準(zhǔn)，如果達到標(biāo)準(zhǔn)，則將此部分糧食運往干燥糧倉中存儲，反之，進入下一次循環(huán)干燥處理[8]。

2 循環(huán)式糧食干燥機控制系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能總體設(shè)計

根據(jù)循環(huán)式糧食干燥機作業(yè)原理，提出控制系統(tǒng)功能總體設(shè)計方案。本系統(tǒng)功能主要包括以下3 個方面：1）設(shè)置兩種作業(yè)模式，其中一種作業(yè)模式為自動化控制，運用PLC 核心控制器開發(fā)控制系統(tǒng)作業(yè)程序，實現(xiàn)干燥機自動化作業(yè)。另外一種作業(yè)模式為手動控制模式，主要應(yīng)用于干燥機發(fā)生故障工況，采用手動控制方式，逐一排查干燥機故障位置。2）采用模糊PID 控制算法，開發(fā)糧食水分干燥處理控制功能，實現(xiàn)干燥機設(shè)備的智能化操控。3）監(jiān)控干燥機作業(yè)期間糧食的溫度、濕度、水分等參數(shù)變化情況，為干燥循環(huán)控制提供參考依據(jù)。同時監(jiān)控干燥機組成結(jié)構(gòu)中各個裝置作業(yè)狀態(tài)，通過采集作業(yè)狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而判斷干燥機是否正常運行。

2.2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)選取PLC（型號為FX2N-32MT）作為核心控制器，利用該裝置下達設(shè)備作業(yè)驅(qū)動命令，采集各項指標(biāo)數(shù)據(jù)，將其作為循環(huán)干燥設(shè)備控制參考依據(jù)。PLC 的輸出端Y 連接的是中間繼電器，起到電機啟/停狀態(tài)控制作用。將觸摸屏與PLC 連接，作業(yè)糧食干燥作業(yè)信息數(shù)據(jù)顯示模塊，用于監(jiān)控系統(tǒng)操作作業(yè)狀態(tài)。其中，糧食干燥信息的處理使用到的工具為FX2N-4AD-TC，利用該工具將系統(tǒng)中的模擬信號采取轉(zhuǎn)換處理，生成數(shù)字信號，而后發(fā)送至PLC 控制器加以處理[9]。另外，本系統(tǒng)運用FX2N-4AD 模塊對傳感器采集到的糧食濕度信號加以處理，生成離散數(shù)字信號。系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

該設(shè)計方案中，利用傳感器采集環(huán)境溫度、熱風(fēng)溫度、進糧溫度、出糧溫度等數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)分析，判斷當(dāng)前是否需要對干燥機的作業(yè)參數(shù)進行調(diào)整。另外，運用水分檢測儀器采集進糧水分、出糧水分，通過分析采集到的數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前是否需要開啟下一次干燥處理循環(huán)操作。其中，PLC 與水分檢測儀器之間的通信連接是運用FX2N-485DB 通信板建立。系統(tǒng)中采集到的數(shù)據(jù)信號采取模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，而后轉(zhuǎn)入PLC 控制器，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析與處理后，將下發(fā)的控制信號，從模擬信號模式轉(zhuǎn)為數(shù)值信號模式，下發(fā)給排糧電機。根據(jù)糧食干燥程度，調(diào)控排糧電機作業(yè)期間轉(zhuǎn)速參數(shù)，從而實現(xiàn)干燥機高質(zhì)量排糧操控。另外，PLC 控制器的輸出端與提升電機、引風(fēng)機、出糧皮帶機、消煙除塵機、步進電機、進糧皮帶機連接，通過Output 信號口，將操控命令下發(fā)給這些設(shè)備，使干燥機得以按照程序操控命令有序作業(yè)。為了避免系統(tǒng)作業(yè)期間遭受某些因素影響，發(fā)生故障影響糧食干燥作業(yè)，本架構(gòu)增加了安全報警功能模塊，當(dāng)檢測到系統(tǒng)某個裝置作業(yè)異常時，則立即發(fā)出報警信號[10]。

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

3.1 系統(tǒng)主程序流程設(shè)計

本系統(tǒng)采用掃描方式獲取糧食干燥處理相關(guān)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析，下達循環(huán)干燥操作命令，經(jīng)過多次循環(huán)，使糧食得以達到干燥標(biāo)準(zhǔn)。干燥機作業(yè)模式開啟之前，根據(jù)糧食干燥處理要求，設(shè)置系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，循環(huán)干燥期間，如果糧食水分達到設(shè)定的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，則將此部分糧食運往糧倉存儲。以下為系統(tǒng)主程序流程。

第一步：系統(tǒng)初始化處理；

第二步：開啟數(shù)據(jù)采集模塊作業(yè)狀態(tài)，獲取上料位信號、入口端糧食水分信號、環(huán)境溫濕度等信號；

第三步：按照糧食干燥處理要求，設(shè)定模糊PID控制參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，即糧食干燥達標(biāo)情況下的水分?jǐn)?shù)值，同時設(shè)定干燥熱風(fēng)上限、下限等參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)；

第四步：開啟干燥機各個設(shè)備作業(yè)模式，對糧食進行自動化干燥處理；

第五步：檢測排糧口的糧食水分是否達到干燥標(biāo)準(zhǔn)，如果達到標(biāo)準(zhǔn)，直接從出口排出，反之，進入第六步；

第六步：檢測當(dāng)前干燥機的熱風(fēng)溫度是否超出了上限值，如果超出上限值，則自動關(guān)閉煙氣閥門。反之，利用模糊PID 控制算法，調(diào)整排糧電機轉(zhuǎn)速，延長干燥處理時間，循環(huán)干燥處理步驟，繼續(xù)運用熱風(fēng)等設(shè)備對糧食采取干燥處理，轉(zhuǎn)入第五步。

3.2 循環(huán)式糧食干燥機作業(yè)控制設(shè)計

3.2.1 控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計

糧食干燥工藝較為復(fù)雜，對干燥機控制要求較高，需要獲取準(zhǔn)確的糧食含水量數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前需要采取的干燥處理條件、干燥方式等，而后下達控制命令。為了改善控制器作業(yè)效果，彌補開環(huán)控制模式的不足，本研究引入模糊PID 控制算法，打造閉環(huán)糧食干燥控制結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要由模糊推理、PID 調(diào)節(jié)器、排糧電機變頻器、D/A 模塊、水分檢測儀組成，按照以下作業(yè)原理，開展糧食循環(huán)干燥作業(yè)。

設(shè)定糧食干燥水分目標(biāo)M0、出機糧食水分測定值M(k)，利用公式（1）計算水分偏差變化率、水分偏差，分別記為ec、e。將計算結(jié)果輸入模糊PID 控制器中，經(jīng)過模糊推理獲取多種工況下的修正量，記為ΔKp、ΔKd、ΔKi。運用公式（2），按照修正量整定傳統(tǒng)PID 參數(shù)，包括Kp、Kd、Ki。

上述公式中，ec(k)代表干燥次數(shù)為k條件下采樣水分偏差變化率，單位%；e(k)代表干燥次數(shù)為k條件下采樣水分偏差，單位%；M0代表糧食干燥水分目標(biāo)設(shè)定值，單位%；e(k-1)代表干燥次數(shù)為k-1 條件下采樣水分偏差，單位%；M(k)代表出機糧食水分測定值，單位%；ΔKp、ΔKd、ΔKi均為修正量，經(jīng)過模糊推理獲??；qkp、qkd、qki均為修正量對應(yīng)的修正系數(shù)；均為PID 控制器操控下的初始值；Kp、Kd、Ki均為調(diào)整處理后PID 控制器操控下的參數(shù)值。

3.2.2 模糊PID 控制設(shè)計

設(shè)定參數(shù)ec基本論域為[-0.6，0.6]，e基本論域為[-1，1]，模糊子集為{PM、NB、ZO、SN、PS、PR}，為子集中的元素賦予大小描述，模糊論域量化為{-3、-2、-1、0、1、2、3}。分別對元素Xec、Xe、ec、e的范圍進行劃分，如表1所示。

表1 模糊論域元素與基本論域元素對應(yīng)關(guān)系

通過對系統(tǒng)變量采取初始化處理，而后將模糊查詢表存儲至PLC 寄存器中，計算修正系數(shù)與量化因子，同樣存儲至PLC 寄存器中。判斷當(dāng)前是否到達采樣時間，如果達到，則采集糧食水分等參數(shù)數(shù)值，計算ec 和e，對計算結(jié)果分別量化處理，找到模糊論域中對應(yīng)元素，查詢離線模糊控制表，得到修正量ΔKp、ΔKd、ΔKi，將此部分?jǐn)?shù)值與修正系數(shù)做乘法運算，得到參數(shù)值Kp、Kd、Ki。創(chuàng)建PID 模擬量輸出與數(shù)字量輸出線性關(guān)系，運用D/A 模塊輸出排糧電機模擬量。根據(jù)輸出結(jié)果，控制排糧電機變頻器，配合循環(huán)干燥作業(yè)。

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 測試內(nèi)容與方法

本次仿真實驗按照系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，連接系統(tǒng)硬件設(shè)備，利用Matlab 軟件搭建仿真環(huán)境，以傳統(tǒng)PID控制作為對照組，以本文提出的模糊PID 作為實驗組，開展糧食干燥仿真測試實驗，各自生成響應(yīng)曲線，通過對比兩條曲線的PID 控制精度、超調(diào)量、系統(tǒng)作業(yè)穩(wěn)定性，判斷本文提出的控制系統(tǒng)方案是否可靠。

4.2 測試結(jié)果分析

仿真結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)PID 控制方法相比，本文提出的基于模糊PID 控制的循環(huán)式糧食干燥機作業(yè)控制系統(tǒng)，控制精度更高，系統(tǒng)作業(yè)穩(wěn)定性能較好，并且超調(diào)量改善效果較為顯著。因此，本文設(shè)計的循環(huán)式糧食干燥機作業(yè)控制系統(tǒng)可以作為糧食干燥處理的主要工具。

5 總結(jié)

本文采用PLC 自動化控制技術(shù)，設(shè)計一套循環(huán)式糧食干燥機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，以PLC 作為核心控制器，引入模糊PID 控制算法，創(chuàng)建循環(huán)式糧食干燥控制方法。經(jīng)過循環(huán)多次干燥處理，使得糧食能夠達到干燥標(biāo)準(zhǔn)。仿真測試結(jié)果顯示，本研究設(shè)計的糧食干燥控制系統(tǒng)，能夠提高干燥控制精度，超調(diào)量改善效果較為顯著。