翁小祥，劉靜，奚小波，張鵬飛，張琦，張劍峰

(1.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州，225127；2.江蘇豐尚智能科技有限公司，江蘇揚(yáng)州，225012)

0 引言

近年來我國食用菌產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2018年食用菌年產(chǎn)量3 600萬噸，占全球產(chǎn)量的70%以上[1-2]，干燥是產(chǎn)后加工重要的環(huán)節(jié)之一，干燥可以降低食用菌含水率，抑制微生物生長繁殖和生物酶活性，有利于長期保存和運(yùn)輸[3-4]。目前我國食用菌干燥主要以自然晾干和人工干制為主[5-6]，機(jī)械化程度較低，無論是干燥效率還是干燥品質(zhì)都與發(fā)達(dá)國家有著較大差距。

近些年不少學(xué)者對食用菌的干燥進(jìn)行了大量研究。于海明等[7]研究了在不同干燥溫度、功率密度和風(fēng)速條件下微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥對松茸品質(zhì)的影響；白旭升等[8]設(shè)計(jì)了一種余熱回收式熱泵干燥裝置，該裝置出風(fēng)口溫度達(dá)到65 ℃，與電加熱干燥裝置比，干燥時(shí)間縮短5～7 h；高倫江等[9]分析比較了熱風(fēng)干燥和熱風(fēng)微波聯(lián)合干燥對香菇品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)微波聯(lián)合干燥香菇品質(zhì)優(yōu)于熱風(fēng)干燥；王教領(lǐng)等[10]設(shè)計(jì)了一種凍融-熱泵干燥機(jī)，研究了凍融處理對香菇熱泵干燥特性的影響；郭玲玲等[11]對香菇中短波紅外-脈動(dòng)壓差閃蒸干燥聯(lián)合干燥工藝進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)最佳工藝為：預(yù)干燥含水率35.42%，抽空溫度56.88 ℃，抽空時(shí)間0.88 h。以上研究多集中于干燥工藝和干燥裝置，關(guān)于干燥控制系統(tǒng)的研究鮮有報(bào)道。

本文設(shè)計(jì)了一種食用菌多能互補(bǔ)干燥房控制系統(tǒng)，烘干房以生物質(zhì)能為主，聯(lián)合太陽能和紅外線能，利用PLC控制烘干過程中的溫濕度，完成烘干作業(yè)，提高烘干效率，達(dá)到節(jié)能提質(zhì)的目的。

1 烘干房結(jié)構(gòu)

圖1為烘干房結(jié)構(gòu)示意圖，烘干房分為烘干室和加熱室，主體框架為鋼結(jié)構(gòu)，中間填充巖棉夾芯板，起到保溫防火的作用。紅外線燈管裝在烘干室內(nèi)的背面，烘干室的頂面和前面覆蓋真空玻璃，陽光透過真空玻璃照射到烘干室內(nèi)，加熱室內(nèi)的空氣，由于真空玻璃內(nèi)真空區(qū)域和玻璃膜層的作用，能大幅降低傳熱系數(shù)，起到集熱保溫的作用[12-14]，太陽能拓展集熱板和防雨布可以通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來移動(dòng)。加熱室內(nèi)裝有不銹鋼生物質(zhì)加熱爐，生物質(zhì)顆粒是一種可再生新型清潔燃料，發(fā)熱量大，污染小[15-17]，用它作為食用菌干燥的主要能源，燃料電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)通過螺旋葉片將料斗里面的燃料送入燃燒爐中燃燒，爐膛鼓風(fēng)排煙風(fēng)機(jī)將外部空氣從出灰口抽入燃燒爐中助燃，再經(jīng)過散熱器將熱空氣中的熱量散發(fā)出來，最后通過煙囪排出。烘干房裝有3個(gè)循環(huán)風(fēng)機(jī)，其中1號和2號循環(huán)風(fēng)機(jī)將加熱室內(nèi)的熱空氣輸送到烘干室內(nèi)，3號循環(huán)風(fēng)機(jī)通過進(jìn)氣管道將烘干室底部溫度較低的空氣抽出，再通過出氣管道送到加熱室內(nèi)進(jìn)行加熱，形成循環(huán)。排濕風(fēng)機(jī)1號和2號將烘干室內(nèi)的濕空氣排出，同時(shí)進(jìn)氣風(fēng)機(jī)1號和2號開啟將外部空氣送入烘干房內(nèi)，保存氣壓的平衡。

圖1不包括具體電路接線，溫濕度傳感器探頭放在烘干室內(nèi)，熱電偶傳感器的探頭放在生物質(zhì)燃燒爐出氣口，光照傳感器的光感球正對南方，傳感器的信號線接到電控箱內(nèi)，電控箱內(nèi)還放置了空氣開關(guān)、PLC控制器、模擬量輸入擴(kuò)展模塊，中間繼電器、交流接觸器等元件。

(a)烘干房正面

2 烘干房工作原理

烘干房進(jìn)行烘干作業(yè)前，先將編好的程序下載到PLC內(nèi)，烘干時(shí)，將生物質(zhì)燃燒爐點(diǎn)燃，啟動(dòng)程序，工作過程如下：程序初始化，循環(huán)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，太陽能拓展集熱板和防雨布移動(dòng)到指定位置，讓陽光照射到烘干室內(nèi)，溫濕度傳感器將烘干室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)傳送到PLC控制器內(nèi)，與設(shè)定的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如果實(shí)際溫度低于設(shè)定溫度，控制器發(fā)出控制指令啟動(dòng)燃料電機(jī)和爐膛鼓風(fēng)排煙機(jī)，給燃燒爐內(nèi)加入燃料，同時(shí)帶動(dòng)空氣進(jìn)入燃燒爐助燃，循環(huán)風(fēng)機(jī)將加熱室內(nèi)的熱空氣送入烘干室內(nèi)，直到烘干室內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，燃料電機(jī)和爐膛鼓風(fēng)機(jī)關(guān)閉；如果實(shí)際濕度高于設(shè)定濕度，控制器發(fā)出指令啟動(dòng)排濕風(fēng)機(jī)和進(jìn)氣風(fēng)機(jī)，進(jìn)行排濕，直到烘干室內(nèi)的濕度小于設(shè)定值，排濕風(fēng)機(jī)和進(jìn)氣風(fēng)機(jī)關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)干燥過程中溫濕度的自動(dòng)控制。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

烘干房控制系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件主要由控制模塊、執(zhí)行模塊和傳感器模塊組成，外加空氣開關(guān)等保護(hù)元件。控制模塊使用西門子PLC為控制器，包括CPU、模擬量擴(kuò)展模塊、觸摸屏；執(zhí)行模塊主要為繼電器和接觸器；傳感器模塊由溫濕度傳感器、熱電偶傳感器和光照度傳感器組成?？刂葡到y(tǒng)硬件組成如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件組成Fig.2 Hardware composition of control system

根據(jù)烘干房控制系統(tǒng)硬件組成，控制模塊選用西門子CPU224XP CN為控制核心，具有14數(shù)字量輸入/10數(shù)字量輸出，2模擬量輸入/1模擬量輸出，在此基礎(chǔ)上，擴(kuò)展西門子4模擬量輸入模塊EM231，觸摸屏選用與CPU配套的西門子SMART 1000IEV3觸摸屏；傳感器模塊選用山東仁科的RS-WS-120-2B溫濕度一體變送器，溫度測量范圍0～120 ℃，濕度測量范圍0～100% RH，選用上海振峰K型熱電偶，測量范圍0～800 ℃，選用山東仁科RS-GZ-120-2光照變送器，測量范圍0～20萬Lux，所選用的傳感器輸出均為4～20 mA電流信號，符合選用的模擬量輸入模塊的輸入要求。

控制系統(tǒng)以PLC為核心，輸入信號8個(gè)，輸出信號10個(gè)，其I/O端口定義如表1所示。輸入信號由限位開關(guān)和傳感器信號組成，檢測拓展集熱板和防雨布的位置，收集烘干房溫濕度數(shù)據(jù)和光照度數(shù)據(jù)。輸出信號由各路中間繼電器組成，為抗干擾和保護(hù)PLC輸出端，在控制各路電機(jī)的接觸器和PLC輸出端之間加中間繼電器，由PLC控制中間繼電器的線圈，中間繼電器控制接觸器的線圈，接觸器再去控制相應(yīng)的電機(jī)。PLC控制器接線圖如圖3所示。

圖3 PLC控制器接線圖Fig.3 PLC wiring diagram

表1 PLC的I/O定義Tab.1 Definition of I/O for PLC

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本烘干房控制系統(tǒng)基于西門子STEP 7 Micro-WIN和WinCC flexible平臺進(jìn)行軟件開發(fā)。在烘干作業(yè)時(shí)，操作人員在觸摸屏上輸入相關(guān)參數(shù)后，PLC執(zhí)行對應(yīng)的程序，采集溫濕度信號和光照度信號之后送給PLC，利用軟件編程將傳感器4～20 mA的電流信號進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得出對應(yīng)的溫濕度和光照度，顯示于觸摸屏上，再與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行對比，最后通過控制各路中間繼電器的開閉實(shí)現(xiàn)干燥過程中的自動(dòng)加熱、自動(dòng)除濕、太陽能拓展集熱板和防雨布自動(dòng)展開回收等動(dòng)作。

由于不同食用菌的干燥工藝差異較大，為使干燥房能靈活干燥多種食用菌，針對菌類分程變溫的干燥工藝[18-20]，設(shè)置干燥過程的溫濕度控制如表2所示，設(shè)置中短波紅外燈控制如表3所示，表2和表3中的溫濕度和時(shí)間均為烘干作業(yè)前在觸摸屏上需要輸入的參數(shù)，圖4為對應(yīng)的觸摸屏主界面。

表2 干燥過程溫濕度控制表Tab.2 Temperature and humidity control table in drying process

表3 中短波紅外控制表Tab.3 Medium and short wave infrared control table

圖4 觸摸屏主界面Fig.4 Touch screenmain interface

將食用菌干燥過程分為4個(gè)階段。其中各個(gè)階段的溫度變化基于均勻變化的原則，以第一階段為例：溫度區(qū)間T1～T2，持續(xù)時(shí)間t1，則每小時(shí)溫度變化為(T2-T1)/t1。在干燥作業(yè)之前，用戶根據(jù)需要干燥的食用菌對應(yīng)的干燥工藝，在觸摸屏上設(shè)置4個(gè)階段的干燥溫度、干燥濕度和設(shè)定時(shí)間，參數(shù)設(shè)置完成之后，一啟動(dòng)程序，自動(dòng)完成整個(gè)干燥作業(yè)。針對中短波紅外干燥，用戶可以在觸摸屏上選擇是否啟用中短波紅外干燥，如果啟用，在觸摸屏上設(shè)置中短波紅外干燥啟用的開始時(shí)間t5和持續(xù)時(shí)間t6，即時(shí)間t5之后開啟紅外燈，持續(xù)時(shí)間t6之后關(guān)閉紅外燈，如不啟用，直接跳過中短波紅外干燥程序。

表4是2020年9月?lián)P州市江都區(qū)七里村光照數(shù)據(jù)。主程序如圖5所示。

表4 2020年9月?lián)P州七里村光照度數(shù)據(jù)表Tab.4 Light intensity data of Qili Village,Yangzhou on September,2020

圖5 主程序示意圖Fig.5 Schematic diagram of main program

針對干燥過程中的4個(gè)階段和中短波紅外干燥階段，分別設(shè)置對應(yīng)的4個(gè)階段子程序和中短波紅外干燥子程序，為防止干燥過程中出現(xiàn)溫度過高的情況在主程序中設(shè)置高溫報(bào)警程序，為防止干燥過程中生物質(zhì)燃燒爐熄滅在各個(gè)子程序中加入生物質(zhì)爐防熄滅程序，針對拓展集熱板和防雨布設(shè)置展開回收程序。

用戶將各個(gè)干燥階段溫濕度參數(shù)通過觸摸屏輸入程序，將PLC設(shè)置為“RUN”模式，光照傳感器采集此時(shí)光照信號，根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置光照度大于6 000 Lux時(shí)，控制器發(fā)出指令控制太陽能集熱板機(jī)電和防雨布電機(jī)左轉(zhuǎn)，將太陽能集熱板展開，防雨布轉(zhuǎn)到背面，使真空玻璃面暴露在陽光下，集熱保溫，若光照度小于3 000 Lux，控制器會(huì)發(fā)出指令收回拓展集熱板和防雨布。在觸摸屏上將程序設(shè)置為自動(dòng)模式，打開啟動(dòng)按鈕，主程序依次執(zhí)行4個(gè)干燥階段對應(yīng)的程序和中短波紅外干燥程序，所有階段程序都執(zhí)行完畢之后，控制器發(fā)出指令，收回太陽能拓展集熱板和防雨布，直到達(dá)到指定位置之后，限位開關(guān)會(huì)傳送信息給PLC結(jié)束程序。

4個(gè)干燥階段的程序類似，只是烘干過程設(shè)置的溫濕度和持續(xù)時(shí)間不同。以第一階段為例，圖6為干燥第一階段的程序流程圖，程序開始，循環(huán)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，t一階段為第一階段已經(jīng)執(zhí)行的時(shí)間，T溫差為t一階段設(shè)定溫度T設(shè)定與干燥房內(nèi)實(shí)際溫度的差值，T爐口為熱電偶傳感器測量到的燃燒爐爐口溫度，T1和T2為在觸摸屏上設(shè)置的第一階段的溫度參數(shù)，t1為在觸摸屏上設(shè)置的第一階段的持續(xù)時(shí)間。對于溫度控制，溫度傳感器將烘干室溫度送到PLC中，基于均勻變化的原則，每小時(shí)溫度變化值

圖6 第一階段程序示意圖Fig.6 Schematic diagram of the first stage procedure

(1)

t一階段時(shí)刻的理論設(shè)定溫度

(2)

這是一個(gè)隨時(shí)間連續(xù)變化的函數(shù)，為防止PLC頻繁發(fā)出控制指令影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和設(shè)備的使用壽命，根據(jù)實(shí)地調(diào)試，選取溫差區(qū)間[-0.5，0.3] ℃，即T溫差在-0.5 ℃～0.3 ℃之間的時(shí)候，PLC不發(fā)出加熱和降溫的指令。經(jīng)過調(diào)試將T溫差分為大于10 ℃、6 ℃～10 ℃、3 ℃～6 ℃、1 ℃～3 ℃、0.3 ℃～1 ℃、小于-0.5 ℃六種情況，將爐口溫度T爐口分為小于385 ℃、小于350 ℃、小于290 ℃、小于240 ℃、小于210 ℃五種情況，設(shè)置加熱控制規(guī)則如表5所示，當(dāng)溫差T溫差和爐口溫度T爐口同時(shí)滿足條件時(shí)，控制器發(fā)出加熱指令控制燃料電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)往燃燒爐內(nèi)加入燃料，控制爐膛鼓風(fēng)排煙風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)往燃燒爐內(nèi)送入足量空氣助燃，當(dāng)兩者中有一個(gè)不滿足條件時(shí)，控制器不會(huì)發(fā)出加熱指令。如果溫差T溫差小于-0.5 ℃，則控制器發(fā)出降溫指令，控制排濕進(jìn)氣風(fēng)機(jī)開啟，將烘干室內(nèi)的熱空氣排出去，將冷空氣送入烘干室內(nèi)進(jìn)行降溫，直到溫度滿足要求。

表5 加熱控制規(guī)則Tab.5 Heating control rules

對于濕度，濕度傳感器將烘干室內(nèi)的濕度傳送到PLC內(nèi)，與設(shè)定濕度U1進(jìn)行對比，如果大于設(shè)定值，PLC控制器控制排濕進(jìn)氣風(fēng)機(jī)開啟，將濕空氣排出去，直到濕度滿足要求，風(fēng)機(jī)關(guān)閉。當(dāng)?shù)谝浑A段執(zhí)行時(shí)間t一階段≥t1即設(shè)定時(shí)間時(shí)，循環(huán)風(fēng)機(jī)關(guān)閉，此階段程序結(jié)束。其余三個(gè)階段的程序執(zhí)行過程與第一個(gè)階段類似，不再描述。

用戶可以根據(jù)自身需要干燥的食用菌的工藝，選擇是否啟用中短波紅外干燥，如果啟用，用戶輸入相應(yīng)參數(shù)，執(zhí)行中短波紅外干燥程序如圖7所示，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，時(shí)間為t紅外1，當(dāng)t紅外1≥t5，即設(shè)定的中短波紅外干燥啟用的時(shí)間時(shí)，為避免輻射能量的浪費(fèi)，將太陽能拓展集熱板和防雨布回收到相應(yīng)位置，蓋住真空玻璃面。中短波紅外燈管啟用時(shí)，開始計(jì)時(shí)時(shí)間t紅外2，當(dāng)執(zhí)行時(shí)間t紅外2≥t6，即設(shè)定的中短波紅外干燥持續(xù)的時(shí)間時(shí)，中短波紅外燈自動(dòng)關(guān)閉，結(jié)束程序。當(dāng)中短波紅外干燥開始進(jìn)行之后，PLC不會(huì)再根據(jù)光照的強(qiáng)弱對拓展集熱板、防雨布發(fā)出操作指令，防止程序出現(xiàn)錯(cuò)誤。

在烘干過程中為避免生物質(zhì)爐熄滅，在四個(gè)階段執(zhí)行程序中加入燃燒爐防熄滅程序，如圖8所示。

圖8 燃燒爐防熄滅程序示意圖Fig.8 Schematic diagram of anti extinguishing program for combustion furnace

根據(jù)烘干房實(shí)際調(diào)試情況，當(dāng)生物質(zhì)爐爐口溫度小于100 ℃，PLC發(fā)出指令啟動(dòng)燃料電機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行升溫，直到溫度大于等于100 ℃；如果爐口溫度低于75 ℃，電鈴會(huì)報(bào)警，直到用戶復(fù)位電鈴，電鈴才會(huì)停止響鈴，用戶檢查爐子是否熄滅，直到溫度高于100 ℃，程序結(jié)束。

為防止烘干室內(nèi)的溫度失控對烘干造成影響，設(shè)置高溫報(bào)警程序，如圖9所示，當(dāng)烘干室內(nèi)的溫度高于80 ℃，控制器發(fā)出指令給電鈴報(bào)警，用戶復(fù)位電鈴，電鈴?fù)Ｖ鬼戔?，然后用戶查看溫度異常原因，使烘干室的溫度降下來，直至溫度小?0 ℃程序結(jié)束。

圖9 高溫報(bào)警程序示意圖Fig.9 Schematic diagram of high temperature alarm program

5 樣機(jī)與試驗(yàn)

為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)的可行性，在揚(yáng)州江都區(qū)七里村試制了多能互補(bǔ)干燥房，如圖10所示。以鮮香菇為干燥對象，對樣機(jī)的拓展集熱板和防雨布展開回收動(dòng)作、中短紅外波燈通斷穩(wěn)定性、濕度控制穩(wěn)定性及溫度控制精度和香菇的干燥效果進(jìn)行了試驗(yàn)。

圖10 烘干房Fig.10 Drying room

試驗(yàn)結(jié)果顯示，早晨光照度達(dá)到設(shè)定要求時(shí)，拓展集熱板和防雨布自動(dòng)展開，當(dāng)傍晚光照不足時(shí)，拓展集熱板和防雨布自動(dòng)收回。中短波紅外燈在設(shè)定的時(shí)間到達(dá)時(shí)自動(dòng)開啟，在設(shè)定的持續(xù)時(shí)間結(jié)束后自動(dòng)關(guān)閉。干燥房內(nèi)濕度高于設(shè)定值時(shí)，排濕風(fēng)機(jī)會(huì)自動(dòng)排濕直到濕度低于設(shè)定值并停止工作，排濕性能穩(wěn)定。溫度在干燥中屬于非線性、大滯后的控制對象，本文著重分析系統(tǒng)的溫度控制精度，表6為試驗(yàn)設(shè)定的各個(gè)階段溫度和持續(xù)時(shí)間，每隔半小時(shí)從觸摸屏上讀取1次溫度值，結(jié)果如圖11所示，可以看出，干燥房初始溫度為17.2 ℃，半小時(shí)溫度達(dá)到設(shè)定值，干燥過程中實(shí)際溫度與設(shè)定溫度之差在±0.8 ℃內(nèi)波動(dòng)，控制精度較好。

表6 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定表Tab.6 Test parameter setting table

圖11 溫度變化趨勢圖Fig.11 Temperature trend chart

選用購自揚(yáng)州市江都區(qū)七里村農(nóng)貿(mào)市場的鮮香菇進(jìn)行試驗(yàn)，干燥過程中每隔1小時(shí)測量一次香菇質(zhì)量及直徑，結(jié)果分別如圖12～圖13所示。

圖12 香菇質(zhì)量變化圖Fig.12 Weight change chart of Lentinus edodes

圖13 香菇直徑變化圖Fig.13 Diameter change chart of Lentinus edodes

可以看出，第一階段香菇質(zhì)量和尺寸減少明顯，這是因?yàn)楦稍锍跗谙愎胶扛?，大量水分被蒸發(fā)出來；第二階段和第三階段香菇質(zhì)量和尺寸變化開始放緩，此時(shí)香菇表層水分大部分被蒸發(fā)出來，香菇內(nèi)部水分緩慢向表層滲透，水分蒸發(fā)變緩；第四階段香菇的質(zhì)量和尺寸變化趨于平緩，此時(shí)按壓菌蓋與菌柄交界處有痕跡但不軟，說明香菇含水量已經(jīng)達(dá)到安全儲藏濕基含水率13%，干燥完成。

圖14為香菇干燥前后的圖片，香菇初始質(zhì)量13.784 g，直徑55.5 mm，干燥12小時(shí)之后質(zhì)量2.687 g，直徑45.1mm，水分蒸發(fā)率80.5%，直徑收縮率18.7%，從感官上可以看出干燥結(jié)束后的香菇呈黃褐色，菇形完整，香氣濃郁。傳統(tǒng)電熱干燥設(shè)備進(jìn)行香菇干燥需要18 h[21]，本文設(shè)計(jì)的干燥房效率較高。

(a)干燥前

6 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了基于PLC的多能互補(bǔ)烘干房溫濕度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了干燥過程中溫濕度的自動(dòng)控制和拓展集熱板及防雨布的自動(dòng)展開回收，簡化了人力操作，提高了干燥效率。

2)基于分程變溫的干燥工藝，利用STEP7 Micro-Win和WinCC flexible平臺進(jìn)行軟件開發(fā)，將干燥過程分為4個(gè)階段子程序和1個(gè)中短波紅外干燥子程序，能靈活滿足不同種類食用菌的干燥。

3)利用香菇對多能互補(bǔ)烘干房的中短紅外波燈通斷穩(wěn)定性、濕度控制穩(wěn)定性以及溫度控制精度進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，中短紅外波燈通斷正常，排濕風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，溫度控制精度在±0.8 ℃內(nèi)，12 h完成香菇干燥，干燥效率高于傳統(tǒng)烘干設(shè)備。