劉立果，張學(xué)軍，劉超山，鄢金山，史增錄，辛倩倩

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊 830052；2. 新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052；3.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

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基于LabVIEW的紅棗干燥機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉立果1，張學(xué)軍2，劉超山3，鄢金山2，史增錄2，辛倩倩1

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊 830052；2. 新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052；3.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

為了解決現(xiàn)有紅棗干燥機(jī)自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度高和不能很好地滿(mǎn)足紅棗干燥工藝需要的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究和借鑒，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的紅棗干燥機(jī)的控制系統(tǒng)。同時(shí)，設(shè)計(jì)了LabVIEW控制系統(tǒng)的前面板和程序框圖，完成了外部硬件電路的設(shè)計(jì)。試驗(yàn)表明：該LabVIEW控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)和物料提升機(jī)的啟動(dòng)和停止，3路溫度的采集、分析、顯示和對(duì)加熱管的控制，3路濕度的采集、分析、顯示和對(duì)排濕閥門(mén)的控制，2路風(fēng)速的采集和顯示，以及6個(gè)進(jìn)/出風(fēng)通道按照設(shè)定的時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)5種工作模式的切換。

紅棗干燥機(jī)；干燥工藝；硬件電路；LabVIEW控制系統(tǒng)

0 引言

目前，新疆棗樹(shù)種植面積達(dá)到43.5萬(wàn)hm2，產(chǎn)量為120萬(wàn)t[1]。為了滿(mǎn)足紅棗高品質(zhì)干燥的需要，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院和食品科學(xué)學(xué)院于2014年共同研制了分腔層流式紅棗干燥機(jī)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，該紅棗干燥機(jī)可以滿(mǎn)足紅棗干燥的需要，但也存在一定的不足。紅棗干燥機(jī)的控制系統(tǒng)是采用傳統(tǒng)的按鈕、繼電器和溫控儀表進(jìn)行控制的，自動(dòng)化程度相對(duì)較低，溫度、濕度和風(fēng)速采集和控制的精度相對(duì)較低；而且其6個(gè)進(jìn)/出風(fēng)通道的啟閉不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，需要人工定時(shí)進(jìn)行啟閉，勞動(dòng)強(qiáng)度大。

紅棗是熱敏性水果，干燥時(shí)的熱風(fēng)溫度和濕度對(duì)紅棗的干燥品質(zhì)有很大的影響[2-4]。因此，要對(duì)干燥時(shí)的溫度和濕度進(jìn)行精確的控制。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究和借鑒，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的紅棗干燥機(jī)的控制系統(tǒng)。LabVIEW具有控制精度高、顯示界面友好，編程和調(diào)試方便等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[5-8]。該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫度、濕度和風(fēng)速的精確采集和控制，實(shí)現(xiàn)了6個(gè)進(jìn)/出風(fēng)通道按照5種工作模式進(jìn)行定時(shí)循環(huán)切換。

1 紅棗干燥機(jī)的總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

分腔層流式紅棗干燥機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.主進(jìn)風(fēng)通道 2.加熱箱 3.回風(fēng)裝置 4.回風(fēng)管 5.下進(jìn)風(fēng)通道 6.下進(jìn)風(fēng)通道閥門(mén) 7.電動(dòng)推桿 8.中進(jìn)風(fēng)通道 9.中進(jìn)風(fēng)通道閥門(mén) 10.上進(jìn)風(fēng)通道 11.上進(jìn)風(fēng)通道閥門(mén) 12.干燥箱 13.進(jìn)料口 14.物料提升裝置 15.排濕裝置 16.主出風(fēng)通道 17.上出風(fēng)通道閥門(mén) 18.上出風(fēng)通道 19.中出風(fēng)通道閥門(mén) 20.中出風(fēng)通道 21.下出風(fēng)通道閥門(mén) 22.下出風(fēng)通道 23.出料轉(zhuǎn)動(dòng)桿 24.出料口閥門(mén)

1.2 工作原理

通過(guò)物料提升裝置將紅棗由干燥機(jī)的進(jìn)料口放入干燥箱內(nèi)，啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，冷空氣進(jìn)入加熱箱，熱交換后進(jìn)入主進(jìn)風(fēng)通道，熱風(fēng)由開(kāi)啟的某一個(gè)或多個(gè)進(jìn)風(fēng)通道進(jìn)入干燥箱內(nèi)，從紅棗層中穿過(guò)由開(kāi)啟的某一個(gè)或多個(gè)出風(fēng)通道進(jìn)入主出風(fēng)通道。若熱風(fēng)的濕度低于設(shè)定的濕度的上限值則回風(fēng)裝置上的回風(fēng)閥門(mén)在電動(dòng)推桿的作用下保持開(kāi)啟；排濕裝置上的排濕門(mén)在大氣壓和彈簧的作用下緊閉，熱風(fēng)在干燥機(jī)內(nèi)循環(huán)。若熱風(fēng)的濕度高于或等于設(shè)定濕度的上限值則回風(fēng)裝置上的回風(fēng)閥門(mén)在電動(dòng)推桿的作用下關(guān)閉；排濕裝置上的排濕門(mén)在內(nèi)部壓力的作用下克服彈簧拉力開(kāi)啟，高濕度熱風(fēng)排出干燥機(jī)。當(dāng)干燥箱內(nèi)的濕度下降到低于設(shè)定的濕度下限值時(shí)，回風(fēng)裝置上的回風(fēng)閥門(mén)開(kāi)啟，熱風(fēng)再次進(jìn)行循環(huán)。排濕門(mén)的啟閉一直受到回風(fēng)閥門(mén)的控制。

2 LabVIEW控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

利用LabVIEW進(jìn)行控制系統(tǒng)的前面板和程序框圖的設(shè)計(jì)所能實(shí)現(xiàn)的功能如下：

1)鼓風(fēng)機(jī)和物料提升機(jī)的啟動(dòng)和停止。

2)自動(dòng)完成對(duì)分腔層流式紅棗干燥機(jī)上、中、下3個(gè)干燥腔內(nèi)溫度和濕度的采集。

3)顯示出每個(gè)干燥腔內(nèi)的溫度和濕度的數(shù)值，并顯示出3個(gè)干燥腔內(nèi)平均溫度和濕度的波形圖、實(shí)測(cè)值，及歷史溫度和濕度的平均值、最大值和最小值。

4)分析對(duì)比干燥機(jī)內(nèi)實(shí)測(cè)溫度的平均值和提前設(shè)定的溫度的下限值和上限值的大小關(guān)系。若實(shí)測(cè)溫度比設(shè)定的下限溫度還小，則第4組和第5組加熱管保持加熱狀態(tài)；若實(shí)測(cè)溫度比設(shè)定溫度的上限值還高，則第4組和第5組加熱管停止加熱。若實(shí)測(cè)溫度在設(shè)定溫度的上限值和下限值之間，則第4組和第5組加熱管保持原來(lái)的狀態(tài)。也可以根據(jù)需要使第4組和第5組加熱管中的某一組單獨(dú)啟閉，其余加熱管是保障基本供熱需求的，根據(jù)實(shí)際情況可人工全部開(kāi)啟或部分開(kāi)啟。

5)分析對(duì)比干燥機(jī)內(nèi)實(shí)測(cè)濕度的平均值和提前設(shè)定濕度的下限值和上限值的大小關(guān)系。若實(shí)測(cè)平均濕度比設(shè)定的下限濕度還小則排濕閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)。若實(shí)測(cè)平均濕度比設(shè)定的上限濕度還高則排濕閥門(mén)開(kāi)啟，進(jìn)行排濕。若實(shí)測(cè)濕度在設(shè)定濕度的上限和下限之間則排濕閥保持原來(lái)的狀態(tài)。

6)兩路風(fēng)速采集的采集和顯示。

7)實(shí)現(xiàn)3個(gè)進(jìn)風(fēng)通道和3個(gè)出風(fēng)通道按照設(shè)定的時(shí)間間隔在5種工作模式中循環(huán)切換，其中工作模式1為默認(rèn)模式，如表1所示。

表1 進(jìn)/出風(fēng)通道啟閉的5種工作模式

“+”表示通道開(kāi)啟，“-”表示通道關(guān)閉。

表1中，功能(1)和功能(3)的實(shí)現(xiàn)較常見(jiàn)，這里僅對(duì)其余功能的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行介紹。

3 硬件電路的設(shè)計(jì)

硬件電路主要包括計(jì)算機(jī)、NI USB6001數(shù)據(jù)采集卡、小型固態(tài)繼電器模塊、固態(tài)繼電器、小型繼電器、PT100熱電阻溫度傳感器和濕敏電阻濕度傳感器等，如圖2所示。其工作原理：NI USB6001采集卡將采集到的溫度、濕度和風(fēng)速信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)，由LabVIEW程序進(jìn)行分析，分析后的結(jié)果再傳輸給采集卡，采集卡輸出控制信號(hào)控制各種繼電器，繼電器控制相關(guān)執(zhí)行元件動(dòng)作。

圖2 硬件電路電氣原理圖

4 LabVIEW前面板和程序框圖的設(shè)計(jì)

4.1 LabVIEW前面板的總體結(jié)構(gòu)

前面板中的控件分為輸入控件和顯示控件。輸入控件包括開(kāi)始采集按鈕、退出按鈕5組加熱管的啟閉按鈕、數(shù)據(jù)保存間隔(min)設(shè)置框、溫度和濕度的上限值和下限值設(shè)置框，以及模式變換間隔設(shè)置框，如圖3所示。顯示控件包括運(yùn)行時(shí)間顯示框，實(shí)測(cè)平均溫度、濕度和風(fēng)速的波形圖表和顯示框，溫度、濕度和風(fēng)速的最大值、最小值和平均值顯示框，上腔、中腔和下腔溫度顯示計(jì)和濕度顯示計(jì)，進(jìn)/出風(fēng)風(fēng)速顯示表盤(pán)，5組加熱管的運(yùn)行狀態(tài)指示燈，6個(gè)進(jìn)/出風(fēng)道啟閉的指示燈，鼓風(fēng)機(jī)和物料提升機(jī)啟閉指示燈，排濕指示燈。

圖3 LabVIEW控制系統(tǒng)的前面板

4.2 三路溫度采集和對(duì)加熱管控制的實(shí)現(xiàn)

溫度采集和控制的程序框圖主要包括1個(gè)While循環(huán)程序結(jié)構(gòu)、3路模擬量輸入通道、2個(gè)邏輯分析結(jié)構(gòu)及4路數(shù)字量輸出通道，如圖4所示。3路模擬量輸入通道用于采集由3個(gè)PT100熱電阻傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)(0～10V對(duì)應(yīng)的溫度為0～150℃)。兩個(gè)邏輯分析結(jié)構(gòu)包括溫度的實(shí)測(cè)值與設(shè)定溫度的上、下限值的對(duì)比分析結(jié)構(gòu)及歷史溫度數(shù)據(jù)的最大值、最小值和平均值的分析結(jié)構(gòu)。4路數(shù)字量輸出通道用于將分析后的結(jié)果傳輸?shù)讲杉ǖ妮敵龆?，?shí)現(xiàn)對(duì)加熱管的控制。輸入控件和顯示控件均為在上述前面板上所提到的控件。

圖4 溫度采集和控制的程序框圖

4.3 三路濕度采集和對(duì)回風(fēng)閥門(mén)控制的實(shí)現(xiàn)

濕度采集和控制的任務(wù)要求與溫度采集和控制的任務(wù)要求很相似，所以其程序框圖的結(jié)構(gòu)也相似。濕度采集和控制的程序框圖主要包括1個(gè)While循環(huán)程序結(jié)構(gòu)、3路模擬量輸入通道、2個(gè)邏輯分析結(jié)構(gòu)及4路數(shù)字量輸出通道，如圖5所示。3路模擬量輸入通道用于采集由3個(gè)濕敏電阻傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)(電壓0～3V對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度為0～100%)。兩個(gè)邏輯分析結(jié)構(gòu)包括濕度的實(shí)測(cè)值與設(shè)定濕度的上、下限值的對(duì)比分析結(jié)構(gòu)，以及歷史濕度數(shù)據(jù)的最大值、最小值和平均值的分析結(jié)構(gòu)。4路數(shù)字量輸出通道用于將分析后的結(jié)果傳輸?shù)讲杉ǖ妮敵龆耍瑢?shí)現(xiàn)對(duì)回風(fēng)閥門(mén)的控制。輸入控件和顯示控件均為在上述前面板上所提到的控件。

圖5 濕度采集和控制的程序框圖

4.5 進(jìn)/出風(fēng)通道5種工作模式定時(shí)切換的實(shí)現(xiàn)

由圖6可以看出：該程序框圖包含1個(gè)While循環(huán)結(jié)構(gòu)和2個(gè)條件循環(huán)結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)分腔層流式紅棗干燥機(jī)的LabVIEW控制系統(tǒng)時(shí)，將模擬量采樣的“DAQmx定時(shí)(采樣時(shí)鐘)”的采樣速率統(tǒng)一設(shè)置為20，即1s采樣20次；進(jìn)/出風(fēng)通道的啟閉模式需要根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行切換。首先將定時(shí)時(shí)間間隔(min)乘以采樣速率20，再乘以60，其結(jié)果就表示在這一時(shí)間間隔(min)內(nèi)循環(huán)采樣的次數(shù)；然后，用While循環(huán)的循環(huán)次數(shù)“i”除以“設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)循環(huán)采樣的次數(shù)”，若余數(shù)為0則表示從程序開(kāi)始運(yùn)行到現(xiàn)在恰好經(jīng)過(guò)了整數(shù)個(gè)設(shè)定時(shí)間間隔。

圖6 進(jìn)/出風(fēng)通道啟閉的程序框圖

While循環(huán)內(nèi)有兩個(gè)條件循環(huán)結(jié)構(gòu)，外部的條件循環(huán)結(jié)構(gòu)的選擇器標(biāo)簽有“真”和“假”兩個(gè)。當(dāng)While循環(huán)的循環(huán)次數(shù)“i”除以“設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)循環(huán)采樣的次數(shù)”余數(shù)為0時(shí)，使進(jìn)/出風(fēng)通道進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換；當(dāng)余數(shù)不為0時(shí)，保持原來(lái)的模式繼續(xù)工作。內(nèi)部的條件循環(huán)結(jié)構(gòu)的選擇器標(biāo)簽有0、1、2、3、4，標(biāo)簽值0、1、2、3、4分別對(duì)應(yīng)著進(jìn)/出風(fēng)通道的5種工作模式。利用While循環(huán)的循環(huán)次數(shù)“i”除以“設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)循環(huán)采樣的次數(shù)”得到的商再除以5得到的余數(shù)作為標(biāo)簽值選擇的條件。因?yàn)槿魏握麛?shù)除以5得到的余數(shù)都在0～4之間，恰好對(duì)應(yīng)著5種工作模式，如圖7所示。

圖7 5種工作模式的程序框圖

5 LabVIEW控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，干燥機(jī)的各部分可以在LabVIEW控制系統(tǒng)的控制下協(xié)調(diào)的工作，如圖8所示。其可以對(duì)溫度、濕度和風(fēng)速實(shí)現(xiàn)精確地采集和控制，可以提供溫度和風(fēng)速均勻的熱風(fēng)。干燥機(jī)的熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，回風(fēng)閥門(mén)能按照設(shè)定的濕度要求進(jìn)行啟閉。

圖8 控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

6 結(jié)論

紅棗熱風(fēng)干燥品質(zhì)的好壞與干燥工藝密不可分，干燥工藝過(guò)程的實(shí)現(xiàn)要依靠精確的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。本文利用LabVIEW設(shè)計(jì)了分腔層流式紅棗干燥機(jī)的控制系統(tǒng)。其顯示界面友好，工作可靠，實(shí)現(xiàn)了對(duì)干燥機(jī)各部分的精確控制。

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Red Jujube Dryer Control System Design Based on LabVIEW

Liu Liguo1，Zhang Xuejun2，Liu Chaoshan3，Yan Jinshan2，Shi Zhenglu2，Xin Qianqian1

In order to solve the low automatic degree to existing red jujube dryer, high labor intensity, and not well meet the needs of red jujube drying process, based on the research and reference of the automatic control system at home and abroad, design the red jujube dryer control system based on LabVIEW. Design the front panel and program diagram of the LabVIEW control system, completed the external hardware circuit design. Through the experiments, the LabVIEW control system can realize the blower and material hoist start and stop, three road temperature acquisition, analysis, display and control of the heating tube, three road humidity acquisition, analysis, display and control of the humidity discharging valve, two road wind speed acquisition and display, six into/out of the wind channel realize five kinds of working mode switching according to the time interval of setting.

red jujube dryer; drying process; hardware circuit; LabVIEW control system

2016-04-06

新疆自治區(qū)“十二五”科技重大專(zhuān)項(xiàng)(201130102-4)

劉立果(1988-),男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，(E-mail)liuliguo0415@126.com。

張學(xué)軍(1966-)，男，烏魯木齊人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)zhxjau@sina.com。

S226.6

A

1003-188X(2017)05-0264-05