張立輝，李春良，王立光

(吉林建筑大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春　130118)

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連續(xù)谷物干燥機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張立輝，李春良，王立光

(吉林建筑大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春130118)

【目的】 解決現(xiàn)有的連續(xù)谷物干燥機(jī)自動(dòng)化程度低、能耗大、在線測(cè)谷物水分困難等問(wèn)題.【方法】 結(jié)合玉米干燥的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了在連續(xù)干燥機(jī)上采用高低料位質(zhì)電雙參數(shù)變速測(cè)控的方法；開(kāi)發(fā)了測(cè)控新方法的控制系統(tǒng)，融合了LabVIEW軟件技術(shù)，并進(jìn)行了干燥測(cè)控系統(tǒng)試驗(yàn).【結(jié)果】 系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較高，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量參數(shù)法和電參數(shù)法交替在線測(cè)量水分.【結(jié)論】 在整個(gè)玉米干燥過(guò)程中，熱風(fēng)溫度自動(dòng)控制在140～160 ℃，干燥機(jī)出口的玉米平均水分為14.7%；平均單位耗熱量為5 100 kJ/kg H2O，遠(yuǎn)低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(8 000 kJ/kg H2O).

谷物干燥；質(zhì)電雙參數(shù)；水分檢測(cè)；LabVIEW

干燥是谷物收獲后加工儲(chǔ)藏的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，干燥過(guò)程對(duì)谷物品質(zhì)有很大的影響.配置合理的干燥工藝和參數(shù)、智能化的控制技術(shù)是提高谷物干燥后品質(zhì)的重要手段[1].

干燥過(guò)程中影響控制系統(tǒng)的控制效果和準(zhǔn)確性的因素很多，其中谷物水分在線檢測(cè)的精度和穩(wěn)定性對(duì)控制系統(tǒng)影響較大.國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)糧食水分在線檢測(cè)和傳感技術(shù)，進(jìn)行了大量研究，但有關(guān)水分檢測(cè)的精度和穩(wěn)定性方面的研究不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求.現(xiàn)有的連續(xù)谷物干燥機(jī)的自動(dòng)化程度不高，致使干燥后的谷物品質(zhì)很難保證，同時(shí)干燥過(guò)程能耗大[2].

本研究采用虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)了一套連續(xù)式谷物干燥機(jī)自動(dòng)檢測(cè)與智能控制系統(tǒng)，采用高低料位質(zhì)電雙參數(shù)的方法在線測(cè)量水分，測(cè)得谷物水分更貼近谷物的實(shí)際水分，根據(jù)在線測(cè)得谷物水分與目標(biāo)水分進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)排糧變速控制，從而實(shí)現(xiàn)干燥控制過(guò)程的自動(dòng)控制.

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)連續(xù)谷物干燥的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用了高低料位質(zhì)電雙參數(shù)變速測(cè)控新方法.選取玉米為干燥對(duì)象，具體的設(shè)計(jì)思路為采用質(zhì)量法和電容法(適合測(cè)量玉米水分)雙參數(shù)融合在線測(cè)量谷物水分；質(zhì)電雙參數(shù)法使用稱重傳感器測(cè)量谷物的實(shí)時(shí)質(zhì)量，加上高低料位傳感器和激光傳感器配合，在高低料位時(shí)刻，排糧也停止，高低料位時(shí)刻用質(zhì)量法在線測(cè)量水分；實(shí)現(xiàn)質(zhì)量法與電容法交替測(cè)量水分；控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的谷物出機(jī)水分，結(jié)合目標(biāo)水分，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)排糧速度，實(shí)現(xiàn)不同階段變速控制[3-4].總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示.

2　測(cè)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成

測(cè)控系統(tǒng)組成如圖2所示.系統(tǒng)由主機(jī)(工業(yè)控制計(jì)算機(jī))、PLC、稱重傳感器、環(huán)境和尾氣溫濕度傳感器、溫度傳感器、電容式在線水分儀、激光測(cè)距傳感器、高低料位傳感器、控制執(zhí)行器及相應(yīng)的儀表等組成；執(zhí)行部分主要包括PLC、排糧變頻器以及其他有關(guān)控制電路等.

控制主機(jī)與溫度測(cè)控儀表、水分儀、控制執(zhí)行器等之間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)RS232/RS485轉(zhuǎn)換模塊I-7520串行通訊數(shù)據(jù)總線進(jìn)行，一方面主機(jī)從溫度測(cè)控儀表、稱重傳感器、電容水分傳感器等獲取干燥機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)，另一方面主機(jī)向PLC、排糧變頻器、溫度測(cè)控儀表、水分傳感器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制命令，進(jìn)行相應(yīng)的干燥控制[5-6].

圖1　測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.1　Measurement and control system design

圖2　測(cè)控系統(tǒng)組成框圖Fig.2　Composition block diagram of the control system

圖3所示為連續(xù)谷物干燥機(jī)測(cè)控系統(tǒng)傳感器布置圖.包括爐溫(T1)、熱風(fēng)溫度傳感器(T2、T7)、糧食溫度傳感器(T3、T4、T5)、尾氣溫度傳感器(T6)、電容式水分儀(M1、M2)、高低料位傳感器(L1、L2)、稱重傳感器(W1、W2、W3、W4).控制器PLC、激光測(cè)距傳感器、排糧變頻器及環(huán)境、尾氣濕度傳感器在布置圖中沒(méi)有畫出.上述傳感器可根據(jù)干燥機(jī)實(shí)際情況增加或者減少.

圖3　測(cè)控系統(tǒng)傳感器布置圖Fig.3　Sensors layout of the control system

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1測(cè)控系統(tǒng)工作模式

測(cè)控系統(tǒng)采用了高低料位質(zhì)電雙參數(shù)變速測(cè)控新方法.干燥塔上分別布置了電容式水分儀、稱重傳感器、溫度傳感器、激光測(cè)距傳感器及高低料位傳感器等，實(shí)時(shí)都將相關(guān)數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī).計(jì)算機(jī)根據(jù)這些相關(guān)干燥參數(shù)信息建立一個(gè)干燥機(jī)工作的數(shù)據(jù)模型，然后根據(jù)相關(guān)傳感器的讀數(shù)變化情況自動(dòng)調(diào)整最優(yōu)化的排糧速度以適應(yīng)當(dāng)前的情況.收集一個(gè)流程的干燥數(shù)據(jù)是指從開(kāi)始烘干到谷物出機(jī)水分與目標(biāo)水分接近這一段時(shí)間的參數(shù)數(shù)據(jù)[7].測(cè)控系統(tǒng)的工作模式如圖4所示.

當(dāng)谷物入機(jī)水分變化時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)電容傳感器及時(shí)檢測(cè)到其水分值，并反復(fù)分析運(yùn)算后對(duì)變頻器發(fā)出改變轉(zhuǎn)速和何時(shí)改變轉(zhuǎn)速的時(shí)間指令，當(dāng)其他因素變化時(shí)也是同樣的調(diào)控道理.能及時(shí)發(fā)現(xiàn)影響因素的變化并適時(shí)調(diào)整，這樣就能很好地保證出料谷物的水分值均勻一致.

圖4　測(cè)控系統(tǒng)工作模式Fig.4　Control system mode

3.2測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)

系統(tǒng)軟件采用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言來(lái)完成測(cè)控系統(tǒng)采集平臺(tái)的設(shè)計(jì)[8-9].數(shù)據(jù)采集界面如圖5所示.

在干燥控制期間，計(jì)算機(jī)不斷地監(jiān)控烘干塔的運(yùn)行狀況.系統(tǒng)不單獨(dú)參照出機(jī)的水分.當(dāng)計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)到谷物入機(jī)水分有較大提高時(shí)，在一段時(shí)間后，盡管谷物出機(jī)水分沒(méi)有提高，系統(tǒng)仍會(huì)降低排糧轉(zhuǎn)速而使塔中的高水分糧有一個(gè)合適的烘后水分[10-11].控制原則為一定時(shí)間內(nèi)的出機(jī)谷物水分平均值盡量接近設(shè)定目標(biāo)值.

圖5　系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)Fig.5　System data acquisition platform

4　干燥機(jī)測(cè)控系統(tǒng)試驗(yàn)研究

4.1試驗(yàn)裝置和方法

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)使用神陽(yáng)5HSZ/L/30系列連續(xù)谷物干燥機(jī)，干燥機(jī)的熱源為煤爐.

試驗(yàn)過(guò)程中利用連續(xù)式干燥機(jī)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)記錄干燥過(guò)程的熱風(fēng)溫度、糧溫、糧食實(shí)時(shí)總質(zhì)量和激光測(cè)距等參數(shù)，同時(shí)要人工記錄消耗燃煤的質(zhì)量和每隔半小時(shí)采集出機(jī)口的玉米樣本，用烘箱法對(duì)所采樣本進(jìn)行水分檢測(cè)，對(duì)系統(tǒng)計(jì)算的玉米水分和實(shí)測(cè)的玉米水分進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合干燥實(shí)際，由控制系統(tǒng)進(jìn)行干燥作業(yè)調(diào)節(jié)，保持干燥作業(yè)穩(wěn)定狀態(tài)[4].

4.2試驗(yàn)條件

干燥試驗(yàn)的對(duì)象為玉米，表1列出了連續(xù)干燥試驗(yàn)開(kāi)始前一些參數(shù)的初始條件.

4.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1實(shí)測(cè)干燥機(jī)出口玉米水分與系統(tǒng)指示玉米水分的對(duì)比實(shí)測(cè)采樣出機(jī)口玉米水分由實(shí)驗(yàn)室烘干法測(cè)出；系統(tǒng)指示玉米水分是指在谷物干燥過(guò)程中由高低料位質(zhì)電雙參數(shù)法檢測(cè)并計(jì)算得到的谷物實(shí)時(shí)水分.

表1　試驗(yàn)初始條件Tab.1　Initial test conditions

圖6為高低料位質(zhì)電雙參數(shù)法測(cè)量干燥玉米水分與實(shí)測(cè)出機(jī)口玉米水分對(duì)比圖.從數(shù)據(jù)上觀察，質(zhì)電雙參數(shù)法測(cè)量的玉米水分要高于實(shí)測(cè)出機(jī)口玉米水分；因?yàn)橘|(zhì)電雙參數(shù)法測(cè)量連續(xù)干燥玉米的平均水分，應(yīng)該要高于排糧口的玉米的水分.用質(zhì)電雙參數(shù)法測(cè)量連續(xù)式干燥谷物的水分具有可行性，我們?cè)偻ㄟ^(guò)優(yōu)化算法，使質(zhì)電雙參數(shù)法測(cè)量連續(xù)干燥谷物的水分更接近于出口谷物的水分，或者建立出機(jī)口的谷物水分與平均水分的關(guān)系.

圖6　系統(tǒng)指示玉米水分與實(shí)測(cè)出機(jī)口玉米水分的對(duì)比圖Fig.6　System indicates grain moisture and outlet grain moisturer comparison chart

4.3.2熱風(fēng)溫度與糧溫的對(duì)比本次試驗(yàn)用的連續(xù)干燥機(jī)有兩個(gè)干燥段，我們?cè)趦蓚€(gè)干燥段和儲(chǔ)留部里都布置了測(cè)溫傳感器.圖7為連續(xù)干燥下的熱風(fēng)溫度和糧溫變化曲線，在整個(gè)干燥過(guò)程中，熱風(fēng)溫度在140～160 ℃波動(dòng)，熱風(fēng)溫度控制效果較好，為干燥提供了穩(wěn)定的熱源；兩個(gè)干燥段的糧溫都在50 ℃左右波動(dòng)，糧溫平穩(wěn)，有利于干燥后的玉米的品質(zhì)保持.

4.3.3熱風(fēng)溫度與尾氣溫度的對(duì)比圖8為連續(xù)干燥下的熱風(fēng)溫度和尾氣溫度的變化曲線，在整個(gè)干燥過(guò)程中，尾氣溫度在30 ℃左右波動(dòng)，與熱風(fēng)溫度之間溫度差大，說(shuō)明熱量的損失不大.

4.3.4出機(jī)玉米水分與排糧轉(zhuǎn)速的對(duì)比連續(xù)干燥機(jī)要求出機(jī)口的玉米水分一次作業(yè)達(dá)到安全水分值，因此在干燥作業(yè)開(kāi)始的前期，我們要通過(guò)調(diào)節(jié)排糧變頻器控制干燥機(jī)的排糧速度，尋找干燥作業(yè)的穩(wěn)定狀態(tài)，即保證出口玉米水分接近目標(biāo)水分.由圖9玉米水分和排糧轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)曲線來(lái)看，在整個(gè)干燥過(guò)程中，排糧轉(zhuǎn)速快，出機(jī)口的玉米水分高；本次試驗(yàn)排糧變頻器在8～10 Hz調(diào)整，玉米的出機(jī)水分達(dá)到安全水分.

圖7　糧溫和熱風(fēng)溫度曲線圖Fig.7　Curves of grain temperature and hot air temperature

圖8　熱風(fēng)溫度和尾氣溫度曲線圖Fig.8　Curves of hot air temperature and exhaust gas temperature

圖9　出機(jī)玉米水分和排糧轉(zhuǎn)速的曲線圖Fig.9　Curves of outlet grain moistures and drive speed

4.3.5干燥單位耗熱量單位耗熱量是糧食干燥機(jī)試驗(yàn)的重要指標(biāo)之一，是節(jié)約干燥成本和節(jié)能的參考依據(jù).試驗(yàn)用的連續(xù)干燥機(jī)的熱源是煤爐，本次試驗(yàn)用的連續(xù)谷物干燥機(jī)干燥玉米平均單位耗熱量為5 100 kJ/kg H2O，低于國(guó)家規(guī)定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).

5　結(jié)論

本試驗(yàn)對(duì)連續(xù)干燥測(cè)控系統(tǒng)的新方法進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)了測(cè)控系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)連續(xù)谷物干燥機(jī)的熱風(fēng)溫度、糧溫、尾氣溫度、高低料位質(zhì)電雙參數(shù)法計(jì)算玉米水分、實(shí)測(cè)玉米水分、排糧速度及干燥機(jī)單位耗熱量等試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了科學(xué)的對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果表明，利用高低料位質(zhì)電雙參數(shù)法檢測(cè)連續(xù)干燥谷物水分具有可行性，測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定可靠，能耗較低，谷物的干燥品質(zhì)較好，達(dá)到了生產(chǎn)應(yīng)用的要求.

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(責(zé)任編輯趙曉倩)

Design for the control system of continuous grain dryer

ZHANG Li-hui，LI Chun-liang，WANG Li-guang

(Jilin Jianzhu University,Changchun 130118,China)

【Objective】 The design was aimed to solve the problems in continuous grain dryer including low automation degree,high energy consumption and poor online-grain-moisture-detection accuracy.【Method】 Combined with the characteristics of corn drying,a new variable control method of combining high and low material level and mass-electron two-parameter was designed in continuous drying,the control system was developed integrating the software technology of LabVIEW and the test of the drying control system was carried out.【Result】 The system had a high degree of automation,realizing the online alternative moisture measurement between the mass parameter method and the electric parameter method.【Conclusion】 In the drying process of the corn,hot air temperature was controlled within the scope of 140～160 ℃,the average corn moisture of dryer outlet was 14.7%,average unit energy consumption was 5 100 kJ/kg H2O,which is far below the industry standard(8 000 kJ/kg H2O).

grain drying;mass and electron two-parameter;moisture detecting;LabVIEW

張立輝(1975-)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)橹悄芸刂?E-mail:dzzlh163@163.com

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科研項(xiàng)目(2014-K1-066)；吉林省教育廳“十二五”科技項(xiàng)目(2015265).

2016-03-07；

2016-05-17

S 226.6

A

1003-4315(2016)04-0145-05