基于PLC的隧道式竹材干燥窯控制系統(tǒng)研究

摘" 要：該文設(shè)計一套隧道式竹材干燥窯溫濕度系統(tǒng)，并通過對隧道式竹材干燥窯工作原理的分析，設(shè)計一套PID控制器進行溫濕度控制。然后，對隧道式竹材干燥窯濕度控制系統(tǒng)的硬件進行設(shè)計，以西門子S7-1200 PLC為主控制器，針對具體控制要求，選擇溫度傳感器和濕度傳感器，并進行電動機和風機的選擇、變頻器的選擇、人機界面的選擇和電氣原理圖的設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，采用博途軟件編寫該系統(tǒng)的程序，并在此基礎(chǔ)上畫出該系統(tǒng)的梯形圖。通過進行系統(tǒng)仿真與調(diào)試得知，該文設(shè)計的隧道式竹材干燥窯溫濕度系統(tǒng)可以有效實現(xiàn)對隧道式竹材干燥窯內(nèi)溫濕度參數(shù)的實時監(jiān)測和控制。通過對窯內(nèi)溫濕度參數(shù)的準確測量和控制，可提高竹材的干燥效率和質(zhì)量，為竹材加工行業(yè)提供更加科學、高效的干燥設(shè)備。

關(guān)鍵詞：PLC；竹材；干燥窯；PID控制；溫度控制

中圖分類號：TP273" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）25-0125-04

Abstract： A set of temperature and humidity system of tunnel bamboo drying kiln is designed. Through the analysis of the working principle of tunnel bamboo drying kiln， a set of PID controller is designed to control temperature and humidity. Then， the hardware of the temperature and humidity control system of tunnel bamboo drying kiln is designed. Siemens S7-1200 PLC is used as the main control master， and the temperature sensor and humidity sensor are selected according to the specific control requirements， and the selection of motor and fan， the selection of frequency converter， the selection of man-machine interface， electrical schematic design. On this basis， the program of the system is compiled by TIA portal software， and the ladder diagram of the system is drawn. Through the system simulation and debugging， it is known that the temperature and humidity system of the tunnel bamboo drying kiln designed in this project can effectively realize the real-time monitoring and control of the temperature and humidity parameters in the tunnel bamboo drying kiln. Through the accurate measurement and control of temperature and humidity parameters in the kiln， the drying efficiency and quality of bamboo can be improved， and more scientific and efficient drying equipment can be provided for bamboo processing industry.

Keywords： PLC; bamboo; drying kiln; PID control; temperature-controlled

在竹材的加工利用方面我國處于國際領(lǐng)先水平，國外在竹材干燥特性方面的研究很少，國內(nèi)在理論研究方面，對竹材干燥特性的研究與木材干燥特性的研究相比時間較短，還不夠成熟，專門的竹材干燥控制設(shè)備也較少，多數(shù)是利用木材干燥設(shè)備[1-2]。竹材加工企業(yè)以中小企業(yè)居多，實力不強，專業(yè)的竹材干燥企業(yè)很少。多數(shù)企業(yè)只是干燥自己使用的竹材，而且是僅憑經(jīng)驗操作，所以竹材的干燥質(zhì)量無法保障[3-4]。隨著竹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，專業(yè)劃分會越來越細，因此將出現(xiàn)專業(yè)的竹材干燥企業(yè)[5-6]。為了適應(yīng)目前企業(yè)規(guī)模小、專業(yè)化程度低的局面，迫切需要研究不同用途的竹材干燥基準，并開發(fā)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。隧道式竹材干燥窯是一種常見的竹材加工設(shè)備，其能夠?qū)χ癫倪M行有效的干燥處理，提高竹材的質(zhì)量和加工效率[7-9]。然而，在實際應(yīng)用過程中，由于竹材本身的特點及干燥環(huán)境的影響，窯內(nèi)溫濕度等參數(shù)的變化會對干燥效果產(chǎn)生重要影響。因此，如何實現(xiàn)對窯內(nèi)溫濕度參數(shù)的準確測量和控制，是隧道式竹材干燥窯研究中亟待解決的問題。

1" 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本隧道式竹材干燥窯溫濕度控制系統(tǒng)采用西門子公司的S7-1200 PLC作為核心控制器，對干燥窯的內(nèi)部參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集與處理，實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動，并與控制面板實現(xiàn)人機交互功能。上位機采用計算機實現(xiàn)對竹材干燥過程的統(tǒng)一管理和控制，檢測部分主要檢測工作過程中干燥窯內(nèi)溫濕度，并將采集的數(shù)據(jù)存入PLC中[3]。干燥設(shè)備內(nèi)加熱器控制干燥窯溫度，風機能夠?qū)⒏稍镅b置內(nèi)高濕度的熱空氣排出，保證干燥窯的濕度，促進竹材的干燥。圖1為本系統(tǒng)的總體設(shè)計框架圖。

2" 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

隧道式竹材干燥窯內(nèi)溫濕度可以自動控制。當加熱器通電時，干燥窯加熱升溫；通風機通電時，干燥窯通風。干燥窯內(nèi)裝有溫濕度傳感器，用來檢測溫度和濕度，實現(xiàn)對窯內(nèi)環(huán)境的自動控制。按下啟動按鈕后，隧道式竹材干燥窯的溫度和濕度控制系統(tǒng)按照圖2的主要電路步驟循環(huán)工作，直到按下停止鍵。在干燥機中，干燥機中的傳感器不斷地將干燥機中的實時信息反饋到控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)依據(jù)所采集到的信息來調(diào)節(jié)各個元件的運行狀況。這樣反復循環(huán)，最后才能完成竹材的烘干作業(yè)。

本文在系統(tǒng)總體方案的基礎(chǔ)下對隧道式竹材干燥窯溫濕度控制系統(tǒng)的硬件進行了選型，選擇了S7-1200 PLC作為主控制器對執(zhí)行元件進行控制，選擇PT100鉑熱電阻傳感器、Hydronix濕度傳感器對干燥窯內(nèi)的溫濕度進行檢測。通過干燥窯的尺寸對風機和電機進行計算選擇合適的風機和電機，同時設(shè)計出隧道式竹材干燥窯溫濕度控制系統(tǒng)的電路圖。

3" 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本隧道式竹材干燥窯溫濕度系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。打開電源，啟動PLC，將傳感器收到的信息轉(zhuǎn)化成可被PLC識別的信息，并在控制面板上進行顯示。使用者可以在控制面板的界面上，將有關(guān)的干燥參數(shù)輸入進去，然后啟動程序，發(fā)出有關(guān)的控制命令，從而對執(zhí)行機構(gòu)展開控制。因為干燥裝置使用了PID控制[8]，所以必須要有一臺外部的計算機。在干燥過程中，在打開開關(guān)之后，應(yīng)該先輸入各目標參數(shù)來進行設(shè)定，之后再對傳感器的模擬信號進行采樣，并對模擬量信號進行處理，將信號換算成各自的工程值，至此，控制目標和數(shù)據(jù)反饋都變得明確，之后就可以進入溫濕度控制。溫濕度由PID控制器進行控制，使系統(tǒng)溫濕度保持在目標狀態(tài)進行工作。將獲取到的數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)并持續(xù)干燥，若達到目標含水率，則干燥完成，結(jié)束工作。利用計算機編寫好對應(yīng)程序，包含主控制程序、溫濕度PID控制程序、顯示等功能模塊，將程序下載至觸摸屏和PLC控制器中，再將各部件通過通信線連接起來。

3.1" PID控制器設(shè)計

本文設(shè)計了隧道式竹材干燥窯溫濕度系統(tǒng)采用PID控制器實現(xiàn)對環(huán)境的控制，根據(jù)干燥設(shè)備的工作流程，完成各模塊的設(shè)計。在控制系統(tǒng)中，傳感器測量結(jié)果，PID控制器作出決策，相應(yīng)的設(shè)備作出反應(yīng)，再將測量結(jié)果與設(shè)定值進行比較獲得誤差，計算出修正值再輸入對系統(tǒng)進行控制。系統(tǒng)梯形圖如圖4—5所示。

3.2" 組態(tài)設(shè)計流程

隧道式竹材干燥窯溫度、濕度控制系統(tǒng)的上層單元狀態(tài)是通過可編程控制器的內(nèi)存來實現(xiàn)與工序間的交互。圖6是一種隧道式竹材干燥窯溫度和濕度控制系統(tǒng)配置的基本構(gòu)成，其中工藝參數(shù)是通過輸入輸出模塊存入PLC，而HIMI裝置則是通過可變參數(shù)存取PLC的對應(yīng)存儲器。

根據(jù)工程項目的需求，對隧道式竹材干燥窯的溫度和濕度控制系統(tǒng)進行了HMI的設(shè)計，主要包括以下內(nèi)容：

1）創(chuàng)建HMI測量和控制工程。采用組態(tài)方法創(chuàng)建一個HMI測量和控制工程。

2）通信聯(lián)接。HMI裝置與PLC、HMI裝置與配置PC之間的通信聯(lián)接。

3）確定變量（variable）。確定待測及受控的過程參數(shù)。

4）建立測量與控制圖。畫出測量與控制圖，把測量與控制圖中的元素與變量聯(lián)系起來，形成一套動態(tài)的測量與控制圖。

5）工藝數(shù)據(jù)存檔。采集、處理、存檔的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)，以一種趨向曲線或圖表的形式顯示或打印。

6）編輯警報信息。對警報信息進行編輯，配置離散量警報和模擬量警報。

3.3" 組態(tài)界面設(shè)計

組態(tài)界面是操作人員與控制系統(tǒng)聯(lián)系的媒介，通過組態(tài)界面實現(xiàn)對人機界面的控制。根據(jù)電路硬件原理圖，設(shè)計隧道式竹材干燥窯溫濕度系統(tǒng)的組態(tài)界面。圖7為系統(tǒng)手動界面，包含加熱器、電機的啟動與停止。

自動界面包括參數(shù)設(shè)置、啟動、檢測頁面，如圖8所示。通過對該界面進行操作，可以對干燥設(shè)備進行控制。進入?yún)?shù)設(shè)定界面，可以對目標含水率、環(huán)境需控制的溫濕度值，以及溫濕度開始工作的時間進行設(shè)定。干燥過程中，傳感器得到的環(huán)境參數(shù)可以被實時記錄，可以查看系統(tǒng)實時趨勢。當出現(xiàn)故障時，可以快速定位故障區(qū)域。

本文對隧道式竹材干燥窯溫濕度控制系統(tǒng)進行了軟件設(shè)計，其中包括編程軟件的簡介、程序流程圖的設(shè)計、梯形圖的編寫和系統(tǒng)組態(tài)的設(shè)計。在系統(tǒng)總體設(shè)計方案基礎(chǔ)上，在用博途編寫梯形圖的同時，設(shè)計HIMI人機界面。設(shè)計出一套適用于隧道式竹材干燥窯的溫濕度控制系統(tǒng)。

4" 隧道式竹材干燥窯溫濕度系統(tǒng)仿真與調(diào)試

4.1" 系統(tǒng)仿真分析

將程序載入軟件中，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)開始運行程序。閉合開始按鈕，程序開始運行；閉合停止按鈕，程序停止運行。隧道式竹材干燥窯溫濕度系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖9所示。

點擊各項操作，程序平穩(wěn)運行并觀察趨勢畫面，觀察到溫濕度的變化，控制程序仿真成功。

4.2" 系統(tǒng)調(diào)試和運行

運行調(diào)試就是對用戶程序進行匯編、連接、執(zhí)行，從而找出程序中的文法和邏輯錯誤，并將其排除和修正的過程。修改后的程序，看看有沒有邏輯上的錯誤。程序失控、中斷錯誤、輸入/輸出錯誤和結(jié)果不正確等是最常見的軟件錯誤，針對這些錯誤和現(xiàn)象，可以采用有針對性的方法來發(fā)現(xiàn)這些錯誤，并對程序進行修正，從而實現(xiàn)期望的功能。

根據(jù)需要，輸入梯形圖，將其轉(zhuǎn)化成指令表，并對其進行語法的檢查，在確認無誤之后，設(shè)置正確的通信口，將指令讀入到指定的可編程控制器ROM中，進行下一步的調(diào)試。

運行調(diào)試：對西門子S7-1200 PLC進行軟硬件調(diào)試后，按下“RUN”鍵。

進行調(diào)試：按下開始鍵，觀察運行狀態(tài)，看看是否可以隨時按下停止鍵使系統(tǒng)停止運轉(zhuǎn)。當系統(tǒng)關(guān)閉時，點擊開始鍵，看看能不能再次開始。

根據(jù)以上的調(diào)試情況，本隧道式竹材干燥窯溫濕度系統(tǒng)設(shè)計符合要求。

展開隧道式竹材干燥窯溫濕度系統(tǒng)組件的接線工作。在接線完畢之后，先不接通電源，首先要對隧道式竹材干燥窯溫濕度系統(tǒng)各個硬件部分各管腳間有沒有短路、錯接、脫線、接觸不良、虛焊和漏焊現(xiàn)象進行檢測。

在確認無誤之后，點動開關(guān)，查看西門子S7-1200 PLC的運行情況、各接口的接觸情況，并觀察接線的情況，如果發(fā)現(xiàn)不對勁，要馬上關(guān)掉總機，并對總機進行詳細檢查。然后再次做相同的試驗，直至一切如常。再測試隧道式竹材干燥窯溫濕度系統(tǒng)各個硬件是否正常，正常的話再次點動檢查，如此2～3次方可。

5" 結(jié)束語

本文首先對隧道式竹材干燥窯溫濕度系統(tǒng)的設(shè)計要求進行了分析，設(shè)計了隧道式竹材干燥窯溫濕度系統(tǒng)的總體方案圖，并對PID控制器進行設(shè)計分析。然后通過PLC選型、傳感器等硬件選型，完成了隧道式竹材干燥窯溫濕度系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計，同時，針對該系統(tǒng)的硬件部分，采用博途編程軟件，給出了該系統(tǒng)的控制程序和梯形圖的設(shè)計。最后，采用組態(tài)軟件設(shè)計了隧道式竹材干燥窯溫濕度系統(tǒng)的人機交互接口，并介紹了該系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試過程。

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