摘 要：針對人工方法進行蠶種催青存在的問題，設(shè)計了一種新的蠶種催青過程實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)使蠶種定時作360度的自動換位，對溫、濕，光進行準確控制，并可以實現(xiàn)對蠶種銷售過程進行管理，具有可靠性高、成本低、控制方法靈活等優(yōu)點。 關(guān)鍵字：蠶種催青 自動換位 蠶種銷售 0 引言 　　由于催青過程中蠶種對溫、濕、光的感應(yīng)是不斷變化的，因此采用人工方法對溫、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)計了一種新的蠶種催青過程實時監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)充分利用儀表、PLC、個人計算機各自的特點，采用系統(tǒng)集成的方法組成控制系統(tǒng)，使蠶種定時作360度的自動換位，對溫、濕，光進行準確控制，具有可靠性高，控制方法靈活等優(yōu)點。采用計算機控制蠶種催青，使蠶種孵化更集中齊一，孵化日期準確，提高了蠶種一次性孵化率，從而提高了大蠶產(chǎn)量。系統(tǒng)人機界面友好，數(shù)據(jù)處理能力強，用戶在實現(xiàn)蠶種催青整個過程自動控制要求的同時，還能夠方便地處理蠶種銷售管理等諸如此類的問題。 1 系統(tǒng)控制指標 　　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 　　蠶種供應(yīng)站的孵化室每一層6間，整個孵化室分為二層，共1 2間孵化室。每個孵化室內(nèi)的孵化器安裝在旋架框上，由變速電機通過傳動比為常數(shù)的減速器驅(qū)動。通過對變速電機的控制，實現(xiàn)旋架的速度調(diào)整，使蠶種每隔一段時間作360度的自動換位，從而達到使各孵床的孵化均勻。每個孵化室內(nèi)安裝兩對溫、濕度變送器，計算機對不同位置的溫、濕度信號進行處理，獲得最佳的溫、濕度數(shù)據(jù)。根據(jù)技術(shù)要求和孵化室的實際位置，本系統(tǒng)分為2個獨立控制系統(tǒng)。每個控制系統(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。 　　整個系統(tǒng)采用廣泛應(yīng)用于加工制造、生產(chǎn)過程自動化的RS-485總線，將工業(yè)PC機和PLC組成二級控制系統(tǒng)，形成集控制、管理于一體的綜合自動化模式。上位機采用研華工業(yè)控制機，運行自主開發(fā)的蠶種催青過程管理軟件，完成對系統(tǒng)的監(jiān)視和銷售管理、控制參數(shù)修改、系統(tǒng)的組態(tài)、報警、制表、繪制曲線等功能;基礎(chǔ)自動化級為西門子公司的S7-200系列PLC和XSL巡檢儀，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、上傳和控制，因此上位計算機的任何故障都不會影響系統(tǒng)運行。 　　系統(tǒng)構(gòu)成如圖1： [align=center] 圖1[/align] 　　方案中每層安裝一臺巡檢儀，巡檢儀有24路模擬量輸入，分別對應(yīng)于每個催青室的上、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、濕度對應(yīng)的電流信號，經(jīng)巡檢儀后得到信號的數(shù)字量，并通過PLC上傳給計算機，直觀地顯示在巡檢儀和計算機上，這樣既降低了系統(tǒng)成本（PLC不采樣），又保證了巡檢儀和計算機顯示的數(shù)據(jù)一致。PLC根據(jù)控制要求發(fā)出輸出信號，控制補濕、加熱、空調(diào)和電機，最后達到使催青房間溫、濕度穩(wěn)定和感光均勻的目的。 3 控制方法及實現(xiàn) 　　孵化室的溫、濕度是一個大純滯后的對象，并具有非線性、時變性等特性。對于大純滯后的對象通常采用Smith補償控制。然而要實現(xiàn)Smith補償控制，必須有一個較為精確的數(shù)學模型。除了數(shù)學模型的精確性之外，被控對象的特性隨著現(xiàn)場環(huán)境、負荷變化等運行條件的改變而發(fā)生變化也會影響Smith補償控制的效果?？紤]到控制系統(tǒng)溫、濕度變化較大，各個控制回路的對象特性各異等因素，本系統(tǒng)采用了先進的增益自適應(yīng)Smith預估補償控制的方案。 　　增益自適應(yīng)補償方案是在Smith預估補償模型之后另加了一個除法器，一個一階微分環(huán)節(jié)（識別器）和一個乘法器。除法器是將被控過程的輸出值除以Smith預估補償模型的輸出值;識別器中的時間常數(shù) = ，它將使被控過程的輸出比Smith預估補償模型的輸出提前一個純滯后時間 進入乘法器進行運算;乘法器將Smith預估器輸出乘以識別器的輸出后作為被控量的反饋值送入調(diào)節(jié)器。這三個環(huán)節(jié)的作用，是根據(jù)Smith預估補償模型和被控過程輸出信號之間的差值，提供一個自動校正預估器增益的信號;調(diào)節(jié)器之前的除法器用于對調(diào)節(jié)器增益的自適應(yīng)。因此當過程對象的增益和動態(tài)性能參數(shù)發(fā)生飄移，或Smith預估補償模型不準確時，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個控制區(qū)（每個控制區(qū)有溫、濕度控制回路各一個，共24個控制回路），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。 　　采用計算機對24個控制回路進行控制，若采用24組PID參數(shù)，則在實際調(diào)試運行時參數(shù)的整定實現(xiàn)起來比較困難。由于采用了增益自適應(yīng)預估補償控制，自適應(yīng)調(diào)節(jié)器對過程對象的特性差異起到了補償作用，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、濕度同時滿足工藝要求。為此，在每一路控制輸出后增加了一個限輻器。根據(jù)各點的實際溫、濕度與給定溫、濕度差異的大小，適當調(diào)整限輻器的百分數(shù)（0～100%），從而實現(xiàn)溫、濕度局部的微調(diào)，較好的解決了溫、濕度耦合而導致的溫、濕度不均勻的問題，在實際運行中取得了良好的控制效果。 　　3.3 抗干擾問題 　　蠶種孵化具有時間周期較短，直接影響農(nóng)民經(jīng)濟收入等特點，因此對系統(tǒng)的可靠性提出了較高的要求。溫、濕度信號采集的準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。每個孵化室在高、底兩個位置各安排1個溫、濕度變送器，保證了信號采集的準確和可靠。 　　本系統(tǒng)在基礎(chǔ)自動化級采用高可靠性的PLC，數(shù)據(jù)采集采用對現(xiàn)場信號有較強的抗干擾能力的XSL巡檢儀，巡檢儀在信號處理后就地顯示，還通過并行數(shù)據(jù)線傳送給PLC，提高了系統(tǒng)的可靠性和標準化程度。 4 通訊接口和軟件編程 　　采用RS-485工業(yè)現(xiàn)場總線將監(jiān)控計算機、多個測控工作站構(gòu)成遠程測控網(wǎng)絡(luò)，并可以對PLC的參數(shù)進行實時修改，達到管理、控制一體化，而PLC與個人計算機的互聯(lián)通信是實現(xiàn)這一目標的技術(shù)關(guān)鍵。根據(jù)S7-200 PLC的特點，利用自由口通信方式和相關(guān)的特殊標志位，實現(xiàn)了PC和PLC之間的通信。 　　在本系統(tǒng)中考慮到PLC長期工作在采集信號、控制狀態(tài)下，而計算機僅作為監(jiān)控，所以計算機和PLC之間的通信采用主從方式，計算機始終處于主導地位。數(shù)據(jù)的傳送都由計算機定時發(fā)出命令，該命令也作為握手信號。PLC一旦收到命令，在對命令進行確認無誤后，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)，上傳給計算機;或準備接收計算機下傳的數(shù)據(jù)，存入指定存儲區(qū)。為了驗證數(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)送過來的累加和進行比較，若相等則發(fā)送成功;反之則放棄這批數(shù)據(jù)，并發(fā)出錯誤信息給對方，要求對方重發(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)場數(shù)據(jù)和上位機發(fā)送現(xiàn)場數(shù)據(jù)兩個方面。前者由下面三種情況組成：正確通訊、無應(yīng)答、錯誤應(yīng)答或FCS錯誤。后者由以下三種情況組成：正確通訊、無應(yīng)答或應(yīng)答錯誤、無應(yīng)答或FCS錯誤。在這個通訊協(xié)議中，上位機和下位機之間是主從方式：上位機處于主動詢問狀態(tài)，下位機處于等待應(yīng)答狀態(tài)，具體流程如圖2所示： [align=center] 圖2[/align] 　　這種方法與單個數(shù)據(jù)中斷的通訊方式相比，實時通信更加簡單、快捷，不需要增加通信模塊，成本低，具備較好的靈活性;PC機利用Visual C++6.0的通信控件MSComm編寫軟件程序，該通信控件使用事件驅(qū)動或查詢方式解決開發(fā)通信軟件中遇到的問題，保證了通信的實時性。 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，過期數(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)已成功運用于江西某縣蠶種供應(yīng)站，系統(tǒng)運行穩(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程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，溫、濕度控制準確，感溫、感濕、感光均勻，孵化齊一，增強了蟻蠶的抗病能力，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30萬張，為解決貧困地區(qū)的大批剩余勞動力，增加農(nóng)民收入起到了積極作用。該項技術(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。 　　本文作者創(chuàng)新點：將PLC、常規(guī)儀表、測控工作站通過RS—485總線構(gòu)成實時測控系統(tǒng)，利用儀表替代A/D實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，降低了成本，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力、可靠性和標準化程度。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（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： 　　[1] 許才銓. 蠶種催青室控制系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J].蠶桑通報 , 2003，（04）. 　　[2] 蔡金蘭. 淺談自動化高密度催青的特點與技術(shù)措施[J].蠶桑通報，2004，（02） . 　　[3] 李春才，余榮峰等. 催青管理規(guī)范化提高蠶種孵化率[J].中國蠶業(yè)，2004，（01） . 　　[4] 汪秉文，李國寬，姜新.一種改進的Smith預估補償方法[J].華中理工大學學報 , 1999，（12） . 　　[5] 孫憂賢，褚健.工業(yè)過程控制技術(shù)（方法篇）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006. 　　[6] 章鴻，龍偉. 基于PLC與組態(tài)軟件鋼鐵廠廢酸水處理控制系統(tǒng)[J].微計算機信息，2006，11：109 -111.