摘 要：針對人工方法進行蠶種催青存在的問題，設計了一種新的蠶種催青過程實時監控系統。該系統使蠶種定時作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、控制方法靈活等優點。 關鍵字：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、繭質變劣。本文根據某蠶種供應站的要求，設計了一種新的蠶種催青過程實時監控系統。系統充分利用儀表、PLC、個人計算機各自的特點，采用系統集成的方法組成控制系統，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，從而提高了大蠶產量。系統人機界面友好，數據處理能力強，用戶在實現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 系統構成及特點 　　蠶種供應站的孵化室每一層6間，整個孵化室分為二層，共1 2間孵化室。每個孵化室內的孵化器安裝在旋架框上，由變速電機通過傳動比為常數的減速器驅動。通過對變速電機的控制，實現旋架的速度調整，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、濕度數據。根據技術要求和孵化室的實際位置，本系統分為2個獨立控制系統。每個控制系統控制一層6間孵化室的溫、濕度，系統由控制室和孵化室兩大部份組成。 　　整個系統采用廣泛應用于加工制造、生產過程自動化的RS-485總線，將工業PC機和PLC組成二級控制系統，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控制機，運行自主開發的蠶種催青過程管理軟件，完成對系統的監視和銷售管理、控制參數修改、系統的組態、報警、制表、繪制曲線等功能;基礎自動化級為西門子公司的S7-200系列PLC和XSL巡檢儀，實現數據采集、上傳和控制，因此上位計算機的任何故障都不會影響系統運行。 　　系統構成如圖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、濕度對應的電流信號，經巡檢儀后得到信號的數字量，并通過PLC上傳給計算機，直觀地顯示在巡檢儀和計算機上，這樣既降低了系統成本（PLC不采樣），又保證了巡檢儀和計算機顯示的數據一致。PLC根據控制要求發出輸出信號，控制補濕、加熱、空調和電機，最后達到使催青房間溫、濕度穩定和感光均勻的目的。 3 控制方法及實現 　　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Smith補償控制，必須有一個較為精確的數學模型。除了數學模型的精確性之外，被控對象的特性隨著現場環境、負荷變化等運行條件的改變而發生變化也會影響Smith補償控制的效果。考慮到控制系統溫、濕度變化較大，各個控制回路的對象特性各異等因素，本系統采用了先進的增益自適應Smith預估補償控制的方案。 　　增益自適應補償方案是在Smith預估補償模型之后另加了一個除法器，一個一階微分環節（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 = ，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節器。這三個環節的作用，是根據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;調節器之前的除法器用于對調節器增益的自適應。因此當過程對象的增益和動態性能參數發生飄移，或Smith預估補償模型不準確時，系統都能夠有自適應作用。 　　3.1 控制參數的設定 　　溫、濕度控制系統設有12個控制區（每個控制區有溫、濕度控制回路各一個，共24個控制回路），因各控制區的溫、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、協調工作，參數整定也比較困難。 　　采用計算機對24個控制回路進行控制，若采用24組PID參數，則在實際調試運行時參數的整定實現起來比較困難。由于采用了增益自適應預估補償控制，自適應調節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，使得調節器參數整定比較方便。 　　3.2 解耦問題 　　采用同一組PID控制參數，在孵化室如此大的空間內采樣點溫、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。根據各點的實際溫、濕度與給定溫、濕度差異的大小，適當調整限輻器的百分數（0～100%），從而實現溫、濕度局部的微調，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，直接影響農民經濟收入等特點，因此對系統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鍵，本系統傳感器采用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。 　　本系統在基礎自動化級采用高可靠性的PLC，數據采集采用對現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，還通過并行數據線傳送給PLC，提高了系統的可靠性和標準化程度。 4 通訊接口和軟件編程 　　采用RS-485工業現場總線將監控計算機、多個測控工作站構成遠程測控網絡，并可以對PLC的參數進行實時修改，達到管理、控制一體化，而PLC與個人計算機的互聯通信是實現這一目標的技術關鍵。根據S7-200 PLC的特點，利用自由口通信方式和相關的特殊標志位，實現了PC和PLC之間的通信。 　　在本系統中考慮到PLC長期工作在采集信號、控制狀態下，而計算機僅作為監控，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。數據的傳送都由計算機定時發出命令，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，返回該命令作為應答。然后根據命令組織數據并存入指定的數據緩沖區，上傳給計算機;或準備接收計算機下傳的數據，存入指定存儲區。為了驗證數據的正確性，把所有發送的數據做累加，并把結果與發送過來的累加和進行比較，若相等則發送成功;反之則放棄這批數據，并發出錯誤信息給對方，要求對方重發。通訊協議考慮了各種可能發生的情況。協議分成PLC發送現場數據和上位機發送現場數據兩個方面。前者由下面三種情況組成：正確通訊、無應答、錯誤應答或FCS錯誤。后者由以下三種情況組成：正確通訊、無應答或應答錯誤、無應答或FCS錯誤。在這個通訊協議中，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，下位機處于等待應答狀態，具體流程如圖2所示： [align=center] 圖2[/align] 　　這種方法與單個數據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動或查詢方式解決開發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（分全部查詢和按鄉查詢），鄉名設置，數據備份，數據恢復，過期數據清除等功能，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 　　本系統已成功運用于江西某縣蠶種供應站，系統運行穩定、可靠，控制效果良好。 　　本系統的研制成功解決了蠶種催青過程中的關鍵技術問題，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方法提高3～4%，年催青蠶種數提高到30萬張，為解決貧困地區的大批剩余勞動力，增加農民收入起到了積極作用。該項技術還為其它室內的溫、濕度控制及改造提供了成功的經驗。 　　本文作者創新點：將PLC、常規儀表、測控工作站通過RS—485總線構成實時測控系統，利用儀表替代A/D實現數據采集，降低了成本，提高了系統的抗干擾能力、可靠性和標準化程度。應用組態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的研制與應用[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措施[J].蠶桑通報，2004，（02） . 　　[3] 李春才，余榮峰等. 催青管理規范化提高蠶種孵化率[J].中國蠶業，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.工業過程控制技術（方法篇）[M].北京：化學工業出版社，2006. 　　[6] 章鴻，龍偉. 基于PLC與組態軟件鋼鐵廠廢酸水處理控制系統[J].微計算機信息，2006，11：109 -111.