1、1 引言温度和湿度是工农业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度和湿度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中, 温度和湿度控制占有着极为重要的地位。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式、燃料、控制方案也有所不同；同时排湿方式不同，其控制方式也不相同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中加热装置广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，排湿装置多采用轴流式风机，燃料有煤气、天然气、油、电等 1。温度和湿度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。可编程控制器（PLC ）是一种工业控制计算机，是继承计算
2、机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工农业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此 PLC已在工农业自动控制的各个领域中被广泛地使用 2。红枣在烘干的过程中不仅需要对温度和湿度数值大小进行控制，而且不同烘制阶段加热和排湿的时间也不相同，用 PLC 来实现温度和湿度的精确控制，方便快捷，使人从繁重的劳动解放出来。2 枣的干制2.1 工艺流程红枣烘制的流程大致如下：原料挑选分级装盘烘制包装成品2.2 工艺要点2.2.1 温度控制通过大量实验表明红枣烘干温度控制分3个阶段 3,分别包括：缓慢升温阶段、恒温排湿阶段和后熟制干阶段
3、。第1阶段为缓慢升温阶段，点火后温度由常温缓慢升至5055，保持5小时左右。此阶段应注意升温不能过高过快，否则枣果表面易形成硬壳(俗称焖枣)，破坏果肉水分向外排放的通道，不利于枣果水分排放。第2阶段为恒温排湿阶段，是整个烘干过程中主要时期。其特点是需要大火，持续时间长，枣果表面颜色全变为紫红色。在此期既要注意排湿，又要不停地加火，使炕房温度控制在6570之间，保持19h左右，若温度低则会延长烘干时间，温度高则会形成焦枣。第3阶段为后熟制干阶段，其特点是枣果表面由软变为皱褶，趋于成熟，温度应控制在5055 之间，保持 5h左右。此期要一直打开排湿窗和进气窗。在实际操作中3个阶段是连续进行的，枣农
4、要不断观察枣果的变化，以采取相应措施。2.2.2 湿度控制红枣在烘干过程中，自身水分在烘房内温度作用下不断向外排出、变干，若烘房内水份不能及时排除，制干速度延缓，且易形成焦枣，降低食用价值。在第1阶段，温度缓慢升起后，枣果表皮逐渐变软，枣果中的水分慢慢向外排放，炕房内的湿度一般在65以下。当进入第2阶段，即点火后5h左右，枣果表面颜色变深，果肉继续变软，烘房内的湿度不断上升，当烘房内干湿球温度之差小于5或相对湿度大于70时，立即打开排湿窗和进气窗通气排湿。当烘房内干湿球温度差达15或相对湿度低于40时，要停止排湿。若温度上升到65 以上，相对湿度大于70时仍不排湿，就会出现焦枣。据经验，相对湿
5、度达到70以上时，会感到空气潮湿闷热，呼吸困难，枣果表面潮湿。此时，应立即进行烘房内通风排湿工作。经验认为，烘房内相对湿度达70左右时，通风排湿1min，可使相对湿度降至60左右，此时应停止通风排湿。以后视相对湿度情况，多次进行通风排湿(烘干过程中一般排湿7次)。通风排湿时，视烘房内相对湿度的高低和外界风力的大小，决定通风排湿的方法和时间的长短。相对湿度高，外界风力较小时，则将进气窗和排湿窗全部打开，排湿时间较长。反之，则可将进气窗和排湿窗交替开放，排湿时间较短，每次通风排湿时间以1015min为宜。过短通风排湿不够，相对湿度仍高，影响红枣干燥速度和产品品质；过长，随着潮湿空气的排出，室内温度
6、也随之下降。当干燥作用继续进行时，需要重新升高温度，耗煤量增加，成本提高。每次通风排湿结束时，应及时将通风设备关闭，使烘房内温度迅速回升。干燥作用继续进行时，感到空气干燥，呼吸顺畅，枣果表皮干燥而出现皱纹，则达到了通风排湿的效果 3。3 烘房结构的设计3.1 烘房的外部结构烘房外部结构如图所 3-1 示烘制室 加热室图 3-1 烘房结构3.2 烘房的内部设备烘房的内部设备包括有：观察窗、风机、热风炉、控制器、风门、鼓风机和排气窗，其布置如图所示观察窗风机热风炉控制器风门排湿窗鼓风机图3-2 烘房设备安装位置1）控制器三相和单相两类，都带有正反转功能，具有防雷击保护、过流保护、输出短路保护等安全
7、防护措施。具有缺相（三相） 、过载、短路保护和电流监测的功能。烘房管理系统软件组网连接,通过计算机可读取所有网内控制器的工作过程记录。变频器端口与变频器连接. 实现风机的无极调速控制。通过模糊自适应控制算法，自动控过渡段制鼓风机的启停和风门的开关角度，可靠并简捷控制烤房内的温度和湿度。并具有智能报警和语音提示功能。2）热风炉选用耐酸钢、耐候钢制作，焊接部位选用与母材一致的焊材进行焊接。金属外表面采用耐 500以上高温、抗氧化、附着力强的环保材料进行防腐处理。确保设备使用寿命 10 年以上。3）轴流风机风机叶片数量 4 个，采用内置直联电动机，叶轮顶部和风筒的间隙 5mm，符合国家规定。电动机
8、F 级绝缘（ A 级 E 级 B 级 F 级 H 级 ） 4，选用优质高滴点温度轴承，方形框架结构，强度好，有单相、三相两种规格供选择，适合高温高湿环境使用。4）风门和排湿窗风门的风叶材料是厚度 1.5mm 冷轧钢标准板，内设冲压加强筋。风门关闭严密。风叶能在 090 开启，并在任意角度保持稳定。电动机控制回路具有保护措施。插座安装可靠，电动机连接到插座的连线绝缘性能好，不漏电，防雨淋。 排湿窗采用轻质材料，不易变形，开关灵活。采用喷塑或镀锌处理，喷塑厚度不小于 20m，颜色纯正。5）鼓风机离心式鼓风机，运转稳定，但是风量较小，对热风炉起到辅助的作用。6）温湿传感器选择测量精度高，既有测干球温
9、度又有测湿球温度，从而通过干球和湿球温度之差实现对湿度的测量，使用方便。4 烘房温湿控制系统的原理干制过程中，要掌握温度调节、通风排湿及倒换烘盘等技术，以较短的时间获得较高质量的产品。主要控制以下几大要点 5：对不同品种的红枣采用不同的干制温度和升温方式根据烘房内相对湿度的高低，适时通风排湿掌握干燥时间4.1 目标温湿度设定依据影响烘房温湿度的因素有很多，通常烘房温度高、风流速度快则烘制速度就快，但是如果目标湿度设置不合适，比如设定目标湿度较低时，烘房的湿度很快就能达到目标湿度，造成风门打开过于频繁，外界冷空气进入烘房量加大，烘房内就很难保证较高的温度。再者，目标湿度较低，就意味着排出的空气含
10、水量较少，却排出了大量热量，造成很大的热损失。这就提示我们，目标湿度要根据具体情况确定，过低会造成能源的浪费且红枣因温度较低而失水较慢，过高又会造成环境湿度大而造成的失水较慢，综合以上的因素，应选择刚好能达到目标温度的目标湿度值最为合适，这就需要根据烘制当时的现场条件摸索出这个值。4.2 温湿度控制系统的选择4.2.1 PLC 的应用及特点 6随着农业科技的不断发展,大枣烘房的智能化不断提高,为提高红枣烘制品质,工作人员必须时刻对红枣烘房的温、湿度进行监测和控制。为解决这一问题,多应用一种基于 PLC 和温湿度传感器的智能温室控制系统,该系统实现了红枣烘房内温湿度的自动测量和调节。PLC 即可
11、编程序控制器，是在计算机的促进下发展起来的新一代顺序逻辑控制装置，它使用软件完成顺序逻辑控制功能，用计算机执行操作命令，实时操作。因此，顺序逻辑控制功能的更改十分方便，并且其工作可靠性和运算速度都比较高。并且具有以下特点：灵活性和通用性强PLC 是利用存储在机内的程序来实现各种控制功能的，因此在 PLC 控制的系统中，当控制功能发生改变时只需要修改程序即可，PLC 的外部接线改变极少，甚至可以不必改动。一台 PLC 在用于不同的控制系统中，只改变其中的程序即可，其灵活性和通用性是其他电路无法比拟的。可靠性高、抗干扰能力强在 PLC 控制系统中，大量的开关动作是由半导体电路完成，和同等规模的继电
12、接触器相比，电气接线和开关节点已经减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。并且在硬件和软件方面都采取了强有力的措施，使其具有极高的可靠性和抗干扰能力，平均无故障率可达到几万甚至几十万小时以上。编程语言简单易学在 PLC 是一种计算机产品，但是它的编程很容易掌握，PLC 的设计人员充分考虑了工程技术人员的技能和习惯，其程序的编制采用继电器形式的“梯形图” 编程方式及命令语句表编程，只用 PLC 的少量开关逻辑控制指令就可以方便的实现继电器电路的功能，这就使 PLC 的程序简单并且容易被人掌握，为不熟悉的电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。PLC 体积小
13、、重量轻、易于实现机电一体化PLC 内部电路主要采用半导体集成电路，具有结构紧凑、体积小、重量轻、能耗低的特点，是实现机电一体化的理想设备。4.2.2 温湿度控制系统的工作原理本系统主要由 DS18B20 型干湿球温度传感器、集成运算放大器(LM358) 、A /D转换器(ADC0809)、光电耦合器(TLP521)和 PLC (S7-200 系列)组成。干湿球温度传感器用来采集烘房内干球温度和湿球温度信号,通过二者之差来得到湿度信号，将采集到的信号经 ADC0809 转换成 8 路并行数字信号,信号通过光电耦合器传入PLC,PLC 将经转化后的信号与设定温、湿度值进行比较。若转换后的温度信号
14、若高于设定温度上限,则开窗降温;若低于设定温度下限 ,则关窗并驱动加热设备。转换后的湿度信号高于设定湿度上限,则启动风机;若低于设定湿度下限 ,则关闭排湿窗并控制风机停止工作 7。其系统工作原理如图 4-1 所示：温湿度设定值PLC 驱动相应的外围设备温湿温室传感器图 4-1 系统工作原理图5 烘房温湿控制系统设计根据系统具体指标要求，可以对每一个具体部分进行分析设计，整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。5.1 硬件设计系统硬件框图结构如图 5-1 所示: PLC信号传感器给定温度（湿度）集成运算放大器(LM358)信号转化器加热器（轴流风机）图 5-1 系统硬件框图系统硬件连接
15、图如图 5-2 所示图 5-2 系统硬件连接图5.1.1 信号的采集温湿度信号是由温湿度传感器采集并转化为电压信号, 经运算放大器放大后分别接入 A /D 转换器 (ADC0809)的 IN0、IN1 号通道。 PLC 输出口 Y0 通过输出电路接到 A /D 转换器(ADC0809)的地址选择输入端(A) ,控制具体模拟量信号的转换。5.1.2 输入接口电路在输入采样阶段, PLC 首先扫描所有输入端子,将各输入状态存入内存中的各对应的输入映像寄存器中(例如按钮 SB1)，接点闭合，就将 1 写入对应表示输入继电器X0 所示的位上, SB1 接点断开,则写入 0 8 。为了保证输入灵敏度当输
16、入电流在4.5mA 以上(X10 以后为 3. 5mA 以上)时,就把 1 写入相应的输入映像寄存器中,当输入电流在 1. 5mA 以下时,就把 0 写入相应的输入映像寄存器中。5.1.3 系统的硬件配置1）S7-200PLC 选型S7-200 系列 PLC 是由德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程控制器，它能够满足多种自动化控制的需求，适用于各行各业，各种场合的检测监测和控制的自动化，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功能，可代替继电器在简单的控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。S7-200 系列可以根据对象的不同, 可以选用不同的型号和不同数量的模块。并可
17、以将这些模块安装在同一机架上。在 S7-200 系列中，单极性模拟量的输入/输出信号的数值范围是 032000，双极性模拟信号的数值范围是-32000+32000 9综合 S7-200 系列的各种特点，此类型的 PLC 能满足红枣烘房的温、湿度自动控制的要求。2）温湿传感器DS18B20 干湿球温度传感器如图 5-3 所示，它是美国 DALLAS 半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度再通过一定的计算方式得到湿度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现 912 位的数字值读数方式。可实现高精度测温，转换时间为 200ms10。干球探头湿
18、球探头导水弯管控制器接头水壶图 5-3 干湿球温度传感器具体参数如下：基本功能：检测温度；显示温度；过限报警主要技术参数 温度检测范围： -55+125测量精度：0.5显示方式：四位显示报警方式：三极管驱动的蜂鸣音报警传感器放置位置根据红枣烘房内温湿度的要求，应将传感器放置在正确的位置才能准确的测出烘房内的温度和湿度，通常将传感器放置在远离加热炉和排湿窗的位置，即通常放在烘房中间房顶出。若离加热炉较近，则所测温度高于房内温度，若离排湿窗较近则，此处空气交换较为频繁，所测温度低于房内实际温度，因此传感器的正确位置直接影响到对房内实际温度的准确控制，进而影响到红枣的烘制品质。3）A /D 转换器(
19、ADC0809)A /D 转换器(ADC0809) 特点是：8 路模拟信号的分时采集，片内有 8 路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为 100s 左右。其内部逻辑结构如图 5-4 所示：图 5-4 A /D 转换器(ADC0809)内部逻辑结构图图中多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用一个 A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、 C 3 个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。A/D 转换后得到的数据应及时传送给
20、PLC 控制器进行处理。数据传送的关键问题是如何确认 A/D 转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式 11。定时传送方式对于一种 A/D 转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如 ADC0809 转换时间为 128s，相当于 6MHz 的 MCS-51 单片机共 64 个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D 转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。查询方式A/D 转换芯片由表转换完成的状态信号，例如 ADC0809 的 EOC 端。因此可以用查询方式，测试 EOC 的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。中断方式把表转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。
