基于PLC的冷库控制系统设计

目录1绪论11.1冷库系统研究背景11.2国内外冷库开展现状31.3PLC在冷库中的应用简介41.4本论文做的主要工作62冷库系统概述72.1冷库的组成7主库7制冷压缩机房和设备间8其他设施92.2冷库控制系统根本结构9系统框架10温度控制流程112.3冷库系统配件的选取12压缩机组的选取12变频器的选取132.3.3A/D、D/A转换器的选取14传感器的选取152.4冷库的监控系统152.4.1RS-485总线162.4.2CPU315-2DP主从站17人机界面183模糊PID控制器及其PLC设计193.1PID控制器概述193.1.1PID控制器的原理193.1.2PID控制器的数字算法213.1.3PID控制器的参数整定223.2模糊控制器概述22模糊化23模糊推理25反模糊化263.4模糊PID控制器的PLC实现264冷库控制电路设计304.1电路控制要求304.2西门子S7—200系列PLC简介304.3PLC程序31结论37致谢38参考文献39附录…………………1、绪论1.1冷库系统研究背景冷库，是利用降温设施创造适宜的湿度和低温条件的仓库,又称冷藏库,是加工、贮存农畜产品的场所。它能摆脱气候的影响，延长农畜产品的贮存保鲜期限，以调节市场供给。冷库主要用作对食品、乳制品、肉类、水产、禽类、果蔬、冷饮、花卉、绿植、茶叶、药品、化工原料、电子仪表仪器等的恒温贮藏。从冷库的现状与开展趋势来看，果品恒温气调库开展迅速，低温库比例有所增加，适合农户建造使用的微型冷库异军突起。冷库设计自动化控制程度逐步提高，政府平安生产和质量监督等管理部门对冷库的监管力度大大加强。因此，本论文就是根据市场需要研究自动化的果蔬恒温冷库。在我国，食品专用冷库严重的缺乏，食品的冷藏链的不完善，加之食品经营管理的各种因素，每年约有3000万吨水果、蔬菜、乳制品和其他易腐食品有待于从变质中拯救出来，易腐食品每年要损失十多亿元。养殖种植业的大幅度开展与保鲜、存储及流通的开展极不协调，产量越大亏损越多，我国现有人口已达13亿，食品资源非常珍贵，如不尽快改观，不仅是中国的食品工业的水平将大幅度落后于先进国家，而且将会照成资源的大量浪费。当务之急，我们要提高冷库整体的自动化管理水平，加强管理，降低运营本钱，促进冷库向平安、标准、节能、环保结构简单、操作方便的方向开展。制冷系统、控制装置、隔热库房、附属性建筑物等是冷库的根本组成局部。冷库的制冷系统主要包括冷库机组，它是冷库的核心，保证冷库库房内的冷源供给。控制装置是冷库的大脑，它指挥制冷系统保证冷量供给。冷库的冷库房如图1-1所示。图1-1冷库的冷库房外观图制冷系统的自动控制是提高制冷品质的最有效手段之一。采用自动控制可以保证库温稳定，防止不必要的低温，并可使食品在贮藏期间质量稳定，减缓食品外表水分的蒸发。此外，采用自动控制还可以使冷库制冷系统运行中的温度、压力、液位等状态参数保持在要求的范围内，保证系统平安高效运行。据统计，冷库制冷系统采用自动控制比手动控制可节能10%~15%。近年来，随着计算机控制技术的不断开展，计算机越来越广泛地被应用到工业领域中，冷库系统也不例外。目前，越来越多的冷库系统采用计算机进行检测、实施控制与管理，使产品的自动化提高了一个新的水平。典型的微机过程控制系统如图1-2所示。图1-2中，该系统以微型计算机作为控制器，由A/D和D/A转换器、计算机、执行器和被控对象组成。A/D转换器将物理信号转换成计算机能够识别的数字信号，经计算机分析计算出调节量，D/A转换器将计算机输出的数字量转换成模拟量，控制执行器的调节工作。整个系统控制规律的实现是通过软件来完成的，改变控制规律只需要通过改变相应的程序即可。图1-2微机过程控制系统制冷系统的自动控制，可采用继电器与其它控制仪表组成全自动控制器、工业可编程控制器，即PLC、单板计算机和工业控制计算机等。事实上，PLC也是一种计算机控制系统，只不过具有更强的与工业控制元件相连接的接口，具有更直接地适应控制要求的编程语言。另外，现代PLC的功能指令越来越大，能够实现许多复杂的控制算法，结合模拟量输入、输出扩展模块，在复杂的过程控制、运动控制中应用越来越广泛。其中，将模糊控制技术和PLC现结合，对一些无法建立精确数学模型的、复杂的非线性控制系统具有较好的控制效果。还有，当前许多PLC配备有模糊控制软件程序，使用起来很方便。因此，PLC控制应用到冷库中具有很大的前景。1.2国内外冷库开展现状随着人民营养和生活水平的提高，食品冷藏链近年来有了快速的开展，已经有了良好的根底，然而与国外兴旺国家相比仍由非常大的差距。国内外食品冷藏开展情况比照方表1-1所示。目前国内冷库较多，但冷库的压缩机控制大多仍采用继电器逻辑电路组成的控制器，这种控制器具有接线复杂、功耗高、工作寿命短、可靠性、通用性及灵活性低的缺点；而且大多数选用库房温度作为检测信号，反响慢，不经济。我国冷库的制冷设备大多采用手动控制，或者仅对某一个制冷部件采用了局部自动控制技术，对整个制冷系统做到完全自动控制的较少，货物进出、装卸等方面的自动化程度普遍较低。总之，PLC的应用在国内冷库行业还没有得到完全的重视。表1-1国内外冷藏链的开展状况内容国外国内原因分析预冷保鲜率美国和欧洲80%~100%30%左右没有有效地冷藏技术冷冻冷藏能力世界总量为8000万吨800万吨冷藏业开展无序冷藏链管理高效复杂没有真正建立冷藏链管理体系国外冷库的制冷装置广泛采用了自动控制技术，而他们采用的可编程控制器PLC恰恰具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、使用方便以及功耗低等特点。并采用压缩机的吸入压力作为检测参数，具有反响迅速，经济性能比高的特点。国外大多数冷库只有1~3名操作人员，许多冷库根本实现夜间无人值班。采用PLC替代原来继电器逻辑电路组成的控制器对压缩机进行控制，使冷库的运行态到达最正确效果，并对节能、减轻劳动强度有实际意义，为实现无人值班冷库提供了方便。因此，PLC在国内仍需要不断更新和开发，以适应像冷库系统这样的工艺要求。1.3PLC在冷库中的应用简介与传统的继电器控制相比较，PLC功耗小，有很好的灵活性和扩展性。与单片机比较，PLC是针对工业现场的自动化而设计的，编程简单，易于掌握。大型的冷库控制系统，除了PLC控制之外，还有人机界面辅助。人机界面主要功能是显示冷库机组的运行参数、运行工况和动态流程图，还可以显示故障记录等。由PLC与人机界面组成的冷库控制系统，能够做到一键开机、一键关机。冷库要求冷藏间，低温穿堂，冻结间、预冷间等不同房间的温度控制各有不同，各个单元即要独立运行调节控温又需协调联网及监控管理。由上位计算机、PLC、现场测控元件组成多级、开放、模块化、可扩展的高性价比冷库全自动控制解决方案，确保制冷控制系统平安、可靠、高效、稳定、节能运行，改善工人劳动条件，提升电控配套设备制造档次。PLC控制系统如图1-3所示。图1-3PLC控制系统图为了使冷库机组平安可靠地运行，PLC控制系统充分利用了自身的优势，参加了对冷库机组运行故障的预报功能，称之为故障管理系统。故障管理系统能够通过PLC的操作界面，在机组出现故障时，提示故障部位、故障原因和故障处理方法，使操作人员能够更快地处理故障，提高了机组的使用效率和运行可靠性。与常规的控制器相同，PLC可实现冷库机组所需要的各种控制功能，包括实现冷库机组的能量调节，执行平安保护功能，执行正常的开停机程序和故障停机程序等。PLC用于系统的控制后，不但实现了常规的控制规律，而且可以将最先进的控制方法应用于机组的控制运行中，使得机组的运行能效比更高。另外，PLC控制系统还可以实现远程监测功能，它具有RS-485等通讯接口，可以实现与其他计算机的连接与通讯，实现远程监控。另外，值得注意的是，与常规的控制系统相比，PLC可以实现包括自适应控制、模糊控制在内的更复杂的调节控制规律、改善调节品质、提高冷库机组运行的经济性。根据冷库机组的工作要求，PLC所实现的功能可以划分为检测功能、记忆功能、预报功能和执行功能等四个主要的功能。1.4本论文做的主要工作一般的冷库包含冷却间、冻结间、冷却物冷藏间、冻结物冷藏间、气调保鲜间和储冰间。高温冷库的控制温度范围是-5~5oC，适合果品蔬菜类保鲜。为了简化说明本系统，本论文以控制室温为0~1oC，相对湿度为85%~95%的冷却物冷藏间为研究对象，主要用于储藏经过冷却的果蔬。本文主要做了以下工作：(1)学习了解冷库系统的各个环节，主要包括压缩机、变频器、传感器、A/D转换器、D/A转换器，并要学会这些配件的选型。针对冷库系统是一个包含很多冷藏室且必须对其实施在线监控的大系统，本文讨论了冷库监控系统的设计方法。(2)绘制冷库控制系统结构总图，说明该系统主要是由模糊温度控制系统和电路控制系统组成。其中模糊温度控制系统主要由模糊参数自整定PID控制器组成。模糊参数自整定PID控制器和电路控制系统都是通过PLC来实现。(3)在模糊温度控制系统中，针对冷库控制系统大滞后、大惯性、时变性的特点，而常规PID控制具有参数整定困难、无法克服超调而造成资源浪费的问题，本文提出了模糊PID参数自整定控制。在模糊控制局部，本系统充分利用了MATLAB。PLC首先根据环境与冷库库温，对实际偏差值及偏差值的变化率进行模糊PID运算，调整PLC的PID参数，并将运算结果传递给压缩机的变频器，改变压缩机的频率，控制送往冷凝器的输气量或制冷能量。(4)在电路控制系统中，本文用最简单的PLC控制代替了老式的继电器控制，从而让整个控制系统得以稳定的操作和运行，进而实现无人操作的便捷。主要介绍了冷库冷藏程序的编写，包括输入输出地址表的建立、状态流程图的绘制、程序梯形图的编写，再次说明了PLC在冷库应用中的优势。2、冷库系统概述2.1冷库的组成冷库，按控制温度可分为高温冷库、中温冷库、低温冷库和冻结冷库。高温冷库的控制温度范围是-5~5oC，适合果品蔬菜类保鲜；中温冷库的控制温度范围是-10~-5oC，适合冻结后的食品冷藏；低温冷库的控制温度范围是-20~-10oC，适合冻结后的水产、禽肉类食品的冷藏；冻结冷库的控制温度范围是-23oC以下，适合在鲜品冷藏前的快速冻结。同样，冷库按容积可分为小型冷库〔<500m3〕，中型冷库〔500~1000m3〕和大型冷库〔>1000m3〕。一般的冷库，特别是大中型冷库是一个建筑群，主要由建筑主体(主库)、制冷压缩机房及设备间、其他设施组成。主库主库主要由冷却间、冻结间、再冻间、冷却物冷藏间、冻结物冷藏间、气调保鲜间、制冰间、穿堂等组成。冷却间：冷却间是用来对食品进行冷却加工的库房。水果、蔬菜在进行冷藏前，为防止某些生理病害，应及时逐步降温冷却。鲜蛋在冷藏前也应进行冷却，以免骤然遇冷时，内容物收缩，蛋内压力降低，空气中微生物随空气从蛋壳气孔进入蛋内而使鲜蛋变坏。此外，牲畜屠宰后也可加工为冷却肉(中心温度0~4oC)作短期储藏，肉味较冻肉鲜美。对于采用二次冻结工艺来说，也需将屠宰处理后的家畜胴体送入冷却间冷却，使食品温度由35oC降至4oC，再进行冻结。冷却间的室温为0~-2oC，到达冷却要求温度的食品称为“冷却物〞，可转入冷却物冷藏问。当果蔬、鲜蛋的一次进货量小于冷藏间容量的5%时，也可不经冷却直接进入冷藏间。冻结间：对于需长期储藏的食品，需要将其由常温或冷却状态迅速降至-15~-18oC的冻结状态，到达冻结终温的食品称为“冻结物〞。冻结间是借助冷风机或专用冻结装置用以冻结食品的冷间，它的室温为-23~-30oC(国外有采用-40oC或更低温度的)。另外，冻结间也可移出主库而单独建造。再冻间：再冻间设于分配性冷库中，供外地调入冻结食品中温度超过-8oC的局部在入库前再冻用。再冻间分配设备的选用与冻结间相同。冷却物冷藏间：冷却物冷藏间又称高温冷藏间，室温为4~-2oC，相对湿度为85%~95%，因储藏食品的不同而异。它主要用于储藏经过冷却的鲜蛋、果蔬；由于果蔬在储藏中仍有呼吸作用，库内除需保持适宜的温湿度条件外，还要引进适量的新鲜空气。如储藏冷却肉，储藏时间不宜超过15天。冻结物冷藏间：冻结物冷藏间又称低温冷藏间，室温在-18~-25oC，相对湿度95%~98%，用于较长冻结期的储藏冻结食品。在国外有的冻结物冷藏间温度有降至-28~-30oC的趋势，日本对冻金枪鱼还采用了-45~-50oC所谓超低温的冷藏间。气调保鲜间：气调保鲜主要是针对果蔬的储藏而言。果蔬采收后，仍然保持着旺盛的生命活动能力，呼吸作用就是这种生命活动最明显的表现。在一定范围内，温度越高，果蔬呼吸作用越强，衰老越快。所以多年来生产上一直采用降温的方法来延长果蔬的储藏期。目前国内外正在开展控制气体成分的储藏，简称“CA〞储藏，即在果蔬储藏环境中适当降低氧的含量和提高二氧化碳的浓度，来抑制果实的呼吸强度，延缓成熟，到达延长储藏的目的。一般情况下，气体成分控制如下：氧气为2%~5%；二氧化碳为0%~4%。制冰间：制冰间的位置宜靠近设备间，水产冷库常把它设于多层冷库的顶层，以便于冰块的输出。制冰间宜有较好的采光和通风条件，要考虑到冰块入库或输出的方便，室内高度要考虑到提冰设备运行的方便，并要求排水畅通，以免室内积水和过分潮湿。穿堂是食品进出的通道，并起到沟通各制冷间、便于装卸周转的作用。库内穿堂有低温穿堂和中温穿堂两种，分属高、低温库房使用。目前冷库中较多采用库外常温穿堂，将穿堂布置在常温环境中，通风条件好，改善了工人的操作条件，也能延长穿堂使用年限。常温穿堂的建筑结构一般与库房结构分开。此外，主库还包括其他局部，如电梯间、挑选间、包装间、分发间、副产品冷藏间、次品冷藏问、楼梯问等。2.1.2制冷压缩机房和设备间制冷压缩机房是冷库主要的动力车间，安装有制冷压缩机、中间冷却器、调节站、仪表屏及配用设备等。目前国内大多将制冷压缩机房装置在主库附近，且单独建造，一般采用单层建筑。国外的大型冷库常把制冷压缩机房布置在楼层内，以提高底层利用率。对于单层冷库，也有在每个库房外分设制冷机组，采用分散供液的方法，而不设置集中供冷的制冷压缩机房。设备间安装有壳管卧式冷凝器、储氨器、气液别离器、循环储液桶、氨泵等制冷设备，其位置紧靠制冷压缩机房。在小型冷库中，因机器设备不多，制冷压缩机房与设备间可合为一间，水泵房也包括在设备间内。变、配电间包括变压器间、高压配电间、低压配电间(大型冷库还设有电容器间)。变、配电间应尽量靠近负荷大的机房间，当机房间为单层建筑时，一般多设在机房间的一端。变压器间也可单独建筑，高度不得小于5m，要求通风条件良好。在小型冷库中，也可将变压器放在室外架空搁置。变、配电间内的具体布置视电气工艺要求而定。2.1.3其他设施冷库的呼叫系统是为了防止人员被误关在冷间内而设置的，其控制原理包括呼叫、呼叫确认、呼叫回应和呼叫解除几个局部。新标准中没有要求冷库必需装设呼叫系统。由于现在的冷藏门有较大改良，在库内可以方便地将门开启，因而设计人员可根据需要进行设计。但如果有安装呼叫系统，冷库间内门上方要设置常明灯。工程建设标准强制性条文的房屋建筑局部规定电梯电源应专用，机房照明电源应与电梯电源分开。因此按负荷的重要性，将货梯主机电源和控制箱的照明、报警、通风电源，归为电梯电源从变、配电所低压配电屏单独引出电源，货梯机房照明、空调、插座电源和井道插座、照明电源另从照明回路引出。此外，冷库还配备消防设施，消防设施可分为库内监控警报、室内消防设备、消防报警三局部。2.2冷库控制系统根本结构本论文以控制室温为0~1oC，相对湿度为85%~95%的冷却物冷藏间为研究对象，主要用于储藏经过冷却的果蔬，为此有必要对该冷却物冷藏间的系统框架图及温度控制流程图做出相关说明。2.2.1系统框架如图2-1所示，该冷却物冷藏间系统由两个子系统组成，即模糊温度控制系统和电路控制系统组成。其中模糊温度控制系统主要由模糊参数自整定PID控制器组成。模糊参数自整定PID控制器和电路控制系统都是通过PLC来实现。模糊参数自整定PID控制器，简称模糊PID控制器，由PID控制器和模糊控制器组成。该冷却物冷藏间的模糊控制主要是根据温度传感器测得的温度和算出的温度变化，运用模糊推理确定果蔬温度，控制压缩机的运转，到达最正确的运行效果和保鲜效果。同样，模糊PID控制器的输入也要充分考虑户外温度、库门开关状态和室内湿度检测。模糊参数自整定PID控制器由PLC实现，在冷却物冷藏间系统中需要考虑PID计算、模糊推理系统以及其它各种数据的处理，为了满足这样大容量的数据传输和处理，本文选用西门子S7-200系列的PLC，其具体实现方法见本文第三章。在电路控制系统中，设计思想是用最简单的PLC控制代替了老式的继电器控制，从而让整个控制系统得以稳定的操作和运行，西门子S7-200系列的PLC恰恰具有连接方便、简单易懂、价格廉价的优点。因而，该冷却物冷藏间的电路控制系统采用西门子S7-200系列的PLC。其具体实现方法见本文第四章。如图2-1中虚线框所示，电路硬件系统由输入电路、西门子S7-200系列的PLC和输出电路组成。输入电路主要用于输入冷却物冷藏间的内部状态、电源状态和用户所设定的温度，所以输入部件包括冷却物冷藏间温度检测电路、电源检测电路和温度给定电路等。输出部件主要用于控制压缩机和温度显示，所以输出部件包括压缩机运行状态电路和温度显示电路。图2-1冷库系统结构框架图该冷却物冷藏间系统以冷却物冷藏间的温度作为控制目标，根据温度与设定指标的偏差来决定压缩机的运行状态。当经过冷却的果蔬运送到该冷却物冷藏间后，压缩机制冷运行，温度开始慢慢下降，直至温度在0~1oC时，压缩机恒温运行；当温度不在0~1oC时，压缩机制冷运行，如此往复，直至库温稳定在0~1oC，压缩机循环控制如图2-2所示。图2-2压缩机循环控制图2.2.2温度控制流程如图2-3所示，该冷库控制结构流程图主要由模糊PID控制器、变频器、压缩机、传感器、A/D转换器、D/A转换器组成。模糊PID控制器主要由模糊推理系统和PID控制器组成。模糊PID控制器由PLC来实现。PLC首先根据环境与冷库库温，对实际偏差值及偏差值的变化率进行模糊PID运算，调整PLC的PID参数，并将运算结果传递给压缩机的变频器，改变压缩机的频率，控制送往冷凝器的输气量或制冷能量。图2-3冷库控制结构图2.3冷库系统配件的选取冷库系统配件主要包括压缩机、变频器、A/D转换器、D/A转换器和温度传感器，这些配件的选取将直接影响冷库系统的性能。2.3.1压缩机组的选取在冷库控制系统中，是最为关键的配件。压缩机是冷库中能耗最大的装置，约占电机输入功率的30%左右。在环境温度较低时，压缩机的性能几乎决定着整个冷库系统的性能。一般情况下，小型冷库选用全封闭压缩机，中型冷库一般选用半封闭压缩机，大型冷库选用半封闭压缩机。无论何种品牌的压缩机组的选型,都是根据冷库的蒸发温度及冷库有效工作容积来确定，另外还要参考冷冻或冷藏物品的冷凝温度、入库量、货物进出库频率等参数。冷库制冷量根据冷冻或冷藏物品的冷凝温度、入库量、货物进出库频率来确定。通常高温冷库制冷量计算公式为：冷库容积901.16+正偏差，正偏差量根据冷冻或冷藏物品的冷凝温度、入库量、货物进出库频率确定，范围在100~400W之间。中温冷库制冷量计算公式为：冷库容积951.16+正偏差，正偏差量范围在200~600W之间。低温冷库压缩机组制冷量计算公式为：冷库容积1101.2+正偏差，正偏差量范围在300~800W之间。在生产实际中，为了确定各个库房的压缩机组和配电设备，一般要计算库房耗冷量。对于储藏果蔬的冷库系统，库房的耗冷量一般包括围护结构耗冷量，果蔬的呼吸热，冷库开门和通气换风的耗冷量，电机运行的耗冷量和运行管理耗冷量。冷库压缩机组的品牌选用主要根据用户对某种品牌的了解程度、维护方便、工程投资的数额各方面来考虑，目前国内通常选用法国的美优乐、美国的谷轮以及德国的比泽尔，这三种品牌的压缩机组性能都很稳定，而且三者在国内都有合资生产企业。谷轮的ZB系列涡旋压缩机外形如图2-4所示。图2-4谷轮ZB系列涡旋压缩机2.3.2变频器的选取压缩机一般是按设计工况所需制冷量进行选型，冷库系统使用的环境温度横跨夏冬两季的极限上下温，与传统的空调制冷系统相对稳定的环境温度有着较大的差异，因而其实际使用工况难免会与设计工况存在一定的偏差。为了使冷库系统适应不同工况的要求，使制冷量与负荷尽量品配，因此有必要对压缩机进行能量调节。目前压缩机的能量调节方式有:压缩机间歇控制(ON/OFF)运行；吸气调节；气缸卸载；热气旁通能量调节；分档变进调节输气量;无级变速调节。目前，冷库及冷藏箱制冷系统的能量调节方法一般采用压缩机间歇运行。当库温高于设定温度上限时，压缩机启动运行，当库温低于设定温度下限时，压缩机停机，这种调节方法适用于负荷变化不大时的工况。而实际使用中，冷库的负荷受季节的影响较大，然而冷库的负荷还受流动地域环境等的影响，因此压缩机根本上处于变工况下运行。此外，压缩机的频繁启停会造成额外的能量损耗，引起电网的波动增大，且对压缩机的寿命影响也较大。随着变频技术的开展，变频器已广泛用于空调制冷行业。变频技术就是利用变频器输出相应的频率电源到压缩机，其实质类似于分档变速调节，但其能在一定范围内连续进行能量调节，使制冷量与负荷到达最正确匹配。如表2-1所示，比照各种调节方法，变频调节是以上各种方法中能耗最小的调节手段，而且其控温精度也是最高的。因此，变频压缩机在冷库制冷系统上具有较大的应用前景。在理想情况下，制冷机组的制冷量与制冷剂的质量流量成正比。变频能量调节的根本思想就是改变压缩机的转速，使制冷剂的质量流量发生变化，从而改变机组的制冷量。表2-1调节方法优缺点及能耗调节方法优缺点负荷为60%时的能耗百分数ON/OFF控制结构简单，廉价，主要用于小型机组，局部负荷及启动时损失较大，温控精度差63%气缸卸载有级调节，只用于多气缸机组，局部负荷时效率下降较小0%吸气节流无级调节，系统简单但调节范围较小，效率低70%吸气节流无级调节，系统简单但调节范围较小，效率低70%热气旁通无级调节，调节范围较广，但系统复杂，效率低100%变频调节无级调节，系统简单，效率高，但装置本钱高60%2.3.3A一般冷库中包含A/D转换器和D/A转换器。A/D转换器将物理信号转换成计算机能够识别的数字信号，经计算机分析计算出调节量；D/A转换器将计算机输出的数字量转换成模拟量，控制执行器的调节工作。选取A/D、D/A转换器时，要充分考虑系统的精度问题。D/A转换器要满足模糊控制器和变频器的精度要求，A/D转换器要满足传感器的精度要求。MAXIM公司推出的16位逐次逼近型A/D转换器MAX195和16位D/A转换器MAX5631，具有体积小、功耗低、转换速度快、精度高等优点，可以满足冷库系统要求。2.3.4传感器的选取考虑到冷库内蔬果监测必须采用全方位多点监测有效地保证果蔬的平安储藏，系统选取一种连线简单、测量精度高、抗干扰能力强的传感器DSl8B20，其接线图如图2-5所示。该芯片在冷库监测系统中有其它芯片无法比较的特点，该芯片温度测量范围为-55℃~+125oC，以0.5oC递增。该温度测量值可以满足低温监测的要求。温度以9位数字量读出，通过一个单线接口DQ发送或接收信息。如果在测量点数不多的情况下，PLC与DSl8820之间仅需一根连接线而无需外部电源供电(寄生电源方式)。每个DSl8820都有一个唯一的长达64位的光刻ROM编码。最前面的8位是单线系列编码，中间48位是唯一的序列号，最后8位是前面56位的CRC码。由于每个DSl8820拥有唯一的一个序列号，所以多个DSl8820可以在一条线上工作，通过对DQ时序的操作只有被选中ROM序号的DSl8820才能响应和工作。冷库中库温采用多点监测，考虑到驱动的因数不采用寄生电源方式而是直接采用外部电源供电。图2-5DSl8B20接线图2.4冷库的监控系统要保证新鲜的果蔬充足，平安保鲜是必不可少的。库温检测是冷库关注的重点。对于大型冷库，仓容巨大，如何有效地对每个仓库的库温进行中央检测显得尤为重要。监控系统构架如图2-6所示。图2-6监控系统构架2.4.1RS-485总线在冷库这样的工业环境中，为了使设备简单、本钱低廉和维护方便，总希望用最少的信号线来完成数据采集与控制。RS-485串行接口就具有此功能。在RS-485发送端，驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出，在接收端接收器将差分信号复原成TTL信号，所以RS-485有很强的和很高的抗干扰能力和接收灵敏度。RS-485是一个电气接口标准，它只规定了平衡驱动器和接收器的电特性，而没有规定接插件、传输电缆和通信协议。RS-485标准定义了一个基于单对平衡线的多点、双向〔半双工〕通信链路，是一种极为经济、并具有相当高噪声抑制、传输速率、传输距离和宽共模范围的通信平台。该冷库监控系统用RS-485构成分布式数据采集与控制，采用总线方式，而传达数据采用主从站方法。主站启动并控制每一次通信，每一个从站有一个识别地址。在此选用半双式低功耗收发器件MAX487来完成RS-485通信。MAX487接收器输入阻抗为十分之一单位负载，允许在总线上挂接128个MAX487收发器。MAX487如下图2-7所示。图2-7MAX4872.4.2CPU315-2DP主从站由于冷库与控制室之间大约有50m的距离，因此系统选用了带从站功能的CPU315-2DP,其具有大中规模的程序容量，对二进制和浮点数有较高的处理性能，有两个PROFIBUS-DP主站/从站接口，可用于建立分布式I/O结构和大规模的I/O配置。本系统采用主从方式因而具备主-从两种结构。上位机PLC作为主站，下位机作为从站。根据系统要求，主站用于模块扩展，负责收集从站检测的数据并将其传给PLC，从而控制风机的转速和温度控制。从站中配置了开关量输入模块和输出模块和模拟量输入模块，用来控制库门的升降、压缩机的动作、库门平安销的动作、冷库上各种仪表或传感器的检测，并且接收主机命令回传温度值。主、从机程序流程图如图2-8所示。图2-8主、从机程序流程图2.4.3人机界面该冷库控制系统采用人机界面TP270-10。它能对图形进行快速响应，具有高比照度的STN显示，能够CCFL背光显示，寿命超过40000~60000小时，可适用中文组态软件CPI和直接控制键可用为快速响应，可显示汉字，可组态的触摸按钮用于文本、状态指标、图形及图形状态指示，在Windows环境下使用ProTool软件进行组态，拥有IP65保护等级，可与多种PLC进行连接。在冷库控制系统中，人机界面完成智能化的后台管理、各种温度参数的设定及制冷状况的监视和报警。3、模糊PID控制器及其PLC设计3.1PID控制器概述在自动控制系统中，常用的控制器有P、PI、PD、PID控制器。其中在这几种调节规律中，PID的调节规律最为理想。在工程实际中，PID控制，又称PID调节，是一种应用最为广泛的控制方法，而PID控制器是一种应用最为广泛的调节器。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器〔仪表〕已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，且各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligentregulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器，还有可实现PID控制的PC系统等等。可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwell的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。3.1.1PID控制器的原理常规PID控制系统原理框图如图3-1所示，系统由常规PID控制器和被控对象组成。图3-1常规PID控制系统原理图由于PID调节器是由比例积分微分三种调节规律合成的一种调节器，因此比例积分微分调节器的动作规律为：(3-1)式〔3-1〕中：为控制器的输出；为控制器的输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号；KP:控制器的比例系数；TI：控制器的积分时间；TD：控制器的微分时间。调节器的传递函数为：PID控制器包括比例、积分、微分这三个环节。各环节的作用如下：比例环节：即时成比例地反响控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之那么越强。微分环节：能反响偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。3.1.2PIDPID调节原理简单，鲁棒性强，易于工程实现。在计算机用于自动控制系统之前，人们采用气动、液动和电动调节器实现PID调节规律。随着现代控制技术的开展，相继出现了一些复杂的，只有计算机才能实现的控制算法，但内部结构仍然以PID控制算法为主流。与计算机的强大运算功能和逻辑判断功能相结合，使PID控制规律数字化，是自动控制技术应用开展的重要方向之一。因此，需要将PID控制规律进行离散化处理，如表3-1所示。表3-1模拟PID控制规律的离散化模拟形式离散化形式PID差分方程[5]在离散控制系统中可表示为：(3-2)式〔3-2〕中T为采样周期称为比例项称为积分项称为微分项PID增量型算法的算式为：3.1.3PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反响曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。3.2模糊控制器概述模糊控制是近代控制理论中建立在模糊集合论根底上的一种基于语言规那么与模糊推理的控制理论。它是智能控制的一个重要分支。随着科学技术的飞速开展，在那些复杂的，受多因素影响的，严重非线性、不确定性、多样性的大系统中，传统的控制理论和方法越来越显示出其局限性。为此我们以人类思维的控制方案为根底，创造出了一种能反映人类经验的控制过程知识，并可以到达控制目的，能够用某种形式表示出来，而且这种形式既能够取代那种精密、反复、有错误倾向的模型建造过程，又能防止精密地估计模型方程中各种参数的过程。这就是模糊控制产生的背景。传统控制系统采用的控制机理是经典或现代控制理论，而模糊控制器是一般的数字控制器，模糊控制系统应用模糊控制机理。模糊控制器的一般组成如图3-2所示，为多输入多输出模糊控制器，包括输入量模糊化、数据库、规那么库、模糊推理和反模糊化组成。模糊控制器在输入和输出之间起着非线性映射作用，其输入和输出都是确定的实数值，而不是模糊集合。模糊化是指将输入转换为模糊集合，模糊推理使用规那么库中的规那么产生模糊结论，反模糊化那么将模糊结论转换为确定实数输出。根据控制对象的特点、要求及专家经验，合理选择控制器的输入量、输出量，从而确定模糊控制器的结构。输入维数越多，控制会更精密，但控制规那么的选取越困难，控制算法也越复杂，实现起来较困难。二维模糊控制器是最为常用的一类模糊控制器。二维模糊控制器的两个输入根本上都选为被控变量与给定值的偏差E和EC。由于它能较严格地反映控制系统中输出变量的动态特性，因此在控制效果上要比一维模糊控制器好得多。当二维模糊控制器有多个输出时，应当将这个模糊控制器拆分成多个二输入一输出的模糊控制器。例如，本论文中的模糊控制器有两个输入和一个输出，那么可以将该模糊控制器拆分成三个二输入一输出的模糊控制器。下面就两输入以输出的模糊控制器进行分析。图3-2模糊控制器的组成3.2.1模糊化模糊化是将测量得到的精确量转化为模糊量，以作为模糊推理的输入。模糊化处理的过程分为两步：首先确定论域，并把精确量转换成论域中的元素；然后再进行模糊化。精确量到论域中的元素得转换：对每个输入变量都指定一个标准的论域[-n,+n],n为正整数。例如，对偏差e和偏差的变化率de/dt，取论域为：E={-4,-3,-2,-1,-0,+0,+1,+2,+3,+4}EC={-4,-3,-2,-1,-0,+0,+1,+2,+3,+4}(3-3)将精确量(实际量)转换并统一到规定的论域中，其变换关系为：(3-4)式〔3-4〕中，[a,b]为变量x的实际变化范围，y为论域[-n,+n]中的变量。模糊化：模糊化的主要任务是求得输入对应于语言变量的隶属度。偏差及其变化率的常用语言词汇表示为：{负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大}用英文字母简记为：E={NB,NM,NS,NZ,PZ,PS,PM,PB}EC={NB,NM,NS,NZ,PS,PM,PB}(3-5)式〔3-5〕为偏差和偏差变化率的模糊集合，括号内的每一个词汇都是一个模糊子集。语言变量的隶属函数有两种表达方法，即离散方式和连续方式。离散方式取论域中的离散点〔整数值〕及这些点的隶属度来描述一个语言变量。例如，取n=4，“正大〞的隶属函数可写成：PB=这是查表中常用的。连续方式将隶属度表示成论域变量的连续函数，最常见的函数形式是三角函数。所谓模糊化就是确定式〔3-3〕中所示论域中的各元素隶属于式〔3-5〕中各模糊子集的程度。在模糊控制中，通常制成隶属度赋值表，通过查表得到有关隶属函数，见表3-2所示。表3-2隶属度赋值表eeE-4-3-2-1-0+0+1+2+3+4PB00000000.20.61.0PM000000.10.50.90.90.5PS00000.20.61.00.60.20PZ0000.10.50.90.50.100NZ000.10.50.90.50.1000NS00.20.61.00.60.20000NM0.50.90.90.50.100000NB1.00.60.200000003.2.2模糊推理模糊控制算法常用语言规那么表达，而控制作用的产生是推理的结果。模糊推理环节的输入为偏差E和偏差的变化率EC，输出为控制作用U，它们都是模糊量，它给定U和E、EC的关系，即模糊控制规那么。模糊控制规那么是根据生产运行经验和对生产过程的认识和分析得到的，全部规那么的组合构成模糊控制规那么集。模糊逻辑推理方法尚在开展中，比较典型的方法有Zadeh方法、Baldwin方法、Tsukamoto方法、Yager方法和Mizumoto方法。Zadeh方法是最为常见的模糊推理方法。例如，某一生产过程的被调参数的偏差、偏差变化率和控制输出分别为：E={NB,NM,NS,NZ,PZ,PS,PM,PB}EC={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}U={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}那么一种可能的控制规那么集如表3-3所示。表3-3中包含的控制规那么，均为条件语句(ifE=EiandEC=ECithenU=Uij)形式，它相当于2个输入和一个输出的模糊关系，其输入和输出的模糊量关系，满足上述模糊关系的合成运算，共有78=56种模糊控制规那么。这56个规那么可以用MATLAB中的RuleEditor来进行编辑。表3-3模糊控制规那么集EEUECCCCCCCCCCCCNBNMNSNZPZPSPMPBNBNBNBNBNMNSZOPSPSNMNBNBNMNSNSZOPSPMNSNBNBNMNSZOPSPMPMZONBNMNSZOZOPSPMPBPSNMNMNSZOPSPMPBPBPMNMNSZOPSPSPMPBPBPBNSNSZOPSPMPBPBPB3.2.3反模糊化根据规那么经过推理得到的模糊集合〔单点集合除外〕无法被执行机构识别和执行，所以需要将模糊集合U转换成精确值u，这一转换过程称为反模糊化。反模糊化常用的计算方法有重心法、最大隶属度法、加权平均算法等。3.4模糊PID控制器的PLC实现SIEMENSS7-200PLC的编程系统STEP7提供了丰富的功能模块，为模糊控制算法的实现提供了方便。主循环程序模块OB1实现对功能和功能块的调用以及信号和数据的传递。循环中断组织块选择时间间隔为1s的OB31。功能模块FB10完成整个模糊控制功能。与之相对应的背景数据块为DB10，主要存储量化因子及目标温度，测量温度等其他的参数。FB10由功能FC1、FC2、FC3、FC4这四个子程序组成。其中FC1完成E和EC的计算；FC2进行模糊化处理；FC3实现模糊控制表的查询功能；FC4完成KP、TI和TD的清晰化处理。模糊控制程序设计流程见图3-11。用FB41“CONT_C〞可以实现连续控制,FB“CONT_C〞用于在SIMATICS7可编程控制器上，控制带有连续输入和输出变量的工艺过程。在参数分配期间，用户可以激活或取消激活PID控制器的子功能，以使控制器适合实际的工艺过程。可以将控制器用作PID固定设定值控制器，或者在多回路控制中用作级联、混合或比率控制器。控制器的功能基于采样控制器的PID控制算法，采样控制器带有一个模拟信号；如果需要的话，还可以扩展控制器的功能，增加一个脉冲生成器环节，以产生脉宽调制的输出信号，用于带有比例执行器的两步或三步控制器。除了设定值和过程值分支中的功能以外，FB还实现了一个完整的PID控制器，该控制器具有连续的可调节变量输出，并且还可以选择手动影响调节值。在PID控制模块FB41中，KP、KI和KD分别对应于输入参数GAIN、TI和TD。图3-11模糊控制程序设计流程图如图3-11所示，该流程图的核心是模糊控制查询表的查询程序。模糊控制表中的模糊控制量KP按照先行后列，由左向右的访问方式顺序存储到数据块DB10中。数据类型为整形〔INT〕。首地址为DB0，依次为DB2、DB4……DB336〔KP的规那么数是169〕。如采用常规的判断语句的查表方法，将会使程序语句多而繁琐，因此采用STEP7中的指针寻址查表方法。为了简化设计，将输入模糊论域的元素均增加6，即化为[0，……12]。控制量的基址为0，偏移地址为2×〔13×Xi+Yj〕，由Xi，Yj可以确定控制量的绝对地址为2×〔13×Xi+Yj〕，通过指针变量获得地址中存储的KP的模糊值。以下给出系统的主要程序：循环中断组织块OB31：//每隔1s调用FB10实现模糊参数自整定CALLFB10，DB10PV：=MD0SP：=MD4E：=MD8EC：=MD12KP：=DB20.DBD20//FB41所对应共享数据块的比例增益输入TI：=DB20.DBD24//FB41所对应共享数据块的积分时间输入TD：=DB20.DBD28//FB41所对应共享数据块的微分时间输入功能FC3：//实现模糊控制量的查询功能LP#DB21.DBW0L#address1//输入变量address1中SLD3+DT#p1//临时变量p1LDBW[#p1]TMW100//将KP的值存入MW100最后由FC4实现控制量KP、KI和KD的清晰化转换，将最终计算结果送到FB41中对应的参数中。通过FB41，输出控制量送到模拟量输出模块实现控制作用。4、冷库控制电路设计4.1电路控制要求要求用PLC程序模拟自动化控制，从按下启动按钮压缩机组制冷启动、冷库指示灯〔绿〕常亮，直至温度限定开关或库门位置开关动作，压缩机组恒温运行，温度限定开关或库门位置开关复位后，压缩机组制冷再次启动，反复运行；冷库呼叫系统被启动后，压缩机组恒温运行，冷库指示灯〔红〕以0.5/0.5s闪烁，库内警报铃声响起，按下呼叫/警报解除按钮后，冷库正常运行；冷库消防警报启动后，压缩机组停止运行，冷库指示灯(红)以0.5/0.5s闪烁，库内警报铃声响起，按下呼叫/警报解除按钮后，冷库正常运行，过程中按下停止按钮随即停止。对于一个控制系统，PLC的选型尤为重要。比方对于要进行温度监控及PID调节等控制的大系统，适宜选择西门子S7-200的PLC。4.2S7-200系列PLC简介S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列出色表现在以下几个方面：〔1〕极高的可靠性；〔2〕极丰富的指令集；〔3〕易于掌握；〔4〕便捷的操作；〔5〕丰富的内置集成功能；〔6〕实时特性；〔7〕强劲的通讯能力；〔8〕丰富的扩展模块。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。S7-200系列PLC可提供4个不同的根本型号的8种CPU供您使用。4.3PLC程序一般冷库的输入包括冷却物冷藏间温度检测电路、电源检测电路和温度给定电路等；输出包括压缩机运行状态电路和温度显示电路。大型冷库的控制电路更为复杂。如表4-1所示，为了简化控制系统，将输入地址设定为冷藏启动I0.0、冷藏停止I0.6、温度限定开关I0.1、库门位置开关I0.2、冷库呼叫系统I0.3、冷库消防警报I0.5、呼叫/警报解除I0.4；输出地址设定为压缩机组制冷运行Q0.0、压缩机组恒温运行Q0.2、冷库指示灯(绿)Q0.1、冷库指示灯(红)Q0.3、库内警报铃Q0.5、自动消防报警Q0.4。由于该电路只有7个输入和6个输出，应选择CPU214即满足要求。冷库控制灯有绿灯和红灯各一个，当压缩机组处于制冷运行状态时，绿灯亮；当压缩机组处于恒温运行状态时，红灯亮。表4-1输入输出表输入输出名称地址名称地址冷藏启动I0.0压缩机组制冷运行Q0.0冷藏停止I0.6压缩机组恒温运行Q0.2温度限定开关I0.1冷库指示灯(绿)Q0.1库门位置开关I0.2冷库指示灯(红)Q0.3冷库呼叫系统I0.3库内警报铃Q0.5冷库消防警报I0.5自动消防报警Q0.4呼叫/警报解除I0.4采用S7-200编程软件编制的冷库控制系统的梯形图程序如下：对应的指令表为：NETWORK1LDI0.0OQ0.0OI0.2ANI0.1ANI