PLC的冷庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 佳木斯大學(xué)程維海.doc

摘要 摘摘 要要 近年來(lái) 隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展 現(xiàn)代物流系統(tǒng)的不斷完善 食品冷藏鏈的產(chǎn)業(yè) 化發(fā)展前景十分廣闊 毫無(wú)疑問(wèn) 冷庫(kù)為我們的日常生活帶來(lái)了方便 當(dāng)今 國(guó)內(nèi)大多 數(shù)冷庫(kù)的溫度控制方法有待改進(jìn) 自動(dòng)化程度有待提高 因此對(duì)冷庫(kù)的控制系統(tǒng)研究十 分必要 本文通過(guò)冷庫(kù)控制系統(tǒng)框架圖對(duì)冷庫(kù)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了概述 系統(tǒng)主要由模糊溫度 控制系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)組成 其中模糊溫度控制系統(tǒng)主要由模糊參數(shù)自整定PID控制器 組成 模糊參數(shù)自整定PID控制器和電路控制系統(tǒng)都是通過(guò)PLC來(lái)實(shí)現(xiàn) 在模糊溫度控制系統(tǒng)中 針對(duì)冷庫(kù)控制系統(tǒng)大滯后 大慣性 時(shí)變性的特點(diǎn) 而常 規(guī)PID控制具有參數(shù)整定困難 無(wú)法克服超調(diào)而造成資源浪費(fèi)的問(wèn)題 本文提出了模糊 PID參數(shù)自整定控制 在電路控制系統(tǒng)中 本文用最簡(jiǎn)單的PLC控制代替了老式的繼電器 控制 從而讓整個(gè)控制系統(tǒng)得以穩(wěn)定的操作和運(yùn)行 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作的便捷 由此可見(jiàn) PLC在冷庫(kù)系統(tǒng)中的應(yīng)用具有很大的前景 關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞 冷庫(kù) PLC 模糊參數(shù)自整定 PID 控制 Abstract ABSTRACT In recent years with the continuous development of market economy and the continuous improvement of modern logistics system the industrial development of food cold chain has a bright future There is no doubt that cold storage has brought much convenience for us in our daily life Presently the temperature control method and the degree of automation both needs to be improved for the majority of domestic cold storage Therefore it is necessary for us to make a further study of the control system of cold storage In this paper we have a brief description of the control system through the framework chart of the control system The system is mainly composed of the fuzzy temperature control system and the circuit control system And the fuzzy temperature control system is mainly composed of a fuzzy parameter self tuning PID controller Fuzzy parameter self tuning PID controller and the circuit control system both are achieved by PLC In the fuzzy temperature control system according to the characteristics of large time delay inertia and parameter variety of cold storage refrigeration system and conventional PID control has the problem that the parameters are difficult to adjust and the system is unable to overcome the overshoot which will cause the waste of resources we put forward PID parameter adaptive fuzzy control In the circuit control system we use simple PLC control instead of the old fashioned relay so as to ensure the stability of the entire control system and then make it easy for unmanned operation Therefore it can be seen that the application of PLC has a great prospect in the cold storage system Keywords cold storage PLC fuzzy parameter self tuning PID control 目錄 i i 目目 錄錄 摘 要 I ABSTRACT II 目 錄 I 第 1 章 緒論 1 1 1 冷庫(kù)系統(tǒng)研究背景 1 1 2 國(guó)內(nèi)外冷庫(kù)發(fā)展現(xiàn)狀 2 1 3 PLC 在冷庫(kù)中的應(yīng)用簡(jiǎn)介 3 1 4 本論文做的主要工作 4 第 2 章 冷庫(kù)系統(tǒng)概述 5 2 1 冷庫(kù)的組成 5 2 1 1 主庫(kù) 5 2 1 2 制冷壓縮機(jī)房和設(shè)備間 6 2 1 3 其他設(shè)施 6 2 2 冷庫(kù)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 7 2 2 1 系統(tǒng)框架 7 2 2 2 溫度控制流程 8 2 3 冷庫(kù)系統(tǒng)配件的選取 8 2 3 1 壓縮機(jī)組的選取 8 2 3 2 變頻器的選取 9 2 3 3 A D D A 轉(zhuǎn)換器的選取 10 2 3 4 傳感器的選取 10 2 4 冷庫(kù)的監(jiān)控系統(tǒng) 11 2 4 1 RS 485 總線 11 2 4 2 CPU315 2DP 主從站 12 2 4 3 人機(jī)界面 13 第 3 章 模糊 PID 控制器及其 PLC 設(shè)計(jì) 15 3 1 PID 控制器概述 15 3 1 1 PID 控制器的原理 15 3 1 2 PID 控制器的數(shù)字算法 16 3 1 3 PID 控制器的參數(shù)整定 17 3 2 模糊控制器概述 17 3 2 1 模糊化 18 目錄 3 2 2 模糊推理 19 3 2 3 反模糊化 20 3 3 模糊 PID 控制器設(shè)計(jì) 20 3 3 1 模糊集及隸屬函數(shù)的確定 21 3 3 2 模糊規(guī)則的建立 23 3 3 3 解模糊化及輸出量計(jì)算 25 3 4 模糊 PID 控制器的 PLC 實(shí)現(xiàn) 26 第 4 章 冷庫(kù)控制電路設(shè)計(jì) 29 4 1 電路控制要求 29 4 2 三菱 FX2N系列 PLC 簡(jiǎn)介 29 4 3 PLC 程序 30 第 5 章 結(jié)論與展望 35 5 1 結(jié)論 35 5 2 不足之處及未來(lái)展望 35 參考文獻(xiàn) 36 致 謝 37 基于 PLC 的冷庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 1 第第 1 章章 緒論緒論 1 1 冷庫(kù)系統(tǒng)研究背景冷庫(kù)系統(tǒng)研究背景 冷庫(kù) 是利用降溫設(shè)施創(chuàng)造適宜的濕度和低溫條件的倉(cāng)庫(kù) 又稱冷藏庫(kù) 是加工 貯存農(nóng)畜產(chǎn)品的場(chǎng)所 它能擺脫氣候的影響 延長(zhǎng)農(nóng)畜產(chǎn)品的貯存保鮮期限 以調(diào)節(jié) 市場(chǎng)供應(yīng) 冷庫(kù)主要用作對(duì)食品 乳制品 肉類 水產(chǎn) 禽類 果蔬 冷飲 花卉 綠植 茶葉 藥品 化工原料 電子儀表儀器等的恒溫貯藏 從冷庫(kù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨 勢(shì)來(lái)看 果品恒溫氣調(diào)庫(kù)發(fā)展迅速 低溫庫(kù)比例有所增加 適合農(nóng)戶建造使用的微型冷 庫(kù)異軍突起 冷庫(kù)設(shè)計(jì)自動(dòng)化控制程度逐步提高 政府安全生產(chǎn)和質(zhì)量監(jiān)督等管理部門 對(duì)冷庫(kù)的監(jiān)管力度大大加強(qiáng) 因此 本論文就是根據(jù)市場(chǎng)需要研究自動(dòng)化的果蔬恒溫冷 庫(kù) 在我國(guó) 食品專用冷庫(kù)嚴(yán)重的不足 食品的冷藏鏈的不完善 加之食品經(jīng)營(yíng)管理的 各種因素 每年約有3000萬(wàn)噸水果 蔬菜 乳制品和其他易腐食品有待于從變質(zhì)中拯救 出來(lái) 易腐食品每年要損失十多億元 養(yǎng)殖種植業(yè)的大幅度發(fā)展與保鮮 存儲(chǔ)及流通的 發(fā)展極不協(xié)調(diào) 產(chǎn)量越大虧損越多 我國(guó)現(xiàn)有人口已達(dá)13億 食品資源非常寶貴 如不 盡快改觀 不僅是中國(guó)的食品工業(yè)的水平將大幅度落后于先進(jìn)國(guó)家 而且將會(huì)照成資源 的大量浪費(fèi) 當(dāng)務(wù)之急 我們要提高冷庫(kù)整體的自動(dòng)化管理水平 加強(qiáng)管理 降低運(yùn)營(yíng) 成本 促進(jìn)冷庫(kù)向安全 規(guī)范 節(jié)能 環(huán)保結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 操作方便的方向發(fā)展 制冷系統(tǒng) 控制裝置 隔熱庫(kù)房 附屬性建筑物等是冷庫(kù)的基本組成部分 冷庫(kù)的 制冷系統(tǒng)主要包括冷庫(kù)機(jī)組 它是冷庫(kù)的核心 保證冷庫(kù)庫(kù)房?jī)?nèi)的冷源供應(yīng) 控制裝置 是冷庫(kù)的大腦 它指揮制冷系統(tǒng)保證冷量供應(yīng) 冷庫(kù)的冷庫(kù)房如圖 1 1所示 圖1 1 冷庫(kù)的冷庫(kù)房外觀圖 制冷系統(tǒng)的自動(dòng)控制是提高制冷品質(zhì)的最有效手段之一 采用自動(dòng)控制可以保證庫(kù) 學(xué)位論文 溫穩(wěn)定 避免不必要的低溫 并可使食品在貯藏期間質(zhì)量穩(wěn)定 減緩食品表面水分的蒸 發(fā) 此外 采用自動(dòng)控制還可以使冷庫(kù)制冷系統(tǒng)運(yùn)行中的溫度 壓力 液位等狀態(tài)參數(shù) 保持在要求的范圍內(nèi) 保證系統(tǒng)安全高效運(yùn)行 據(jù)統(tǒng)計(jì) 冷庫(kù)制冷系統(tǒng)采用自動(dòng)控制比 手動(dòng)控制可節(jié)能10 15 近年來(lái) 隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展 計(jì)算機(jī)越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域 中 冷庫(kù)系統(tǒng)也不例外 目前 越來(lái)越多的冷庫(kù)系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行檢測(cè) 實(shí)施控制與 管理 使產(chǎn)品的自動(dòng)化提高了一個(gè)新的水平 典型的微機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)如圖1 2所示 圖 1 2中 該系統(tǒng)以微型計(jì)算機(jī)作為控制器 由A D和D A轉(zhuǎn)換器 計(jì)算機(jī) 執(zhí)行器和被控對(duì) 象組成 A D轉(zhuǎn)換器將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào) 經(jīng)計(jì)算機(jī)分析計(jì)算出 調(diào)節(jié)量 D A轉(zhuǎn)換器將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量 控制執(zhí)行器的調(diào)節(jié)工作 整個(gè) 系統(tǒng)控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)軟件來(lái)完成的 改變控制規(guī)律只需要通過(guò)改變相應(yīng)的程序即 可 控制器D A A D 被控對(duì)象執(zhí)行器 變送器 偏差 被控 變量 給定值 微型計(jì)算機(jī)冷庫(kù)系統(tǒng) 圖1 2 微機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng) 制冷系統(tǒng)的自動(dòng)控制 可采用繼電器與其它控制儀表組成全自動(dòng)控制器 工業(yè)可編 程控制器 即PLC 單板計(jì)算機(jī)和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等 事實(shí)上 PLC也是一種計(jì)算機(jī)控制 系統(tǒng) 只不過(guò)具有更強(qiáng)的與工業(yè)控制元件相連接的接口 具有更直接地適應(yīng)控制要求的 編程語(yǔ)言 另外 現(xiàn)代PLC的功能指令越來(lái)越大 能夠?qū)崿F(xiàn)許多復(fù)雜的控制算法 結(jié)合模 擬量輸入 輸出擴(kuò)展模塊 在復(fù)雜的過(guò)程控制 運(yùn)動(dòng)控制中應(yīng)用越來(lái)越廣泛 其中 將 模糊控制技術(shù)和PLC現(xiàn)結(jié)合 對(duì)一些無(wú)法建立精確數(shù)學(xué)模型的 復(fù)雜的非線性控制系統(tǒng)具 有較好的控制效果 還有 當(dāng)前許多PLC配備有模糊控制軟件程序 使用起來(lái)很方便 因 此 PLC控制應(yīng)用到冷庫(kù)中具有很大的前景 1 2 國(guó)內(nèi)外冷庫(kù)發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外冷庫(kù)發(fā)展現(xiàn)狀 隨著人民營(yíng)養(yǎng)和生活水平的提高 食品冷藏鏈近年來(lái)有了快速的發(fā)展 已經(jīng)有了良 好的基礎(chǔ) 然而與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍由非常大的差距 國(guó)內(nèi)外食品冷藏發(fā)展情況對(duì)比 如表1 1所示 1 目前國(guó)內(nèi)冷庫(kù)較多 但冷庫(kù)的壓縮機(jī)控制大多仍采用繼電器邏輯電路組 成的控制器 這種控制器具有接線復(fù)雜 功耗高 工作壽命短 可靠性 通用性及靈活 性低的缺點(diǎn) 而且大多數(shù)選用庫(kù)房溫度作為檢測(cè)信號(hào) 反應(yīng)慢 不經(jīng)濟(jì) 我國(guó)冷庫(kù)的制 基于 PLC 的冷庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 3 冷設(shè)備大多采用手動(dòng)控制 或者僅對(duì)某一個(gè)制冷部件采用了局部自動(dòng)控制技術(shù) 對(duì)整個(gè) 制冷系統(tǒng)做到完全自動(dòng)控制的較少 貨物進(jìn)出 裝卸等方面的自動(dòng)化程度普遍較低 總 之 PLC的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)冷庫(kù)行業(yè)還沒(méi)有得到完全的重視 表1 1 國(guó)內(nèi)外冷藏鏈的發(fā)展?fàn)顩r 內(nèi)容國(guó)外國(guó)內(nèi)原因分析 預(yù)冷保鮮率美國(guó)和歐洲80 100 30 左右沒(méi)有有效地冷藏技術(shù) 冷凍冷藏能力世界總量為8000萬(wàn)噸800萬(wàn)噸冷藏業(yè)發(fā)展無(wú)序 冷藏鏈管理高效復(fù)雜沒(méi)有真正建立冷藏鏈管理體系 國(guó)外冷庫(kù)的制冷裝置廣泛采用了自動(dòng)控制技術(shù) 而他們采用的可編程控制器PLC恰恰 具有可靠性高 功能完善 組合靈活 編程簡(jiǎn)單 使用方便以及功耗低等特點(diǎn) 并采用 壓縮機(jī)的吸入壓力作為檢測(cè)參數(shù) 具有反應(yīng)迅速 經(jīng)濟(jì)性能比高的特點(diǎn) 國(guó)外大多數(shù)冷 庫(kù)只有1 3名操作人員 許多冷庫(kù)基本實(shí)現(xiàn)夜間無(wú)人值班 采用PLC替代原來(lái)繼電器邏輯電路組成的控制器對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行控制 使冷庫(kù)的運(yùn)行態(tài) 達(dá)到最佳效果 并對(duì)節(jié)能 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度有實(shí)際意義 為實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班冷庫(kù)提供了方便 因此 PLC在國(guó)內(nèi)仍需要不斷更新和開發(fā) 以適應(yīng)像冷庫(kù)系統(tǒng)這樣的工藝要求 1 3 PLC 在冷庫(kù)中的應(yīng)用簡(jiǎn)介在冷庫(kù)中的應(yīng)用簡(jiǎn)介 與傳統(tǒng)的繼電器控制相比較 PLC功耗小 有很好的靈活性和擴(kuò)展性 與單片機(jī)比較 PLC是針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化而設(shè)計(jì)的 編程簡(jiǎn)單 易于掌握 大型的冷庫(kù)控制系統(tǒng) 除 了PLC控制之外 還有人機(jī)界面輔助 人機(jī)界面主要功能是顯示冷庫(kù)機(jī)組的運(yùn)行參數(shù) 運(yùn) 行工況和動(dòng)態(tài)流程圖 還可以顯示故障記錄等 由PLC與人機(jī)界面組成的冷庫(kù)控制系統(tǒng) 能夠做到一鍵開機(jī) 一鍵關(guān)機(jī) 冷庫(kù)要求冷藏間 低溫穿堂 凍結(jié)間 預(yù)冷間等不同房 間的溫度控制各有不同 各個(gè)單元即要獨(dú)立運(yùn)行調(diào)節(jié)控溫又需協(xié)調(diào)聯(lián)網(wǎng)及監(jiān)控管理 由 上位計(jì)算機(jī) PLC 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控元件組成多級(jí) 開放 模塊化 可擴(kuò)展的高性價(jià)比冷庫(kù)全自 動(dòng)控制解決方案 確保制冷控制系統(tǒng)安全 可靠 高效 穩(wěn)定 節(jié)能運(yùn)行 改善工人勞 動(dòng)條件 提升電控配套設(shè)備制造檔次 PLC控制系統(tǒng)如圖1 3所示 學(xué)位論文 圖1 3 PLC控制系統(tǒng)圖 為了使冷庫(kù)機(jī)組安全可靠地運(yùn)行 PLC控制系統(tǒng)充分利用了自身的優(yōu)勢(shì) 加入了對(duì)冷 庫(kù)機(jī)組運(yùn)行故障的預(yù)報(bào)功能 稱之為故障管理系統(tǒng) 故障管理系統(tǒng)能夠通過(guò)PLC的操作界 面 在機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí) 提示故障部位 故障原因和故障處理方法 使操作人員能夠更 快地處理故障 提高了機(jī)組的使用效率和運(yùn)行可靠性 與常規(guī)的控制器相同 PLC可實(shí)現(xiàn) 冷庫(kù)機(jī)組所需要的各種控制功能 包括實(shí)現(xiàn)冷庫(kù)機(jī)組的能量調(diào)節(jié) 執(zhí)行安全保護(hù)功能 執(zhí)行正常的開停機(jī)程序和故障停機(jī)程序等 PLC用于系統(tǒng)的控制后 不但實(shí)現(xiàn)了常規(guī)的控 制規(guī)律 而且可以將最先進(jìn)的控制方法應(yīng)用于機(jī)組的控制運(yùn)行中 使得機(jī)組的運(yùn)行能效 比更高 另外 PLC控制系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能 它具有RS 485等通訊接口 可以 實(shí)現(xiàn)與其他計(jì)算機(jī)的連接與通訊 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控 另外 值得注意的是 與常規(guī)的控制系統(tǒng)相比 PLC可以實(shí)現(xiàn)包括自適應(yīng)控制 模糊 控制在內(nèi)的更復(fù)雜的調(diào)節(jié)控制規(guī)律 改善調(diào)節(jié)品質(zhì) 提高冷庫(kù)機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性 根據(jù) 冷庫(kù)機(jī)組的工作要求 PLC所實(shí)現(xiàn)的功能可以劃分為檢測(cè)功能 記憶功能 預(yù)報(bào)功能和執(zhí) 行功能等四個(gè)主要的功能 1 4 本論文做的主要工作本論文做的主要工作 一般的冷庫(kù)包含冷卻間 凍結(jié)間 冷卻物冷藏間 凍結(jié)物冷藏間 氣調(diào)保鮮間和儲(chǔ)冰 間 高溫冷庫(kù)的控制溫度范圍是 5 5 oC 適合果品蔬菜類保鮮 為了簡(jiǎn)化說(shuō)明本系統(tǒng) 本論文以控制室溫為0 1 oC 相對(duì)濕度為85 95 的冷卻物 冷藏間為研究對(duì)象 主要用于儲(chǔ)藏經(jīng)過(guò)冷卻的果蔬 本文主要做了以下工作 1 學(xué)習(xí)了解冷庫(kù)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié) 主要包括壓縮機(jī) 變頻器 傳感器 A D轉(zhuǎn)換器 D A轉(zhuǎn)換器 并要學(xué)會(huì)這些配件的選型 針對(duì)冷庫(kù)系統(tǒng)是一個(gè)包含很多冷藏室且必須對(duì)其 實(shí)施在線監(jiān)控的大系統(tǒng) 本文討論了冷庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 2 繪制冷庫(kù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖 說(shuō)明該系統(tǒng)主要是由模糊溫度控制系統(tǒng)和電路控制 系統(tǒng)組成 其中模糊溫度控制系統(tǒng)主要由模糊參數(shù)自整定PID控制器組成 模糊參數(shù)自整 基于 PLC 的冷庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 5 定PID控制器和電路控制系統(tǒng)都是通過(guò)PLC來(lái)實(shí)現(xiàn) 3 在模糊溫度控制系統(tǒng)中 針對(duì)冷庫(kù)控制系統(tǒng)大滯后 大慣性 時(shí)變性的特點(diǎn) 而 常規(guī)PID控制具有參數(shù)整定困難 無(wú)法克服超調(diào)而造成資源浪費(fèi)的問(wèn)題 本文提出了模糊 PID參數(shù)自整定控制 在模糊控制部分 本系統(tǒng)充分利用了MATLAB PLC首先根據(jù)環(huán)境 與冷庫(kù)庫(kù)溫 對(duì)實(shí)際偏差值及偏差值的變化率進(jìn)行模糊PID運(yùn)算 調(diào)整PLC的PID參數(shù) 并將運(yùn)算結(jié)果傳遞給壓縮機(jī)的變頻器 改變壓縮機(jī)的頻率 控制送往冷凝器的輸氣量或 制冷能量 4 在電路控制系統(tǒng)中 本文用最簡(jiǎn)單的PLC控制代替了老式的繼電器控制 從而 讓整個(gè)控制系統(tǒng)得以穩(wěn)定的操作和運(yùn)行 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作的便捷 主要介紹了冷庫(kù)冷 藏程序的編寫 包括輸入輸出地址表的建立 狀態(tài)流程圖的繪制 程序梯形圖的編寫 再次說(shuō)明了PLC在冷庫(kù)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì) 學(xué)士學(xué)位論文 第第 2 章章 冷庫(kù)系統(tǒng)概述冷庫(kù)系統(tǒng)概述 2 1 冷庫(kù)的組成冷庫(kù)的組成 冷庫(kù) 按控制溫度可分為高溫冷庫(kù) 中溫冷庫(kù) 低溫冷庫(kù)和凍結(jié)冷庫(kù) 高溫冷庫(kù)的 控制溫度范圍是 5 5 oC 適合果品蔬菜類保鮮 中溫冷庫(kù)的控制溫度范圍是 10 5 oC 適合凍結(jié)后的食品冷藏 低溫冷庫(kù)的控制溫度范圍是 20 10 oC 適合凍結(jié)后的水 產(chǎn) 禽肉類食品的冷藏 凍結(jié)冷庫(kù)的控制溫度范圍是 23 oC以下 適合在鮮品冷藏前的快 速凍結(jié) 同樣 冷庫(kù)按容積可分為小型冷庫(kù) 1000 m3 一般的冷庫(kù) 特別是大中型冷庫(kù)是一個(gè)建筑群 主要由建筑主 體 主庫(kù) 制冷壓縮機(jī)房及設(shè)備間 其他設(shè)施組成 2 1 1 主庫(kù)主庫(kù) 主庫(kù)主要由冷卻間 凍結(jié)間 再凍間 冷卻物冷藏間 凍結(jié)物冷藏間 氣調(diào)保鮮間 制冰間 穿堂等組成 冷卻間 冷卻間是用來(lái)對(duì)食品進(jìn)行冷卻加工的庫(kù)房 水果 蔬菜在進(jìn)行冷藏前 為 防止某些生理病害 應(yīng)及時(shí)逐步降溫冷卻 鮮蛋在冷藏前也應(yīng)進(jìn)行冷卻 以免驟然遇冷 時(shí) 內(nèi)容物收縮 蛋內(nèi)壓力降低 空氣中微生物隨空氣從蛋殼氣孔進(jìn)入蛋內(nèi)而使鮮蛋變 壞 此外 牲畜屠宰后也可加工為冷卻肉 中心溫度 0 4 oC 作短期儲(chǔ)藏 肉味較凍肉鮮 美 對(duì)于采用二次凍結(jié)工藝來(lái)說(shuō) 也需將屠宰處理后的家畜胴體送入冷卻間冷卻 使食 品溫度由 35 oC 降至 4 oC 再進(jìn)行凍結(jié) 冷卻間的室溫為 0 2 oC 達(dá)到冷卻要求溫度的 食品稱為 冷卻物 可轉(zhuǎn)入冷卻物冷藏問(wèn) 當(dāng)果蔬 鮮蛋的一次進(jìn)貨量小于冷藏間容量的 5 時(shí) 也可不經(jīng)冷卻直接進(jìn)入冷藏間 凍結(jié)間 對(duì)于需長(zhǎng)期儲(chǔ)藏的食品 需要將其由常溫或冷卻狀態(tài)迅速降至 15 18 oC 的凍結(jié)狀態(tài) 達(dá)到凍結(jié)終溫的食品稱為 凍結(jié)物 凍結(jié)間是借助冷風(fēng)機(jī)或?qū)Ｓ脙鼋Y(jié)裝置用 以凍結(jié)食品的冷間 它的室溫為 23 30 oC 國(guó)外有采用 40 oC 或更低溫度的 另外 凍 結(jié)間也可移出主庫(kù)而單獨(dú)建造 再凍間 再凍間設(shè)于分配性冷庫(kù)中 供外地調(diào)入凍結(jié)食品中溫度超過(guò) 8 oC 的部分在 入庫(kù)前再凍用 再凍間分配設(shè)備的選用與凍結(jié)間相同 冷卻物冷藏間 冷卻物冷藏間又稱高溫冷藏間 室溫為 4 2 oC 相對(duì)濕度為 85 95 因儲(chǔ)藏食品的不同而異 它主要用于儲(chǔ)藏經(jīng)過(guò)冷卻的鮮蛋 果蔬 由于果蔬在儲(chǔ)藏 中仍有呼吸作用 庫(kù)內(nèi)除需保持合適的溫濕度條件外 還要引進(jìn)適量的新鮮空氣 如儲(chǔ) 藏冷卻肉 儲(chǔ)藏時(shí)間不宜超過(guò) 15 天 凍結(jié)物冷藏間 凍結(jié)物冷藏間又稱低溫冷藏間 室溫在 18 25 oC 相對(duì)濕度 95 98 用于較長(zhǎng)凍結(jié)期的儲(chǔ)藏凍結(jié)食品 在國(guó)外有的凍結(jié)物冷藏間溫度有降至 28 30 oC 的趨勢(shì) 日本對(duì)凍金槍魚還采用了 45 50 oC 所謂超低溫的冷藏間 氣調(diào)保鮮間 氣調(diào)保鮮主要是針對(duì)果蔬的儲(chǔ)藏而言 果蔬采收后 仍然保持著旺盛 的生命活動(dòng)能力 呼吸作用就是這種生命活動(dòng)最明顯的表現(xiàn) 在一定范圍內(nèi) 溫度越高 果蔬呼吸作用越強(qiáng) 衰老越快 所以多年來(lái)生產(chǎn)上一直采用降溫的辦法來(lái)延長(zhǎng)果蔬的儲(chǔ) 基于 PLC 的冷庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 7 藏期 目前國(guó)內(nèi)外正在發(fā)展控制氣體成分的儲(chǔ)藏 簡(jiǎn)稱 CA 儲(chǔ)藏 即在果蔬儲(chǔ)藏環(huán)境中 適當(dāng)降低氧的含量和提高二氧化碳的濃度 來(lái)抑制果實(shí)的呼吸強(qiáng)度 延緩成熟 達(dá)到延 長(zhǎng)儲(chǔ)藏的目的 一般情況下 氣體成分控制如下 氧氣為 2 5 二氧化碳為 0 4 制冰間 制冰間的位置宜靠近設(shè)備間 水產(chǎn)冷庫(kù)常把它設(shè)于多層冷庫(kù)的頂層 以便 于冰塊的輸出 制冰間宜有較好的采光和通風(fēng)條件 要考慮到冰塊入庫(kù)或輸出的方便 室內(nèi)高度要考慮到提冰設(shè)備運(yùn)行的方便 并要求排水暢通 以免室內(nèi)積水和過(guò)分潮濕 穿堂是食品進(jìn)出的通道 并起到溝通各制冷間 便于裝卸周轉(zhuǎn)的作用 庫(kù)內(nèi)穿堂有 低溫穿堂和中溫穿堂兩種 分屬高 低溫庫(kù)房使用 目前冷庫(kù)中較多采用庫(kù)外常溫穿堂 將穿堂布置在常溫環(huán)境中 通風(fēng)條件好 改善了工人的操作條件 也能延長(zhǎng)穿堂使用年 限 常溫穿堂的建筑結(jié)構(gòu)一般與庫(kù)房結(jié)構(gòu)分開 此外 主庫(kù)還包括其他部分 如電梯間 挑選間 包裝間 分發(fā)間 副產(chǎn)品冷藏間 次品冷藏問(wèn) 樓梯問(wèn)等 2 1 2 制冷壓縮機(jī)房和設(shè)備間制冷壓縮機(jī)房和設(shè)備間 制冷壓縮機(jī)房是冷庫(kù)主要的動(dòng)力車間 安裝有制冷壓縮機(jī) 中間冷卻器 調(diào)節(jié)站 儀表屏及配用設(shè)備等 目前國(guó)內(nèi)大多將制冷壓縮機(jī)房裝置在主庫(kù)附近 且單獨(dú)建造 一 般采用單層建筑 國(guó)外的大型冷庫(kù)常把制冷壓縮機(jī)房布置在樓層內(nèi) 以提高底層利用率 對(duì)于單層冷庫(kù) 也有在每個(gè)庫(kù)房外分設(shè)制冷機(jī)組 采用分散供液的方法 而不設(shè)置集中 供冷的制冷壓縮機(jī)房 設(shè)備間安裝有殼管臥式冷凝器 儲(chǔ)氨器 氣液分離器 循環(huán)儲(chǔ)液桶 氨泵等制冷設(shè) 備 其位置緊靠制冷壓縮機(jī)房 在小型冷庫(kù)中 因機(jī)器設(shè)備不多 制冷壓縮機(jī)房與設(shè)備 間可合為一間 水泵房也包括在設(shè)備間內(nèi) 變 配電間包括變壓器間 高壓配電間 低壓配電間 大型冷庫(kù)還設(shè)有電容器間 變 配電間應(yīng)盡量靠近負(fù)荷大的機(jī)房間 當(dāng)機(jī)房間為單層建筑時(shí) 一般多設(shè)在機(jī)房間的 一端 變壓器間也可單獨(dú)建筑 高度不得小于5m 要求通風(fēng)條件良好 在小型冷庫(kù)中 也可將變壓器放在室外架空擱置 變 配電間內(nèi)的具體布置視電氣工藝要求而定 2 1 3 其他設(shè)施其他設(shè)施 冷庫(kù)的呼叫系統(tǒng)是為了防止人員被誤關(guān)在冷間內(nèi)而設(shè)置的 其控制原理包括呼叫 呼叫確認(rèn) 呼叫回應(yīng)和呼叫解除幾個(gè)部分 新規(guī)范中沒(méi)有要求冷庫(kù)必需裝設(shè)呼叫系統(tǒng) 由于現(xiàn)在的冷藏門有較大改進(jìn) 在庫(kù)內(nèi)可以方便地將門開啟 因而設(shè)計(jì)人員可根據(jù)需要 進(jìn)行設(shè)計(jì) 但如果有安裝呼叫系統(tǒng) 冷庫(kù)間內(nèi)門上方要設(shè)置常明燈 工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性條文的房屋建筑部分規(guī)定電梯電源應(yīng)專用 機(jī)房照明電源應(yīng)與 電梯電源分開 因此按負(fù)荷的重要性 將貨梯主機(jī)電源和控制箱的照明 報(bào)警 通風(fēng)電 源 歸為電梯電源從變 配電所低壓配電屏單獨(dú)引出電源 貨梯機(jī)房照明 空調(diào) 插座 電源和井道插座 照明電源另從照明回路引出 此外 冷庫(kù)還配備消防設(shè)施 消防設(shè)施可分為庫(kù)內(nèi)監(jiān)控警報(bào) 室內(nèi)消防設(shè)備 消防 學(xué)士學(xué)位論文 報(bào)警三部分 2 2 冷庫(kù)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)冷庫(kù)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 本論文以控制室溫為 0 1 oC 相對(duì)濕度為 85 95 的冷卻物冷藏間為研究對(duì)象 主要用于儲(chǔ)藏經(jīng)過(guò)冷卻的果蔬 為此有必要對(duì)該冷卻物冷藏間的系統(tǒng)框架圖及溫度控制 流程圖做出相關(guān)說(shuō)明 2 2 1 系統(tǒng)框架系統(tǒng)框架 如圖 2 1 所示 該冷卻物冷藏間系統(tǒng)由兩個(gè)子系統(tǒng)組成 即模糊溫度控制系統(tǒng)和電路 控制系統(tǒng)組成 其中模糊溫度控制系統(tǒng)主要由模糊參數(shù)自整定 PID 控制器組成 模糊參 數(shù)自整定 PID 控制器和電路控制系統(tǒng)都是通過(guò) PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn) 模糊參數(shù)自整定 PID 控制器 簡(jiǎn)稱模糊 PID 控制器 由 PID 控制器和模糊控制器組 成 該冷卻物冷藏間的模糊控制主要是根據(jù)溫度傳感器測(cè)得的溫度和算出的溫度變化 運(yùn)用模糊推理確定果蔬溫度 控制壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn) 達(dá)到最佳的運(yùn)行效果和保鮮效果 同 樣 模糊 PID 控制器的輸入也要充分考慮戶外溫度 庫(kù)門開關(guān)狀態(tài)和室內(nèi)濕度檢測(cè) 模 糊參數(shù)自整定 PID 控制器由 PLC 實(shí)現(xiàn) 在冷卻物冷藏間系統(tǒng)中需要考慮 PID 計(jì)算 模糊 推理系統(tǒng)以及其它各種數(shù)據(jù)的處理 為了滿足這樣大容量的數(shù)據(jù)傳輸和處理 本文選用 西門子 S7 300 系列的 PLC 其具體實(shí)現(xiàn)方法見(jiàn)本文第三章 在電路控制系統(tǒng)中 設(shè)計(jì)思想是用最簡(jiǎn)單的PLC控制代替了老式的繼電器控制 從而 讓整個(gè)控制系統(tǒng)得以穩(wěn)定的操作和運(yùn)行 三菱FX2N系列的PLC恰恰具有連接方便 簡(jiǎn)單易 懂 價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn) 因而 該冷卻物冷藏間的電路控制系統(tǒng)采用FX2N系列的PLC 其 具體實(shí)現(xiàn)方法見(jiàn)本文第四章 如圖2 1中虛線框所示 2 電路硬件系統(tǒng) 由輸入電 路 三菱 FX2N系列的PLC和輸出電路組成 輸入電路主要用于輸入冷卻物冷藏間的內(nèi)部 狀態(tài) 電源狀態(tài)和用戶所設(shè)定的溫度 所以輸入部件包括冷卻物冷藏間溫度檢測(cè)電路 電源檢測(cè)電路和溫度給定電路等 輸出部件主要用于控制壓縮機(jī)和溫度顯示 所以輸出 部件包括壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)電路和溫度顯示電路 冷藏間 傳感器 庫(kù)溫 庫(kù)溫變化 氣溫 傳感器 門開關(guān) 檢測(cè)器 戶外溫度 開關(guān)狀態(tài) 模 糊 PID 控 制 器 冷藏溫度檢測(cè) 電源檢測(cè) 門狀態(tài)檢測(cè) 壓縮機(jī)斷電時(shí)間檢測(cè) 周圍環(huán)境狀態(tài) 冷藏溫度設(shè)定 可 編 程 邏 輯 控 制 器 壓縮機(jī)制冷運(yùn)行 庫(kù)內(nèi)警報(bào)鈴 溫度顯示 自動(dòng)消防警報(bào) 冷庫(kù)指示燈 室內(nèi)濕度 檢測(cè) 壓縮機(jī)恒溫運(yùn)行 圖2 1 冷庫(kù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖 基于 PLC 的冷庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 9 該冷卻物冷藏間系統(tǒng)以冷卻物冷藏間的溫度作為控制目標(biāo) 根據(jù)溫度與設(shè)定指標(biāo)的 偏差來(lái)決定壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài) 當(dāng)經(jīng)過(guò)冷卻的果蔬運(yùn)送到該冷卻物冷藏間后 壓縮機(jī)制 冷運(yùn)行 溫度開始慢慢下降 直至溫度在 0 1 oC 時(shí) 壓縮機(jī)恒溫運(yùn)行 當(dāng)溫度不在 0 1 oC 時(shí) 壓縮機(jī)制冷運(yùn)行 如此往復(fù) 直至庫(kù)溫穩(wěn)定在 0 1 oC 壓縮機(jī)循環(huán)控制如圖 2 2 所示 果蔬入庫(kù) 壓縮機(jī) 制冷運(yùn)行 庫(kù)溫調(diào)節(jié) 壓縮機(jī) 恒溫運(yùn)行 Y N 庫(kù)溫 0 1 圖 2 2 壓縮機(jī)循環(huán)控制圖 2 2 2 溫度控制流程溫度控制流程 如圖 2 3 所示 該冷庫(kù)控制結(jié)構(gòu)流程圖主要由模糊 PID 控制器 變頻器 壓縮機(jī) 傳 感器 A D 轉(zhuǎn)換器 D A 轉(zhuǎn)換器組成 模糊 PID 控制器主要由模糊推理系統(tǒng)和 PID 控制 器組成 模糊 PID 控制器由 PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn) PLC 首先根據(jù)環(huán)境與冷庫(kù)庫(kù)溫 對(duì)實(shí)際偏差值 及偏差值的變化率進(jìn)行模糊 PID 運(yùn)算 調(diào)整 PLC 的 PID 參數(shù) 并將運(yùn)算結(jié)果傳遞給壓縮 機(jī)的變頻器 改變壓縮機(jī)的頻率 控制送往冷凝器的輸氣量或制冷能量 模糊PID 控制器 變頻器壓縮機(jī)庫(kù)溫 A D傳感器 D A 輸入r 溫度y 圖 2 3 冷庫(kù)控制結(jié)構(gòu)圖 2 3 冷庫(kù)系統(tǒng)配件的選取冷庫(kù)系統(tǒng)配件的選取 冷庫(kù)系統(tǒng)配件主要包括壓縮機(jī) 變頻器 A D轉(zhuǎn)換器 D A轉(zhuǎn)換器和溫度傳感器 這 些配件的選取將直接影響冷庫(kù)系統(tǒng)的性能 2 3 1 壓縮機(jī)組的選取壓縮機(jī)組的選取 在冷庫(kù)控制系統(tǒng)中 是最為關(guān)鍵的配件 壓縮機(jī)是冷庫(kù)中能耗最大的裝置 約占電 機(jī)輸入功率的 30 左右 在環(huán)境溫度較低時(shí) 壓縮機(jī)的性能幾乎決定著整個(gè)冷庫(kù)系統(tǒng)的 性能 一般情況下 小型冷庫(kù)選用全封閉壓縮機(jī) 中型冷庫(kù)一般選用半封閉壓縮機(jī) 大型 冷庫(kù)選用半封閉壓縮機(jī) 無(wú)論何種品牌的壓縮機(jī)組的選型 都是根據(jù)冷庫(kù)的蒸發(fā)溫度及冷 學(xué)士學(xué)位論文 庫(kù)有效工作容積來(lái)確定 另外還要參考冷凍或冷藏物品的冷凝溫度 入庫(kù)量 貨物進(jìn)出 庫(kù)頻率等參數(shù) 冷庫(kù)制冷量根據(jù)冷凍或冷藏物品的冷凝溫度 入庫(kù)量 貨物進(jìn)出庫(kù)頻率 來(lái)確定 通常高溫冷庫(kù)制冷量計(jì)算公式為 冷庫(kù)容積 90 1 16 正偏差 正偏差量根據(jù)冷凍 或冷藏物品的冷凝溫度 入庫(kù)量 貨物進(jìn)出庫(kù)頻率確定 范圍在 100 400W 之間 中溫 冷庫(kù)制冷量計(jì)算公式為 冷庫(kù)容積 95 1 16 正偏差 正偏差量范圍在 200 600W 之 間 低溫冷庫(kù)壓縮機(jī)組制冷量計(jì)算公式為 冷庫(kù)容積 110 1 2 正偏差 正偏差量范圍 在 300 800W 之間 在生產(chǎn)實(shí)際中 為了確定各個(gè)庫(kù)房的壓縮機(jī)組和配電設(shè)備 一般要 計(jì)算庫(kù)房耗冷量 對(duì)于儲(chǔ)藏果蔬的冷庫(kù)系統(tǒng) 庫(kù)房的耗冷量一般包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗冷量 果蔬的呼吸熱 冷庫(kù)開門和通氣換風(fēng)的耗冷量 電機(jī)運(yùn)行的耗冷量和運(yùn)行管理耗冷量 冷庫(kù)壓縮機(jī)組的品牌選用主要根據(jù)用戶對(duì)某種品牌的了解程度 維護(hù)方便 項(xiàng)目投 資的數(shù)額各方面來(lái)考慮 目前國(guó)內(nèi)通常選用法國(guó)的美優(yōu)樂(lè) 美國(guó)的谷輪以及德國(guó)的比澤 爾 這三種品牌的壓縮機(jī)組性能都很穩(wěn)定 而且三者在國(guó)內(nèi)都有合資生產(chǎn)企業(yè) 谷輪的 ZB系列渦旋壓縮機(jī)外形如圖2 4所示 圖2 4 谷輪ZB系列渦旋壓縮機(jī) 2 3 2 變頻器的選取變頻器的選取 壓縮機(jī)一般是按設(shè)計(jì)工況所需制冷量進(jìn)行選型 冷庫(kù)系統(tǒng)使用的環(huán)境溫度橫跨夏冬 兩季的極限高低溫 與傳統(tǒng)的空調(diào)制冷系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境溫度有著較大的差別 因而 其實(shí)際使用工況難免會(huì)與設(shè)計(jì)工況存在一定的偏差 為了使冷庫(kù)系統(tǒng)適應(yīng)不同工況的要 求 使制冷量與負(fù)荷盡量品配 因此有必要對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行能量調(diào)節(jié) 目前壓縮機(jī)的能量調(diào)節(jié)方式有 壓縮機(jī)間歇控制 ON OFF 運(yùn)行 吸氣調(diào)節(jié) 氣缸卸載 熱氣旁通能量調(diào)節(jié) 分檔變進(jìn)調(diào)節(jié)輸氣量 無(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié) 目前 冷庫(kù)及冷藏箱制冷系統(tǒng) 的能量調(diào)節(jié)方法一般采用壓縮機(jī)間歇運(yùn)行 當(dāng)庫(kù)溫高于設(shè)定溫度上限時(shí) 壓縮機(jī)啟動(dòng)運(yùn) 行 當(dāng)庫(kù)溫低于設(shè)定溫度下限時(shí) 壓縮機(jī)停機(jī) 這種調(diào)節(jié)方法適用于負(fù)荷變化不大時(shí)的 基于 PLC 的冷庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1111 工況 而實(shí)際使用中 冷庫(kù)的負(fù)荷受季節(jié)的影響較大 然而冷庫(kù)的負(fù)荷還受流動(dòng)地域環(huán) 境等的影響 因此壓縮機(jī)基本上處于變工況下運(yùn)行 此外 壓縮機(jī)的頻繁啟停會(huì)造成額 外的能量損耗 引起電網(wǎng)的波動(dòng)增大 且對(duì)壓縮機(jī)的壽命影響也較大 隨著變頻技術(shù)的發(fā)展 變頻器已廣泛用于空調(diào)制冷行業(yè) 變頻技術(shù)就是利用變頻器 輸出相應(yīng)的頻率電源到壓縮機(jī) 其實(shí)質(zhì)類似于分檔變速調(diào)節(jié) 但其能在一定范圍內(nèi)連續(xù) 進(jìn)行能量調(diào)節(jié) 使制冷量與負(fù)荷達(dá)到最佳匹配 如表2 1所示 3 對(duì)比各種調(diào)節(jié)方法 變 頻調(diào)節(jié)是以上各種方法中能耗最小的調(diào)節(jié)手段 而且其控溫精度也是最高的 因此 變 頻壓縮機(jī)在冷庫(kù)制冷系統(tǒng)上具有較大的應(yīng)用前景 在理想情況下 制冷機(jī)組的制冷量與 制冷劑的質(zhì)量流量成正比 變頻能量調(diào)節(jié)的基本思想就是改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速 使制冷劑 的質(zhì)量流量發(fā)生變化 從而改變機(jī)組的制冷量 表2 1 調(diào)節(jié)方法優(yōu)缺點(diǎn)及能耗 調(diào)節(jié)方法優(yōu)缺點(diǎn)負(fù)荷為60 時(shí)的能耗百分?jǐn)?shù) ON OFF 控制 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 便宜 主要用于小型機(jī)組 部 分負(fù)荷及啟動(dòng)時(shí)損失較大 溫控精度差 63 氣缸 卸載 有級(jí)調(diào)節(jié) 只用于多氣缸機(jī)組 部分負(fù)荷 時(shí)效率下降較小 0 吸氣 節(jié)流 無(wú)級(jí)調(diào)節(jié) 系統(tǒng)簡(jiǎn)單但調(diào)節(jié)范圍較小 效 率低 70 熱氣 旁通 無(wú)級(jí)調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)范圍較廣 但系統(tǒng)復(fù)雜 效率低 100 變頻 調(diào)節(jié) 無(wú)級(jí)調(diào)節(jié) 系統(tǒng)簡(jiǎn)單 效率高 但裝置成 本高 60 2 3 3 A D D A 轉(zhuǎn)換器的選取轉(zhuǎn)換器的選取 一般冷庫(kù)中包含A D轉(zhuǎn)換器和D A轉(zhuǎn)換器 A D轉(zhuǎn)換器將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠 識(shí)別的數(shù)字信號(hào) 經(jīng)計(jì)算機(jī)分析計(jì)算出調(diào)節(jié)量 D A轉(zhuǎn)換器將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成 模擬量 控制執(zhí)行器的調(diào)節(jié)工作 選取A D D A轉(zhuǎn)換器時(shí) 要充分考慮系統(tǒng)的精度問(wèn)題 D A轉(zhuǎn)換器要滿足模糊控制器和變頻器的精度要求 A D轉(zhuǎn)換器要滿足傳感器的精度要求 MAXIM公司推出的16位逐次逼近型A D轉(zhuǎn)換器MAX195和16位D A轉(zhuǎn)換器MAX5631 具 有體積小 功耗低 轉(zhuǎn)換速度快 精度高等優(yōu)點(diǎn) 可以滿足冷庫(kù)系統(tǒng)要求 2 3 4 傳感器的選取傳感器的選取 考慮到冷庫(kù)內(nèi)蔬果監(jiān)測(cè)必須采用全方位多點(diǎn)監(jiān)測(cè)有效地保證果蔬的安全儲(chǔ)藏 系統(tǒng) 選取一種連線簡(jiǎn)單 測(cè)量精度高 抗干擾能力強(qiáng)的傳感器DSl8B20 其接線圖如圖2 5所 示 4 該芯片在冷庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中有其它芯片無(wú)法比擬的特點(diǎn) 該芯片溫度測(cè)量范圍為 55 125 oC 以0 5 oC遞增 該溫度測(cè)量值可以滿足低溫監(jiān)測(cè)的要求 溫度以9位數(shù)字量讀出 學(xué)士學(xué)位論文 通過(guò)一個(gè)單線接口DQ發(fā)送或接收信息 如果在測(cè)量點(diǎn)數(shù)不多的情況下 PLC與DSl8820之 間僅需一根連接線而無(wú)需外部電源供電 寄生電源方式 每個(gè)DSl8820都有一個(gè)唯一的長(zhǎng) 達(dá)64位的光刻ROM編碼 最前面的8位是單線系列編碼 中間48位是唯一的序列號(hào) 最后 8位是前面56位的CRC碼 由于每個(gè)DSl8820擁有唯一的一個(gè)序列號(hào) 所以多個(gè)DSl8820可 以在一條線上工作 通過(guò)對(duì)DQ時(shí)序的操作只有被選中ROM序號(hào)的DSl8820才能響應(yīng)和工 作 冷庫(kù)中庫(kù)溫采用多點(diǎn)監(jiān)測(cè) 考慮到驅(qū)動(dòng)的因數(shù)不采用寄生電源方式而是直接采用外 部電源供電 圖2 5 DSl8B20接線圖 2 4 冷庫(kù)的監(jiān)控系統(tǒng)冷庫(kù)的監(jiān)控系統(tǒng) 要保證新鮮的果蔬充足 安全保鮮是必不可少的 庫(kù)溫檢測(cè)是冷庫(kù)關(guān)注的重點(diǎn) 對(duì) 于大型冷庫(kù) 倉(cāng)容巨大 如何有效地對(duì)每個(gè)倉(cāng)庫(kù)的庫(kù)溫進(jìn)行中央檢測(cè)顯得尤為重要 監(jiān) 控系統(tǒng)構(gòu)架如圖2 6所示 4 網(wǎng)絡(luò)適配器 RS 485總線 MODBUS協(xié)議 冷庫(kù)1冷庫(kù)2冷庫(kù)n 圖2 6 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架 基于 PLC 的冷庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1313 2 4 1 RS 485 總線總線 在冷庫(kù)這樣的工業(yè)環(huán)境中 為了使設(shè)備簡(jiǎn)單 成本低廉和維護(hù)方便 總希望用最少 的信號(hào)線來(lái)完成數(shù)據(jù)采集與控制 RS 485串行接口就具有此功能 在RS 485發(fā)送端 驅(qū) 動(dòng)器將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)輸出 在接收端接收器將差分信號(hào)還原成TTL信號(hào) 所以RS 485有很強(qiáng)的和很高的抗干擾能力和接收靈敏度 RS 485 是一個(gè)電氣接口規(guī)范 它只規(guī)定了平衡驅(qū)動(dòng)器和接收器的電特性 而沒(méi)有規(guī) 定接插件 傳輸電纜和通信協(xié)議 RS 485 標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)基于單對(duì)平衡線的多點(diǎn) 雙向 半雙工 通信鏈路 是一種極為經(jīng)濟(jì) 并具有相當(dāng)高噪聲抑制 傳輸速率 傳輸距離 和寬共模范圍的通信平臺(tái) 該冷庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)用RS 485構(gòu)成分布式數(shù)據(jù)采集與控制 采用總線方式 而傳達(dá)數(shù)據(jù) 采用主從站方法 主站啟動(dòng)并控制每一次通信 每一個(gè)從站有一個(gè)識(shí)別地址 在此選用 半雙式低功耗收發(fā)器件MAX487來(lái)完成RS 485通信 MAX487接收器輸入阻抗為十分之一 單位負(fù)載 允許在總線上掛接128個(gè)MAX487收發(fā)器 MAX487如圖所示2 7所示 圖2 7 MAX487 2 4 2 CPU315 2DP 主從站主從站 由于冷庫(kù)與控制室之間大約有50m的距離 因此系統(tǒng)選用了帶從站功能的CPU315 2DP 其具有大中規(guī)模的程序容量 對(duì)二進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)有較高的處理性能 有兩個(gè) PROFIBUS DP主站 從站接口 可用于建立分布式I O結(jié)構(gòu)和大規(guī)模的I O配置 本系統(tǒng)采 用主從方式因而具備主 從兩種結(jié)構(gòu) 上位機(jī)PLC作為主站 下位機(jī)作為從站 根據(jù)系統(tǒng) 要求 主站用于模塊擴(kuò)展 負(fù)責(zé)收集從站檢測(cè)的數(shù)據(jù)并將其傳給PLC 從而控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn) 速和溫度控制 從站中配置了開關(guān)量輸入模塊和輸出模塊和模擬量輸入模塊 用來(lái)控制 庫(kù)門的升降 壓縮機(jī)的動(dòng)作 庫(kù)門安全銷的動(dòng)作 冷庫(kù)上各種儀表或傳感器的檢測(cè) 并 且接收主機(jī)命令回傳溫度值 主 從機(jī)程序流程圖如圖2 8所示 學(xué)士學(xué)位論文 開始 初始化設(shè)備 發(fā)送命令 等待回傳 溫度值 傳給PLC 溫度測(cè)量 回傳 溫度值 開始 初始化設(shè)備 中斷接收 至主機(jī) 主機(jī) 從機(jī) 圖2 8 主 從機(jī)程序流程圖 2 4 3 人機(jī)界面人機(jī)界面 該冷庫(kù)控制系統(tǒng)采用人機(jī)界面TP270 10 它能對(duì)圖形進(jìn)行快速響應(yīng) 具有高對(duì)比度的 STN顯示 能夠CCFL背光顯示 壽命超過(guò)40000 60000小時(shí) 可適用中文組態(tài)軟件CPI 和直接控制鍵可用為快速響應(yīng) 可顯示漢字 可組態(tài)的觸摸按鈕用于文本 狀態(tài)指標(biāo) 圖形及圖形狀態(tài)指示 在Windows環(huán)境下使用ProTool軟件進(jìn)行組態(tài) 擁有IP65保護(hù)等級(jí) 可與多種PLC進(jìn)行連接 在冷庫(kù)控制系統(tǒng)中 人機(jī)界面完成智能化的后臺(tái)管理 各種溫度 參數(shù)的設(shè)定及制冷狀況的監(jiān)視和報(bào)警 基于 PLC 的冷庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1515 學(xué)士學(xué)位論文 第第 3 章章 模糊模糊 PID 控制器及其控制器及其 PLC 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 3 1 PID 控制器控制器概述概述 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中 常用的控制器有P PI PD PID控制器 其中在這幾種調(diào)節(jié)規(guī) 律中 PID的調(diào)節(jié)規(guī)律最為理想 在工程實(shí)際中 PID控制 又稱PID調(diào)節(jié) 是一種應(yīng)用最 為廣泛的控制方法 而PID控制器是一種應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器 PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史 它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 穩(wěn)定性好 工作可靠 調(diào)整 方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一 當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握 或得不 到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí) 控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí) 系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須 依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定 這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便 即當(dāng)我們不完全了解一個(gè) 系統(tǒng)和被控對(duì)象 或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí) 最適合用PID控制技術(shù) PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差 利用比例 積分 微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的 目前 PID控制及其控制器或智能PID控制器 儀表 已經(jīng)很多 產(chǎn)品已在工程實(shí)際 中得到了廣泛的應(yīng)用 有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品 且各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù) 自整定功能的智能調(diào)節(jié)器 intelligent regulator 其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智 能化調(diào)整或自校正 自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn) 有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力 溫度 流量 液位 控制器 能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器 還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等 可編 程控制器 PLC 是利用其閉環(huán)控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制 而可編程控制器 PLC 可以直接與 ControlNet相連 如Rockwell的PLC 5等 還有可以實(shí)現(xiàn)PID控制功能的控制器 如 Rockwell 的Logix產(chǎn)品系列 它可以直接與ControlNet相連 利用網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制 功能 3 1 1 PID 控制器的原理控制器的原理 常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3 1所示 系統(tǒng)由常規(guī)PID控制器和被控對(duì)象組成 圖3 1 常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理圖 由于PID調(diào)節(jié)器是由比例積分微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律合成的一種調(diào)節(jié)器 因此比例積分微 分調(diào)節(jié)器的動(dòng)作規(guī)律為 3 1 t D I P dt tde Tdtte T teKtu 0 1 基于 PLC 的冷庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1717 tctrte 式 3 1 中 為控制器的輸出 u t 為控制器的輸入 它是給定值和被控對(duì)象輸出值的差 稱偏差信號(hào) e t KP 控制器的比例系數(shù) TI 控制器的積分時(shí)間 TD 控制器的微分時(shí)間 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 ST ST K SE SU SD D I P 1 1 PID控制器包括比例 積分 微分這三個(gè)環(huán)節(jié) 各環(huán)節(jié)的作用如下 比例環(huán)節(jié) 即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) 偏差一旦產(chǎn)生 調(diào)節(jié)器立即 e t 產(chǎn)生控制作用以減小偏差 積分環(huán)節(jié) 主要用于消除靜差 提高系統(tǒng)的無(wú)差度 積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí) 間常數(shù) TI TI越大 積分作用越弱 反之則越強(qiáng) 微分環(huán)節(jié) 能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì) 變化速率 并能在偏差信號(hào)的值變得太大 之前 在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào) 從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度 減小調(diào)節(jié)時(shí) 間 3 1 2 PID 控制器的數(shù)字算法控制器的數(shù)字算法 PID 調(diào)節(jié)原理簡(jiǎn)單 魯棒性強(qiáng) 易于工程實(shí)現(xiàn) 在計(jì)算機(jī)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)之前 人 們采用氣動(dòng) 液動(dòng)和電動(dòng)調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)規(guī)律 隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展 相繼出 現(xiàn)了一些復(fù)雜的 只有計(jì)算機(jī)才能實(shí)現(xiàn)的控制算法 但內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍然以 PID 控制算法為 主流 與計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算功能和邏輯判斷功能相結(jié)合 使 PID 控制規(guī)律數(shù)字化 是自 動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的重要方向之一 因此 需要將 PID 控制規(guī)律進(jìn)行離散化處理 如 表 3 1 所示 表 3 1 模擬 PID 控制規(guī)律的離散化 模擬形式離散化形式 tctrte ncnrne dT tde T nene 1 t dtte 0 n i n i ieTTie 00 PID 差分方程 5 在離散控制系統(tǒng)中可表示為 學(xué)士學(xué)位論文 3 2 1 0 nununu nene T T ie T T neKnu DIP n i D I P 式 3 2 中 T 為采樣周期 稱為比例項(xiàng) neKnu PP 稱為積分項(xiàng) n i I PI ie T T Knu 0 稱為微分項(xiàng) 1 nene T T Knu D PD PID 增量型算法的算式為 2 1 2 1 1 nenene T T Kne T T KneneK nununu D P I PP 3 1 3 PID 控制器的參數(shù)整定控制器的參數(shù)整定 控制器的比例系數(shù) 積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小 PID控制器參數(shù)整定的方法很多 概括起來(lái)有兩大類 一是理論計(jì)算整定法 它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 經(jīng)過(guò)理論計(jì) 算確定控制器參數(shù) 這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用 還必須通過(guò)工程實(shí)際 進(jìn)行調(diào)整和修改 二是工程整定方法 它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn) 直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中 進(jìn)行 且方法簡(jiǎn)單 易于掌握 在工程實(shí)際中被廣泛采用 PID控制器參數(shù)的工程整定方法 5 主要有臨界比例法 反應(yīng)曲線法和衰減法 三種 方法各有其特點(diǎn) 其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn) 然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整 定 但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù) 都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與 完善 3 2 模糊控制器模糊控制器概述概述 模糊控制是近代控制理論中建立在模糊集合論基礎(chǔ)上的一種基于語(yǔ)言規(guī)則與模糊推 理的控制理論 6 它是智能控制的一個(gè)重要分支 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展 在那些復(fù)雜 的 受多因素影響的 嚴(yán)重非線性 不確定性 多樣性的大系統(tǒng)中 傳統(tǒng)的控制理論和 方法越來(lái)越顯示出其局限性 為此我們以人類思維的控制方案為基礎(chǔ) 創(chuàng)造出了一種能 反映人類經(jīng)驗(yàn)的控制過(guò)程知識(shí) 并可以達(dá)到控制目的 能夠用某種形式表示出來(lái) 而且 這種形式既能夠取代那種精密 反復(fù) 有錯(cuò)誤傾向的模型建造過(guò)程 又能避免精密地估 計(jì)模型方程中各種參數(shù)的過(guò)程 這就是模糊控制產(chǎn)生的背景 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用的控制機(jī)理是經(jīng)典或現(xiàn)代控制理論 而模糊控制器是一般的數(shù)字 控制器 模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用模糊控制機(jī)理 模糊控制器的一般組成如圖3 2所示 為多輸 入多輸出模糊控制器 包括輸入量模糊化 數(shù)據(jù)庫(kù) 規(guī)則庫(kù) 模糊推理和反模糊化組成 模糊控制器在輸入和輸出之間起著非線性映射作用 其輸入和輸出都是確定的實(shí)數(shù)值 而不是模糊集合 模糊化是指將輸入轉(zhuǎn)換為模糊集合 模糊推理使用規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則產(chǎn) 生模糊結(jié)論 反模糊化則將模糊結(jié)論轉(zhuǎn)換為確定實(shí)數(shù)輸出 根據(jù)控制對(duì)象的特點(diǎn) 要求 基于 PLC 的冷庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1919 及專家經(jīng)驗(yàn) 合理選擇控制器的輸入量 輸出量 從而確定模糊控制器的結(jié)構(gòu) 輸入維 數(shù)越多 控制會(huì)更精密 但控制規(guī)則的選取越困難 控制算法也越復(fù)雜 實(shí)現(xiàn)起來(lái)較困 難 二維模糊控制器是最為常用的一類模糊控制器 二維模糊控制器的兩個(gè)輸入基本上 都選為被控變量與給定值的偏差E和EC 由于它能較嚴(yán)格地反映控制系統(tǒng)中輸出變量的動(dòng) 態(tài)特性 因此在控制效果上要比一維模糊控制器好得多 當(dāng)二維模糊控制器有多個(gè)輸出 時(shí) 應(yīng)當(dāng)將這個(gè)模糊控制器拆分成多個(gè)二輸入一輸出的模糊控制器 例如 本論文中的 模糊控制器有兩個(gè)輸入和一個(gè)輸出 則可以將該模糊控制器拆分成三個(gè)二輸入一輸出的 模糊控制器 下面就兩輸入以輸出的模糊控制器進(jìn)行分析 模 糊 化 反 模 糊 化 模糊推理 規(guī)則庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù) 知識(shí)庫(kù) 實(shí)數(shù)輸入實(shí)數(shù)輸出 x1 x2 xn y1 y2 yn 模糊化輸入模糊結(jié)論 圖 3 2 模糊控制器的組成 3 2 1 模糊化模糊化 模糊化是將測(cè)量得到的精確量轉(zhuǎn)化為模糊量 以作為模糊推理的輸入 模糊化處理 的過(guò)程分為兩步 首先確定論域 并把精確量轉(zhuǎn)換成論域中的元素 然后再進(jìn)行模糊化 精確量到論域中的元素得轉(zhuǎn)換 對(duì)每個(gè)輸入變量都指定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的論域 n n n為 正整數(shù) 例如 對(duì)偏差e和偏差的變化率de dt 取論域?yàn)?E 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 EC 4 3 2 1 0 0 1 2 3