基于PLC 與HMI 的蠶繭烘干系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘知南 江珊珊

（廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西南寧 530299）

黨的二十大報(bào)告指出，全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興，最艱巨最繁重的任務(wù)仍然在農(nóng)村，堅(jiān)持農(nóng)業(yè)農(nóng)村優(yōu)先發(fā)展，強(qiáng)化農(nóng)業(yè)科技和裝備支撐，加快建設(shè)農(nóng)業(yè)強(qiáng)國。我國也一直注重桑蠶業(yè)的發(fā)展，力求在新時(shí)代讓桑蠶業(yè)再上一個(gè)新高度。隨著“東桑西移”等政策的指引，廣西桑蠶產(chǎn)業(yè)得到了飛速發(fā)展，廣西已成為全國蠶繭生產(chǎn)總量最大的地區(qū)[1]。

烘繭是制絲工業(yè)中的首道工序，關(guān)系到蠶繭質(zhì)量的好壞和出絲率的高低。經(jīng)走訪調(diào)研廣西河池地區(qū)20余家蠶繭收烘站發(fā)現(xiàn)，目前的蠶繭烘干設(shè)備還處于相對落后的狀態(tài)，主要是以生物燃料燃燒機(jī)為熱源主體的烘繭灶、自動熱風(fēng)循環(huán)烘繭機(jī)等，這些設(shè)備要求收烘站操作人員有一定的技術(shù)能力，一旦時(shí)間、風(fēng)速、烘烤溫濕度把握不好，烤出來的繭絲質(zhì)量就參差不齊[2]。針對以上問題，筆者采用西門子 S7-1200PLC 為核心控制器，運(yùn)用HMI 組態(tài)軟件進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，通過PID 算法優(yōu)化蠶繭烘烤控制流程，不僅能智能化地監(jiān)控蠶繭烘烤的全過程，還能降低技術(shù)人員的操作難度，提升繭絲的品質(zhì)，將蠶繭烘干工藝由半自動化推向智能化。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

蠶繭烘干系統(tǒng)主要由S7-1200PLC、HMI 觸摸屏、熱泵烘干機(jī)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、排濕風(fēng)機(jī)、溫濕度傳感器、其他輸入信號設(shè)備及PC 端等構(gòu)成。其中，S7-1200PLC 與HMI 觸摸屏是核心控制模塊；空氣能熱泵烘干機(jī)用于提供熱源，與傳統(tǒng)的生物質(zhì)燃料燃燒機(jī)相比，其具有能耗低、無污染等優(yōu)點(diǎn)；循環(huán)風(fēng)機(jī)用于烘繭室內(nèi)的熱風(fēng)循環(huán)，使處于不同位置的蠶繭都能均勻受熱；溫濕度傳感器主要用于檢測烘繭室的溫濕度情況，與PLC 形成負(fù)反饋控制；排濕風(fēng)機(jī)用于排出烘繭室內(nèi)的濕氣，有利于控制濕度；其他輸入信號設(shè)備包括啟動按鈕、停止按鈕、急停按鈕、復(fù)位按鈕等；PC端用于設(shè)備的調(diào)試與監(jiān)控。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

2 系統(tǒng)工作模式

系統(tǒng)的工作模式分為調(diào)試模式與自動模式。

調(diào)試模式用于測試各部分功能以及元件是否能正常工作，方便在設(shè)備故障時(shí)進(jìn)行針對性檢測與維修、查看輸入信號是否正常以及判斷溫濕度傳感器等信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

自動模式是蠶繭烘干系統(tǒng)的核心控制模式。在自動模式下，整個(gè)蠶繭烘干過程可實(shí)現(xiàn)一鍵完成。蠶繭烘干和其他農(nóng)產(chǎn)品的烘干不一樣，其烘干過程分為預(yù)熱階段、等速干燥階段、減速干燥階段。預(yù)熱階段控制在30 min 以內(nèi)，干燥室的溫度由室溫提升到95 ℃左右，將鮮繭送入。等速干燥階段控制在150 min～180 min，溫度控制在105 ℃±5 ℃范圍內(nèi)，此階段主要是蒸發(fā)蛹體內(nèi)的水分。減速干燥階段控制在180 min 左右，溫度控制呈現(xiàn)遞減狀態(tài)，前期高溫區(qū)溫度控制在95 ℃±5 ℃范圍內(nèi)，中期中溫區(qū)溫度控制在85 ℃±5 ℃范圍內(nèi)，后期低溫區(qū)溫度控制在65 ℃±5 ℃范圍內(nèi)。減速干燥階段蛹體內(nèi)的水分逐漸減少，水分蒸發(fā)的速度逐漸減慢，利用控制器可調(diào)節(jié)溫度逐級降低，讓蛹體內(nèi)的水分加速釋出直至干燥。減速干燥階段最重要的是時(shí)間控制，一旦減速烘干的時(shí)間過長，便會導(dǎo)致絲質(zhì)變差。

除了溫度的控制外，濕度也是影響繭絲品質(zhì)的關(guān)鍵因素。除了要將蛹體內(nèi)的水分烘干外，還要保證繭層的含水率。濕度控制在三個(gè)烘干階段有所不同，在預(yù)熱階段濕度控制在8%～12%，在等速干燥階段濕度控制在17%～20%，在減速干燥階段濕度控制在25%～35%[3]。溫濕度控制均可使用溫濕度傳感器配合PLC 進(jìn)行精確控制。系統(tǒng)工作流程圖如圖2 所示。

圖2 工作流程圖

3 PID 溫濕度調(diào)節(jié)控制

蠶繭烘干系統(tǒng)的核心控制環(huán)節(jié)是PLC 對熱泵烘干機(jī)的控制。本方案采用西門子S7-1200PLC 作為核心控制器，其優(yōu)勢是靈活度高，擴(kuò)展能力強(qiáng)，是目前工業(yè)控制領(lǐng)域中常用的可編程控制器。S7-1200PLC 除了能實(shí)現(xiàn)輸入信號的采集和輸出信號的控制外，其指令集中還設(shè)置有專用于 PID 溫度控制調(diào)節(jié)指令PID_Temp，該指令提供了一種可對溫度過程進(jìn)行集成調(diào)節(jié)的PID 控制器，控制器參數(shù)可用于加熱和制冷。其主要工作模式有預(yù)調(diào)節(jié)模式、精確調(diào)節(jié)模式、自動模式、手動模式等。在自動模式下，可進(jìn)行輸入?yún)?shù)設(shè)定，Setpoint 參數(shù)可用于設(shè)定所需控制的溫度值；Input 參數(shù)用于采集熱泵烘干機(jī)或干燥室內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度，若輸入的溫度信號為模擬量信號，則使用Input_PER 參數(shù)采集輸入模擬量信號，與所設(shè)定的值相比較，如果不在設(shè)定值范圍內(nèi)，便可控制熱泵烘干機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)溫，形成可控的閉環(huán)溫度調(diào)節(jié)控制?？刂浦茻彷敵鰠?shù)主要有OutputHeat、OutputHeat_PER、OutputHeat_PWM，OutputHeat 是REAL 形式的輸出值，OutputHeat_PER 是模擬量輸出值，OutputHeat_PWM是脈寬調(diào)制輸出值，采用OutputHeat_PER、OutputHeat_PWM 兩個(gè)參數(shù)可以直接控制變頻器，變頻器與熱泵烘干機(jī)相配合，可進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。由于熱泵烘干機(jī)與干燥室內(nèi)均有溫度傳感器，在核心程序設(shè)計(jì)中可采用串級控制。以干燥室內(nèi)的溫度作為溫度主控制器的反饋輸入，從觸摸屏參數(shù)設(shè)置獲取當(dāng)前溫度設(shè)定值；將熱泵烘干機(jī)內(nèi)置溫度傳感器輸出值作為溫度從控制器的反饋輸入，將主控制器的輸出值作為從控制器的設(shè)定值，從控制器的輸出值通過控制變頻器，調(diào)節(jié)熱泵烘干機(jī)輸出溫度，實(shí)現(xiàn)對溫度的精確控制。通過此方式控制排濕風(fēng)機(jī)，也可實(shí)現(xiàn)對濕度的PID 控制調(diào)節(jié)。PID 溫濕度控制如圖3 所示。

圖3 PID 溫濕度控制

4 HMI 組態(tài)界面設(shè)計(jì)

在上電運(yùn)行后，系統(tǒng)首先進(jìn)入主界面，主界面上設(shè)置有手動界面、自動界面、報(bào)警畫面、設(shè)備監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置5 大功能模塊。進(jìn)入調(diào)試模式后系統(tǒng)會跳轉(zhuǎn)到手動界面，可單獨(dú)啟動熱泵烘干機(jī)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、排濕風(fēng)機(jī)，可以設(shè)定運(yùn)行頻率，檢測三臺電機(jī)是否能正常運(yùn)行，同時(shí)可查看溫濕度傳感器反饋的溫度和濕度值。一旦出現(xiàn)過載、短路或參數(shù)超出設(shè)定值的上下限，則跳轉(zhuǎn)到報(bào)警畫面，供用戶及檢修人員查看故障信息，分析故障原因，以便能快速地排除故障。手動控制運(yùn)行界面如圖4 所示。

圖4 手動控制運(yùn)行界面

若設(shè)備一切正常，可進(jìn)入自動模式，此時(shí)系統(tǒng)會跳轉(zhuǎn)到自動界面。自動界面分為運(yùn)行視圖、設(shè)備控制及實(shí)時(shí)參數(shù)三個(gè)部分。從運(yùn)行視圖框可直觀地看到整個(gè)蠶繭烘干流程，目前設(shè)備運(yùn)行在哪一個(gè)階段。設(shè)備控制框設(shè)有啟動設(shè)備、緊急停止、報(bào)警復(fù)位及初始化4 個(gè)功能按鈕。按下啟動設(shè)備按鈕后，系統(tǒng)將進(jìn)入自動烘烤狀態(tài)。如果設(shè)備出現(xiàn)故障，可以通過緊急停止按鈕暫停設(shè)備工作狀態(tài)，在排除故障后可以進(jìn)行故障復(fù)位，并初始化狀態(tài)之后可繼續(xù)執(zhí)行烘烤功能。從實(shí)時(shí)參數(shù)框可以監(jiān)控各個(gè)環(huán)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行頻率，還能監(jiān)控預(yù)熱階段、等速干燥階段、減速干燥階段三個(gè)階段溫濕度反饋值，方便用戶了解運(yùn)行情況。自動控制運(yùn)行界面如圖5 所示。

圖5 自動控制運(yùn)行界面

報(bào)警界面主要用于故障報(bào)警、報(bào)警信息記錄及查詢，由故障信息表、報(bào)警復(fù)位及停止按鈕組成。故障信息表包含日期、時(shí)間、故障類型、報(bào)警值及故障描述等信息，方便用戶查詢。在設(shè)備監(jiān)控界面，可以查看各個(gè)控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。參數(shù)設(shè)置界面可以配合手動模式和自動模式使用，如設(shè)定各個(gè)電機(jī)運(yùn)行頻率、加熱溫度、濕度上下限等，也可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)自動控制模式的烘干流程。

5 結(jié)語

蠶繭烘干是蠶絲生產(chǎn)流程中的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系著蠶絲的品質(zhì)。本文設(shè)計(jì)的基于PLC、HIM 組態(tài)的蠶繭烘干系統(tǒng)能控制蠶繭烘烤全流程，通過PID 溫濕度控制模式，提高各個(gè)烘干環(huán)節(jié)的溫濕度控制精確度，降低蠶繭收烘站技術(shù)人員的操作難度。對現(xiàn)有的烘烤工藝進(jìn)行智能化升級，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降低污染、提高品質(zhì)及效率。目前系統(tǒng)已經(jīng)投放測試，可應(yīng)對實(shí)際烘烤過程中的突發(fā)狀況。在下一步的研究中，將加入遠(yuǎn)程控制功能，除了能在PC 端操作監(jiān)控設(shè)備，也可使用手機(jī)端來操作。