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基于RS－485总线的蚕种催青控制系统 |
| 摘 要：针对人工方法进行蚕种催青存在的问题，设计了一种新的蚕种催青过程实时监控系统。该系统使蚕种定时作360度的自动换位，对温、湿，光进行准确控制，并可以实现对蚕种销售过程进行管理，具有可靠性高、成本低、控制方法灵活等优点。 关键字：蚕种催青 自动换位 蚕种销售 0 引言 由于催青过程中蚕种对温、湿、光的感应是不断变化的，因此采用人工方法对温、湿度的变化难以控制，因而造成孵化不齐、蚁体虚弱、茧质变劣。本文根据某蚕种供应站的要求，设计了一种新的蚕种催青过程实时监控系统。系统充分利用仪表、PLC、个人计算机各自的特点，采用系统集成的方法组成控制系统，使蚕种定时作360度的自动换位，对温、湿，光进行准确控制，具有可靠性高，控制方法灵活等优点。采用计算机控制蚕种催青，使蚕种孵化更集中齐一，孵化日期准确，提高了蚕种一次性孵化率，从而提高了大蚕产量。系统人机界面友好，数据处理能力强，用户在实现蚕种催青整个过程自动控制要求的同时，还能够方便地处理蚕种销售管理等诸如此类的问题。 1 系统控制指标 温度控制范围：20℃～28℃， 控制精度 ≤±0.5℃ 湿度控制范围：30%～90%RH，控制精度 ≤±3%RH 2 系统构成及特点 蚕种供应站的孵化室每一层6间，整个孵化室分为二层，共1 2间孵化室。每个孵化室内的孵化器安装在旋架框上，由变速电机通过传动比为常数的减速器驱动。通过对变速电机的控制，实现旋架的速度调整，使蚕种每隔一段时间作360度的自动换位，从而达到使各孵床的孵化均匀。每个孵化室内安装两对温、湿度变送器，计算机对不同位置的温、湿度信号进行处理，获得最佳的温、湿度数据。根据技术要求和孵化室的实际位置，本系统分为2个独立控制系统。每个控制系统控制一层6间孵化室的温、湿度，系统由控制室和孵化室两大部份组成。 整个系统采用广泛应用于加工制造、生产过程自动化的RS-485总线，将工业PC机和PLC组成二级控制系统，形成集控制、管理于一体的综合自动化模式。上位机采用研华工业控制机，运行自主开发的蚕种催青过程管理软件，完成对系统的监视和销售管理、控制参数修改、系统的组态、报警、制表、绘制曲线等功能;基础自动化级为西门子公司的S7-200系列PLC和XSL巡检仪，实现数据采集、上传和控制，因此上位计算机的任何故障都不会影响系统运行。 系统构成如图1：  图1 方案中每层安装一台巡检仪，巡检仪有24路模拟量输入，分别对应于每个催青室的上、下部温度和上、下部湿度。温、湿度传感器采用JWSF温、湿度一体化变送器。该传感器输出与温、湿度对应的电流信号，经巡检仪后得到信号的数字量，并通过PLC上传给计算机，直观地显示在巡检仪和计算机上，这样既降低了系统成本（PLC不采样），又保证了巡检仪和计算机显示的数据一致。PLC根据控制要求发出输出信号，控制补湿、加热、空调和电机，最后达到使催青房间温、湿度稳定和感光均匀的目的。 3 控制方法及实现 孵化室的温、湿度是一个大纯滞后的对象，并具有非线性、时变性等特性。对于大纯滞后的对象通常采用Smith补偿控制。然而要实现Smith补偿控制，必须有一个较为精确的数学模型。除了数学模型的精确性之外，被控对象的特性随着现场环境、负荷变化等运行条件的改变而发生变化也会影响Smith补偿控制的效果。考虑到控制系统温、湿度变化较大，各个控制回路的对象特性各异等因素，本系统采用了先进的增益自适应Smith预估补偿控制的方案。 增益自适应补偿方案是在Smith预估补偿模型之后另加了一个除法器，一个一阶微分环节（识别器）和一个乘法器。除法器是将被控过程的输出值除以Smith预估补偿模型的输出值;识别器中的时间常数 = ，它将使被控过程的输出比Smith预估补偿模型的输出提前一个纯滞后时间 进入乘法器进行运算;乘法器将Smith预估器输出乘以识别器的输出后作为被控量的反馈值送入调节器。这三个环节的作用，是根据Smith预估补偿模型和被控过程输出信号之间的差值，提供一个自动校正预估器增益的信号;调节器之前的除法器用于对调节器增益的自适应。因此当过程对象的增益和动态性能参数发生飘移，或Smith预估补偿模型不准确时，系统都能够有自适应作用。 3.1 控制参数的设定 温、湿度控制系统设有12个控制区（每个控制区有温、湿度控制回路各一个，共24个控制回路），因各控制区的温、湿度存在很大差异，而且温、湿度互相影响。若采用仪表控制，则难以保证24路温、湿度控制同步、协调工作，参数整定也比较困难。 采用计算机对24个控制回路进行控制，若采用24组PID参数，则在实际调试运行时参数的整定实现起来比较困难。由于采用了增益自适应预估补偿控制，自适应调节器对过程对象的特性差异起到了补偿作用，所以24路温、湿度控制采用同一组控制参数，使得调节器参数整定比较方便。 3.2 解耦问题 采用同一组PID控制参数，在孵化室如此大的空间内采样点温、湿度存在较大的差异，而且互相影响，还是难以保证24路温、湿度同时满足工艺要求。为此，在每一路控制输出后增加了一个限辐器。根据各点的实际温、湿度与给定温、湿度差异的大小，适当调整限辐器的百分数（0～100%），从而实现温、湿度局部的微调，较好的解决了温、湿度耦合而导致的温、湿度不均匀的问题，在实际运行中取得了良好的控制效果。 3.3 抗干扰问题 蚕种孵化具有时间周期较短，直接影响农民经济收入等特点，因此对系统的可靠性提出了较高的要求。温、湿度信号采集的准确和可靠是控制成功的关键，本系统传感器采用JWSF温、湿度变送器。该变送器将温、湿度传感器和变送器集成在一起，小巧、安装方便，性能稳定，可靠、精度高。每个孵化室在高、底两个位置各安排1个温、湿度变送器，保证了信号采集的准确和可靠。 本系统在基础自动化级采用高可靠性的PLC，数据采集采用对现场信号有较强的抗干扰能力的XSL巡检仪，巡检仪在信号处理后就地显示，还通过并行数据线传送给PLC，提高了系统的可靠性和标准化程度。 4 通讯接口和软件编程 采用RS-485工业现场总线将监控计算机、多个测控工作站构成远程测控网络，并可以对PLC的参数进行实时修改，达到管理、控制一体化，而PLC与个人计算机的互联通信是实现这一目标的技术关键。根据S7-200 PLC的特点，利用自由口通信方式和相关的特殊标志位，实现了PC和PLC之间的通信。 在本系统中考虑到PLC长期工作在采集信号、控制状态下，而计算机仅作为监控，所以计算机和PLC之间的通信采用主从方式，计算机始终处于主导地位。数据的传送都由计算机定时发出命令，该命令也作为握手信号。PLC一旦收到命令，在对命令进行确认无误后，返回该命令作为应答。然后根据命令组织数据并存入指定的数据缓冲区，上传给计算机;或准备接收计算机下传的数据，存入指定存储区。为了验证数据的正确性，把所有发送的数据做累加，并把结果与发送过来的累加和进行比较，若相等则发送成功;反之则放弃这批数据，并发出错误信息给对方，要求对方重发。通讯协议考虑了各种可能发生的情况。协议分成PLC发送现场数据和上位机发送现场数据两个方面。前者由下面三种情况组成：正确通讯、无应答、错误应答或FCS错误。后者由以下三种情况组成：正确通讯、无应答或应答错误、无应答或FCS错误。在这个通讯协议中，上位机和下位机之间是主从方式：上位机处于主动询问状态，下位机处于等待应答状态，具体流程如图2所示：  图2 这种方法与单个数据中断的通讯方式相比，实时通信更加简单、快捷，不需要增加通信模块，成本低，具备较好的灵活性;PC机利用Visual C++6.0的通信控件MSComm编写软件程序，该通信控件使用事件驱动或查询方式解决开发通信软件中遇到的问题，保证了通信的实时性。 5 完善的蚕种销售管理 系统具有订货、销售登记，定货、补交欠款和收、欠款查询（分全部查询和按乡查询），乡名设置，数据备份，数据恢复，过期数据清除等功能，使控制和销售为一体，方便了用户，提高了销售管理水平。 6 总结 本系统已成功运用于江西某县蚕种供应站，系统运行稳定、可靠，控制效果良好。 本系统的研制成功解决了蚕种催青过程中的关键技术问题，温、湿度控制准确，感温、感湿、感光均匀，孵化齐一，增强了蚁蚕的抗病能力，一次性孵化率比传统方法提高3～4%，年催青蚕种数提高到30万张，为解决贫困地区的大批剩余劳动力，增加农民收入起到了积极作用。该项技术还为其它室内的温、湿度控制及改造提供了成功的经验。 |