基于PLC 與HMI 的蠶繭烘干系統設計

潘知南 江珊珊

（廣西電力職業技術學院 廣西南寧 530299）

黨的二十大報告指出，全面推進鄉村振興，最艱巨最繁重的任務仍然在農村，堅持農業農村優先發展，強化農業科技和裝備支撐，加快建設農業強國。我國也一直注重桑蠶業的發展，力求在新時代讓桑蠶業再上一個新高度。隨著“東桑西移”等政策的指引，廣西桑蠶產業得到了飛速發展，廣西已成為全國蠶繭生產總量最大的地區[1]。

烘繭是制絲工業中的首道工序，關系到蠶繭質量的好壞和出絲率的高低。經走訪調研廣西河池地區20余家蠶繭收烘站發現，目前的蠶繭烘干設備還處于相對落后的狀態，主要是以生物燃料燃燒機為熱源主體的烘繭灶、自動熱風循環烘繭機等，這些設備要求收烘站操作人員有一定的技術能力，一旦時間、風速、烘烤溫濕度把握不好，烤出來的繭絲質量就參差不齊[2]。針對以上問題，筆者采用西門子 S7-1200PLC 為核心控制器，運用HMI 組態軟件進行交互設計，通過PID 算法優化蠶繭烘烤控制流程，不僅能智能化地監控蠶繭烘烤的全過程，還能降低技術人員的操作難度，提升繭絲的品質，將蠶繭烘干工藝由半自動化推向智能化。

1 系統硬件設計方案

蠶繭烘干系統主要由S7-1200PLC、HMI 觸摸屏、熱泵烘干機、循環風機、排濕風機、溫濕度傳感器、其他輸入信號設備及PC 端等構成。其中，S7-1200PLC 與HMI 觸摸屏是核心控制模塊；空氣能熱泵烘干機用于提供熱源，與傳統的生物質燃料燃燒機相比，其具有能耗低、無污染等優點；循環風機用于烘繭室內的熱風循環，使處于不同位置的蠶繭都能均勻受熱；溫濕度傳感器主要用于檢測烘繭室的溫濕度情況，與PLC 形成負反饋控制；排濕風機用于排出烘繭室內的濕氣，有利于控制濕度；其他輸入信號設備包括啟動按鈕、停止按鈕、急停按鈕、復位按鈕等；PC端用于設備的調試與監控。系統硬件設計方案如圖1所示。

圖1 系統硬件設計方案

2 系統工作模式

系統的工作模式分為調試模式與自動模式。

調試模式用于測試各部分功能以及元件是否能正常工作，方便在設備故障時進行針對性檢測與維修、查看輸入信號是否正常以及判斷溫濕度傳感器等信號數據傳輸的準確性。

自動模式是蠶繭烘干系統的核心控制模式。在自動模式下，整個蠶繭烘干過程可實現一鍵完成。蠶繭烘干和其他農產品的烘干不一樣，其烘干過程分為預熱階段、等速干燥階段、減速干燥階段。預熱階段控制在30 min 以內，干燥室的溫度由室溫提升到95 ℃左右，將鮮繭送入。等速干燥階段控制在150 min～180 min，溫度控制在105 ℃±5 ℃范圍內，此階段主要是蒸發蛹體內的水分。減速干燥階段控制在180 min 左右，溫度控制呈現遞減狀態，前期高溫區溫度控制在95 ℃±5 ℃范圍內，中期中溫區溫度控制在85 ℃±5 ℃范圍內，后期低溫區溫度控制在65 ℃±5 ℃范圍內。減速干燥階段蛹體內的水分逐漸減少，水分蒸發的速度逐漸減慢，利用控制器可調節溫度逐級降低，讓蛹體內的水分加速釋出直至干燥。減速干燥階段最重要的是時間控制，一旦減速烘干的時間過長，便會導致絲質變差。

除了溫度的控制外，濕度也是影響繭絲品質的關鍵因素。除了要將蛹體內的水分烘干外，還要保證繭層的含水率。濕度控制在三個烘干階段有所不同，在預熱階段濕度控制在8%～12%，在等速干燥階段濕度控制在17%～20%，在減速干燥階段濕度控制在25%～35%[3]。溫濕度控制均可使用溫濕度傳感器配合PLC 進行精確控制。系統工作流程圖如圖2 所示。

圖2 工作流程圖

3 PID 溫濕度調節控制

蠶繭烘干系統的核心控制環節是PLC 對熱泵烘干機的控制。本方案采用西門子S7-1200PLC 作為核心控制器，其優勢是靈活度高，擴展能力強，是目前工業控制領域中常用的可編程控制器。S7-1200PLC 除了能實現輸入信號的采集和輸出信號的控制外，其指令集中還設置有專用于 PID 溫度控制調節指令PID_Temp，該指令提供了一種可對溫度過程進行集成調節的PID 控制器，控制器參數可用于加熱和制冷。其主要工作模式有預調節模式、精確調節模式、自動模式、手動模式等。在自動模式下，可進行輸入參數設定，Setpoint 參數可用于設定所需控制的溫度值；Input 參數用于采集熱泵烘干機或干燥室內的實時溫度，若輸入的溫度信號為模擬量信號，則使用Input_PER 參數采集輸入模擬量信號，與所設定的值相比較，如果不在設定值范圍內，便可控制熱泵烘干機進行變頻調溫，形成可控的閉環溫度調節控制?？刂浦茻彷敵鰠抵饕蠴utputHeat、OutputHeat_PER、OutputHeat_PWM，OutputHeat 是REAL 形式的輸出值，OutputHeat_PER 是模擬量輸出值，OutputHeat_PWM是脈寬調制輸出值，采用OutputHeat_PER、OutputHeat_PWM 兩個參數可以直接控制變頻器，變頻器與熱泵烘干機相配合，可進行溫度調節。由于熱泵烘干機與干燥室內均有溫度傳感器，在核心程序設計中可采用串級控制。以干燥室內的溫度作為溫度主控制器的反饋輸入，從觸摸屏參數設置獲取當前溫度設定值；將熱泵烘干機內置溫度傳感器輸出值作為溫度從控制器的反饋輸入，將主控制器的輸出值作為從控制器的設定值，從控制器的輸出值通過控制變頻器，調節熱泵烘干機輸出溫度，實現對溫度的精確控制。通過此方式控制排濕風機，也可實現對濕度的PID 控制調節。PID 溫濕度控制如圖3 所示。

圖3 PID 溫濕度控制

4 HMI 組態界面設計

在上電運行后，系統首先進入主界面，主界面上設置有手動界面、自動界面、報警畫面、設備監控、參數設置5 大功能模塊。進入調試模式后系統會跳轉到手動界面，可單獨啟動熱泵烘干機、循環風機、排濕風機，可以設定運行頻率，檢測三臺電機是否能正常運行，同時可查看溫濕度傳感器反饋的溫度和濕度值。一旦出現過載、短路或參數超出設定值的上下限，則跳轉到報警畫面，供用戶及檢修人員查看故障信息，分析故障原因，以便能快速地排除故障。手動控制運行界面如圖4 所示。

圖4 手動控制運行界面

若設備一切正常，可進入自動模式，此時系統會跳轉到自動界面。自動界面分為運行視圖、設備控制及實時參數三個部分。從運行視圖框可直觀地看到整個蠶繭烘干流程，目前設備運行在哪一個階段。設備控制框設有啟動設備、緊急停止、報警復位及初始化4 個功能按鈕。按下啟動設備按鈕后，系統將進入自動烘烤狀態。如果設備出現故障，可以通過緊急停止按鈕暫停設備工作狀態，在排除故障后可以進行故障復位，并初始化狀態之后可繼續執行烘烤功能。從實時參數框可以監控各個環節電機的運行頻率，還能監控預熱階段、等速干燥階段、減速干燥階段三個階段溫濕度反饋值，方便用戶了解運行情況。自動控制運行界面如圖5 所示。

圖5 自動控制運行界面

報警界面主要用于故障報警、報警信息記錄及查詢，由故障信息表、報警復位及停止按鈕組成。故障信息表包含日期、時間、故障類型、報警值及故障描述等信息，方便用戶查詢。在設備監控界面，可以查看各個控制設備的運行狀態。參數設置界面可以配合手動模式和自動模式使用，如設定各個電機運行頻率、加熱溫度、濕度上下限等，也可以根據實際情況調節自動控制模式的烘干流程。

5 結語

蠶繭烘干是蠶絲生產流程中的重要環節，關系著蠶絲的品質。本文設計的基于PLC、HIM 組態的蠶繭烘干系統能控制蠶繭烘烤全流程，通過PID 溫濕度控制模式，提高各個烘干環節的溫濕度控制精確度，降低蠶繭收烘站技術人員的操作難度。對現有的烘烤工藝進行智能化升級，可實現節能減排、降低污染、提高品質及效率。目前系統已經投放測試，可應對實際烘烤過程中的突發狀況。在下一步的研究中，將加入遠程控制功能，除了能在PC 端操作監控設備，也可使用手機端來操作。