谷物烘干机的PLC控制设计

谷物烘干机的谷物烘干机的 PLC 控制设计控制设计二二一一一一年年五五 月月二二十十日日摘 要谷物烘干机是一种自动化程度要求较高的机电设备，应用于农业生产中的农作物烘干领域在工业控制领域，随着电力电子技术、可编程序控制器与变频技术的发展，以 PLC 控制为核心的电控技术在各类机械设备中的应用越来越广，它将逐渐取代传统的继电器控制系统，上升为交流电气控制的主流。PLC 作为谷物烘干机的核心控制器，其在工业过程控制中体现了强大功能。当前，PLC 在国际市场上已成为最受欢迎的的工业控制畅销产品。本篇论文论述可编程控制器 PLC 对谷物烘干机自动控制：主要介绍谷物烘干机工艺流程，PLC 控制系统的设计、梯形图、程序编制等。关键词：PLC、谷物烘干机、自动控制ABSTRACTGrain drying machine is a high degree of automation required electromechanical equipment used in agricultural production, crops drying in the field of industrial control field, with the power electronics, programmable logic controller and variable frequency technology, the PLC Control as the core of the electronic control devices in various types of machinery used more and more widely, it will gradually replace traditional relay control system, electrical control of the exchange rose to the mainstream. PLC as the core of grain dryer controllers in industrial process control reflects the power. At present, PLC in the international market has become the most popular selling products for industrial control. This paper discusses the programmable logic controller PLC automatic control of grain dryers: grain dryer process introduced, PLC control system design, ladder, programming and so on.KEY WORDS: PLC, grain drying machine, automatic control目录目录摘摘 要要.IABSTRACT.II1 1 绪论绪论.11.1 本课题的研究意义.11.2 课题国内外研究现状.11.3 课题发展趋势.22 2 PLCPLC 概述及基本原理概述及基本原理.42.1 PLC 西门子系统的介绍.42.2 PLC 的应用.42.3 PLC 的特点及工作原理.53 3 谷物烘干机谷物烘干机.83.1 概述.83.2 国内外先进谷物干燥技术.83.3 干燥技术种类.93.4 谷物干燥机的设备与组成.103.4.1 循环式干燥机构造特点.113.4.2 谷物烘干机工作原理.113.5 谷物烘干机的控制要求.124 4 硬件设计硬件设计.144.1 PLC 与 CPU 型号的选择.144.2 系统机型选择与配置.174.3 主要参数计算.194.4 电源模块.204.5 底板或机架.204.6 PLC 系统的其它设备.204.7 PLC 的通信联网.205 5 自动控制系统设计自动控制系统设计.225.1 谷物烘干工艺流程.225.2 系统软件设计.235.2.1 流程图.235.2.2 系统梯形图设计.245.2.3 系统 STL 语句.275.2.4 梯形图与程序整理.29总结总结.31参考文献参考文献.32致谢致谢.331 绪论1.1 本课题的研究意义谷物收割后含水很高，要想让谷物达到安全仓储的条件（不霉变）必须把谷物的含水率降低到能够进行仓储的安全水分（即 12%为水稻仓储的安全水分） 。水稻不同于其他粮食的干燥，水稻是一种热敏性的作物，干燥速度过快或者参数选择不当容易产生爆腰。所谓爆腰就是谷物干燥后或冷却后，颗粒表面产生微观裂纹，这将直接影响水稻碾米时的碎米率，从而影响水稻的出米率，也直接影响到它的产量和经济价值，目前研制成功的很多谷物烘干机适用于稻谷、小麦、绿豆、高粱、黄豆等谷物。适合农场、粮站、粮食商等，此类谷物烘干机以热空气作为干燥介质，采用循环烘干设计，节省能量。而且更配有自动温度及水分检测控制仪，以免有过烘的情况出现，保证谷物的质量。随着我国农业产业化进程的推进, 农业机械化自动化水平不断提高, 各种形式谷物烘干机源源不断地推向市场。谷物烘干机的自动控制可用传统的电器控制, 也可用单片机控制, 还可用 PLC 控制。谷物干燥同时也是农业生产中重要的步骤，也是农业生产中的关键环节，是实现粮食生产全程机械化的重要组成部分。谷物干燥机械化技术是以机械为主要手段，采用相应的工艺和技术措施，人为地控制温度、湿度等因素，在不损害谷物品质的前提下，降低谷物中含水量，使其达到国家安全贮存标准的干燥技术。本设计主要探讨用对燃油循环式谷物烘干机进行自动控制, 实现谷物烘干全过程即进粮、循环烘干、出粮的自动控制。其系统结构简单, 运行稳定可靠。1.2 课题国内外研究现状对于高水分谷物烘干的PLC自动控制系统来说，主要是解决谷物的烘干过程问题，它普遍采用热风烘干系统。由于种种原因，将各种含水量不同的谷物混合在一起进行烘干的过程中，一方面会使烘干后的谷物所含水分可能低于规定值，从而带来经济上的巨大损失；另一方面，又可能使烘干后的谷物所含水分局部或整体略高出规定值，这样烘干后的谷物在其仓储的过程中依然会产生霉变，从而造成经济效益的下降。PLC自动控制是一种基于语言规则、推理的高级控制技术，是智能控制领域最活跃、最重要的分支之一。当今，PLC自动控制技术已广泛应用于工业、农业、国防、医学等诸多行业。然而，谷物烘干的基本目标是保持烘干过程稳定的前提下，以最低的烘干成本和能耗得到谷物最优的烘干品质。谷物烘干过程是典型的非线性、多变量、大滞后、参数关联耦合的非稳态传热传质过程，谷物本身又是一种复杂的生物化学物质，为达到上述目标，在烘干过程中必须不断地调整烘干参数，对烘干机工作过程进行控制。烘干过程的自动控制是实现烘干机优质、高效、低耗、安全作业的有效手段。实现烘干过程的自动控制，实现谷物烘干机的自动控制，对保证出机谷物水分均匀一致、烘干后谷物品质、减轻操作人员劳动强度及充分发挥烘干机生产能力等具有重要意义。1.3 课题发展趋势在21世纪的今天，谷物烘干贮存是非常的重要，它的贮存是关系到国计民生的大事，其中谷物的烘干是一个极其重要的环节。为了促进谷物加工存储企业的良性循环和持续发展，建立一个“优质、高效、持续”的农业生产模式为出发点，以应用极为广泛的人工智能技术PLC自动控制技术为核心，结合并充分考虑农业生产过程中的各种确定性和不确定性因素，在综合了计算机技术、决策推理理论、现代生产管理等科学技术的基础之上，研究和设计了PLC自动控制系统，来促进谷物加工存储企业在未来的发展中能够进一步提高经济效益，进一步优化各项经济技术指标。谷物烘干过程自动控制问题的研究开始于20世纪60年代。当时使用前馈控制、反馈控制、反馈-前馈控制和自适应控制等传统控制方法。传统控制理论采用差分方程或传递函数，把烘干过程系统的知识和已有的信息表达成解析式。但是在使用和设计本课题中的谷物烘干机机控制系统时会遇到很多困难，原因是：1. 谷物烘干过程是复杂的、时变的和非线性的；2. 某些烘干过程变量(如谷物品质和色泽)是不能直接测量的，有些变量(如谷物水分含量)的测量可能是不连续、不精确、不完整或不可靠的；3. 烘干机的过程模型是对实际过程的近似，而且需要大量的计算时间；4. 几乎不可能用一个适当的模型来表示像烘干过程这样一个非线性、滞后、时变的复杂系统；5. 谷物烘干机的被控变量和控制变量之间存在交互效应；6. 谷物烘干机的作业条件复杂，扰动变量的范围宽，难以调控。显然，要克服上述困难需要对谷物烘干机的传统控制方法不断改进，同时要探索新的、更有效的控制方法。20世纪70 年代，电子行业的进步，尤其是计算机技术的发展使得现在所谓的先进控制的思想得以广泛的传播。先进控制的目标就是为了解决那些采用常规控制效果不佳，甚至无法控制的复杂工业过程控制问题。近年来，现代控制和人工智能取得了长足的发展，为先进控制系统的实施奠定了强大的理论基础；而控制计算机是集散控制系统（DCS）的普及，计算机网络技术的突飞猛进，则为先进控制的应用提供了强有力的硬件和软件平台。总之，工业发展的需要、控制理论和计算机及网络技术的发展强有力地推动了先进控制的发展。然而计算机技术的飞速发展，人工智能控制理论也开始在烘干机控制中得到应用，明显改善了烘干机控制系统的性能。传统控制方法由于大滞后和对谷物烘干过程的非线性联系，不适于控制谷物烘干机。人工智能技术进步在工程领域中广泛应用，先进控制理论和控制方法应用到谷物烘干过程的自动化控制中，控制方法不断改进，控制效果提高。90年代后，过程控制己经开始向智能化发展，智能控制理论日益与烘干技术结合在一起，利用人工神经网络对烘干过程进行模型模拟和控制；专家系统应用于谷物品质预测、烘干过程控制和管理咨询等方面。与控制理论、仪表、计算机、计算机通信与网络等技术密切相关的先进控制系统，具有以下特点：1. 先进控制系统的理论基础主要是基于模型的控制策略，如:模型预测控制，这些控制策略充分利用工业过程输入输出有关信息建立系统模型，而不必依赖对反应机理的深入研究。2. 先进控制系统通常用于处理复杂的多变是过程控制问题，如大时滞、多变量耦合、被控变最与控制变量存在着各种约束等。采用的先进控制策略是建立在常规单回路控制基础之上的动态协调约束控制，可使控制系统适应实际工业生产过程动态特性和操作要求。3. 先进控制系统的实现需要较高性能的计算机作为支持平台。由于先进控制器控制算法的复杂性和计算机硬件两方面因素的影响，复杂系统的先进控制算法通常是在上位机上实施的。随着DCS功能的不断增强和先进控制技术的发展，部分先进控制策略可以与基本控制回路一在DCS上实现。后一种方式可有效她增强先进控制的可靠性、可操作性和可维护性。2 PLC 概述及基本原理2.1 PLC 西门子系统的介绍Programmable Logic Controller 简称为 PLC，即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。由定义可知，它是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的 PLC产品包括 LOGO，S7-200(CN)，S7-1200, S7-300，S7-400，工业网络，HMI 人机界面，工业软件等。西门子 S7 系列 PLC 体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7 系列 PLC 产品可分为微型 PLC（如 S7-200） ，小规模性能要求的 PLC（如 S7-300）和中、高性能要求的 PLC（如 S7-400）等。 2.2 PLC 的应用近年来，随着 PLC 成本的下降和功能大大增强，它也能解决复杂的计算和通信问题，应用面也日益增大。目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保、娱乐等各行各业。PLC 的应用范围通常可分为五种类型，现具体说明如下。顺序控制顺序控制这是当前 PLC 应用最广泛的领域，它取代传统的继电器顺序控制。PLC 应用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制，例如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、包装生产线、电镀流水线及电梯控制等。运动控制运动控制PLC 制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。在多数情况下，PLC 把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或数轴到目标位置。当每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。过程控制过程控制PLC 能控制大量的物理参数，例如温度、压力、速度和流量。PID（Proportional Integral Derivative）模块的提供使 PLC 具有了闭环控制的功能，即一个具有 PID 控制能力的 PLC 可用于过程控制。数据处理数据处理在机械加工中，出现了把支持顺序控制的 PLC 和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋势。著名的日本 FANUC 公司推出的 System10、System11 、System12 系列，已将 CNC 控制功能作为 PLC 的一部分。通信通信 为了适应工厂自动化（FA）系统发展的需要，首先，必须发展 PLC 之间、PLC 和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，PLC 数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电、故障时的对策等，日本富士电机公司开发的MICREX-F 系列就是一例。I/O 模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络联接构成集中管理信息的分布式网络系统。2.3 PLC 的特点及工作原理PLC 的特点的特点 高可靠性、抗干扰能力强1）所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与 PLC 内部电路之间电气上隔离。2）各输入端均采用 R-C 滤波器，其滤波时间常数一般为 1020ms.3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。4）采用性能优良的开关电源。5）对采用的器件进行严格的筛选。6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU 立即采用有效措施，以防止故障扩大。7）大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成表决系统,使可靠性更进一步提高 丰富的 I/O 接口模块 PLC 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。 另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。 配套齐全、功能完善、适用性强 PLC 发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。多种多样的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。 系统的设计、工作量小、维护方便、容易改造 PLC 是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。 体积小、重量轻、能耗低 以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm ，重量小于 150g 耗电仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想设备。PLC 的的工工作作原原理理当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (一) 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (二) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O 映象区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即 I/O 指令则可以直接存取 I/O 点。即使用I/O 指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从 I/O 模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 (三) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照 I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是 PLC 的真正输出。 3 谷物烘干机3.1 概述在农业生产中，谷物干燥是重要的步骤，也是关键环节，是实现粮食生产全程机械化的重要组成部分。谷物干燥机械化技术是以机械为主要手段，采用相应的工艺和技术措施，人为地控制温度、湿度等因素，在不损害其谷物品质的前提下，降低谷物含水量，使其达到国家安全贮存标准的干燥技术。我国是世界上最大的粮食生产国和消费国，年总产粮食约 5 亿 t。据统计，我国粮食收获后在脱粒、晾晒、贮存、运输、加工、消费等过程中的损失高达18左右，远远超过了联合国粮农组织规定的 5的标准。在这些损失中，每年因气候原因，谷物来不及晒干或未达到安全水分造成霉变、发芽等损失的粮食高达 5，若按年产 5 亿 t 粮食计算，相当于 2500 万 t 粮食，若每人每天食用 500g粮食，可供 6.8 万人食用 1 年。这数字是惊人的，把收到手的谷物损失降低到最低点，从这一意义上说，谷物干燥的机械化比田间作业的机械化更为重要，它是谷物丰产、丰收的重要保障条件。3.2 国内外先进谷物干燥技术日晒干燥和机械化干燥是谷物干燥常用的干燥方法。日晒干燥是我国延续了几千年的老方法，而机械化干燥是通过专业干燥机对谷物进行机械自动化干燥。在马路上晒谷不但危害交通，也污染谷物；用晒谷场晒谷，又浪费宝贵的土地资源。人工晒谷耗费大量人力，成本高，稻谷质量无法掌控。遇到梅雨天就无法晒谷，无法将掌握其收成，很不科学。我国粮食产区特别是南方地区，稻麦收获期常常出现阴雨梅雨天气。农民最担心的就是谷物收获期遇上阴雨霉雨天气，因为这种天候收获的谷物含水率都是非常高，造成湿谷来不及晒干或无法达到安全水份，因而产生霉变发芽。湿谷没有及时干燥，除了经济上的损失外，谷物还会产生黄曲霉，黄曲霉的毒性非常强，可引起肝的癌变,严重危害人类健康。所以，谷物只要含水率过高，都有可能会产生黄曲霉。如果可以马上进行干燥，就能抢救谷物免于霉变发芽，杜绝黄曲霉产生，所以抢先将谷物干燥到安全的含水率是储粮安全的首要条件。由于人工晒谷的局限性，无法解决及时干燥谷物和保证谷物高质量的问题，难以面对国内对谷物质量的需求及国外市场的竞争。据估计我国农户收割后及储粮损失率在8%10%，每年损失粮食超过150亿公斤，损失高达300-600亿元。相对于人工晒谷，机械化干燥不但不怕阴雨天，整个干燥过程的质量都是科学化自动监控的。全面推广干燥机械化，配合低温均匀干燥的技术，生产出的优质米就可高价外销世界各地，创收外汇。不但不用担心进口大米的竞争，还可享受出口优质大米带来的收益。现今欧、美、日等发达国家都全面采用干燥机械化，谷物质量都很高，所以谷物干燥机械化是必走之路。3.3 干燥技术种类1、对流干燥法对流干燥法作为最常用的谷物干燥方法，它是将加热的空气或气流与冷空气的混合气以对流的方式接触物料，从而进行热交换。蒸发出来的水分则被干燥介质（空气等）带走。这种方法的主要特点是干燥介质的温度和湿度容易被控制，可避免物料发生过热现象（过干燥）而降低其品质。国内外企业中，上海的三久公司和日本的金子公司生产的干燥设备大多是采用对流干燥方法。2、吸收干燥法吸收干燥法是利用常温接触的干燥工艺进行干燥的方法。它一般采用两种方法，一是湿的谷物和谷糠（含水率2%-3%）进行混合贮存，实现对湿谷的干燥；另一种方法是湿谷和干谷（含干率为12%-14%）进行混合贮存，然后再对谷物进行通风，实现对谷物的干燥。吸收干燥法的优点明显，用这种方法进行干燥时不需要谷物临时贮藏设备及配备大型风机，不用加热谷物，而且，每一次接触干燥，湿谷中的水分向谷糠中转移的过程大约需6小时左右完成，节省了干燥时间。3、仓式干燥法这种干燥方法是一种经济、有效地处理各种高水分谷物的科学手段。它不仅可以改善工作条件，克服外界环境的制约，同时具有设备简单、投资少、可与现有仓储机械通风系统联网配套使用，干燥粮食品质好，处理费用低等优点。4、联合作业干燥法联合作业干燥法是把传统的干燥方法进行综合考虑，联合作业进行干燥的方法。这种方法是通过控制谷物的干燥速度和通风的气流的速度进行干燥。美国福特斯公司采用烘干通风干燥法对谷物进行干燥。用顺流逆流组合干燥方法对谷物进行干燥在德国广泛应用。5、微波干燥法如果物料的初始含水率很高，物料内部的压力非常快地升高，则水分可能在压力梯度的作用下从物料中排除。微波干燥过程中，温度梯度、传热和蒸汽压迁移方向均一致，从而大大改善了干燥过程中的水分迁移条件，当然要优于常规干燥。同时由于压力迁移动力的存在，使微波干燥具有由内向外的干燥特点。即对物料整体而言，将是物料内层首先干燥，这就克服了在常规干燥中因物料外层首先于干燥而形成硬壳板结阻碍内部水分继续外移的特点。6、红外干燥法它是利用物料吸收有一定穿透性的远红外线使内部自身发热、湿度升高导致失水，具有保质、干燥快和节能等特点。但由于远红外干燥作业靠较高温度的远红外辐射板辐身大量远红外线来工作，整个干燥室必存在温度和物料失水的不一致，易导致箱体内各处温度分布、物料水分含量差异进行研究，其结论将对远红外干燥设计、干燥工艺参数选择具有指导意义。结论：考虑到谷物烘干后的品质等综合因素，本设计选择对流干燥法，并与PLC自动控制技术两相结合，干燥时，要特别注意稻谷的干燥，它属于热敏性作物，干燥过快或参数选择不当，就会出现爆腰，从而影响其最终的出米率，即产量和经济价值。3.4 谷物干燥机的设备与组成谷物干燥设备种类很多，他们的原理和操作方法也是各不相同，用途也有所差异。这里我们先来介绍两种应用不同方式进行谷物干燥的干燥机。1、箱式通风干燥机箱式通风干燥机，属于静置式干燥机。它由燃烧室和干燥室组成。其中，燃烧室包括控制箱，热风机，油箱。干燥室包括热风室，网板，箱板。箱式通风干燥机结构简单，价格相对比较低，并且操作简单，是一种通用型的干燥机。适合用来干燥谷物的种子和各种颗粒状物品，如花生，辣椒，蒜头，咖啡等。2、循环式干燥机循环式干燥机，是日本、东南亚以及我国最广泛使用的干燥机。循环干燥机主要由大漏斗，热风机，油箱，电脑水份计，升降机，排风机，仓库层，出谷管组成。结论：本设计选择循环式干燥机，结构和操作简单，在我国使用较广泛。3.4.1 循环式干燥机构造特点提升机提升机采用大型提升机，可以最大限度地错段进排料时间，从而提高干燥机的工作效率。干燥部干燥部干燥部为筛网形构造，横流8层干燥层，干燥面积大而均匀，干燥效率高。 水分仪水分仪单粒水分仪，所测定的每粒谷物的水分值经控制盘运算处理后，在显示屏上显示数字。在进行运算处理时，取样中的未熟粒及干瘪粒的测定值被自动剔除，可以精确地显示谷物的水分值。根据谷物特性可进行品种设定；干燥过程中的水分，通过电子显示屏可以在线确认；干燥机自动停止后，在排粮前，一直显示最终水分值；由于外界条件影响，当显示水分值与真实水分产生误差时，可以通过水分修正旋钮进行修正。 风选分散机风选分散机风选分散机可在谷物循环过程中以风选的方式除去谷物中的夹杂物，同时将谷物均匀地分散在料仓内。 生物质燃烧炉生物质燃烧炉( (也可作为煤炭燃烧炉也可作为煤炭燃烧炉) )以碾米工厂的废弃物-稻壳为燃料，通过换热器将洁净空气加热，以洁净的热空气为干燥介质，实现零污染干燥。热源为再利用的产业废弃物，可以使干燥成本降到最低点。生物质燃料的二氧化碳排放量可视为零，为保护地球，减少环境负荷做贡献。3.4.2 谷物烘干机工作原理 装粮时，料斗中的谷物通过提升机，将谷物提到主机仓顶，再通过上绞龙将谷物送入干燥箱体直到装满。烘干时，排粮机构不间断地将干燥段底部的谷物排给下绞龙，下绞龙将谷物送给提升机提升至上绞龙，再由上绞龙将谷物送人缓苏仓，缓苏仓的谷物在自重作用下，从上到下慢慢地移至四个干燥段，谷物进入干燥段的瞬间至第二次进入干燥段的瞬间为一个循环。经热风炉间接加热后的空气，在离心式引风机作用下，被送入干燥段热风室，热风自热风室连续横向穿过干燥段的薄谷层，热风流动的方向与谷物移动方向互呈交叉，热风气流与谷物获得较充分的接触，使谷物加热、升温、降水，谷层干燥后的废气由废气室排出机外。这样周而复始地实现循环干燥，直至谷物含水量符合所要求的入仓标准为止。 谷物进入缓苏段期间，不通风受热，但这时的谷物刚离开干燥段，保持着一定的温度，由于谷粒的表面和内部存在温差和湿差，促进谷粒内部水份逐渐向外移动，逐渐趋势于平衡，为下一个循环升温、降水创造条件。3.5 谷物烘干机的控制要求1、干燥温度的控制 温度超过 45且加温速度过快将导致谷物爆腰。这是因为在干燥过程中谷粒的水分形成内高外低的含水率梯度，使水分从内向外移动。受热的谷粒形成外高内低的温度梯度，温度差使水分由外向内移动，两个方向相反的水分移动相互对抗，致使在谷粒表层附近出现一个水分移动的缓慢区，阻止水分迅速外移。谷粒表层水分很快失去而收缩，从而出现裂纹。 温度达到 40时导致米质变坏.含水率在 25以上的稻谷用 40 以上的高温干燥时，谷粒氨基酸的结构发生变化，新米的香味丧失，陈米的臭味大，食味明显恶化。高温干燥的稻谷必定口感差 。温度超过 38将导致种子发芽率降低。高水分谷物在高温干燥的初期，已处于种芽的诱发状态。胚芽获得养料破胸露白，继而发芽。随着干燥过程的进行。这种状态在干燥去水过程中消失，嫩芽被烧死 。所以用作种子的稻谷千万不能用高温热风干燥。温度过低，不能将谷物烘干。因此在操作过程中要严格控制干燥温度，每 1O分钟检测谷温，现在比较先进的低温烘干机设有谷温传感器，当温度过高就能自动控制。2、干燥速度的控制 实践表明，谷物干燥速度过快会使爆腰率增加。一般每小时降水率不得高于1%，当谷物含水率高于 22%的高水分区是，按定温控制，低于 22的中低水分区时，采用干燥速度控制，减少因快速干燥引起的爆腰 。一般谷物烘干机的干燥速度分为快 、较快 、一般 、较慢 、慢等五级 。 3、干燥间隙的设定 干燥过程中，谷粒表层先干燥，而谷粒中心部分水分来不及扩散，此时继续通以热风，干燥效率则降低 ，此时如停止加热 ( 称“缓苏” ) ，谷粒本身的热量仍会使部分水分向外散发，同时谷粒的内外水分在缓苏期间逐渐拉平。因此，间隙干燥(加热一缓苏反复循环，直至达到中止水分)是稻谷干燥的最佳方案。实践证明，加热 15 分钟左右后，停止加热 45 分钟再进行加热的流程效果最好。4、谷物水分的控制 过度干燥是指谷物干燥过分，致使谷物含水率低于规定的安全贮存含水率。过度干燥不仅使稻谷食味变坏，碾米时出米率降低，还造成经济上的巨大损失。一般干燥到 15的含水率即可。较先进的低温烘干机有自动水分计 ，当测定值接近设定值时，燃烧炉自动熄火并停机。 只有掌握正确的操作方法，烘出的谷物冷的、品质好、发芽率高，且干燥速度快、省油、省电、成本低 。 4 硬件设计4.1 PLC 与 CPU 型号的选择 PLC与其他微型计算机相比,更适于在恶劣的工业环境中运行,且数据处理功能大大增强, 具有强大的功能指令，编程也极为方便简单编程指令具有模块化功能,能够解决就地编程、监控、通讯等问题。PLC 的梯形图语言清晰、直观、可读性强, 易于掌握。PLC具有丰富的功能指令，能实现加减乘除四则运算及数据传送比较移位等功能，还具有实时时钟指令，可方便的实现定时显示。可靠性高，丰富的I/O接口模块，采用模块化结构，编程简单易学，安装简单，维修方便。由于西门子的PLC应用广泛且价格较便宜。本设计选用西门子S7-200系列。 CPU 在满足控制要求的前提下选型时应选最佳的性价比，一般可以从以下几个方面考虑：1.I/O 点数估算 I/O 点数是 PLC 的一项重要指标。合理选择 I/O 点数既可使系统满足控制要求有可使系统总投资最低。PLC 的输入输出点总数和种类应根据被控对象的模拟量、开关量、输入/输出设备状况（包括模拟量、开关量、输出类型）来确定，一般一个输入输出元件要占用一个输入输出点。考虑到今后的扩充，一般应估计的总点数再加上 15%20%的备用量。本设计所占用的 I/O 点数计算： 输入信号：开始按钮，需要 8 个输入点；停止按钮，需要 1 个输入点；以上共需要 9 个输入信号点，考虑以后对系统的调整与扩充留有 20%的备用点，即用920%=1.8，取 2 个点，这样共用 11 个输入点。 输出信号：控制提升机、上绞龙、风机下绞龙、排粮轮、燃烧机、排粮管，共需要 6 个输出点考虑以后对系统的调整与扩充留有 20%的备用点，即620%=1.2，取 2 个点，这样共用 8 个输出点。2、用户存储容量估算 用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如 I/O 点数、控制要求、运算处理量、量程结构等。因此在程序设计之前只能粗略的估算。根据经验，每个I/O 点及有关功能器占用内存大致如下：开关量输入元件：1020B/点；开关量输出元件：510B/点；定时器/计数器：2B/个；模拟量：100150B/点；通信接口：一个接口一般需要 300B 以上；根据上面算出总字数再加上 25%左右的备用量，就可以估算出程序所需要的内存量，从而选择合适的 PLC 内存。本设计所需 CPU 内存的计算：开关量输入元件 9 点1020B/点90180B；开关量输出元件：6 点510B/点3060B；模拟量：1 点100150B/点100150B； 系统中有由湿度传感器输入的一路模拟信号，所以选择 CPU224XP 即可满足控制要求。 本系统还有两个 LED 显示器，每个需要 8 个数字量输入控制，可扩展两个EM222。EM222 为 8 点数字输出模块。 在这里我们将系统选择为 CPU224（14 入/10 出继电器输出）一台，加上一台扩展模块 EM222(4AI/IAO)。整个 PLC 系统的配置如图 2.2 所示。 所有输入点用 24V 电源公用一个公共点（0V 点） ，且无须外部提供 24V 电源。对继电器输出分别提供 4 个公共点，各个公共点间相互独立，提供 4 个独立的输出通道，对应有隔离要求的输出控制。 CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。3、I/O分配 PLC 对输入/输出定义号采用分别编号的原则进行定义号分配，输入信号点用I 表示，输出信号用 Q 表示，其中输入从 I0 开始依次分配，见表 4.1，输出从 Q0开始依次分配，见表 4.2。主机单元CPU224AC/DC 继电器模拟量单元EM 2224AI/IAO图5.1 CPU配置图 编号输入定义号输入信号1I0.0进料按钮2I0.1通风循环按钮3I0.2热风循环按钮4I0.3急停按钮5I0.4提升机，上绞龙启动按钮6I0.5风机启动否7I0.6下绞龙启动否8I0.7排粮轮启动否9I1.0谷物水分检测10I1.111I1.2编号输出定义号输出信号1Q0.0提升机，上绞龙启动2Q0.1风机启动3Q0.2下绞龙启动4Q0.3排粮轮启动5Q0.4燃烧机（点火）启动6Q0.5谷物水分达标报警7Q0.68Q0.7表 4. 1 输入信号分配表表 4. 2 输出信号分配表4.2 系统机型选择与配置系统选用 SM-16R PLC，其中 10 点 DC24V 输出，6 点继电器输出，AC85V-264V 电源，如表 4.3 所示。ABFG+24V0VI1.1I1.0I0.7I0.6I0.5I0.4I0.3I0.2I0.1I0.0SM-16RAc1Ac2FGQ0.5Q0.4Q0.3C3Q0.2C2Q0.1C1Q0.0C0 所有输入点用 24V 电源共用一个公共点（0V 点） ，且无需外部提供 24V 电源。对继电器分别提供 4 个公共点，公共点间相互独立，提供 4 个独立的输出通道，对应有隔离要求的输出控制。每台烘干机有 1 只水分检测器，1 只数显表。总的输入点为开关量 9 点，模拟量 1 点，输出点为开关量 6 点。其电路及接口如下：1.主控制电路图 4.2 谷物烘干机主电路图表 4.3 SM-16R 端子台分配表2.系统控制电路3.PLC 外围设备连接 图 4.3 系统控制电路图图 4.4 外围设备接口 4.PLC 控制系统 I/O 端子接线图 4.3 主要参数计算1) 断路器 QS 为供电系统电源开关，其主回路控制对象为电感性负载交流电动机，断路器过电流脱扣值按电动机起动电流的 1.7 倍整定。烘干机有 2.2kW 负载电动机 7 台，而且工艺要求 7 台电动机单独起动运行，因此可根据 2.2kW 电动机选择自动开关 QS 脱扣电流 IQS：IQS1.7IN，选用 IQS的断路器。2) 熔断器 FU 熔体额定电流 IFU。以曝气风机为例，IFU2IN，选用 IFU的熔体。其余熔体额定电流的选择。3) 热继电器的选择请参考有关技术手册，负载额定电流的 1.2 倍。4)能耗制动参数计算制动电流 ID1.5IN 直流电压 UDRID 整流变压器二次侧交流电流 I2 ID /0.9电压 U2UD/0.9 整流变压器容量 S= I2 U2图 4.5 PLC 控制系统 I/O 端子接线图4.4 电源模块 PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC） ，直流电源（常用的为24VAC） 。 4.5 底板或机架 大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 4.6 PLC 系统的其它设备 1、编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。 2、人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 3、输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。 4.7 PLC 的通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显着，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。 PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。 PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。 对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲，选择网络非常重要的。首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。5 自动控制系统设计5.1 谷物烘干工艺流程 谷物烘干工艺要求：谷物烘干工艺要求： （1）谷物经进料斗进入提升机，在此判断其所含水分是否超标。 （2）如果超标，则经上绞龙、调质仓和干燥仓进行烘干处理，再经排粮仓和下绞龙返回提升机。 （3）对于烘干后的谷物，再判断其所含水分是否超标。如果所含水分达标，则排量管排出，进行打包，流程结束；如果所含水分仍未达标，则进行循环烘干，直至达标为止。 （4）烘干时，一般采用较低的热风温度(50-60)烘干谷物(如果是烘干谷物种子则温度不超过 40)，加热与缓苏在同一机体内进行，采用较短的加热时间(约 8 分钟)和较长的缓苏时间(约 l 小时)处理仓内谷物。 高水分谷物进料斗提升机排粮管上绞龙排粮轮下绞龙干燥仓调质仓谷物水分达标谷物水分不达标图 5.1 谷物烘干工艺流程打包5.2 系统软件设计5.2.1 流程图 根据谷物烘干机的工艺要求，系统主要有谷物水分检测和燃烧机的控制。水分检测每隔一定时间要进行一次, 将检测到的谷物水分与给定值比较,如果检测谷物水分不大于谷物水分给定值, 则控制燃烧机熄火, 反之则控制燃烧机点火燃烧。谷物烘干机的热风循环自动控制部分的程序框图, 如图 4.2 所示。 启动上绞龙，提升机启动下绞龙启动结束不小于给定值燃烧机点火启动燃烧机熄火启动风机启动谷物水分给定值图 5.2 热风循环自动控制部分程序框图5.2.2 系统梯形图设计PLC 梯形图是根据继电器控制电路图来设计的, 它与电气原理图相对应。每个控制功能由一个或多个语句组成的用户程序来执行, 每条语句是规定 CPU 如何动作的指令,其作用和微机的指令一样, 而且 PLC 的语句也是由操作码和操作数组成的。PLC 是以扫描方式从左到右, 从上到下的顺序执行用户程序, 扫描过程按梯形图梯级顺序执行, 上一个梯级的结果是下一梯级的条件。一个工程问题可分解成多个相对独立的小问题, 最后形成一个完整的系统，如图 5.3，5.4 所示。图 5.3 梯形图图 5.4 梯形图续图5.2.3 系统 STL 语句图 5.5 STL 语句5.2.4 梯形图与程序整理I0.0M1.1M0.0T33Q0.0M0.1M0.2T34M0.0T33I0.4M0.1M0.2M1.2T34I0.6M0.3M0.4M1.3Q0.1M0.3M0.4T35Q0.2M0.5M0.6T35I0.7M0.5M0.6M1.4T36Q0.3Q0.4T36T36T36Q0.5I1.0I1.0 图 5.6 梯形图图 5.7 热风循环自动控制部分程序图0000LDI0.00021=M0.40001OM0.00022TONT35,500002ANM1.10023LDT350003=M0.00024=Q0.20004TONT33,500025LDI0.70005LDT330026=M0.50006=Q0.00027LDM0.50007LDI0.40028OM0.60008=M0.10029ANM1.40009LDM0.10030=M0.60010OM0.20031TONT36,500011ANM1.20032LDT360012=M0.20033=Q0.30013TONT34,500034LDT360014LDT340035AI1.00015=Q0.10036=Q0.40016LDI0.60037LDT360017=M0.30038ANI1.00018LDM0.30039=Q0.50019OM0.40040END0020ANM1.3总结这次谷物烘干机的 PLC 控制系统设计毕业设计历时两个月，在这整整两个月的日子里，可以说是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次设计，进一步加深了对 PLC 的了解，让我对它有了更加浓厚的兴趣。特别是当每一个子模块编写调试成功时，心里特别的开心。但是在编写顶层文件的程序时，遇到了不少问题，特别是各元件之间的连接，以及信号的定义，总是有错误，在细心的检查下，终于找出了错误和警告，排除困难后，程序编译就通过了，心里终于舒了一口气。在波形仿真时，也遇到了一点困难,想要的结果不能在波形上得到正确的显示:在设定输入的时钟信号后，计时器开始计数，但是始终得不到想要的结果。后来，在多次的调试之后，才发现是因为输入的时钟信号对于器件的延迟时间来说太长了。经过屡次调试，终于找到了比较合适的输入数值：时钟周期设置在5秒左右比较合适。其次，在连接各个模块的时候一定要注意各个输入、输出引脚分配，因为每个分配是不一样的，分配不一样，所得的结果就不一样，在器件的选择上也有一定的技巧，只有选择了合适当前电路所适合的器件，编译才能得到完满成功。通过这次毕业设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，在实验过程中难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。同时也确定了，PLC 烘干机自动控制系统与传统的电器控制和单片机控制比较, 具有稳定、可靠、设备结构简单, 成本低等优越性。完全适用于各种型号的燃油式谷物烘干机自动控制,具有广阔应用前景。总的来说，这次设计的谷物烘干机自动控制还是比较成功的，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的悉心的指导下，终于迎刃而解，有点小小的成就感，终于觉得平时所学的知识有了实用的价值，达到了理论与实际相结合的目的，不仅学到了不少知识，而且锻炼了自己的能力，使自己对以后的路有了更加清楚的认识，同时，对未来有了更多的信心。参考文献11 吴丽.电气控制与 PLC 实用教程.郑州：黄河水利出版社，2005.222 齐占庆.机床电气控制技术.北京：机械工业出版社，1999.1033 李树雄.可编程序控制器原理及应用教程.北京：北京航空航天大学出版社.2003.944 弭洪涛，王忠礼.PLC 应用技术.北京：科学出版社，200555 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