红枣烘房温湿度自动控制系统的设计文档格式.docx
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通风排湿时，视烘房内相对湿度的高低和外界风力的大小，决定通风排湿的方法和时间的长短。
相对湿度高，外界风力较小时，则将进气窗和排湿窗全部打开，排湿时间较长。
反之，则可将进气窗和排湿窗交替开放，排湿时间较短，每次通风排湿时间以10～15为宜。
过短通风排湿不够，相对湿度仍高，影响红枣干燥速度和产品品质；
过长，随着潮湿空气的排出，室内温度也随之下降。
当干燥作用继续进行时，需要重新升高温度，耗煤量增加，成本提高。
每次通风排湿结束时，应与时将通风设备关闭，使烘房内温度迅速回升。
干燥作用继续进行时，感到空气干燥，呼吸顺畅，枣果表皮干燥而出现皱纹，则达到了通风排湿的效果[3]。
3烘房结构的设计
3.1烘房的外部结构
烘房外部结构如图所3-1示
过渡段
图3-1烘房结构
3.2烘房的内部设备
烘房的内部设备包括有：
观察窗、风机、热风炉、控制器、风门、鼓风机和排气窗，其布置如图所示
图3-2烘房设备安装位置
1）控制器
三相和单相两类，都带有正反转功能，具有防雷击保护、过流保护、输出短路保护等安全防护措施。
具有缺相（三相）、过载、短路保护和电流监测的功能。
烘房管理系统软件组网连接,通过计算机可读取所有网内控制器的工作过程记录。
变频器端口与变频器连接.实现风机的无极调速控制。
通过模糊自适应控制算法，自动控制鼓风机的启停和风门的开关角度，可靠并简捷控制烤房内的温度和湿度。
并具有智能报警和语音提示功能。
2）热风炉
选用耐酸钢、耐候钢制作，焊接部位选用与母材一致的焊材进行焊接。
金属外表面采用耐500℃以上高温、抗氧化、附着力强的环保材料进行防腐处理。
确保设备使用寿命10年以上。
3）轴流风机
风机叶片数量4个，采用内置直联电动机，叶轮顶部和风筒的间隙5，符合国家规定。
电动机F级绝缘（A级E级B级F级H级）[4]，选用优质高滴点温度轴承，方形框架结构，强度好，有单相、三相两种规格供选择，适合高温高湿环境使用。
4）风门和排湿窗
风门的风叶材料是厚度1.5冷轧钢标准板，内设冲压加强筋。
风门关闭严密。
风叶能在0～90°
开启，并在任意角度保持稳定。
电动机控制回路具有保护措施。
插座安装可靠，电动机连接到插座的连线绝缘性能好，不漏电，防雨淋。
排湿窗采用轻质材料，不易变形，开关灵活。
采用喷塑或镀锌处理，喷塑厚度不小于20μm，颜色纯正。
5）鼓风机
离心式鼓风机，运转稳定，但是风量较小，对热风炉起到辅助的作用。
6）温湿传感器
选择测量精度高，既有测干球温度又有测湿球温度，从而通过干球和湿球温度之差实现对湿度的测量，使用方便。
4烘房温湿控制系统的原理
干制过程中，要掌握温度调节、通风排湿与倒换烘盘等技术，以较短的时间获得较高质量的产品。
主要控制以下几大要点[5]：
对不同品种的红枣采用不同的干制温度和升温方式
根据烘房内相对湿度的高低，适时通风排湿
掌握干燥时间
4.1目标温湿度设定依据
影响烘房温湿度的因素有很多，通常烘房温度高、风流速度快则烘制速度就快，但是如果目标湿度设置不合适，比如设定目标湿度较低时，烘房的湿度很快就能达到目标湿度，造成风门打开过于频繁，外界冷空气进入烘房量加大，烘房内就很难保证较高的温度。
再者，目标湿度较低，就意味着排出的空气含水量较少，却排出了大量热量，造成很大的热损失。
这就提示我们，目标湿度要根据具体情况确定，过低会造成能源的浪费且红枣因温度较低而失水较慢，过高又会造成环境湿度大而造成的失水较慢，综合以上的因素，应选择刚好能达到目标温度的目标湿度值最为合适，这就需要根据烘制当时的现场条件摸索出这个值。
4.2温湿度控制系统的选择
4.2.1P的应用与特点[6]
随着农业科技的不断发展,大枣烘房的智能化不断提高,为提高红枣烘制品质,工作人员必须时刻对红枣烘房的温、湿度进行监测和控制。
为解决这一问题,多应用一种基于和温湿度传感器的智能温室控制系统,该系统实现了红枣烘房内温湿度的自动测量和调节。
即可编程序控制器，是在计算机的促进下发展起来的新一代顺序逻辑控制装置，它使用软件完成顺序逻辑控制功能，用计算机执行操作命令，实时操作。
因此，顺序逻辑控制功能的更改十分方便，并且其工作可靠性和运算速度都比较高。
并且具有以下特点：
灵活性和通用性强
是利用存储在机内的程序来实现各种控制功能的，因此在控制的系统中，当控制功能发生改变时只需要修改程序即可，的外部接线改变极少，甚至可以不必改动。
一台在用于不同的控制系统中，只改变其中的程序即可，其灵活性和通用性是其他电路无法比拟的。
可靠性高、抗干扰能力强
在控制系统中，大量的开关动作是由半导体电路完成，和同等规模的继电接触器相比，电气接线和开关节点已经减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
并且在硬件和软件方面都采取了强有力的措施，使其具有极高的可靠性和抗干扰能力，平均无故障率可达到几万甚至几十万小时以上。
编程语言简单易学
在是一种计算机产品，但是它的编程很容易掌握，的设计人员充分考虑了工程技术人员的技能和习惯，其程序的编制采用继电器形式的“梯形图”编程方式与命令语句表编程，只用的少量开关逻辑控制指令就可以方便的实现继电器电路的功能，这就使的程序简单并且容易被人掌握，为不熟悉的电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
体积小、重量轻、易于实现机电一体化
内部电路主要采用半导体集成电路，具有结构紧凑、体积小、重量轻、能耗低的特点，是实现机电一体化的理想设备。
4.2.2温湿度控制系统的工作原理
本系统主要由18B20型干湿球温度传感器、集成运算放大器（358）、A转换器（0809）、光电耦合器（521）和（S7-200系列）组成。
干湿球温度传感器用来采集烘房内干球温度和湿球温度信号,通过二者之差来得到湿度信号，将采集到的信号经0809转换成8路并行数字信号,信号通过光电耦合器传入将经转化后的信号与设定温、湿度值进行比较。
若转换后的温度信号若高于设定温度上限,则开窗降温;
若低于设定温度下限,则关窗并驱动加热设备。
转换后的湿度信号高于设定湿度上限,则启动风机;
若低于设定湿度下限,则关闭排湿窗并控制风机停止工作[7]。
其系统工作原理如图4-1所示：
图4-1系统工作原理图
5烘房温湿控制系统设计
根据系统具体指标要求，可以对每一个具体部分进行分析设计，整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。
5.1硬件设计
系统硬件框图结构如图5-1所示:
图5-1系统硬件框图
系统硬件连接图如图5-2所示
图5-2系统硬件连接图
5.1.1信号的采集
温湿度信号是由温湿度传感器采集并转化为电压信号,经运算放大器放大后分别接入A转换器（0809）的0、1号通道。
输出口Y0通过输出电路接到A转换器（0809）的地址选择输入端（A）,控制具体模拟量信号的转换。
5.1.2输入接口电路
在输入采样阶段,首先扫描所有输入端子,将各输入状态存入内存中的各对应的输入映像寄存器中（例如按钮1），接点闭合，就将1写入对应表示输入继电器X0所示的位上,1接点断开,则写入0[8]。
为了保证输入灵敏度当输入电流在4.5以上（X10以后为3.5以上）时,就把1写入相应的输入映像寄存器中,当输入电流在1.5以下时,就把0写入相应的输入映像寄存器中。
5.1.3系统的硬件配置
1）S7-200选型
S7-200系列是由德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程控制器，它能够满足多种自动化控制的需求，适用于各行各业，各种场合的检测监测和控制的自动化，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性以与强大的指令功能，可代替继电器在简单的控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。
S7-200系列可以根据对象的不同,可以选用不同的型号和不同数量的模块。
并可以将这些模块安装在同一机架上。
在S7-200系列中，单极性模拟量的输入/输出信号的数值范围是0～32000，双极性模拟信号的数值范围是-32000～+32000[9]
综合S7-200系列的各种特点，此类型的能满足红枣烘房的温、湿度自动控制的要求。
2）温湿传感器
18B20干湿球温度传感器如图5-3所示，它是美国半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度再通过一定的计算方式得到湿度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。
可实现高精度测温，转换时间为200[10]。
图5-3干湿球温度传感器
具体参数如下：
基本功能：
检测温度；
显示温度；
过限报警
主要技术参数
温度检测范围：
-55℃～+125℃
测量精度：
±
0.5℃
显示方式：
四位显示
报警方式：
三极管驱动的蜂鸣音报警
传感器放置位置
根据红枣烘房内温湿度的要求，应将传感器放置在正确的位置才能准确的测出烘房内的温度和湿度，通常将传感器放置在远离加热炉和排湿窗的位置，即通常放在烘房中间房顶出。
若离加热炉较近，则所测温度高于房内温度，若离排湿窗较近则，此处空气交换较为频繁，所测温度低于房内实际温度，因此传感器的正确位置直接影响到对房内实际温度的准确控制，进而影响到红枣的烘制品质。
3）A转换器（0809）
A转换器（0809）特点是：
8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以与相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右。
其内部逻辑结构如图5-4所示：
图5-4A转换器（0809）内部逻辑结构图
图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。
地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。
转换后得到的数据应与时传送给控制器进行处理。
数据传送的关键问题是如何确认转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。
为此可采用下述三种方式[11]。
定时传送方式
对于一种转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。
例如0809转换时间为128μs，相当于6的51单片机共64个机器周期。
可据此设计一个延时子程序，转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。
查询方式
转换芯片由表转换完成的状态信号，例如0809的端。
因此可以用查询方式，测试的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。
中断方式
把表转换完成的状态信号（）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。
不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。
4）集成运算放大器（358）
358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。
其脚位排列如图5-5所示：
图5-5358脚位排列图
其特性:
内部频率补偿
直流电压增益高约100单位
增益频带宽约1
电源电压范围宽：
单电源3～30V；
双电源±
1.5～±
15V
低功耗电流，适合于电池供电
低输入失调电压和失调电流
输出电压摆幅大，约为0至1.5V
5）光电耦合器（521）
用来隔离高频电路与低频电路，高频电路产生的高频信号会干扰低频电路，用光耦合器既能连接两个部分又能屏蔽高频信号。
5.2软件设计
在温、湿度自动控制器的软件设计中,采用了模块化设计。
各个部分分别设计成子程序,这样便于软件的升级和维护,同时在软件上也采取了防止程序跑飞（程序没有按指定的要求进行运行）的措施[12]。
5.2.1控制算法的设计
1）控制程序设计
模拟量闭环控制较好的方法之一是控制，在工业领域的应用已经有60多年，现在依然广泛地被应用。
人们在应用的过程中积累了许多的经验，的研究已经到达一个比较高的程度。
比例控制（P）是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
其特点是具有快速反应，控制与时，但不能消除余差。
在积分控制（I）中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
积分控制可以消除余差，但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。
在微分控制（D）中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
微分控制具有超前作用，它能预测误差变化的趋势。
避免较大的误差出现，微分控制不能消除余差。
控制，P、I、D各有自己的优点和缺点，它们一起使用的时候又和互相制约，但只有合理地选取值，就可以获得较高的控制质量[13]。
2）控制算法
图5-6带控制器的闭控制系统框图
如图5-6所示，控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。
偏差e和输入量r、输出量c的关系:
（1）
控制器的输出为:
（2）
上式中,
——回路的输出;
——比例系数P;
——积分系数I;
——微分系数D;
调节器的传输函数为：
（3）
数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后，计算机输出值。
其离散化的规律如表5-1所示：
表5-1模拟与离散形式
模拟形式
离散化形式
所以输出经过离散化后，它的输出方程为:
（4）
式（4）中，
称为比例项；
称为积分项；
称为微分项；
上式中，积分项
是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累积值[14]。
计算中，没有必要保留所有的采样周期的误差项，只需要保留积分项前值，计算机的处理就是按照这种思想。
故可利用中的指令实现位置式控制算法量[15]。
3）在中的回路指令
现在很多已经具备了功能，7就是其中之一有的是专用模块，有些是指令形式。
西门子S7-200系列中使用的是回路指令。
见表5-2。
表5-2回路指令
名称
运算
指令格式
指令表格式
，
梯形图
使用方法：
当端口执行条件存在时候，就可进行运算。
指令的两个操作数和，是回路表的起始地址，本文采用的是100，因为一个回路占用了32个字节，所以100到132都被占用了。
是回路号，可以是0～7，不可以重复使用。
回路在中的地址分配情况如表5-3所示。
表5-3指令回路表
偏移地址
数据类型
说明
过程变量（）
实数
必须在0.0~1.0之间
4
给定值（）/s
8
输出值（）
12
增益（）
比例常数，可正可负
16
采样时间（）
单位为s，必须是正数
20
单位为，必须是正数
24
微分时间（）
28
积分项前值（）
32
过程变量前值
（1）
回路输入输出变量的数值转换方法
在本系统中，设定的温度和湿度是给定值，需要控制的变量是烘房中的温度和湿度。
但它不完全是过程变量，过程变量和回路输出有关。
在本文中，经过测量的温度和湿度信号被转化为标准信号温度和湿度值才是过程变量，所以，这两个数不在同一个数量值，需要他们作比较，那就必须先作一下数据转换。
传感器输入的电压信号经过转换器转换后，是一个整数值，他的值大小是实际温度的把模拟量单元输出的整数值的10倍。
但指令执行的数据必须是实数型，所以需要把整数转化成实数。
使用指令就可以了。
如本设计中，是从0读入温度被传感器转换后的数字量。
实数的归一化处理
因为中除了采样时间和的三个参数外，其他几个参数都要求输入或输出值0.0~1.0之间，所以，在执行指令之前，必须把和的值作归一化处理。
使它们的值都在0.0~1.0之间。
归一化的公式如（5）:
（5）
式中,——标准化的实数值；
——未标准化的实数值;
——补偿值或偏置，单极性为0.0，双极性为0.5;
——值域大小，为最大允许值减去最小允许值，单极性为32000.双极性为6400。
本文中采用的是单极性，故转换公式为:
（6）
因为温度经过检测和转换后，得到的值是实际温度的10倍，所以为了值和值在同一个数量值，我们输入值的时候应该是填写一个是实际温度10倍的数，即想要设定目标控制温度为100℃时，需要输入一个1000。
另外一种实现方法就是，在归一化的时候，值域大小可以缩小10倍，那么，填写目标温度的时候就可以把实际值直接写进去[7]。
回路输出变量的数据转换
本设计中，利用回路的输出值来设定下一个周期内的加热时间。
回路的输出值是在0.0~1.0之间，是一个标准化了的实数，在输出变量传送给模拟量单元之前，必须把回路输出变量转换成相应的整数。
这一过程是实数值标准化过程。
（7）
S7-200不提供直接将实数一步转化成整数的指令，必须先将实数转化成双整数，再将双整数转化成整数。
程序如下：
1,1
1,34
4）参数整定
参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间和和微分时间，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。
一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。
目前，应用最多的还是工程整定法：
如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。
经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于温度控制系统，工程上已经有大量的经验，其规律如表5-4所示。
表5-4温度控制器参数经验数据
被控变量
规律的选择
比例度
积分时间（分钟）
微分时间（分钟）
温度
滞后较大
20~60
3~10
0.5~3
实验凑试法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。
整定比例控制
将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。
整定积分环节
先将步骤
中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。
然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应为止，确定比例和积分的参数。
整定微分环节环节
先置微分时间0，逐渐加大，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和控制参数。
根据反复的试凑，调出比较好的结果是120.3.01.0。
5.2.2主程序
图5-5主程序框图
5.2.3相关子程序
（1）温度比较子程序
为适应查表而对数据做必要处理。
Y
（2）数制转换子程序
完成十六～十进制之间的转换。
将采集到的信号进行十六和十进制之间的转换。
（3）温湿度之间的转换程序
由干球温度、干湿球温差求湿度值
（4）显示子程序
显示温、湿度值。
（5）输出子程序
根据设定值与测量值控制鼓风机、轴流式风机、排湿窗使现场达到相应温度和湿度。
（6）设定值输入子程序
由传感器读入温度。
其设定值包括温度上限值、温度下限值、湿度设定值。
5.2.4P程序设计
1）程序设计的方法
程序设计常用的方法：
主要有经验设计法、继电器控制电路转换为梯形图法、顺序控制设计法、逻辑设计法等[17]。
经验设计法：
经验设计法即在一些典型的控制电路程序的基础上，根据被控制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助触点和中间编程环节，才能达到控制要求。
这种方法没有规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，故称为经验设计法。
继电器控制电路转换为梯形图法：
用的外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器控制系统的功能。
顺序控制设计法：
根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成。
此法的关键是画出功能流程图。
逻辑设计法：
通过中间量把输入和输出联系起来。
实际上就找到输出和输入的关系，完成设计任务。
2）
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