基于plc的冷库控制系统设计

1绪论 11.1冷库系统研究背景 11.2国内外冷库发展现状 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 72.1.2制冷压缩机房和设备间 82.1.3其他设施 92.2冷库控制系统基本结构 92.2.1系统框架 2.2.2温度控制流程 2.3冷库系统配件的选取 2.3.1压缩机组的选取 2.3.2变频器的选取 2.3.3A/D、D/A转换器的选取 2.3.4传感器的选取 2.4冷库的监控系统 2.4.1RS-485总线 2.4.2CPU315-2DP主从站 2.4.3人机界面 3.1PID控制器概述 3.1.1PID控制器的原理 3.1.2PID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 223.2.1模糊化 233.2.2模糊推理 253.2.3反模糊化 26 264冷库控制电路设计 4.1电路控制要求 31结论 参考文献 附录 1.1冷库系统研究背景管理的各种因素，每年约有3000万吨水果、蔬菜、乳制品和其他易腐食品有待图1-1冷库的冷库房外观图保证库温稳定，避免不必要的低温，并可使食品在贮藏期间质量稳定，减缓食品表面水分的蒸发。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，保证系统安全高效运行。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发展，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。微型计算机冷库系统给定值给定值控制器D/A变送器|被控对象执行器A/D偏差图1-2微机过程控制系统许多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1.2国内外冷库发展现状发展情况对比如表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表1-1国内外冷藏链的发展状况内容国外国内原因分析预冷保鲜率美国和欧洲80%~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800万吨冷藏业发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管理管理监控层控制层设备层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，确保制冷控制系统安全、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。网桥或因特网冷藏间1冷藏间n贮氨器卧式桶泵机组达256螺杆压螺杆压自动型空图1-3PLC控制系统图为了使冷库机组安全可靠地运行，PLC控制系统充分利用了自身的优势，加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1.4本论文做的主要工作间和储冰间。高温冷库的控制温度范围是-5～5℃,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0～1℃,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。本文提出了模糊PID参数自整定控制。在模糊控制部分，本系统充分利用了2.1冷库的组成500m³),中型冷库(500～1000m³)和大型冷库(>1000m³)。一般的冷2.1.1主库前，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，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0～4℃)的家畜胴体送入冷却间冷却，使食品温度由35℃降至4℃,再进行冻结。冷却间的室温为0～-2℃,达到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~专用冻结装置用以冻结食品的冷间，它的室温为-23～-30℃(国外有采用-40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-8℃冷却物冷藏间：冷却物冷藏间又称高温冷藏间，室温为4～-2℃,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、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～-25℃,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～-30℃的趋势，日本对冻金枪鱼还采用了-45～-50℃所谓的办法来延长果蔬的储藏期。目前国内外正在发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，来控制如下：氧气为2%～5%;二氧化碳为0%～4%。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2.1.2制冷压缩机房和设备间变、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,其控制原理包括工程建设标准强制性条文的房屋建筑部分规定电梯电源应专用,机房照明电2.2冷库控制系统基本结构本论文以控制室温为0～1℃,相对湿度为85%～95%的冷却物冷藏间为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,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和输出电冷藏间冷藏间传感器门开关户外温度门状态检测压缩机恒温运行可编程逻辑控制器PID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,根据温度与设定后，压缩机制冷运行，温度开始慢慢下降，直至温度在0～1℃时，压缩机恒温运行；当温度不在0～1℃时，压缩机制冷运行，如此往复，直至库温稳定在0～1℃,压缩机循环控制如图2-2所示。Y压缩机恒温运行库温调节Y压缩机恒温运行库温调节N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。温度温度yD/A变频器压缩机库温传感器模糊PID控制器A/D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通常高温冷库制冷量计算公式为：冷库容积×90×1.16+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×95×1.16+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×110×1.2+正偏差，正偏差量范围在300～800W之间。在生产实际资生产企业。谷轮的ZB系列涡旋压缩机外形如图2-4所示。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高低温,与传统的空调制冷系统相对稳定的环境温度有着较大定范围内连续进行能量调节，使制冷量与负荷达到最佳匹配。如表2-1所示，对表2-1调节方法优缺点及能耗调节方优缺点负荷为60%时的能耗百分数ON/OFF控制结构简单，便宜，主要用于小型机组，部分负荷及启动时损失较大，温控精度差气缸卸载有级调节，只用于多气缸机组，部分负荷时效率下降较小吸气节流无级调节，系统简单但调节范围较小，效率低吸气节流无级调节，系统简单但调节范围较小，效率低热气旁通无级调节，调节范围较广，但系统复杂，效率低变频调节无级调节，系统简单，效率高，但装置成本高一般冷库中包含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安全储藏，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DSI8B20,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拟的特点,该芯片温度测量范围为-55℃~+125℃,以0.5℃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DSI8820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DSI8820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DSI8820拥有唯一的一个序列号，所以多个DSI8820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DSI8820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YpYpMEMORYCONTROLTEMPERATURESENSORROMANDREGISTER(EEPROM)ALARMLOWTRICGER(Tt)|CONFIGURATIONREGISTER(EEPROM)8-BITCRCGENERATORVDD=Cpp图2-5DSI8B20接线图2.4冷库的监控系统要保证新鲜的果蔬充足，安全保鲜是必不可少的。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。网络适配器RS-485总线MODBUS协议冷库1冷库2冷库n图2-6监控系统构架在冷库这样的工业环境中，为了使设备简单、成本低廉和维护方便，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还原成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RS-485是一个电气接口规范，它只规定了平衡驱动器和接收器的电特性，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/0n/0nRE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开始开始初始化设备初始化设备温度值中断接收传给PLC开始主机图2-8主、从机程序流程图2.4.3人机界面高对比度的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u(t)十微分十图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e(t)=r(t)-c(t)式(3-1)中：Ti:控制器的积分时间；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：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生，调积分时间常数T,T越大，积分作用越弱，反之则越强。微分环节：能反应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发展的重要方向之一。因此，需要将PID控制规律进行离散化处理，如表3-1所示。模拟形式离散化形式e(t)=r(t)-c(t)e(n)=r(n)-c(n=up(n)+u,(n)+up(n)式(3-2)中T为采样周期up(n)=Kpe(n)PID增量型算法的算式为：△u(n)=u(n)-u(n-1)称为比例项称为积分项称为微分项3.1.3PID控制器的参数整定控制器的比例系数、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PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。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基础上的一种基于语言规则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模糊模糊化模糊化X2反Xn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}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：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：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E0000000000000000000000NZ00000NS00000NM00000NB00000003.2.2模糊推理模糊控制算法常用语言规则表达，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，即模糊控制规则。模糊控制规则是根据生产运行经验例如，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}则一种可能的控制规则集如表3-3所示。表3-3中包含的控制规则，均为条件语7×8=56种模糊控制规则。这56个规则可以用MATLAB中的RuleEditor来进表3-3模糊控制规则集UENMNSNZNSNBNMNSNMNSNMNSNSNS3.2.3反模糊化根据规则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、Tr和Tp的清晰化处理。模糊控制程序设计流程见图3-11。S7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将量化因子置入PLC中采样时间到?Y将E、EC置入PLC存储区YN将输入量分别量化到输入语言变量的模糊论域中并置入存储区Kp、Ki、Kp去模糊化调整后的参数置入PID模结束令越界变量为其上限或下限图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 (Kp的规则数是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2x(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：//每隔1s调用FB10实现模糊参数自整定CALLFB10,DB10Kp:=DB20.DBD20Ti:=DB20.DBD24Tp:=DB20.DBD28//FB41所对应共享数据块的比例增益输入//FB41所对应共享数据块的积分时间输入//FB41所对应共享数据块的微分时间输入LP#DB21.DBWOL#address1//输入变量address1中TMW100//将Kp的值存入MW100最后由FC4实现控制量Kp、Ki和Kp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4.1电路控制要求指示灯(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；冷库消防警报启对于一个控制系统，PLC的选型尤为重要。比如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。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；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S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供您使用。4.3PLC程序表4-1输入输出表输入输出名称地址名称地址冷藏启动压缩机组制冷运行Q0.0冷藏停止压缩机组恒温运行Q0.2温度限定开关冷库指示灯(绿)Q0.1库门位置开关冷库指示灯(红)Q0.3冷库呼叫系统库内警报铃Q0.5冷库消防警报自动消防报警Q0.4呼叫/警报解除Q0.0Network2Q0.1Q0.11Q0.1Network3Q0.2Q0.2/Q0.2Network4Q0.3Q0.3/Q0.3T38Network5T37M0.0T37M0.0/M0.0T37M0.0TONTONNetwork6T38M0.1T38M0.1//M0.1T38M0.1TONTONNetwork7Q0.4Q0.4/Network8/Q0.5T40