摘 要：針對(duì)人工方法進(jìn)行蠶種催青存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新的蠶種催青過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)使蠶種定時(shí)作360度的自動(dòng)換位，對(duì)溫、濕，光進(jìn)行準(zhǔn)確控制，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)蠶種銷售過(guò)程進(jìn)行管理，具有可靠性高、成本低、控制方法靈活等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵字：蠶種催青 自動(dòng)換位 蠶種銷售 0 引言 　　由于催青過(guò)程中蠶種對(duì)溫、濕、光的感應(yīng)是不斷變化的，因此采用人工方法對(duì)溫、濕度的變化難以控制，因而造成孵化不齊、蟻體虛弱、繭質(zhì)變劣。本文根據(jù)某蠶種供應(yīng)站的要求，設(shè)計(jì)了一種新的蠶種催青過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)充分利用儀表、PLC、個(gè)人計(jì)算機(jī)各自的特點(diǎn)，采用系統(tǒng)集成的方法組成控制系統(tǒng)，使蠶種定時(shí)作360度的自動(dòng)換位，對(duì)溫、濕，光進(jìn)行準(zhǔn)確控制，具有可靠性高，控制方法靈活等優(yōu)點(diǎn)。采用計(jì)算機(jī)控制蠶種催青，使蠶種孵化更集中齊一，孵化日期準(zhǔn)確，提高了蠶種一次性孵化率，從而提高了大蠶產(chǎn)量。系統(tǒng)人機(jī)界面友好，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，用戶在實(shí)現(xiàn)蠶種催青整個(gè)過(guò)程自動(dòng)控制要求的同時(shí)，還能夠方便地處理蠶種銷售管理等諸如此類的問(wèn)題。 1 系統(tǒng)控制指標(biāo) 　　溫度控制范圍：20℃～28℃， 控制精度 ≤±0.5℃ 　　濕度控制范圍：30%～90%RH，控制精度 ≤±3%RH 2 系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn) 　　蠶種供應(yīng)站的孵化室每一層6間，整個(gè)孵化室分為二層，共1 2間孵化室。每個(gè)孵化室內(nèi)的孵化器安裝在旋架框上，由變速電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)比為常數(shù)的減速器驅(qū)動(dòng)。通過(guò)對(duì)變速電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)旋架的速度調(diào)整，使蠶種每隔一段時(shí)間作360度的自動(dòng)換位，從而達(dá)到使各孵床的孵化均勻。每個(gè)孵化室內(nèi)安裝兩對(duì)溫、濕度變送器，計(jì)算機(jī)對(duì)不同位置的溫、濕度信號(hào)進(jìn)行處理，獲得最佳的溫、濕度數(shù)據(jù)。根據(jù)技術(shù)要求和孵化室的實(shí)際位置，本系統(tǒng)分為2個(gè)獨(dú)立控制系統(tǒng)。每個(gè)控制系統(tǒng)控制一層6間孵化室的溫、濕度，系統(tǒng)由控制室和孵化室兩大部份組成。 　　整個(gè)系統(tǒng)采用廣泛應(yīng)用于加工制造、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的RS-485總線，將工業(yè)PC機(jī)和PLC組成二級(jí)控制系統(tǒng)，形成集控制、管理于一體的綜合自動(dòng)化模式。上位機(jī)采用研華工業(yè)控制機(jī)，運(yùn)行自主開(kāi)發(fā)的蠶種催青過(guò)程管理軟件，完成對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)視和銷售管理、控制參數(shù)修改、系統(tǒng)的組態(tài)、報(bào)警、制表、繪制曲線等功能;基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)為西門(mén)子公司的S7-200系列PLC和XSL巡檢儀，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、上傳和控制，因此上位計(jì)算機(jī)的任何故障都不會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行。 　　系統(tǒng)構(gòu)成如圖1： [align=center] 圖1[/align] 　　方案中每層安裝一臺(tái)巡檢儀，巡檢儀有24路模擬量輸入，分別對(duì)應(yīng)于每個(gè)催青室的上、下部溫度和上、下部濕度。溫、濕度傳感器采用JWSF溫、濕度一體化變送器。該傳感器輸出與溫、濕度對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)，經(jīng)巡檢儀后得到信號(hào)的數(shù)字量，并通過(guò)PLC上傳給計(jì)算機(jī)，直觀地顯示在巡檢儀和計(jì)算機(jī)上，這樣既降低了系統(tǒng)成本（PLC不采樣），又保證了巡檢儀和計(jì)算機(jī)顯示的數(shù)據(jù)一致。PLC根據(jù)控制要求發(fā)出輸出信號(hào)，控制補(bǔ)濕、加熱、空調(diào)和電機(jī)，最后達(dá)到使催青房間溫、濕度穩(wěn)定和感光均勻的目的。 3 控制方法及實(shí)現(xiàn) 　　孵化室的溫、濕度是一個(gè)大純滯后的對(duì)象，并具有非線性、時(shí)變性等特性。對(duì)于大純滯后的對(duì)象通常采用Smith補(bǔ)償控制。然而要實(shí)現(xiàn)Smith補(bǔ)償控制，必須有一個(gè)較為精確的數(shù)學(xué)模型。除了數(shù)學(xué)模型的精確性之外，被控對(duì)象的特性隨著現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、負(fù)荷變化等運(yùn)行條件的改變而發(fā)生變化也會(huì)影響Smith補(bǔ)償控制的效果。考慮到控制系統(tǒng)溫、濕度變化較大，各個(gè)控制回路的對(duì)象特性各異等因素，本系統(tǒng)采用了先進(jìn)的增益自適應(yīng)Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的方案。 　　增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案是在Smith預(yù)估補(bǔ)償模型之后另加了一個(gè)除法器，一個(gè)一階微分環(huán)節(jié)（識(shí)別器）和一個(gè)乘法器。除法器是將被控過(guò)程的輸出值除以Smith預(yù)估補(bǔ)償模型的輸出值;識(shí)別器中的時(shí)間常數(shù) = ，它將使被控過(guò)程的輸出比Smith預(yù)估補(bǔ)償模型的輸出提前一個(gè)純滯后時(shí)間 進(jìn)入乘法器進(jìn)行運(yùn)算;乘法器將Smith預(yù)估器輸出乘以識(shí)別器的輸出后作為被控量的反饋值送入調(diào)節(jié)器。這三個(gè)環(huán)節(jié)的作用，是根據(jù)Smith預(yù)估補(bǔ)償模型和被控過(guò)程輸出信號(hào)之間的差值，提供一個(gè)自動(dòng)校正預(yù)估器增益的信號(hào);調(diào)節(jié)器之前的除法器用于對(duì)調(diào)節(jié)器增益的自適應(yīng)。因此當(dāng)過(guò)程對(duì)象的增益和動(dòng)態(tài)性能參數(shù)發(fā)生飄移，或Smith預(yù)估補(bǔ)償模型不準(zhǔn)確時(shí)，系統(tǒng)都能夠有自適應(yīng)作用。 　　3.1 控制參數(shù)的設(shè)定 　　溫、濕度控制系統(tǒng)設(shè)有12個(gè)控制區(qū)（每個(gè)控制區(qū)有溫、濕度控制回路各一個(gè)，共24個(gè)控制回路），因各控制區(qū)的溫、濕度存在很大差異，而且溫、濕度互相影響。若采用儀表控制，則難以保證24路溫、濕度控制同步、協(xié)調(diào)工作，參數(shù)整定也比較困難。 　　采用計(jì)算機(jī)對(duì)24個(gè)控制回路進(jìn)行控制，若采用24組PID參數(shù)，則在實(shí)際調(diào)試運(yùn)行時(shí)參數(shù)的整定實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。由于采用了增益自適應(yīng)預(yù)估補(bǔ)償控制，自適應(yīng)調(diào)節(jié)器對(duì)過(guò)程對(duì)象的特性差異起到了補(bǔ)償作用，所以24路溫、濕度控制采用同一組控制參數(shù)，使得調(diào)節(jié)器參數(shù)整定比較方便。 　　3.2 解耦問(wèn)題 　　采用同一組PID控制參數(shù)，在孵化室如此大的空間內(nèi)采樣點(diǎn)溫、濕度存在較大的差異，而且互相影響，還是難以保證24路溫、濕度同時(shí)滿足工藝要求。為此，在每一路控制輸出后增加了一個(gè)限輻器。根據(jù)各點(diǎn)的實(shí)際溫、濕度與給定溫、濕度差異的大小，適當(dāng)調(diào)整限輻器的百分?jǐn)?shù)（0～100%），從而實(shí)現(xiàn)溫、濕度局部的微調(diào)，較好的解決了溫、濕度耦合而導(dǎo)致的溫、濕度不均勻的問(wèn)題，在實(shí)際運(yùn)行中取得了良好的控制效果。 　　3.3 抗干擾問(wèn)題 　　蠶種孵化具有時(shí)間周期較短，直接影響農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入等特點(diǎn)，因此對(duì)系統(tǒng)的可靠性提出了較高的要求。溫、濕度信號(hào)采集的準(zhǔn)確和可靠是控制成功的關(guān)鍵，本系統(tǒng)傳感器采用JWSF溫、濕度變送器。該變送器將溫、濕度傳感器和變送器集成在一起，小巧、安裝方便，性能穩(wěn)定，可靠、精度高。每個(gè)孵化室在高、底兩個(gè)位置各安排1個(gè)溫、濕度變送器，保證了信號(hào)采集的準(zhǔn)確和可靠。 　　本系統(tǒng)在基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)采用高可靠性的PLC，數(shù)據(jù)采集采用對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)有較強(qiáng)的抗干擾能力的XSL巡檢儀，巡檢儀在信號(hào)處理后就地顯示，還通過(guò)并行數(shù)據(jù)線傳送給PLC，提高了系統(tǒng)的可靠性和標(biāo)準(zhǔn)化程度。 4 通訊接口和軟件編程 　　采用RS-485工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線將監(jiān)控計(jì)算機(jī)、多個(gè)測(cè)控工作站構(gòu)成遠(yuǎn)程測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，并可以對(duì)PLC的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，達(dá)到管理、控制一體化，而PLC與個(gè)人計(jì)算機(jī)的互聯(lián)通信是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的技術(shù)關(guān)鍵。根據(jù)S7-200 PLC的特點(diǎn)，利用自由口通信方式和相關(guān)的特殊標(biāo)志位，實(shí)現(xiàn)了PC和PLC之間的通信。 　　在本系統(tǒng)中考慮到PLC長(zhǎng)期工作在采集信號(hào)、控制狀態(tài)下，而計(jì)算機(jī)僅作為監(jiān)控，所以計(jì)算機(jī)和PLC之間的通信采用主從方式，計(jì)算機(jī)始終處于主導(dǎo)地位。數(shù)據(jù)的傳送都由計(jì)算機(jī)定時(shí)發(fā)出命令，該命令也作為握手信號(hào)。PLC一旦收到命令，在對(duì)命令進(jìn)行確認(rèn)無(wú)誤后，返回該命令作為應(yīng)答。然后根據(jù)命令組織數(shù)據(jù)并存入指定的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，上傳給計(jì)算機(jī);或準(zhǔn)備接收計(jì)算機(jī)下傳的數(shù)據(jù)，存入指定存儲(chǔ)區(qū)。為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性，把所有發(fā)送的數(shù)據(jù)做累加，并把結(jié)果與發(fā)送過(guò)來(lái)的累加和進(jìn)行比較，若相等則發(fā)送成功;反之則放棄這批數(shù)據(jù)，并發(fā)出錯(cuò)誤信息給對(duì)方，要求對(duì)方重發(fā)。通訊協(xié)議考慮了各種可能發(fā)生的情況。協(xié)議分成PLC發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和上位機(jī)發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)兩個(gè)方面。前者由下面三種情況組成：正確通訊、無(wú)應(yīng)答、錯(cuò)誤應(yīng)答或FCS錯(cuò)誤。后者由以下三種情況組成：正確通訊、無(wú)應(yīng)答或應(yīng)答錯(cuò)誤、無(wú)應(yīng)答或FCS錯(cuò)誤。在這個(gè)通訊協(xié)議中，上位機(jī)和下位機(jī)之間是主從方式：上位機(jī)處于主動(dòng)詢問(wèn)狀態(tài)，下位機(jī)處于等待應(yīng)答狀態(tài)，具體流程如圖2所示： [align=center] 圖2[/align] 　　這種方法與單個(gè)數(shù)據(jù)中斷的通訊方式相比，實(shí)時(shí)通信更加簡(jiǎn)單、快捷，不需要增加通信模塊，成本低，具備較好的靈活性;PC機(jī)利用Visual C++6.0的通信控件MSComm編寫(xiě)軟件程序，該通信控件使用事件驅(qū)動(dòng)或查詢方式解決開(kāi)發(fā)通信軟件中遇到的問(wèn)題，保證了通信的實(shí)時(shí)性。 5 完善的蠶種銷售管理 　　系統(tǒng)具有訂貨、銷售登記，定貨、補(bǔ)交欠款和收、欠款查詢（分全部查詢和按鄉(xiāng)查詢），鄉(xiāng)名設(shè)置，數(shù)據(jù)備份，數(shù)據(jù)恢復(fù)，過(guò)期數(shù)據(jù)清除等功能，使控制和銷售為一體，方便了用戶，提高了銷售管理水平。 6 總結(jié) 　　本系統(tǒng)已成功運(yùn)用于江西某縣蠶種供應(yīng)站，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，控制效果良好。 　　本系統(tǒng)的研制成功解決了蠶種催青過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，溫、濕度控制準(zhǔn)確，感溫、感濕、感光均勻，孵化齊一，增強(qiáng)了蟻蠶的抗病能力，一次性孵化率比傳統(tǒng)方法提高3～4%，年催青蠶種數(shù)提高到30萬(wàn)張，為解決貧困地區(qū)的大批剩余勞動(dòng)力，增加農(nóng)民收入起到了積極作用。該項(xiàng)技術(shù)還為其它室內(nèi)的溫、濕度控制及改造提供了成功的經(jīng)驗(yàn)。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：將PLC、常規(guī)儀表、測(cè)控工作站通過(guò)RS—485總線構(gòu)成實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)，利用儀表替代A/D實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，降低了成本，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力、可靠性和標(biāo)準(zhǔn)化程度。應(yīng)用組態(tài)軟件包括了蠶種銷售，管理等功能，使得管、控一體化，克服了類似系統(tǒng)功能單一的缺點(diǎn)（僅有控制功能），提高了蠶種催青的綜合管理水平。 7 參考文獻(xiàn)： 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