分布式木材干燥計算機控制系統

1 引言
木材干燥技術(shù)是一項包含有多種不定因素的復雜過(guò)程。木材干燥實(shí)際上是通過(guò)改變木材干燥窯內的溫度、濕度來(lái)控制木材干燥過(guò)程的木材含水率，使的木材含水率按一定的工藝要求緩慢的降低，以保證對不同材種的干燥質(zhì)量要求。因此，在木材加工過(guò)程中，干燥技術(shù)是極為重要的環(huán)節。自八十年代開(kāi)始，國外一些木材加工工業(yè)比較發(fā)達的國家，其木材干燥控制技術(shù)也經(jīng)歷從手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)及基于串行通訊的分布式木材干燥計算機控制系統。并且，自九十年代中期開(kāi)始，國內高檔次的木材干燥控制器的市場(chǎng)幾乎被德國、意大利等發(fā)達國家壟斷。本文介紹的是一種適合我國國情的面向中、高檔次應用的分布式木材干燥計算機控制系統。該系統已經(jīng)批量生產(chǎn)，取得了良好的社會(huì )、經(jīng)濟效益。
2 系統的總體框圖
為了保證對多個(gè)木材干燥窯的監控與管理，本設計的控制方案采用分布式的系統組成結構。即對每個(gè)干燥窯配備能獨立工作的從機，每十個(gè)從機配置一臺主機進(jìn)行集中監控管理，上下采用主從式管理形式。系統總體結構如圖1所示。

系統的各部分功能和關(guān)系如下：
①主機采用研華工控機，為管理計算機。完成參數設置、數據存儲、處理及打印功能。
②從機為控制機，采用51系列77E58單片機，實(shí)現每個(gè)干燥窯的獨立控制功能。并能在主機關(guān)機或出現故障的條件下，獨立地實(shí)現所有的控制功能。
③串行通訊采用RS—485接口實(shí)現一對多通信，主要是主機向從機發(fā)送木材干燥各階段的控制參數，從機完成將現場(chǎng)采集的各種信號、數據傳給主機，用于主機的集中顯示、數據處理及打印。
④從機從輸入接口采集傳感器、變送器的輸入信號，采集輸出設備的反饋信號，實(shí)現對傳感器及對輸出設備的監測。
⑤從機根據設定的參數及現場(chǎng)采集的數據，通過(guò)輸出接口對干燥窯內的溫度、濕度等信號進(jìn)行連續或位式控制。
3 系統的工作方式
該控制系統以木材干燥窯為監控中心，木材干燥內的溫度、平衡含水率、木材含水率與控制信息和設備運行狀態(tài)可根據用戶(hù)的要求，對單個(gè)干燥窯或全部十臺干燥窯進(jìn)行監控顯示。主機可以對從機進(jìn)行參數設置，主機軟件控制模塊完成對各個(gè)干燥窯的參數設置或修改確認后，主機即將新的參數發(fā)送給從機。通過(guò)從機的鍵盤(pán)亦可設置各種控制參數，從機可獨立工作。從機通過(guò)輸入接口不間斷的采集溫度、平衡含水率、木材含水率等信號，并根據從機內部控制模塊的設置參數作出控制決策，驅動(dòng)設備運行。當受到主機的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，將干燥窯內的各項數據及設備運行反饋信息，通過(guò)串行方式傳輸到主機．主機接到各從機的數據后，進(jìn)行數據處理，在監控畫(huà)面上顯示當前各干燥窯的狀態(tài)信息，井將此信息實(shí)時(shí)地存入數據庫中，以備用戶(hù)隨時(shí)查閱歷史數據?？蓪⒁欢螘r(shí)期內的數據匯成報表或匯成圖形曲線(xiàn)，實(shí)現對數據的分析與管理。
4 系統的硬件組成
考慮到木材干燥系統的運行現場(chǎng)環(huán)境惡劣，溫度較高且濕度較大，電網(wǎng)電壓不穩定，用戶(hù)維護能力弱等因素?？刂葡到y的主機選用研華工控機，并配備一個(gè)RS—232／485轉換模塊，實(shí)現與各從機的通訊。從機部分以51系列的77E58單片機為核心，外接數據采集輸入電路、狀態(tài)監測電路、輸出控制電路、鍵盤(pán)和LCD顯示等部分組成。圖2為從機的系統結構圖。

從機主要承擔對干燥窯運行的數據、狀態(tài)采集和控制任務(wù)。微處理器選用77E58單片機主要是因為其內部含有32K程序存儲器，既滿(mǎn)足了軟件容量的要求，又簡(jiǎn)化了電路的設計。由圖2可以看出系統所有的輸入、輸出部分均采用了隔離技術(shù)，既使現場(chǎng)存在較強的干擾情況下，系統仍能穩定可靠地工作。每個(gè)從機上配置的基本傳感器有：2路溫度傳感器采用PT—100鉑電阻；2路平衡含水率傳感器(自制)；6路木材含水率檢測。其中，木材含水率的檢測準確與否與系統的控制精度、質(zhì)量有很大的關(guān)系。本系統利用電阻法檢測木材含水率，即利用了木材的含水率與其電阻率、密度、溫度的對應關(guān)系的數據，并且采用了《溫度自補償電阻式木材含水率測定儀的研制》(省科委1994)課題的研究成果，對原木材含水率的曲線(xiàn)擬和算法作了進(jìn)一步的優(yōu)化，更好地保證了檢測精度。6路木材含水率測試為一個(gè)獨立的變送單元，經(jīng)隔離后輸入給單片機。
從機輸出控制的執行機構主要有：窯內溫度控制的電動(dòng)伺服閥(連續調節)；用于控制平衡含水率噴蒸閥、排潮閥(繼電器輸出位控方式)；風(fēng)機控制采用獨立的具有定時(shí)換向控制模塊，風(fēng)機的正、反向換向時(shí)間分檔可設?？刂圃O備的狀態(tài)反饋主要有：風(fēng)機工作狀態(tài)反饋；噴蒸閥、排潮閥工作狀態(tài)反饋等。
5 控制系統的軟件
整個(gè)系統采用了能對多個(gè)木材干燥窯進(jìn)行監控的分布式系統結構和主、從機的體系結構，其軟件系統由相對獨立的主機軟件、從機軟件兩部分組成。主機軟件采用VB語(yǔ)言編寫(xiě)，從機軟件采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。圖3與圖4是主機與從機軟件模塊結構圖。
圖3中的監控平臺界面通過(guò)6個(gè)子模塊實(shí)現主機的所有集中管理、監控功能。圖4的主控模塊通過(guò)監控模塊、人機交互模塊和通訊模塊來(lái)完成實(shí)時(shí)監控與管理任務(wù)，并且所有的工作又分解在報警處理、控制決策、信息顯示、命令處理、參數設置和信息輸出子模塊來(lái)完成。
由于木材干燥窯控制系統是一個(gè)時(shí)變的、大滯后的、非線(xiàn)性的被控對象，控制決策方法上采用模糊加PID控制方式，達到了預期的控制精度要求。

6 結束語(yǔ)
本設計項目自1999年12月通過(guò)鑒定以來(lái)推廣應用達100余臺套。其中，哈爾濱北鶴木業(yè)6套，七臺河雙葉木業(yè)26套，山東蓬萊環(huán)球木業(yè)60套等。系統長(cháng)期運行技術(shù)指標為：溫度控制精度為±1％度；平衡含水率控制精度為±2％；6點(diǎn)含水率平均檢測誤差為±2％。該項目的推廣使用，對有效的降低工人的勞動(dòng)強度，縮短木材干燥周期，提高我國木材、家具的質(zhì)量有著(zhù)十分重要的社會(huì )、經(jīng)濟效益。

參考文獻：

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