基于PLC的家用野山菇干燥控制系統(tǒng)設計

吳子敬

（齊齊哈爾大學 計算機與控制工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

夏末秋初是野山菇的生長旺季，在此期間林區(qū)雨多，空氣潮濕，野山菇晾曬和干燥特別困難，易導致大量發(fā)霉腐爛。關于野山菇的干燥問題，國內(nèi)學者給出了一些相關的研究成果[1-4]。但現(xiàn)有成果主要著重于理論層面的分析和研究，出現(xiàn)在市場上的商用干燥裝備多是大型產(chǎn)品，其對象主要是進行大規(guī)模干燥生產(chǎn)的企業(yè)，而家庭用的干燥裝備較少，性價比不高。為此，本文設計了面向家庭的基于PLC 的野山菇干燥裝置控制系統(tǒng)，有效解決了林區(qū)家庭山貨干燥問題。

1 干燥系統(tǒng)的控制要求及組成

1.1 控制要求

干燥箱的溫度范圍為37～45 ℃，濕度范圍為10%～20%，間隔30 s 定時采集干燥箱內(nèi)溫濕度，循環(huán)顯示溫濕度。當溫度超限時系統(tǒng)發(fā)出聲光報警；可根據(jù)野山菇的新鮮狀態(tài)設置箱內(nèi)溫濕度的標準值。

1.2 系統(tǒng)構成

整個干燥系統(tǒng)由電氣系統(tǒng)和干燥箱組成，干燥箱的布置情況如圖1 所示。

圖1 干燥箱布置示意圖

2 硬件系統(tǒng)設計

電氣控制系統(tǒng)主要由PLC、EM231、EM235 模擬量輸入輸出模塊、文本顯示器、帶變送器的溫濕度傳感器、熱泵、加熱器、引風機等組成（圖2）。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

干燥控制系統(tǒng)屬小型單機自動控制系統(tǒng)，以西門子S7-200 CPU 224CN 為控制器，進行溫濕度數(shù)據(jù)采集和處理、完成加熱器的PID 控制以及風機和熱泵控制。

為使采集數(shù)據(jù)能夠準確反映干燥箱內(nèi)的溫濕度，可布置2 個檢測點。PLC 定時中斷時間設置30 s，工作狀態(tài)下，可從EM231 模擬量輸入模塊讀取2 路溫濕度檢測數(shù)據(jù)，取其平均值作為干燥箱內(nèi)的實際溫濕度值。

在干燥過程中，開通熱泵對野山菇進行去濕干燥處理，加熱器進行輔助加熱干燥，它根據(jù)溫、濕度實際數(shù)據(jù)，按照PID 控制規(guī)律，通過EM235 模擬量模塊進行D/A 轉(zhuǎn)換完成控制，加熱過程平穩(wěn)、精確。

MD204L 文本顯示器只需用自帶的通訊線連接到CPU224 的接口上即可。它與PLC 之間保持實時通信?？蓪崟r顯示溫濕度實際值、可以設置溫、濕度的標準值和限值。

3 系統(tǒng)軟件設計

干燥箱中的溫濕度的實時監(jiān)控和顯示是主程序、定時采集數(shù)據(jù)的中斷程序組成。

3.1 溫濕度標度變換

模擬量與轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的對應關系如圖3 所示，實際溫濕度值的線性標度變換[5]計算公式為

圖3 模擬量與轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的對應關系

其中，0A和mA（如4～20 mmA）為模擬量的標準電信號最小值和最大值；D0和Dm（如6 400～32 000）分別為A/D 轉(zhuǎn)換后0A和mA的對應值；A為模擬量的標準電信號值，D為A/D 轉(zhuǎn)換后A的對應數(shù)值。

3.2 加熱器PID 控制

加熱器模擬PID 控制規(guī)律[6]為

其中，e(t) 為偏差輸入函數(shù)；u(t) 為調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)；KP為比例系數(shù)；IT為積分時間常數(shù)；DT為微分時間常數(shù)。因為S7-200 CPU 中央處理單元只能處理離散化的數(shù)字量，而式(2)為模擬量函數(shù)，故要把式(2)轉(zhuǎn)化為離散形式的差分方程

其中，k為采樣序號，i= 0,1,2, …,i,…；u(k)為k采樣時刻的輸出值；e(k)為k采樣時刻的偏差值；e(k-1)為k-1 采樣時刻的偏差值?？蓪⑹?3)轉(zhuǎn)化成遞推關系形式，從而減小計算量和節(jié)省CPU 內(nèi)存占用量。

其中，SP為調(diào)節(jié)器的設定值；f(k) 為k采樣時刻的反饋值；f(k-1) 為k-1 采樣時刻的反饋值；f(k-2)為k-2 采樣時刻的反饋值。

3.3 程序流程圖

主程序先進行初始化，初始化主要完成定時中斷設置、中斷連接和開中斷。接著調(diào)用計算平均值子程序、溫濕度標度變換子程序和比較輸出子程序等，主程序流程圖如圖4 所示。計算平均值子程序?qū)Σ杉降? 路溫度數(shù)據(jù)計算平均值，作為干燥箱內(nèi)部的實際溫度和實際濕度，該數(shù)據(jù)存儲到PLC 的指定單元。由于溫度和濕度的流程圖結構相同，本文僅給出了計算溫度平均值子程序流程圖，如圖5 所示。在EM231模擬量輸入模塊中，選擇電流輸入和單極性輸出，溫度變送器輸出4～20 mmA 模擬量（對應37～45 ℃）對應于數(shù)字量為6 400～32 000，溫度標度變換子程序流程圖如圖6 所示。

圖4 主程序流程圖

圖5 計算平均值子程序流程圖

圖6 標度變換子程序流程圖

4 試驗測試

取樣野山菇150 kg 分層置于載車托網(wǎng)上，推到干燥箱內(nèi)合適位置。設置溫度和干燥時間，啟動干燥設備烘干。從試驗結果看，干燥后的菌菇形態(tài)飽滿，品質(zhì)良好，達到了預期目標。

5 結束語

本文設計的干燥控制系統(tǒng)，經(jīng)過長期實際運行表明，由于采用了熱泵去濕干燥，節(jié)能效果明顯，控制系統(tǒng)安全可靠，控制精度、生產(chǎn)效率和性價比都很高。在全封閉的干燥箱加工出來的野山菇，衛(wèi)生且無污染，經(jīng)濟價值大幅提高，干燥裝置具有一定的推廣應用價值。