分布式木材干燥計算機控制系統(tǒng)

1 引言
木材干燥技術(shù)是一項包含有多種不定因素的復(fù)雜過程。木材干燥實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算機控制系統(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算機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)批量生產(chǎn)，取得了良好的社會、經(jīng)濟效益。
2 系統(tǒng)的總體框圖
為了保證對多個木材干燥窯的監(jiān)控與管理，本設(shè)計的控制方案采用分布式的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。即對每個干燥窯配備能獨立工作的從機，每十個從機配置一臺主機進行集中監(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主機采用研華工控機，為管理計算機。完成參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)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，實現(xiàn)每個干燥窯的獨立控制功能。并能在主機關(guān)機或出現(xiàn)故障的條件下，獨立地實現(xiàn)所有的控制功能。
③串行通訊采用RS—485接口實現(xiàn)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(shù)，從機完成將現(xiàn)場采集的各種信號、數(shù)據(jù)傳給主機，用于主機的集中顯示、數(shù)據(jù)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(shè)備的反饋信號，實現(xiàn)對傳感器及對輸出設(shè)備的監(jiān)測。
⑤從機根據(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)備運行狀態(tài)可根據(jù)用戶的要求，對單個干燥窯或全部十臺干燥窯進行監(jiān)控顯示。主機可以對從機進行參數(shù)設(shè)置，主機軟件控制模塊完成對各個干燥窯的參數(shù)設(shè)置或修改確認后，主機即將新的參數(shù)發(fā)送給從機。通過從機的鍵盤亦可設(shè)置各種控制參數(shù)，從機可獨立工作。從機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)備運行。當受到主機的訪問時，將干燥窯內(nèi)的各項數(shù)據(jù)及設(shè)備運行反饋信息，通過串行方式傳輸?shù)街鳈C．主機接到各從機的數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)處理，在監(jiān)控畫面上顯示當前各干燥窯的狀態(tài)信息，井將此信息實時地存入數(shù)據(jù)庫中，以備用戶隨時查閱歷史數(shù)據(jù)。可將一段時期內(nèi)的數(shù)據(jù)匯成報表或匯成圖形曲線，實現(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，用戶維護能力弱等因素。控制系統(tǒng)的主機選用研華工控機，并配備一個RS—232／485轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)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(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為從機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

從機主要承擔對干燥窯運行的數(shù)據(jù)、狀態(tài)采集和控制任務(wù)。微處理器選用77E58單片機主要是因為其內(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。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)場存在較強的干擾情況下，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定可靠地工作。每個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(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(zhí)行機構(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)機控制采用獨立的具有定時換向控制模塊，風(fēng)機的正、反向換向時間分檔可設(shè)?？刂圃O(shè)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(tǒng)的軟件
整個系統(tǒng)采用了能對多個木材干燥窯進行監(jiān)控的分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主、從機的體系結(jié)構(gòu)，其軟件系統(tǒng)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語言編寫，從機軟件采用匯編語言編寫。圖3與圖4是主機與從機軟件模塊結(jié)構(gòu)圖。
圖3中的監(jiān)控平臺界面通過6個子模塊實現(xiàn)主機的所有集中管理、監(jiān)控功能。圖4的主控模塊通過監(jiān)控模塊、人機交互模塊和通訊模塊來完成實時監(jiān)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(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)是一個時變的、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，達到了預(yù)期的控制精度要求。

6 結(jié)束語
本設(shè)計項目自1999年12月通過鑒定以來推廣應(yīng)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(tǒng)長期運行技術(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強度，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)濟效益。

參考文獻：

［１］李華.MCS51-單片機實用接口技術(shù)［Ｍ］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994
［２］周航慈.單片計算機實用編程技術(shù)［Ｍ］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996
［３］李士勇.模糊控制、神經(jīng)控制和智能控制論［Ｍ］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998