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1 4 6 2 0 2 4年2期2 0 2 4年第4 6卷第2期塑料颗粒智能干燥控制系统设计翟 昴1 朱建晓2 包建东1 栗龙飞1作者简介:翟昴(1 9 9 8-),硕士,研究方向为控制工程、电子信息工程。(1.南京理工大学自动化学院 南京2 1 0 0 9 4;2.苏州康尼格电子科技股份有限公司 江苏 常熟2 1 5 5 0 0)摘 要 为解决传统干燥设备干燥效率低、抗干扰能力差、自动化程度低等问题,文中设计了一种以S TM 3 2微控制器为核心的塑料颗粒智能干燥控制系统,其扩展了外围接口电路,实现了各传感器通信设备的高效集成。通过引入实时操作系统F r e e R T O S来管理任务,可高效完成数据采集、继电器驱动、人机交互、报警监测等任务。系统通过R S 4 8 5总线实现主控制板与工控屏之间的通信,结合数码管显示和按键控制,为操作员提供了友好的人机交互界面。通过实验验证,该基于S TM 3 2的塑料颗粒智能干燥控制系统能较好地满足塑料颗粒预处理要求,具有可观的市场价值及应用前景。关键词:塑料颗粒;智能干燥;S TM 3 2;人机交互;R S 4 8 5中图分类号 T P 2 7 3D e s i g no f I n t e l l i g e n tD r y i n gC o n t r o l S y s t e mf o rP l a s t i cP a r t i c l e sZ HA IM a o1,Z HUJ i a n x i a o2,B AOJ i a n d o n g1a n dL IL o n g f e i1(1.N a n j i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,N a n j i n g2 1 0 0 9 4,C h i n a;2.S u z h o uK o n i gE l e c t r o n i cT e c h o n l o g yC o.,L t d.,C h a n g s h u,J i a n g s u2 1 5 5 0 0,C h i n a)A b s t r a c t R e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no fH y b r i dT e a c h i n gM o d eB a s e do nD a t aA n a l y t i c s I no r d e r t os o l v e t h ep r o b l e m so fl o wd r y i n ge f f i c i e n c y,p o o r a n t i-i n t e r f e r e n c e a b i l i t ya n d l o wd e g r e eo f a u t o m a t i o no f t r a d i t i o n a l d r y i n ge q u i p m e n t,a n i n t e l-l i g e n td r y i n gc o n t r o l s y s t e mf o rp l a s t i cp a r t i c l e sw i t hS TM 3 2m i c r o c o n t r o l l e ra s t h ec o r e i sd e s i g n e d i nt h i sp a p e r,w h i c he x p a n d st h ep e r i p h e r a l i n t e r f a c e c i r c u i t a n d r e a l i z e s t h e e f f i c i e n t i n t e g r a t i o no f e a c hs e n s o r c o mm u n i c a t i o nd e v i c e.B y i n t r o-d u c i n gt h er e a l-t i m eo p e r a t i n gs y s t e mF r e e R T O St om a n a g et a s k s,d a t ac o l l e c t i o n,r e l a yd r i v e,h u m a n-m a c h i n e i n t e r a c-t i o n,a l a r m m o n i t o r i n ga n do t h e r t a s k sc a nb ee f f i c i e n t l yc o m p l e t e d.T h es y s t e mr e a l i z e s t h ec o mm u n i c a t i o nb e t w e e nt h em a i nc o n t r o l b o a r da n d t h e i n d u s t r i a l c o n t r o l s c r e e n t h r o u g h t h eR S 4 8 5b u s,a n d c o m b i n e s t h ed i g i t a l t u b ed i s p l a ya n db u t-t o nc o n t r o l t op r o v i d ea f r i e n d l yh u m a n-m a c h i n e i n t e r a c t i o n i n t e r f a c e f o r t h eo p e r a t o r.T h r o u g he x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o n,t h e i n t e l l i g e n td r y i n gc o n t r o l s y s t e mf o rp l a s t i cp a r t i c l e sb a s e do nS TM 3 2c a nb e t t e rm e e t t h e r e q u i r e m e n t so f p l a s t i cp a r-t i c l ep r e t r e a t m e n t,a n dh a sc o n s i d e r a b l em a r k e tv a l u ea n da p p l i c a t i o np r o s p e c t s.K e y w o r d s P l a s t i cg r a n u l e s,I n t e l l i g e n td r y i n g,S TM 3 2,H u m a n-m a c h i n e i n t e r a c t i o n,R S 4 8 50 引言近年来,我国的经济和工业快速发展,工程塑料作为工业生产中最关键的材料之一,需求量也随之增加。工程塑料是一种具有特殊性能和优异性能的材料,通常被用于需要耐热、耐化学腐蚀、机械强度高、电绝缘性能好等特殊要求的工程中1。大多数工程塑料由于长期暴露在空气中并从周围环境吸收水分,从而变得潮湿,而塑料的含水率过高会给工业生产带来很多影响,如质量问题、成型问题、热稳定性下降问题及模具腐蚀问题,从而导致产品合格率下降,效率降低。因此,在工业生产中,为提高产品质量和生产效率,控制塑料的含水率非常重要。干燥工艺多种多样,如热风干燥、冷冻干燥、喷雾干燥、微波干燥、真空干燥、流化床干燥等2。目前,国外已经设计出适用于塑料加工各种工况的干燥设备,但国内对干燥技术的研究更多集中在食品、木材、药品等领域,针对工程塑料颗粒干燥的研究较少。本文设计了基于S TM 3 2的塑料颗粒智能干燥控制系统,这是一种精小的、模块化的、高效率且自动化程度高的塑料颗粒智能干燥系统。该系统采用低露点的压缩空气作为热风风源,提供强大的干燥传质驱动力,相较于传统热风干燥,其提高了干燥效率,降低了干燥平衡含水量。该系统可以实现对市面上常用的工程塑料的干燥,干燥后的塑料颗粒完全满足工业生产的需求,在工业生产领域具有较高的应用价值。2 0 2 4年2期1 4 7 1 系统总体设计本文 设 计 的 塑 料 颗 粒 智 能 干 燥 控 制 系 统 主 要 由S TM 3 2 F 1系列处理器最小系统、铂热电阻P T 1 0 0传感器信号调理电路、接近传感器信号监测电路、露点传感器信号采集电路、电气比例阀输出信号采集和控制电路、继电器驱动电路、数码管显示驱动电路、薄膜按键和L E D灯控制接口、工控屏R S 4 8 5通信接口、报警装置接口等构成。其中,继电器驱动电路用于连接继电器,并控制加热管加热和上下料气源开关,结合其他传感器设备和人机交互界面,实现数据采集、工控屏通信、数码管显示、按键控制、报警监测等多种功能。塑料颗粒智能干燥控制系统的总体设计如图1所示。图1 塑料颗粒智能干燥控制系统框图2 系统硬件设计2.1 主控芯片考虑到低功耗、高性能等设计需求,本设计采用以S T公司C o r t e x-M 3为内核的S TM 3 2 F 1 0 3 R C T 6微控制器作为主控芯片。该系列芯片的最大频率为7 2 MH z,具有4 8 K BS R AM、2 5 6K BF L A S H、8个定时器、高速S P I、全双工I I C、高速U S A R T、1 2位A D C和D A C等资源,可满足本设计的需求3。以S TM 3 2微控制器为核心的主控模块负责驱动整个装置的运行,完成各个任务功能的有序调动,实现数据采集、处理、交互、控制等功能。2.2 电源电路设计系统硬件电路中的电源电路设计非常重要,其直接决定了所设计的系统能否正常、安全地工作。本系统设计了一个D C/D C稳压电路,系统采用2 4 V开关电源进行供电。一路通过电源稳压芯片K 7 8 1 2-5 0 0 R 3输出1 2 V电流,为电路中的O P A 1 9 1 I D B V R等供电;另一路通过电源稳压芯片K 7 8 0 5-1 0 0 0 R 3输出5 V电流,并通过L D O将输出的5 V电流转为3.3 V电流,为主控芯片和电路中的相关元器件供电;L D O选 择AM S 1 1 1 7-3.3,该 芯 片 最 大 电 流 可 以 达 到8 0 0 mA,满足应用需求。电源电路如图2所示。图2 电源电路2.3 R S 4 8 5接口电路设计本设计以S TM 3 2为从站,以三菱G OT 2 0 0 0系列工控屏为主站,通过R S 4 8 5总线连接,采用M o d b u sR TU协议通信4。在S TM 3 2中,U S A R T的工作电平采用03.3 V的T T L电平规范。然而,为适应R S 4 8 5总线的差分电平传输要求,需要通过外围电路将其转换为差分电平。本文使用S P 3 4 8 5信号收发芯片来实现这种转换,将T T L电平转换为差分电平。电平转换电路如图3所示。图3 电平转换电路2.4 P T 1 0 0温度采集电路设计为采集温度数据选用工业中常用的铂热电阻P T 1 0 0温度传感器,该传感器可以将温度变化转换为电阻值的变化。常用的P T 1 0 0信号调理电路有电桥和恒流源两种方式,由于电桥电路具有抗干扰性好、精度高、可调性等特点,本文采用桥式电路进行信号采集。在利用电桥法测量温度时,导线电阻会对测量结果产生一定的影响,而使用三线制可以有效减小导线电阻和接触电阻的影响,因此在设计电路时,可根据三线制接法进行设计,将铂热电阻P T 1 0 0作为电桥的一个桥臂5。在电路中,A D 6 2 3的参考电压和电桥的输入电压由R E F 3 0 3 0输出的3 V电压提供,这种共同的电压源确保了电路的稳定性和准确性。通过电位器R 5 0和R 4 4,将温度范围标定为-2 51 4 0,当温度升高或降低时,电桥会失去平衡,导致两个桥臂之间产生压差。由于P T 1 0 0的阻值变化较小,因此桥臂之间的电压差变化也很小。为放大这种微小的电压信号,本文使用仪表运放A D 6 2 3对其进行放大,通过S TM 3 2内部自带的A D C进行信号采集。温度信号调理电路如图4所示。移动信息1 4 8 2 0 2 4年2期图4 温度信号调理电路2.5 露点采集电路设计露点温度指空气中的水汽含量不变,在气压一定的情况下,使空气冷却达到饱和时的温度。在热风干燥中,常用露点表示空气的干燥程度。该系统使用瑞芯的露点传感器O C 6 2进行露点监测,采用42 0 mA电流回路输出信号,露点采集电路如图5所示。图5 露点信号采集电路2.6 继电器驱动电路设计在该系统中,温度控制采用P I D算法计算加热继电器通断占空比,以实现对温度的精确控制。S TM 3 2可以通过A D C模块采集温度传感器的数据,并将其与设定温度进行比较,计算温度误差,再通过P I D算法的计算和调整,利用继电器 的 通 断 占 空 比,使 温 度 稳 定 在 设 定 值 附 近。在S TM 3 2继电器驱动电路的设计中,可以使用定时器模块生成PWM信号。首先,设置定时器的周期,即PWM信号的周期,根据P I D算法得到控制量,通过调节PWM信号的占空比来控制继电器的通断。当占空比较高时,继电器闭合时间较长,加热元件功率更高;当占空比较低时,继电器断开时间较长,加热元件功率较低。压缩空气进入换热器并通过对流换热吸收负载的热量,从而升高温度,实现热风干燥。继电器驱动电路如图6所示。图6 继电器驱动电路3 系统软件设计本系统以S TM 3 2 F 1 0 3 R C T 6为主控芯片,以完成数据采集、通信、控制等任务。由于智能干燥装置运行过程中的多任务、实时性等特性,为更好地进行任务调度和管理,本文引入了F r e e R T O S实时操作系统。根据系统的外部硬件资源和功能目标,可以将各种输入输出设备相关的功能划分为不同优先级的任务,实现C P U资源的高效利用,并保证系统的实时性和可靠性。主要任务包括数据采集任务、工控屏通信任务、数码管显示任务、按键控制任务、定时干燥任务、报警监测任务等。塑料颗粒智能干燥装置的整体工作流程如图7所示。图7 塑料颗粒智能干燥装置整体工作流程3.1 P I D温度控制算法实现温度控制常采用P I D(比例-积分-微分)控制算法,其具有技术成熟、成本低、操作简单等优点6,具体控制流程如图8所示。图8 P I D温度控制流程移动信息2 0 2 4年2期1 4 9 3.2 M o d b u s通信协议实现M o d b u s是一种通用的、开放的串行通信协议,被广泛应用于工业自动化和设备间的通信7。在本系统 中,以S TM 3 2主控制器为从机,以三菱工控屏G OT 2 0 0 0为主机,它们之间通过M o d b u s协议进行数据交互。M o d b u s协议有3个主要的变体,分别是M o d b u sA S C I I、M o d b u sR TU和M o d b u sT C P/I P。本系统采用M o d b u sR TU模式进行通信,使用二进制形式传输数据,使数据以帧的方式进行传输,串口通信参数设置为:1位起始位、8位数据位、1位停止位、无校验位,波特率为9 6 0 0。主机负责发送请求并接收响应,从机负责响应请求并提供所需的数据。通信流程如图9所示。图9 通信流程图4 系统测试为验证塑料颗粒干燥装置的各项功能和干燥效果,采用日本株式会社生产的P A 2 1 5 0原料进行干燥测试,干燥过程中每隔3 0 m i n从干燥容器的上、中、下三层进行取样,并使用万利多卤素水分测定仪WL D-5 0 A来测量含水率。测试结果如表1所列。在测试过程中,工控屏通信正常,数码管显示正常,按键控制正常。经过1.5 h干燥,含水率降到0.0 4%,达到了挤压成型的相关要求,且干燥容器内各层含水率均匀,可满足工业生产的需求。通过与其他干燥设备做横向对比,发现本文设计的干燥装置在干燥效率和干燥效果上都有一定的优势。表1 干燥后塑料颗粒含水率时间/h底层含水/%中层含水/%顶层含水/%0.50.0 80.1 00.1 010.0 50.0 60.0 71.50.0 30.0 40.0 420.0 30.0 30.0 35 结语本文设计的塑料颗粒智能干燥控制系统,通过结合传感器采集、工控屏、数码管显示、按键控制等模块,构成了一个体积小、效率高、自动化程度高的干燥装置。在软件设计中,本文引入了F r e e R T O S实时操作系统来管理任务,确保系统能及时响应和处理各种事件,提高了系统的响应速度和稳定性。另外,采用S TM 3 2控制板结合P I D算法,实现了对温度的精确控制,通过R S 4 8 5总线和M o d b u sR TU通信协议,则实现了与工控屏的通信,为操作人员提供了友好的人机交互界面。通过实验验证,本文设计的基于S TM 3 2的塑料颗粒智能干燥装置及控制系统具有良好的性能,且开发成本较低,具有广阔的市场和较高的应用价值。参考文献1雍广州.工程塑料改性的关键技术问题研究J.黑龙江科学,2 0 1 9,1 0(8):9 4-9 5.2黄欣然,朱建晓,王克,等.P A热熔胶颗粒的压缩空气干燥模型J.塑料工业,2 0 2 3,5 1(2):9 6-9 9,1 3 9.3孙伦业,裴瑞,刘永杰,等.L a b V I EW环境下基于S TM 3 2的电解液 温 度 监 测 系 统 设 计 J.仪 表 技 术 与 传 感 器,2 0 2 2(1 0):9 3-9 8.4倪庆,何勇.基于A RM+F P G A的宽幅喷气织机控制系统设计J.制造业自动化,2 0 2 3,4 5(4):1 0 7-1 1 1.5唐军,杜秀君.三线制P T 1 0 0温度测量系统的设计J.无线互联科技,2 0 2 2,1 9(3):7 1-7 2.6时梦楠,王晓玲,王佳俊,等.动态扰动下高心墙堆石坝无人碾压B OA-P I D循迹控制J.水力发电学报,2 0 2 2,4 1(1 2):2 7-3 7.7郑文.基于M o d b u s协议的触摸屏与多个称重仪表通信的研究与实现J.衡器,2 0 1 7,4 6(8):1 5-2 1.移动信息