畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于智能模塊的飼料環(huán)模制粒機控制系統(tǒng)研究

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1、 本科畢業(yè)設(shè)計 題 目 基于智能模塊的飼料環(huán)模制粒機控制系統(tǒng)研究 作 者： 專 業(yè)： 自動化(本一) 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2015年 5月 25日 原 創(chuàng) 性 聲 明 本人聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。參與同一工作的其他同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。

2、 簽 名： 日 期： 本論文使用授權(quán)說明 本人完全了解南通大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留論文及送交論文復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容。 （保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定） 學(xué)生簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 南 通 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 題目： 基于智能模塊的飼料環(huán)模制粒機控制系統(tǒng)研究 　

3、 姓 名：　　　　 指導(dǎo)教師：　　　　 專 業(yè)：自動化(本一)　 南通大學(xué)電氣工程學(xué)院 2015 年 5 月18日 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘 要 現(xiàn)今，在世界上有百分之五十以上的飼料生產(chǎn)都要采用制粒工藝。由此可以看出，制粒工藝在飼料加工過程中地位顯著。飼料生產(chǎn)機械有四大主機，它們分別為混合機、粉碎機、膨化機、制粒機，其中制粒機在飼料生產(chǎn)過程中占有突出的地位，其性能好壞直接與顆粒飼料的生產(chǎn)質(zhì)量緊密相關(guān)。 本文研究的飼料環(huán)模制粒機控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)：檢測與節(jié)能管理。檢測是

4、通過傳感器采集物料溫度、主機電流、喂料頻率、蒸汽閥開度，并將檢測到的結(jié)果顯示在智能模塊軟件上。節(jié)能管理指的是，通過PID算法實現(xiàn)制粒機內(nèi)物料溫度和主機電流的控制，以達到節(jié)約能耗和提高飼料質(zhì)量的目的。 為了實現(xiàn)這些要求，控制器采用智能模塊μPAC-7186EG，并通過RS-485通訊與模擬量輸入模塊i-7017（主機電流信號、喂料速率信號）、數(shù)據(jù)采集模塊i-7033（進料溫度信號、調(diào)質(zhì)溫度信號）、模擬量輸出模塊i-7024（蒸汽閥信號、喂料機信號）進行數(shù)據(jù)傳輸，并通過μPAC-7186EG以串口通信方式傳輸給PC機。信號采集模塊將采集的信號傳輸給μPAC-7186EG，通過其編譯好的PID算法

5、計算出蒸汽控制閥門信號，從而實現(xiàn)對制粒機的控制。 關(guān)鍵詞：智能模塊，制粒機，溫度，節(jié)能管理 ABSTRACT Nowadays, in the world there are more than fifty percent of feed production should adopt granulation process. It can be seen that the status of granulating process is significant in the process of feed making. There are four hosts

6、of feed manufacturing machinery, including mixer, grinder, extruder, granulating machine, and the granulating machine is prominent in the feed production process, so its performance is directly associated with the production quality of pellets. The main achievement of this study about the control s

7、ystem of Ring die pelletizing machine:testing and energy saving management. Testing means that the temperature of the material, the current of the main motor, feeding frequency, the opening degree of steam valve are collected by sensor, and the detected results are displayed on the intelligent softw

8、are modules. Energy saving management refers to achieve the control of material temperature and the main motor of current in the granulating machine through the PID algorithm,so that achieve the purpose of saving energy and improving feed quality. To achieve these requirements, the controller uses

9、intelligent modules μPAC-7186EG, and it communicates with the analog input module i-7017 (master current signal, feeding rate signal), data acquisition module i-7033 (feed temperature signal , quenching temperature signal), analog output module i-7024 (steam valve signal, feeder signal) through RS-4

10、85 , and we can send signal to PC by serial communication from μPAC-7186EG. In order to achieve the control of the granulating machine, signal acquisition module transmitting the collected signals to μPAC-7186EG, calculated steam control valve signal compiled by its PID algorithm. Keywords: Intel

11、ligent Module, Granulating Machine, Temperature, Energy Saving Management 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 第一章 緒 論 1 1.1選題的背景和意義 1 1.1.1 選題背景 1 1.1.2 選題意義 2 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 1.3論文主要研究內(nèi)容 3 第二章 環(huán)模制粒機系統(tǒng)的研究 4 2.1環(huán)模制粒機基本結(jié)構(gòu)和工藝過程 4 2.2環(huán)模制粒機的控制回路 5 2.3環(huán)模制粒機生產(chǎn)率影響因素及計算方法 5 2.3.1 生產(chǎn)率

12、計算方法 5 2.3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對生產(chǎn)率的影響分析 5 2.3.3 環(huán)模轉(zhuǎn)速對生產(chǎn)率的影響 6 2.3.4 壓輥數(shù)目對生產(chǎn)率的影響 6 第三章 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 8 3.1系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 8 3.2系統(tǒng)的生產(chǎn)流程 9 3.3智能模塊的基本原理 11 3.3智能模塊的通訊 17 3.4 系統(tǒng)的軟件組成 18 3.4.1地址的分配 18 3.4.2智能模塊的運行 19 3.4.3控制算法的程序?qū)崿F(xiàn) 20 第四章 結(jié)論與展望 25 4.1結(jié)論 25 4.2展望 25 參考文獻 26 致 謝 27 IV 第一章 緒 論 1.1

13、選題的背景和意義 1.1.1 選題背景 近來二十多年,飼料行業(yè)在我國迅速發(fā)展,目前已經(jīng)建成了頗為完善且稍具規(guī)模的生產(chǎn)體系,逐漸成為國民經(jīng)濟中一個舉足輕重的產(chǎn)業(yè)。現(xiàn)如今,我國制粒機機器的成套能力擁有相當(dāng)?shù)囊?guī)模和水準(zhǔn),機械產(chǎn)品的品種、規(guī)格、系列大致上可以滿足當(dāng)前我國發(fā)展飼料加工業(yè)的要求。目前國內(nèi)的飼料加工業(yè)廠家也在不斷增多，已經(jīng)出現(xiàn)了一些知名企業(yè)。但值得注意的是，飼料加工主機的自動化控制技術(shù)水平在我國仍然普遍較低，已經(jīng)開發(fā)完成的商品也基本無法在技術(shù)上達到應(yīng)有的成熟性、可靠性、穩(wěn)定性要求。 當(dāng)前，在世界上有百分之五十以上的飼料廠生產(chǎn)飼料都需要用到制粒工藝。由此可以看出，飼料在加工的過程當(dāng)中制粒

14、工藝的作用相當(dāng)明顯。飼料生產(chǎn)機械有四大主機，它們分別為混合機（利用機械力和重力將物料混合均勻）、粉碎機（用于中低硬度物料的粉碎）、膨化機（飼料的膨化）和制粒機，其中制粒機在飼料生產(chǎn)過程中占有突出的地位，其性能好壞直接與顆粒飼料的生產(chǎn)質(zhì)量緊密相關(guān)。英國、意大利、瑞士等發(fā)達國家的制粒機技術(shù)十分先進，我國的制粒機技術(shù)大多源于這些國家，市場上現(xiàn)在流行的主要制粒機也都是購買國外相應(yīng)產(chǎn)品技術(shù)資料然后進行模仿生產(chǎn)出來的。中國的飼料生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出的制粒機制粒效果不佳，生產(chǎn)效率低下，電耗較高，質(zhì)量相對較差，而且他們往往沒有完善的制粒工藝技術(shù)。因而，研究制粒工藝限制條件，完善制粒工藝參數(shù)和制粒機的整體性能，提升生

15、產(chǎn)效率和節(jié)約能源，這些問題急需要解決。 1910年英國生產(chǎn)出世界上的首臺擠壓式飼料制粒機。在此之后，制粒機發(fā)展迅速，隨即出現(xiàn)了很多不同形式的制粒機如對輥式制粒機、修樂式制粒機、平模式制粒機以及環(huán)模式制粒機。當(dāng)前的飼料膨化制粒機就是由擠壓式制粒機發(fā)展而來，它的主要作用是對飼料原料進行膨化處理；對輥式制粒機和修樂式制粒機沒有進行大規(guī)模的發(fā)展，因為它們的效率不高并且顆粒質(zhì)量很難達到要求；平模式制粒機制造成本高，制粒效率低，同時因為結(jié)構(gòu)的原因，生產(chǎn)出的顆粒飼料不是很均勻，逐漸被環(huán)模制粒機所取代；環(huán)模制粒機性能優(yōu)越，因而一直得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)已成為世界上顆粒飼料加工的最重要的機型。根據(jù)壓輥數(shù)量的差異，可

16、以分為兩壓輥制粒機和三壓輥制粒機。壓輥數(shù)不同制粒的性質(zhì)也有差別，兩壓輥制粒機主要用于畜禽料的制粒，三壓輥制粒機主要用于水產(chǎn)飼料的制粒[1][2][3]。以上制粒機結(jié)構(gòu)原理如圖1.1所示。 圖1.1 制粒機結(jié)構(gòu)原理圖 1.1.2 選題意義 隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，飼料工業(yè)的發(fā)展也突飛猛進，飼料市場的競爭相當(dāng)激烈。飼料廠只有降低生產(chǎn)成本，才能在激烈的競爭環(huán)境中獲得利潤，從而擴大企業(yè)規(guī)模。而節(jié)能是提高競爭力的唯一途徑，因而飼料廠飼料生產(chǎn)迫切需要大量新型高效的制粒設(shè)備。隨著制粒工藝技術(shù)的研究和發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)在制粒機自動控制技術(shù)中被廣泛應(yīng)用。制粒機系統(tǒng)的可控性差，且控制過程相當(dāng)復(fù)

17、雜，不僅要充分了解復(fù)雜的制粒工藝，還需要排除大量的干擾因素。而且，作為操縱變量的喂料量、蒸汽添加量和作為被控變量的主機電流、調(diào)質(zhì)溫度并不是同步變化的，它們之間存在遲滯。延遲時間是由制粒系統(tǒng)和飼料配方共同來決定的，制粒加工通常是采用模糊控制算法進行調(diào)節(jié)和控制的。因此，世界各國關(guān)于制粒機的主要研究方向是設(shè)計更有應(yīng)用前景、能廣泛實施的制粒機自動控制系統(tǒng)以及更合理、更優(yōu)化的控制算法。 基于智能模塊的飼料環(huán)模制粒機控制系統(tǒng)的研究，能夠提高中國飼料生產(chǎn)的競爭力。在經(jīng)濟全球化的趨勢下，飼料生產(chǎn)技術(shù)的改進更是起到了改善民生的重要作用。智能模塊下的飼料環(huán)模制粒機，不僅能夠提高飼料生產(chǎn)的質(zhì)量，節(jié)約能源損耗，更能

18、夠提高生產(chǎn)效率，減輕操作工人的勞動強度，提高企業(yè)的競爭力。研究好環(huán)模制粒機的控制技術(shù)，有助于更快的研制出新型高效的制粒機，從而提升制粒質(zhì)量和制粒效率，增強我國制粒機產(chǎn)品的國際市場競爭水平，進而提高飼料機械生產(chǎn)制造的整體水平，對加快飼料工藝的發(fā)展具有顯著的理論價值和實用價值。 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 當(dāng)今國內(nèi)，大部分制粒機還采用人工控制的手段，這種人工控制方法主要有三個方面的缺陷：（1）顆粒飼料質(zhì)量不固定。在實際生產(chǎn)過程中，實時監(jiān)控和調(diào)節(jié)喂料量、蒸汽添加量是至關(guān)重要的，這些控制因素很可能會影響顆粒飼料整體的光潔度、色澤、粉化率以及水中穩(wěn)定性等質(zhì)量指標(biāo)，從而導(dǎo)致飼料質(zhì)量下降；（2）制粒機產(chǎn)量低。

19、在生產(chǎn)過程中，制粒機操作人員經(jīng)常讓制粒機主電機的實際電流遠(yuǎn)小于其額定電流，就是為了避免制粒機環(huán)模打滑和停機等現(xiàn)象的發(fā)生。這種以犧牲產(chǎn)量來保證制粒機長期安全、可靠運行的控制方法，必然使得產(chǎn)量下降；（3）需要人工等待操作，工人工作環(huán)境太差、工作強度過大。制粒機工作現(xiàn)場環(huán)境惡劣，多粉塵、高溫、高噪聲等現(xiàn)象十分常見，制粒機操作工在工作過程當(dāng)中不僅要頻繁取樣、調(diào)整設(shè)備，還要及時處理制粒機堵機和打滑這些麻煩的問題。因此，飼料工業(yè)迫切需求高性能制粒機的出現(xiàn)[4][5][6]。 現(xiàn)今，與歐美等發(fā)達國家相比，我國的高性能制粒機仍然存在很大差距，但也有一些學(xué)者已經(jīng)開始開發(fā)研究智能自動控制制粒機。廣東農(nóng)機所的王斌

20、斌為改善環(huán)模制粒機的自動控制水平做出來一定的貢獻，他提出的環(huán)模制粒機自動控制系統(tǒng)，著重解釋了制粒機自動控制系統(tǒng)的組成、控制理論與控制算法[7]。 歐美等發(fā)達國家在高性能自動控制制粒機方面一直走在時代的前端，引領(lǐng)技術(shù)的發(fā)展。他們采用現(xiàn)代工業(yè)中常用的IPC+PLC（工控機+可編程控制器）控制模式，用于生產(chǎn)過程監(jiān)控的PC機為上位機，現(xiàn)場控制模塊PLC作為下位機，這樣來完成數(shù)據(jù)的采集和輸出，以此控制現(xiàn)場生產(chǎn)飼料的設(shè)備。在丹麥研究出的NORVIDAN制粒機控制系統(tǒng)下，工人可以對制粒機進行遠(yuǎn)程控制[8][9]。只需在遠(yuǎn)程控制室即可實時監(jiān)控生產(chǎn)過程，并通過修改制粒工藝參數(shù)來達到期望的結(jié)果。 1.3論文主

21、要研究內(nèi)容 本文根據(jù)目前國內(nèi)外飼料環(huán)模制粒機的研究現(xiàn)狀，結(jié)合飼料生產(chǎn)企業(yè)設(shè)備和實際生產(chǎn)的情況，對制粒機制粒工藝進行探索分析，并且根據(jù)分析結(jié)果開發(fā)基于智能模塊的飼料環(huán)模制粒機控制系統(tǒng)，并進行控制程序的調(diào)試，重點進行以下三個方面的研究： （1） 制粒機基本結(jié)構(gòu)以及生產(chǎn)率的分析 （2） 環(huán)模制粒機控制系統(tǒng)的研究 （3） 智能模塊的基本工作原理及其應(yīng)用 第二章 環(huán)模制粒機系統(tǒng)的研究 2.1環(huán)模制粒機基本結(jié)構(gòu)和工藝過程 圖2.1 環(huán)模制粒機基本結(jié)構(gòu)圖 喂料器將粉狀物料送入環(huán)模制粒機中，最先是進入調(diào)質(zhì)器當(dāng)中。調(diào)質(zhì)器的作用是調(diào)質(zhì)，也就是讓粉狀物料和蒸汽相混合，從而提高制粒的效果

22、，并對物料進行所需的工藝處理。經(jīng)過調(diào)質(zhì)器可以將粉狀物料調(diào)制成膏狀物料，并將膏狀物料送去制粒[10]。在制粒工藝中，膏狀物料被送入一個環(huán)模制粒裝置中。該裝置中設(shè)有刀片和環(huán)模。在主電動機的帶動下，膏狀物料會被壓入環(huán)模制粒裝置中，再通過刀片將其切成一個個顆粒。環(huán)模制粒機基本結(jié)構(gòu)圖如圖2.1。 2.2環(huán)模制粒機的控制回路 圖2.2 制粒機控制系統(tǒng)圖 制粒機控制回路如圖2.2所示?；谥悄苣K的飼料環(huán)模制粒機控制系統(tǒng)是一個雙輸入雙輸出多變量系統(tǒng)，主要控制的是主電機電流和調(diào)質(zhì)溫度。其中，喂料電動機轉(zhuǎn)速u1（控制喂料量）和蒸汽閥開度uT（控制調(diào)質(zhì)溫度）為系統(tǒng)的操縱變量，環(huán)模制粒機主電機電流

23、y1和調(diào)質(zhì)溫度yT為被控變量。按照單個回路來看，調(diào)質(zhì)溫度與設(shè)定值有偏差的時候，應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)蒸汽閥開度來使溫度達到設(shè)定值；制粒機主電機電流與設(shè)定值有一定的誤差時，應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)喂料量來使電流達到設(shè)定值。然而，喂料量的增加不僅導(dǎo)致制粒機主電機電流增大，同樣也會引起調(diào)質(zhì)溫度的降低；要使調(diào)質(zhì)溫度上升，必須增大蒸汽閥開度從而增加蒸汽量，而蒸汽量的上升又會在一定程度上導(dǎo)致膏狀物料的熟化、軟化，進而造成制粒機主機電流的減小[11]。綜上所述，調(diào)質(zhì)溫度和主電機電流之間存在耦合。 2.3環(huán)模制粒機生產(chǎn)率影響因素及計算方法 2.3.1 生產(chǎn)率計算方法 環(huán)模制粒機單位時間產(chǎn)量q的計算表達式如下： （1） 式中,Z

24、為壓輥個數(shù);ε為環(huán)模開孔率;R為環(huán)模內(nèi)徑;h為擠壓物料高度;B為環(huán)模寬度;為物料的密度;n為環(huán)模轉(zhuǎn)速;ω為環(huán)模角速度。 2.3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對生產(chǎn)率的影響分析 根據(jù)公式（1）所示，要提高生產(chǎn)率，不僅可以增大環(huán)模內(nèi)徑R與環(huán)模寬度B，還可以增大壓輥直徑,使允許的最大擠壓物料高度h隨之增加。當(dāng)環(huán)模內(nèi)徑R固定的時候,提高生產(chǎn)率q的有效方法應(yīng)當(dāng)是增大環(huán)模寬度B和壓輥直徑。然而，值得一提的是：壓輥直徑的增大受到很多其他機械結(jié)構(gòu)的影響，因而不能完全按照理論上的設(shè)計；環(huán)模寬度B的增加將有可能會導(dǎo)致物料的分布不夠均勻,從而引起不必要的振動。 2.3.3 環(huán)模轉(zhuǎn)速對生產(chǎn)率的影響 從式（1）可以看出,要使生

25、產(chǎn)率得到提高，一定程度上升高轉(zhuǎn)速是很有效的方法。然而，能耗、振動等因素會制約環(huán)模轉(zhuǎn)速n的進一步提高:一者,環(huán)模轉(zhuǎn)速n的進一步提高受到電機功率的限制;再有,環(huán)模轉(zhuǎn)速n提高了，那么能耗也一樣會增加。如果環(huán)模轉(zhuǎn)速提高了,擠壓物料高度便會降低，從而造成擠壓力減小，但是顆粒溫度會升高,總體上能耗增加了。 2.3.4 壓輥數(shù)目對生產(chǎn)率的影響 由式（1）可以知道,在其他條件相同時,壓輥個數(shù)Z越多,生產(chǎn)率越高。但是,壓輥個數(shù)Z如果增多,必然會造成壓輥直徑減小,進而又會使生產(chǎn)率降低。因此，要想有效地提高環(huán)模制粒機的生產(chǎn)率，要通過更精細(xì)的計算來確定應(yīng)對方法，只增加壓輥個數(shù)Z是無法適用于所有情況的。以MUZL4

26、20T型號制粒機為例做對比實驗，進行生產(chǎn)率計算：二輥時環(huán)模內(nèi)徑R為460 mm,壓輥直徑為216 mm;三輥時環(huán)模內(nèi)徑R為460 mm,壓輥直徑為205 mm。分別取物料為35°、40°、45°、50°和55°攫取角。其他參數(shù)取值相同:環(huán)模寬度B為160 mm,物料密度為0.7 kg/L,環(huán)模開孔率ε為0.35,環(huán)模線速度為7.1 m/s[12] 。實驗結(jié)果如表1所示,繪制成折線圖如圖2.3所示。 通過實驗結(jié)果可知,如果生產(chǎn)率計算是假定制粒機按照最大物料高度工作,那么二輥制粒機的生產(chǎn)率明顯不如三輥制粒機,且物料的攫取角越大劣勢越突出。在實際的生產(chǎn)過程中,因為用到的電機功率有限制,最大物料高度

27、通常遠(yuǎn)低于最大物料擠壓高度，此時由于三輥制粒機壓輥直徑太小，必然會產(chǎn)生比二輥制粒機更高的能耗。當(dāng)物料擠壓高度將受到限制的時候,三輥制粒機生產(chǎn)率雖然高，但也會產(chǎn)生較高的能耗。 表1 二輥和三輥環(huán)模制粒機理論生產(chǎn)率對比 圖2.3 三輥與二輥的最大生產(chǎn)率對比曲線 第三章 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 3.1系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 為了實現(xiàn)這些要求，控制器采用智能模塊μPAC-7186EG，并通過RS-485通訊與模擬量輸入模塊i-7017（主機電流信號、喂料速率信號）、數(shù)據(jù)采集模塊i-70

28、33（進料溫度信號、調(diào)質(zhì)溫度信號）、模擬量輸出模塊i-7024（蒸汽閥開度、喂料機喂料速率）進行數(shù)據(jù)傳輸，并通過μPAC-7186EG以串口通信方式傳輸給PC機。μPAC-7186EG通過信號采集模塊和模擬量輸入模塊接收數(shù)據(jù)，通過其編譯好的PID算法計算出參數(shù)，并通過模擬量輸出模塊輸出信號，控制蒸汽閥開度和喂料機喂料速率，從而實現(xiàn)對制粒機的控制。系統(tǒng)設(shè)計的大體框架如圖3.1所示，各模塊對應(yīng)特定的功能，相互協(xié)調(diào)完成控制要求。 圖3.1 系統(tǒng)設(shè)計方案 3.2系統(tǒng)的生產(chǎn)流程 手動模式流程圖如圖3.2所示，此時，制粒機控制系統(tǒng)始終處于等待外部信號的狀態(tài)。在等待

29、外部信號的過程中，系統(tǒng)會持續(xù)判別是否出現(xiàn)故障。當(dāng)所有機器正常運行時，則可以進行人工操作。而任一機器出現(xiàn)故障都將會產(chǎn)生相應(yīng)的故障標(biāo)志，從而能夠很容易找出故障所在。 圖3.2 手動模式下的軟件設(shè)計流程圖 自動模式流程圖如圖3.3所示，該過程不需要人工操作，所有機器正常工作的時候能夠使被控變量達到設(shè)定值。如果出現(xiàn)機器故障，該系統(tǒng)也能夠使制粒機產(chǎn)生報警信號并停車處理。系統(tǒng)一旦啟動，便能夠一直循環(huán)運行，使主機電流和溫度動態(tài)的穩(wěn)定在設(shè)定值，直至系統(tǒng)檢測到停止信號或出現(xiàn)故障時才會退出循環(huán)狀態(tài)。 圖3.3 自動模式下的軟件設(shè)計流程圖 在現(xiàn)場調(diào)試之前，可以

30、選取實驗室的鍋爐水箱為被控對象，針對已經(jīng)設(shè)計好的控制算法進行模擬實驗。由于被控對象的選取要與制粒機的自身特性和要求基本相同，顯然要使用液位與溫度作為兩被控變量。液位的改變量要反映到鍋爐中需要液位控制閥執(zhí)行一段時間，液位采用壓力傳感器測量，溫度用一個大滯后的水箱( 內(nèi)部含 PT100 溫度傳感器)所測得。另外，液位對水溫也產(chǎn)生一定的影響，這種影響正體現(xiàn)了制粒機系統(tǒng)的滯后性與耦合性?？刂菩Ч麍D如圖 3.4 所示。 圖3.4 實驗控制效果圖 3.3智能模塊的基本原理 1998年推出的PAC系列產(chǎn)品之中便已經(jīng)有了μPAC，現(xiàn)已經(jīng)廣泛用在工業(yè)控制的各種領(lǐng)域。μPAC可用作核

31、心計算單元、通信控制器，它是獨立控制器，還可以嵌入到各種各樣的OEM商品當(dāng)中去。為了縮短研發(fā)周期，減少支出成本，用μPAC來構(gòu)建控制系統(tǒng)是一個不錯的選擇。μPAC外型小巧、功能強大、品質(zhì)優(yōu)秀，對于系統(tǒng)集成的開發(fā)，這無疑是最佳選擇。如圖3.5所示，μPAC-7186產(chǎn)品是在I-7188系列基礎(chǔ)上的升級產(chǎn)品，不僅很大程度上提升了硬件規(guī)格，也極大的改進了其軟件支持和易用性。 μPAC-7186EG系列是內(nèi)含 ISaGRAF 軟邏輯的掌上型PAC。內(nèi)部有一個10/100 Base-TX 乙太網(wǎng)路通訊埠, 一個RS-232和一個RS-485序列通訊埠。要增加更多的連接埠,記憶體或 I/O 點，使用者可

32、以在μPAC-7186EG機板內(nèi)插上一塊擴充卡 (X-Board)。μPAC-7186EG 也支持Modbus Serial通訊協(xié)議,Modbus TCP/IP通訊協(xié)議,Modbus Master通訊協(xié)議,遠(yuǎn)程I/O, Fbus, Ebus, SMS手機簡訊服務(wù),無線通訊,GPS 衛(wèi)星通訊,FRnet, CAN等遠(yuǎn)程I/O連接服務(wù)及使用者自定通訊協(xié)議。 該課題實驗過程中，μPAC-7186EG接線：COM2用于與輸入模塊、輸出模塊以及采集模塊進行通信，以太網(wǎng)口和COM1用于與計算機通信，電源端子正負(fù)端分別接電源正負(fù)端口。 圖3.5 μPAC-7186EG模塊 i-7

33、017為模擬量輸入模塊，有8個通道，采用通用的Modbus RTU通信協(xié)議。該模塊擁有美國ADI公司生產(chǎn)的高性能A/D轉(zhuǎn)換芯片，日本NEC生產(chǎn)出來的高質(zhì)量光電隔離器件，并提供高耐壓、多量程、低漂移、遠(yuǎn)距離、寬泛工作環(huán)境溫度、高性價比、遠(yuǎn)超同類的智能控制解決辦法。i-7017為差分輸入，共有8 路。該模塊16 位分辨率，其通訊速率最高可達到115200bps，主要用于工業(yè)現(xiàn)場的分布式模擬量數(shù)據(jù)輸入。i-7017的校準(zhǔn)方法通常采用最簡單的軟件校準(zhǔn)法，這種方法進行零點校準(zhǔn)和滿量程校準(zhǔn)比較方便。另外，采集模塊的通訊網(wǎng)路采用RS-485進行通信，并將分散在現(xiàn)場的數(shù)據(jù)點的模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)街鳈C進

34、行處理或由PC機遠(yuǎn)程控制主站點。為了防止程序跑飛，保障工業(yè)控制過程的安全性，該模塊還設(shè)計了獨有的雙看門狗（即軟件看門狗和硬件看門狗）安全設(shè)計。一旦RS485通訊網(wǎng)路發(fā)生問題或斷路，主控PC機和模塊間將無法通訊，此時軟件看門狗也會啟動。軟件看門狗設(shè)計巧妙，使用方便，配合上工業(yè)生產(chǎn)過程中的安全措施，可大大增加系統(tǒng)的安全性。 依據(jù)產(chǎn)品說明書，產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)如下。 輸入端口：8路差動，接線接口：使用外接式10位接線端子，拆卸連線方便，輸入類型：mA(外接125Ω電阻)，輸入范圍：4～20mA，輸入阻抗：100Ω，采樣速率：15次每秒，分辨率：16位，帶寬：15.75Hz，精確度：±0.02%或

35、更好，零點漂移：20uV/°C，滿程量漂移：25ppm/°C，過電壓保護：±35V，光電隔離耐壓: 3750Vrms，微處理器： 內(nèi)置22M的CPU，帶看門狗，高速可靠，防止死機，RS485速率：1200～115200bps 之間與RS485總線速度適應(yīng)，狀態(tài)指示燈： 上電自檢通過常亮，通信時閃亮，工作溫度：-25°C～+75°C 存放溫度：-40°C～+85°C ，工作濕度：5%～95%,無凝露，外接電源電壓： +10～30V 功耗： 1.3W。 i-7017各引腳以及接線方式如圖3.6所示。該課題需要測主機電流，因此使用右邊外接125Ω的接線方法。實驗過程中，i-7017的DATA+接7

36、186的D2+，i-7017的DATA- 接7186的D2- ，+Vs接24V直流電源正端，GND接24V電源負(fù)端。 圖3.6 i-7017模塊及其接線圖 i-7024模塊為4通道模擬量輸出模塊，其中包括4個電壓輸出通道和四個電流輸出通道。i-7024模塊還具備內(nèi)置的微型CPU和牢固的塑料外殼，因此，其廣泛適用于各種復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中。該模塊還自帶雙看門狗定時器，充分保障系統(tǒng)安全，防止程序跑飛。由于模塊內(nèi)置自適應(yīng)芯片，因而組建網(wǎng)絡(luò)連接方便，通用性好。除此之外，模塊內(nèi)部裝備有3000V直流電隔離，有高過壓保護和高開關(guān)量電壓輸入等功能。該模塊上手容易使用便捷，能夠非常容易地與S

37、CADA/ HMI以及PLC等工控設(shè)備進行通訊。更值得一提的是，i-7024模塊可以快速組建網(wǎng)絡(luò)，僅需要兩根通訊雙絞線就可以建立起一個多點的分散式RS-485網(wǎng)絡(luò)。 本設(shè)計中，由模塊i-7024以電信號來完成控制信號的輸出。由于該模塊的輸出為電流輸出，對于電流信號而言需要經(jīng)過放大電路放大后，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號才能更方便的測量到。因此在模塊i-7024的輸出端通過250的電阻將4～20mA的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過使用萬用表測量i-7024輸出端的電壓來檢驗?zāi)K是否調(diào)通。若輸出端有電壓說明模塊可以正常工作，若沒有電壓變化說明模塊連接有錯誤。 i-7024參數(shù)如下： 輸出通道：4個，輸

38、出電壓： 0 ～5 V，±5 V，0～10 V，±10 V，輸出電流： 0～20 mA，4 ～20 mA，分辨率： 14 bit，精確度： ±0.1% FSR，重復(fù)精度： ±1% FSR，外部24V電源： 1050 Ω，隔離保護： 3750 Vrms，電源電壓： 10 ～30 VDC，電源功耗： 2.4 W。 i-7024也是需要外接24V的直流電源，其數(shù)據(jù)端口DATA+和DATA-分別也要與控制器的對應(yīng)端口相連接才能相互通信。該課題中，7024作為模擬量輸出模塊，采用電流輸出形式，在Iout和AGND之間需要串聯(lián)一個1KΩ的電阻和一個24V直流電源，接線如圖3-7右圖所示。 圖3.

39、7 i-7024模塊及其接線圖 i-7033為采集模塊，有4個通道的溫度采集和3個通道的熱電阻輸入模塊。 i-7033模塊具有內(nèi)置的微處理器和堅固的工業(yè)級塑料外殼，因此可以廣泛的應(yīng)用在不同工業(yè)環(huán)境當(dāng)中。作為信號采集模塊，同樣需要研究其參數(shù)和性能。輸入通道：3，輸入類型：熱電阻，熱電阻類型：Pt100 α=0.00385，Pt100 α=0.003916，Ni120，Pt1000 α=0.00385 接線方式：2/3/4 線 分辨率：16 位，采樣速率：15/12.5 次/秒，精確度：±0.1 %，帶寬：15.7 Hz，零點漂移：±0.5 μV/℃ ，滿量程漂移：±25 μV/℃

40、，共模抑制比：150 dB mi， 差模抑制比：100 dB min，斷線檢測：有，隔離保護：3000 V直流，電源電壓：+10 ～ +30 V直流，電源功耗：1.0 W（I-7033）/1.6，工作溫度：-25 ～75 ℃，存儲溫度：-40 ～ 85 ℃，相對濕度：5 ～ 90%，無冷凝，特殊功能：雙看門狗[13]。接線如圖3.8所示。 圖3.8 i-7033模塊及其接線圖 I-7000系列模塊安裝步驟如下： （1）連接輸入信號。 （2）通過?DATA+和?DATA-端口將模塊接入?RS-485 網(wǎng)絡(luò)。若上位機有且僅有一個?RS-232 端口，則需要 RS-232

41、到?RS-485轉(zhuǎn)換器來連接。 （3）?通過+Vs 和?GND 端口，將+10 到+30V 穩(wěn)壓或非穩(wěn)壓直流電源入模塊?？赏ㄟ^發(fā)送命令%AANNTTCCFF對模塊進行設(shè)置。 （4）讀取每個輸入通道數(shù)據(jù)只需向模塊發(fā)送命令#AA 或#AAN 即可。 （5）?若上位機為已安裝 Windows 操作系統(tǒng)的?PC，則DCON?Utility 即可方便的對模塊進行設(shè)置和讀取數(shù)據(jù)。 硬件連接如圖3.9(a)和圖3.9(b)所示。 圖3.9（a） 系統(tǒng)硬件連接實物圖 圖3.9（b） 系統(tǒng)硬件連接原理圖 3.3智能模塊的通訊 RS-232的邏輯“1”用-12V表示，邏

42、輯“0”用12V表示。RS-232通訊是比較常用的類型，其通信線至少有3條，即RX,TX,GND。通信方式為全雙工，也就是通信允許數(shù)據(jù)在兩個方向上同時傳輸，相當(dāng)于結(jié)合了兩個單工通信。因為要使用絕對電壓表示邏輯，電壓只能固定在12V或-12V，導(dǎo)線電阻等因素會影響干擾邏輯，通訊距離通常不遠(yuǎn)[14]。 在RS-232后推出了RS-422，這種通訊方式相比之前有很大不同。它用兩根線之間的電壓差表示邏輯，即TTL差動電平表示邏輯，兩線之間電壓差為正值表示邏輯“0”，反之則為“1”。RS-422至少需要4根通信線，一般比RS-232多一根地線，通信方式同樣是全雙工，通常情況下一個驅(qū)動器最多可以驅(qū)動10

43、個接收器。由于通訊距離與通訊速率成反比，一般高速率通信可以用在距離較短的情況下，低速率時往往進行較遠(yuǎn)距離通信（通?？蛇_到1千米）。 在RS-422后產(chǎn)生的RS-485基本上沿用了RS-422的方法，它們之間主要的區(qū)別在于RS-485可以是半雙工的。半雙工數(shù)據(jù)傳輸是指數(shù)據(jù)可以在一個信號載體的兩個方向上傳輸，但不可以同時傳輸，比如對講機的通信模式。而且每個驅(qū)動器最少能驅(qū)動32個接收器（即接收器為1/32單位負(fù)載）。接收器的阻抗越高，驅(qū)動器能夠驅(qū)動的接收器數(shù)量越多。全雙工RS-485驅(qū)動/接收器對可以用在RS-422網(wǎng)絡(luò)。 RS-485采用差分信號負(fù)邏輯，兩根線之間的電壓差為+(2～6)V則表示

44、邏輯“1”；兩線間的電壓差為-(2～6)V則表示邏輯“0”。。RS-485的通信范圍最遠(yuǎn)可達1200米，最大傳輸速率為10Mbps。傳輸速率與傳輸范圍成反比關(guān)系，即傳輸速率越大傳輸距離越短，通常要達到最遠(yuǎn)的通信距離，傳輸速率可以設(shè)定為100Kbps，增設(shè)RS-485中繼器可以讓傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)。由于RS485接口電平與TTL電平相似且兼容，因而RS-485可以很方便地連接到TTL電路上。RS-485接口組合了平衡驅(qū)動器和差分接收器，抗共模干擾能力強，即抗噪聲干擾能力強。 半雙工的RS485接口是外接兩根線的，大多采用的是屏蔽雙絞線傳輸。利用總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的接線方法，在同一總線上最多可以接32個

45、點。主從通信方式在RS-485通信網(wǎng)絡(luò)中很常用，所謂的主從通信方式即一個主機帶多個從機。通常，只需要用一對雙絞線將各個接口的兩個端口串接起來即可，至此連接完成RS-485通信線路。RS485接口連接器采用DB-9的9芯插頭。RS-485通訊接口只需要兩根通訊線，可以在多個設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸。 在硬件通訊接口建立后，在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布g需要約定一個數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，以使接收端能夠解碼收到的數(shù)據(jù)。通訊協(xié)議往往有標(biāo)準(zhǔn)的格式，例如“ModBus”協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議內(nèi)容全面，包含的內(nèi)容很多，但不易理解[15]。 3.4 系統(tǒng)的軟件組成 本系統(tǒng)使用了DCON_Utility、MiniOS7_Stud

46、io、MiniOS7_Utility、VxCommW7等軟件，PC機通過串口與控制器μPAC-7186EG進行通訊。首先，必須對模塊的IP地址、波特率、數(shù)據(jù)位和停止位進行初始化設(shè)置，初始化完成之后才能進行編譯調(diào)試。程序下載時，應(yīng)將μPAC-7186EG置于INIT狀態(tài)，搜索模塊時將其置于Normal狀態(tài)。 3.4.1地址的分配 VxComm指的是“虛擬串口”。該軟件可以為計算機提供串口接口和TCP/IP接口兩個軟件接口。針對遠(yuǎn)程的串口，操作系統(tǒng)提供VxComm驅(qū)動軟件。為了和遠(yuǎn)端串口或I/O相連，用戶可以用它來建立一個虛擬串口。建立好這個虛擬串口后，將串行設(shè)備升級可以通過以太網(wǎng)來解決問題，

47、上位軟件只需要連接到這個虛擬串口上，不需要更改源程序代碼。 μPAC-7186EG作為控制器需要為它分配一個地址，本系統(tǒng)分配PC機地址（10.1.0.98）和7186EG地址（10.1.0.99）使它們處于同一個網(wǎng)段內(nèi)。系統(tǒng)默認(rèn)μPAC-7186EG為COM1,其下位I/O模塊為COM12。如圖3.10所示。 圖3.10 下位機的端口 3.4.2智能模塊的運行 MiniOS7 Utility是用戶設(shè)置MiniOS7系統(tǒng)，并將文件下載至采用MiniOS7系統(tǒng)的嵌入式控制器的軟件。支持串口(RS-232)和以太網(wǎng)(TCP/UDP)連接。 主要功能： (1)文件操作(下載，刪除，

48、更新MiniOS7系統(tǒng)) (2)系統(tǒng)設(shè)定 (時間、IP地址、串口、盤符) (3)信息檢測 (CPU類型、Flash容量、SRAM容量、串口數(shù)量等) 包含的常用工具：7188XW, 7188EU, 7188E,SendTCP, Send232, VxComm Utility 支持的操作系統(tǒng)：Windows 98/NT/2000/XP/Vista/Windows7 將直流穩(wěn)壓電源與各模塊連接，通上24V電壓，此時將7186置于INIT狀態(tài)，加載好串口啟動程序并運行，如圖3.11所示。 圖3.11 串口的運行 DCON協(xié)議是一種問答式通訊協(xié)議，通常用于I-700

49、0/8K/87K 系列產(chǎn)品中，它用一種簡單的ASCII碼格式來定義，如$AAN，$AAS6，＃AAN等等，其通訊可以使用RS-232、RS-485或以太網(wǎng)等通訊方式。DCON協(xié)議還自帶很多工具，其中包含：DCON Utility, DCON_Labview, DCON Indusoft,DCON_DLL,DCON_ActiveX,DCON_Linux,DCON_DDE等等。 DCON Utility主要功能：模塊設(shè)置 DCON Indusoft：Indusoft捆綁驅(qū)動 DCON Utility (DOS) 主要功能：模塊診斷 DCON_Labview:Labview捆綁驅(qū)動程

50、序 運行DCON-Utility軟件并搜索相關(guān)模塊（i-7017、i-7033、i-7024），設(shè)置其波特率、數(shù)據(jù)位和停止位。如圖3-12所示。i-7017地址為0，波特率115200，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，4~20mA模擬量輸入，50Hz。i-7033地址為1，波特率115200, 波特率115200，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，0~100℃溫度輸入，α=0.00385, 50Hz。i-7024地址為2，波特率115200，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，4~20mA模擬量輸出，50Hz。 圖3.12 I/O顯示 3.4.3控制算法的程序?qū)崿F(xiàn) MiniOS7 Studio是一

51、個良好的軟件開發(fā)環(huán)境，其功能全面使用方便，已經(jīng)越來越受到客戶們的青睞。該軟件中常見的內(nèi)容有項目管理、編譯器、文本編輯、調(diào)試信息、連接器等，再此基礎(chǔ)上，MiniOS7還包括控件管理功能、瀏覽器、設(shè)置熱鍵配置、程序代碼分析、幫助文檔和尋找?guī)旌瘮?shù)等重要方面內(nèi)容，并整合了MiniOS7 Utility的功能，集編程下載為一體，很大程度上減少了用戶MiniOS7程序的開發(fā)時間。MiniOS7 Studio綜合了使用者所需要的全部功能，讓用戶得以充分體驗IDE開發(fā)環(huán)境的優(yōu)勢，拋棄了原先開發(fā)方式中，需要用到多種不同軟件工具的缺點，使用戶可以把更多的精力集中到程序開發(fā)中。 本論文使用MiniOS7-Stud

52、io對控制器μPAC-7186EG進行控制算法的C程序編寫，如圖3.13所示。以PID控制算法以及解耦合的方法達到控制制粒機穩(wěn)定運行的效果。該方法為自動控制，穩(wěn)定性較高，控制效果較好。 圖3.13 C程序代碼 本論文使用軟件得到控制結(jié)果如圖3.14（溫度檢測結(jié)果）、圖3.15（主機電流檢測結(jié)果）圖3.16（電動閥控制結(jié)果）所示。 圖3.14溫度檢測結(jié)果 圖3.15主機電流檢測結(jié)果 圖3.16電動閥控制控制結(jié)果 第四章 結(jié)論與展望 4.1結(jié)論 本論文設(shè)計的基于智能模塊的飼料環(huán)模制粒

53、機控制系統(tǒng)是一個雙輸入、雙輸出控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的大體設(shè)計方法上文已經(jīng)詳述，在此大致總結(jié)一下全文。該系統(tǒng)的控制量有：蒸汽量、喂料量；測量值有：蒸汽閥開度、進料溫度；被控變量有：主機電流、調(diào)質(zhì)溫度。智能模塊包括控制器、模擬量輸入模塊i-7017、數(shù)據(jù)采集模塊i-7033、模擬量輸出模塊i-7024，模塊之間采用RS-485通信，模塊與計算機之間采用RS-232串口通信。在所有模塊調(diào)通之后，在計算機中編寫控制程序并將程序下載到控制器中，可以實現(xiàn)對制粒機相應(yīng)的控制要求。本論文不僅闡明了制粒機的基本結(jié)構(gòu)以及環(huán)模制粒機的工作原理，更是從自動控制的角度去解決環(huán)模制粒機在實際生產(chǎn)操作過程中的問題。 4.2展望

54、 本論文中，傳感器與采集模塊i-7033以及智能模塊與上位機通信，都是采用有線連接方式。在制粒機工作現(xiàn)場往往環(huán)境惡劣，有線連接線路很容易受環(huán)境影響，會導(dǎo)致信號傳輸不穩(wěn)定。采用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)無疑是很有效的方法，不僅可以改善信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，還能夠讓工業(yè)現(xiàn)場更加有條理。為了不大量更換設(shè)備，可以直接在每個傳感器上連接一個無線發(fā)送模塊，在蒸汽閥和喂料電機上連接一個無線接收模塊，在上位機監(jiān)控單元上連接一個無線收發(fā)模塊。如圖4.1所示。 圖4.1 無線連接示意圖 參考文獻 [1]陳炳偉. 環(huán)模制粒機高效制粒機理與性能分析[D].南京理工大學(xué),2009. [2]孫營超. 環(huán)模制粒機制粒工藝研

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58、ton, J.A. Gelatinization of starch in extruded products [J].Cereal Chem,1977,9:309一 315 致 謝 本文是在導(dǎo)師吳建國教授的悉心指導(dǎo)下完成的。在畢業(yè)設(shè)計的所有階段，從選題、方案設(shè)計、調(diào)試、結(jié)果分析和論文的寫作都凝聚著吳教授的大量心血。在此，特向吳教授表示誠摯的感謝和由衷的敬意。感謝吳教授在我迷茫時給了我方向，在我對設(shè)計方案百思不得其解的時候?qū)ξ夷托牡闹笇?dǎo)。吳教授治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，對待科學(xué)兢兢業(yè)業(yè)，讓我深深地感受到了科學(xué)的樂趣。同時，還要特別感謝劉進學(xué)長對我不厭其煩幫助。 感謝自113班的所有同學(xué)，感謝613實驗室的所有兄弟姐妹，感謝宿舍的室友，是你們給予我良好的學(xué)習(xí)和生活環(huán)境。在離別之際，祝愿大家身體健康、萬事如意。 感謝我的父母，是你們辛辛苦苦供我上學(xué)，給我依靠。如果沒有你們精神上的鼓勵、物質(zhì)上的支持，我永遠(yuǎn)不可能有機會追逐自己夢想。 最后，衷心的感謝在百忙中審閱本論文的各位專家、教授！由于本人水平有限，論文中難免有不足之處，懇請各位專家、教授批評指正。 28