分布式木材干燥計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

1 引言
木材干燥技術(shù)是一項(xiàng)包含有多種不定因素的復(fù)雜過程。木材干燥實(shí)際上是通過改變木材干燥窯內(nèi)的溫度、濕度來控制木材干燥過程的木材含水率，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，在木材加工過程中，干燥技術(shù)是極為重要的環(huán)節(jié)。自八十年代開始，國外一些木材加工工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國家，其木材干燥控制技術(shù)也經(jīng)歷從手動、半自動、全自動及基于串行通訊的分布式木材干燥計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。并且，自九十年代中期開始，國內(nèi)高檔次的木材干燥控制器的市場幾乎被德國、意大利等發(fā)達(dá)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(yīng)用的分布式木材干燥計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)批量生產(chǎn)，取得了良好的社會、經(jīng)濟(jì)效益。
2 系統(tǒng)的總體框圖
為了保證對多個(gè)木材干燥窯的監(jiān)控與管理，本設(shè)計(jì)的控制方案采用分布式的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。即對每個(gè)干燥窯配備能獨(dú)立工作的從機(jī)，每十個(gè)從機(jī)配置一臺主機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控管理，上下采用主從式管理形式。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的各部分功能和關(guān)系如下：
①主機(jī)采用研華工控機(jī)，為管理計(jì)算機(jī)。完成參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲、處理及打印功能。
②從機(jī)為控制機(jī)，采用51系列77E58單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)每個(gè)干燥窯的獨(dú)立控制功能。并能在主機(jī)關(guān)機(jī)或出現(xiàn)故障的條件下，獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)所有的控制功能。
③串行通訊采用RS—485接口實(shí)現(xiàn)一對多通信，主要是主機(jī)向從機(jī)發(fā)送木材干燥各階段的控制參數(shù)，從機(jī)完成將現(xiàn)場采集的各種信號、數(shù)據(jù)傳給主機(jī)，用于主機(jī)的集中顯示、數(shù)據(jù)處理及打印。
④從機(jī)從輸入接口采集傳感器、變送器的輸入信號，采集輸出設(shè)備的反饋信號，實(shí)現(xiàn)對傳感器及對輸出設(shè)備的監(jiān)測。
⑤從機(jī)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)及現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，通過輸出接口對干燥窯內(nèi)的溫度、濕度等信號進(jìn)行連續(xù)或位式控制。
3 系統(tǒng)的工作方式
該控制系統(tǒng)以木材干燥窯為監(jiān)控中心，木材干燥內(nèi)的溫度、平衡含水率、木材含水率與控制信息和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)可根據(jù)用戶的要求，對單個(gè)干燥窯或全部十臺干燥窯進(jìn)行監(jiān)控顯示。主機(jī)可以對從機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，主機(jī)軟件控制模塊完成對各個(gè)干燥窯的參數(shù)設(shè)置或修改確認(rèn)后，主機(jī)即將新的參數(shù)發(fā)送給從機(jī)。通過從機(jī)的鍵盤亦可設(shè)置各種控制參數(shù)，從機(jī)可獨(dú)立工作。從機(jī)通過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(jù)從機(jī)內(nèi)部控制模塊的設(shè)置參數(shù)作出控制決策，驅(qū)動設(shè)備運(yùn)行。當(dāng)受到主機(jī)的訪問時(shí)，將干燥窯內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行反饋信息，通過串行方式傳輸?shù)街鳈C(jī)．主機(jī)接到各從機(jī)的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在監(jiān)控畫面上顯示當(dāng)前各干燥窯的狀態(tài)信息，井將此信息實(shí)時(shí)地存入數(shù)據(jù)庫中，以備用戶隨時(shí)查閱歷史數(shù)據(jù)。可將一段時(shí)期內(nèi)的數(shù)據(jù)匯成報(bào)表或匯成圖形曲線，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析與管理。
4 系統(tǒng)的硬件組成
考慮到木材干燥系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)場環(huán)境惡劣，溫度較高且濕度較大，電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，用戶維護(hù)能力弱等因素?？刂葡到y(tǒng)的主機(jī)選用研華工控機(jī)，并配備一個(gè)RS—232／485轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)與各從機(jī)的通訊。從機(jī)部分以51系列的77E58單片機(jī)為核心，外接數(shù)據(jù)采集輸入電路、狀態(tài)監(jiān)測電路、輸出控制電路、鍵盤和LCD顯示等部分組成。圖2為從機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

從機(jī)主要承擔(dān)對干燥窯運(yùn)行的數(shù)據(jù)、狀態(tài)采集和控制任務(wù)。微處理器選用77E58單片機(jī)主要是因?yàn)槠鋬?nèi)部含有32K程序存儲器，既滿足了軟件容量的要求，又簡化了電路的設(shè)計(jì)。由圖2可以看出系統(tǒng)所有的輸入、輸出部分均采用了隔離技術(shù)，既使現(xiàn)場存在較強(qiáng)的干擾情況下，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定可靠地工作。每個(gè)從機(jī)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(zhǔn)確與否與系統(tǒng)的控制精度、質(zhì)量有很大的關(guān)系。本系統(tǒng)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(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)，并且采用了《溫度自補(bǔ)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(dú)立的變送單元，經(jīng)隔離后輸入給單片機(jī)。
從機(jī)輸出控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有：窯內(nèi)溫度控制的電動伺服閥(連續(xù)調(diào)節(jié))；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(jī)控制采用獨(dú)立的具有定時(shí)換向控制模塊，風(fēng)機(jī)的正、反向換向時(shí)間分檔可設(shè)?？刂圃O(shè)備的狀態(tài)反饋主要有：風(fēng)機(jī)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(tǒng)的軟件
整個(gè)系統(tǒng)采用了能對多個(gè)木材干燥窯進(jìn)行監(jiān)控的分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主、從機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，其軟件系統(tǒng)由相對獨(dú)立的主機(jī)軟件、從機(jī)軟件兩部分組成。主機(jī)軟件采用VB語言編寫，從機(jī)軟件采用匯編語言編寫。圖3與圖4是主機(jī)與從機(jī)軟件模塊結(jié)構(gòu)圖。
圖3中的監(jiān)控平臺界面通過6個(gè)子模塊實(shí)現(xiàn)主機(jī)的所有集中管理、監(jiān)控功能。圖4的主控模塊通過監(jiān)控模塊、人機(jī)交互模塊和通訊模塊來完成實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理任務(wù)，并且所有的工作又分解在報(bào)警處理、控制決策、信息顯示、命令處理、參數(shù)設(shè)置和信息輸出子模塊來完成。
由于木材干燥窯控制系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變的、大滯后的、非線性的被控對象，控制決策方法上采用模糊加PID控制方式，達(dá)到了預(yù)期的控制精度要求。

6 結(jié)束語
本設(shè)計(jì)項(xiàng)目自1999年12月通過鑒定以來推廣應(yīng)用達(dá)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(tǒng)長期運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)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(xiàng)目的推廣使用，對有效的降低工人的勞動強(qiáng)度，縮短木材干燥周期，提高我國木材、家具的質(zhì)量有著十分重要的社會、經(jīng)濟(jì)效益。

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