朱光耀，楊彩霞

（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410151）

油菜籽真空干燥智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱光耀，楊彩霞

（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410151）

為了提高油菜籽干燥過(guò)程的加工質(zhì)量與效率，研制了一套由PLC（Programmable Logic Controller）、觸摸屏、傳感器等組成的油菜籽真空干燥機(jī)及其智能控制系統(tǒng)，完成了油菜籽溫度PID控制、水分在線檢測(cè)、風(fēng)機(jī)控制等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并在MCGS平臺(tái)上完成了上位機(jī)設(shè)計(jì)，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)已完成了設(shè)備的安裝與調(diào)試，投入實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效完成油菜籽干燥過(guò)程在線監(jiān)控，較大程度地提高了油菜籽干燥系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。

油菜籽干燥；監(jiān)控系統(tǒng)；智能控制；MCGS

自“十二五”以來(lái)，我國(guó)由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)開(kāi)始向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，對(duì)科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、引領(lǐng)支撐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)的要求越來(lái)越高。我省是一個(gè)農(nóng)業(yè)大省，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年湖南油菜籽播種面積達(dá)1298.22千hm2，產(chǎn)量202.95萬(wàn)t，且種植面積在政府引導(dǎo)之下逐年增加。一般油菜籽脫粒后的含水率在15%～30%左右，水分超過(guò)13%的油菜籽堆放儲(chǔ)存時(shí)，幾乎不出現(xiàn)先兆，一夜間升溫10℃以上導(dǎo)致全部霉變。油菜籽的水分愈高，發(fā)芽、發(fā)熱、霉變速度愈快。由于湖南省地處長(zhǎng)江流域，油菜籽收獲時(shí)正值梅雨季節(jié)，因此研發(fā)油菜籽智能干燥設(shè)備，防止油菜籽發(fā)生霉變具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

目前市場(chǎng)上糧食干燥設(shè)備很多，但針對(duì)油菜籽的干燥設(shè)備相對(duì)較少，且主要以熱風(fēng)干燥、微波干燥為主。傳統(tǒng)干燥設(shè)備對(duì)油菜籽干燥過(guò)程的各個(gè)參數(shù)不能實(shí)時(shí)精確監(jiān)控，導(dǎo)致質(zhì)量不一，油品質(zhì)量穩(wěn)定性差。針對(duì)這一問(wèn)題，本研究通過(guò)對(duì)油菜籽真空干燥進(jìn)行實(shí)時(shí)精確監(jiān)控，能夠有效提高油菜籽的干燥效率，確保油菜籽干燥后的質(zhì)量，從來(lái)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

（1）油菜籽真空干燥機(jī)基本結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)的油菜籽真空干燥機(jī)主要用于小批量干燥，要求干燥均勻，干燥溫度不能過(guò)高。故應(yīng)該降到干燥室內(nèi)的真空度，在桶蓋的上方安裝負(fù)壓風(fēng)機(jī)，干燥時(shí)不斷抽出干燥室內(nèi)濕空氣，使干燥室內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)。為了能使油菜籽在干燥室內(nèi)運(yùn)動(dòng)，在干燥室內(nèi)安裝螺旋攪拌器，使油菜籽在干燥室內(nèi)攪拌均勻；使用電阻絲進(jìn)行加熱。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 油菜籽真空干燥機(jī)干燥結(jié)構(gòu)圖

干燥室內(nèi)部安裝有螺旋攪拌器，可以使底部的油菜籽由下而上向上輸送進(jìn)行縱向攪拌。絞龍軸上安裝有3個(gè)槳葉，槳葉外傾，絞龍軸轉(zhuǎn)動(dòng)，槳葉可以將中心的油菜籽向外推，進(jìn)行橫向輸送。絞龍軸下端安裝有2個(gè)出料刮板，可將干燥完后的油菜籽刮送到出料口，使其落料干凈。料筒蓋頂端的負(fù)壓風(fēng)機(jī)，雙風(fēng)機(jī)，在干燥機(jī)進(jìn)行工作時(shí)，不斷的將里面的濕熱空氣抽出，使干燥室保證一定的濕度和真空度。

（2）油菜籽真空干燥工藝過(guò)程分析。油菜籽的干燥過(guò)程應(yīng)采用預(yù)熱+干燥+冷卻+干燥+冷卻的干燥工藝為宜，且在各干燥段的干燥時(shí)間要較短，這是控制油菜籽在干燥過(guò)程中產(chǎn)生酸敗的有效措施之一。另外，烘干后的油菜籽因帶有余溫，會(huì)加速酸敗，為了保證品質(zhì)，烘后油菜籽必須進(jìn)行冷卻，使其溫度不超過(guò)環(huán)境溫度。故將干燥系統(tǒng)的控制過(guò)程設(shè)置為：先啟動(dòng)抽空泵，達(dá)到預(yù)設(shè)的壓力后進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱階段采用抽空與充氣的過(guò)程，使溫度能很快達(dá)到設(shè)定溫度。在此階段冷凝器啟動(dòng)，抽出的水蒸氣直接排出。然后進(jìn)一步抽空，降低真空度。一段時(shí)間后停止抽空，再次啟動(dòng)加熱，達(dá)到預(yù)設(shè)溫度一段時(shí)間后，然后持續(xù)抽真空，直至達(dá)到預(yù)設(shè)壓力。然后進(jìn)入終點(diǎn)運(yùn)行，當(dāng)真空度達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，達(dá)到要求，完成系統(tǒng)運(yùn)行。

（3）控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。智能干燥控制系統(tǒng)以PLC為核心，其輸入部分由溫度采集電路、濕度采集電路、水分采集電路、按鍵輸入電路組成；輸出部分由螺旋攪拌電機(jī)控制、可控硅控制加熱設(shè)備、指示燈、人際界面顯示電路和報(bào)警電路等組成，如圖2所示。當(dāng)PLC讀入所設(shè)置參數(shù)后，將不斷掃描各輸入端口，采集干燥機(jī)的各控制按鈕和工作狀態(tài)；然后按照所編制的系統(tǒng)控制程序進(jìn)行邏輯計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果通過(guò)PLC輸出端口對(duì)干燥機(jī)的溫度控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱和冷凝回收系統(tǒng)等進(jìn)行控制；并將干燥機(jī)的工作狀態(tài)在觸摸屏上予以實(shí)時(shí)的顯示。

圖2 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)油菜籽真空干燥機(jī)實(shí)際控制需要，主控模塊PLC型號(hào)為西門(mén)子S7-200 CPU226，此可編程控制器具有良好的可擴(kuò)展性、使用條件、可靠性、易操作性及經(jīng)濟(jì)性等性能指標(biāo)，其中使用到的輸入點(diǎn)數(shù)為34個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)為32個(gè)。

2 具體模塊設(shè)計(jì)

（1）溫度控制模塊設(shè)計(jì)。Pt100鉑熱電阻是目前在溫度采集系統(tǒng)中應(yīng)用較多的溫度傳感器，溫度的采集范圍可以在-200℃～+200℃，滿(mǎn)足干燥控制系統(tǒng)測(cè)溫要求，同時(shí)具有穩(wěn)定性好、耐腐蝕、用PLC控制方便等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量精度為± 0.15℃，完全符合設(shè)計(jì)要求。因此，在油菜籽智能干燥控制系統(tǒng)中選用Pt100作為溫度采集的傳感器。PT00溫度傳感器輸出信號(hào)為4～20mA，串接電阻把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～10V的電壓信號(hào)，送入PLC的模擬量輸入通信。

本設(shè)計(jì)對(duì)干燥系統(tǒng)進(jìn)行恒溫控制，需要對(duì)溫度進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。PID運(yùn)算的結(jié)果控制加熱器。PID控制算法是按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行計(jì)算，它是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)利用PID算法實(shí)現(xiàn)油菜籽溫度閉環(huán)控制，其過(guò)程可以通過(guò)PLC編程軟件中的PID指令算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由于可控硅能以毫安級(jí)的電流控制大功率機(jī)電設(shè)備，放大功率達(dá)到幾十萬(wàn)倍，反應(yīng)快，通斷只要幾微妙就能實(shí)現(xiàn)，無(wú)觸點(diǎn)運(yùn)行，成本低等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用可控硅對(duì)加熱設(shè)備進(jìn)行控制?？煽毓鑼?dǎo)通與斷開(kāi)由PLC控制，設(shè)置不同檔位，達(dá)到調(diào)壓控制目的。

（2）水分在線采集模塊設(shè)計(jì)。油菜籽水分測(cè)量方法分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法兩種。直接測(cè)量水分即通常說(shuō)的烘干稱(chēng)重法，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性差，多適用于實(shí)驗(yàn)室精確測(cè)量場(chǎng)合。而在油菜籽需要快速干燥時(shí)，宜采用間接測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量。間接測(cè)量法是通過(guò)測(cè)量待測(cè)物種能夠表征水分含量的相關(guān)電量或非電量的變化來(lái)相應(yīng)地測(cè)定物質(zhì)的含水量，具有速度快、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)中選用電容式水分傳感器，其工作原理主要是檢查兩同芯圓柱之間的容值變化，當(dāng)被檢測(cè)物含水量發(fā)生變化時(shí)，其介電常數(shù)會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，電容式傳感器就是利用這一物理性質(zhì)實(shí)現(xiàn)糧食水分的測(cè)量。

（3）監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如圖3所示，所開(kāi)發(fā)的油菜籽真空干燥機(jī)控制系統(tǒng)軟件由參數(shù)初始化模塊、水分在線檢測(cè)模塊、溫度和真空度控制模塊、用戶(hù)操作與監(jiān)控界面以及系統(tǒng)通信等模塊組成。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)組成

人機(jī)交互界面由觸摸屏設(shè)備昆侖通態(tài)TPC7062KS實(shí)現(xiàn)。通過(guò)用MCGS上位機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)顯示功能，以溫度控制模塊界面設(shè)計(jì)為例，界面如圖4所示。其中的用戶(hù)操作與監(jiān)控界面模塊是系統(tǒng)的主控模塊，它為用戶(hù)提供了友好的操作菜單和工作界面，并將系統(tǒng)工作狀態(tài)予以顯示。

圖4 溫度控制模塊人機(jī)界面

3 結(jié)語(yǔ)

本課題在對(duì)油菜籽真空干燥過(guò)程進(jìn)行研究后，針對(duì)油菜籽真空干燥系統(tǒng)工藝，設(shè)計(jì)了智能控制系統(tǒng)。通過(guò)參數(shù)設(shè)置使抽空機(jī)組分時(shí)段協(xié)調(diào)工作。在監(jiān)控系統(tǒng)中，采用PLC可編程控制器與觸摸屏協(xié)同監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的初始化設(shè)置、系統(tǒng)運(yùn)行的各階段參數(shù)、整個(gè)工藝過(guò)程中設(shè)備及配套件的運(yùn)行情況等。監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)已完成了設(shè)備的安裝與調(diào)試，投入生產(chǎn)過(guò)程。本設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，使干燥過(guò)程可以隨時(shí)從不合格的步驟重新開(kāi)始運(yùn)行，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了干燥效率。

［1］謝艷群.智能油菜籽烘干機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

［2］謝艷群等.CD100型滾筒式烘干機(jī)油菜籽干燥試驗(yàn)［J］.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，（3）：344-346.

［3］史春英，郭曉云，賈懷遠(yuǎn)，等.油菜籽干燥工藝的研究［J］.佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，27（6）：904-908.

［4］周建中，項(xiàng)余建，王隆太.基于PLC和觸摸屏的皮革真空干燥機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2009，（7）：24-25.

［5］徐峰，王蔚，王聰，等.中草藥微波真空連續(xù)干燥機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程，2014，31（1）：67-69.

Design of Intelligent Control System for Rapeseed Vacuum Drying

ZHU Guang-yao，YANG Cai-xia
（School of Electrical Engineering，Hunan Institute of Mechanical and Electrical Technology，Changsha，Hunan 410151，China）

In order to improve the processing quality and efficiency of rapeseed drying process，a rapeseed vacuum dryer and its intelligent control system composed of PLC（Programmable Logic Controller），touch screen and sensor were developed to complete the control of rapeseed temperature PID，water on-line detection，fan control and other systems design，and in the MCGS platform to complete the host computer design，the installation and commissioning of equipmenthas completed on monitoring site and put into the laboratory production process.The experimental results show that the system can effectively monitor the drying process of rapeseed，and improve the degree of automation of rapeseed drying system to a great extent.

rapeseed drying；monitoring system；intelligent control；MCGS

TP273

A

2095-980X（2017）02-0067-02

2017-02-13

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目：油菜籽真空干燥在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與試驗(yàn)（15C0488），2016年湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（JDK16TD05）。

朱光耀（1984-），男，湖南婁底人，大學(xué)本科，講師，主要研究方向：自動(dòng)化控制技術(shù)。