調質紅棗干燥機自動控制系統的設計與試驗

弋曉康 ，陳　超，胡　燦 ，李傳峰，吳文福

(1.塔里木大學 機械電氣化工程學院， 新疆 阿拉爾　843300；2.新疆維吾爾自治區普通高等學校現代農業工程重點實驗室， 新疆 阿拉爾　843300；3.新疆阿拉爾質量技術監督局，新疆 阿拉爾　843300；4.吉林大學 生物與農業工程學院，長春　130022)

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調質紅棗干燥機自動控制系統的設計與試驗

弋曉康1,2，陳超3，胡燦1,2，李傳峰1,2，吳文福4

(1.塔里木大學 機械電氣化工程學院， 新疆 阿拉爾843300；2.新疆維吾爾自治區普通高等學校現代農業工程重點實驗室， 新疆 阿拉爾843300；3.新疆阿拉爾質量技術監督局，新疆 阿拉爾843300；4.吉林大學 生物與農業工程學院，長春130022)

摘要：熱風干燥是紅棗干燥加工中應用最為廣泛的干燥技術之一。在紅棗熱風干燥技術的研究方面，干燥設備的工藝優化、干燥室溫、濕度等參數的穩定控制等方面仍有待優化與提升。為此，針對目前主要的熱風干燥設備的特點，綜合南疆紅棗的加工特點，利用PLC控制技術與HMI在線控制技術，設計了一種調質紅棗干燥機，對干燥機溫度進行了多段控制，優化了溫度控制系統。通過實驗樣機進行了干燥加熱試驗，測試了樣機的各項性能指標。結果表明：調質干燥機預熱階段試性能良好，在目標溫度為60℃時，預熱時間為20min，預熱效果良好；干燥機出口風溫與干燥室內風溫溫差約為10℃，熱風通道中的傳熱性能良好；風機電流輸出穩定，調速性能良好。調質紅棗干燥機進行300min加熱試驗表明：多段控制方式下，電加熱器進行分段加熱控制，使干燥室溫度穩定在目標溫度，獲得了較優的控制效果。此研究可為南疆中小型紅棗干果加工廠干燥設備的設計提供參考。

關鍵詞：紅棗；熱風干燥；自動控制；調質

0引言

熱風干燥是紅棗干燥加工中應用最為廣泛的干燥技術之一[1]，與其他各類干燥技術相比，其設備較簡單、投資較少、干燥品質較好，熱源供給方式穩定，具有相對成熟的控制技術。因此，熱風干燥方式在紅棗干燥工藝上得到了廣泛應用。近年來，通過不斷的工藝改進與熱源供給技術創新，熱風干燥方式耗能進一步減小，特別是在大型的紅棗加工廠得到了生產應用，增強紅棗熱風干燥的效果。在紅棗熱風干燥設備的研究上，國外由于紅棗的種植面積較少，對紅棗熱風干燥研究相關報道較少[2-4]。我國是紅棗生產大國，在紅棗干燥方面較早地應用了熱風干燥方式，形成了一系列較成熟的熱風干燥技術。王英瑞對套筒式的熱風爐系統進行了優化設計，并對電價、換熱量、工作時間等關鍵性因素進行了經濟性評價，獲得了經濟性能與技術性能并重的熱風控制系統[5]。竇星等對間接加熱式熱風循環干燥設備進行了優化設計，對熱風型干燥設備安全高效運行進行了改進試驗[6]。在企業的控制應用方面，新疆阿拉爾聚天紅棗業公司引進了國外先進的RH-2型換熱器，在熱風干燥機運行上能減少1/4的熱能；新疆阿拉爾大漠棗業公司對熱風型干燥機進行結構改進，針對熱源裝置進行了熱風循環利用，加速了熱風干燥機的發展。

針對目前主要的熱風干燥設備的特點，綜合南疆紅棗的加工特點，利用PLC控制技術與HMI在線控制技術，設計了一種調質紅棗干燥機，對干燥機溫度進行了多段控制，優化了溫度控制系統，滿足了紅棗干燥工藝要求。同時，通過優化控制，進一步提高紅棗干燥過程中的各參數穩定性，開發出更優的紅棗干燥機，以滿足大規模紅棗加工的需求。

1調質紅棗干燥機的總體設計思路

調質紅棗干燥機的主要特點是：在干燥過程中待干燥的紅棗能間歇循環運動，從而實現紅棗的循環干燥，使干燥后的紅棗物料含水率均勻；另外，此干燥機干燥工藝相對較簡單，干燥品質高。調質紅棗干燥機工作流程如圖1所示。其采用曲柄搖桿機構完成干燥室內的紅棗物料的鋪放和輸送，由轉速為32.53r/min的小傳送帶和大傳送帶進行循環輸送，直至紅棗含水率達到干燥要求，通過滑動板將紅棗排出。根據紅棗干燥水分蒸發量的關系，確定滑動板電機動力經過減速器輸出轉速為38.21r/min。

根據干燥機的工作流程，設計完成的調質紅棗干燥機擁有干燥室和熱風通道，采用熱風循環干燥，并能實現紅棗的間歇循環輸送和喂入，滿足物料均勻干燥的需要。利用風機和加熱器進行熱風循環干燥，風機啟動后，冷空氣從加熱器表層通過，帶走加熱器表層熱能形成熱風，經熱風通道進入干燥室內部；熱氣流穿透紅棗物料層后，再經干燥室出風口回到熱風通道入口，形成熱風循環。干燥室是紅棗物料集中干燥的核心部件，紅棗物料主要在干燥室內部完成脫水過程。整個干燥過程中，控制干燥室內部的溫度、風速、干燥時間和相對濕度等工藝參數是保證紅棗干燥后品質優良的關鍵環節。干燥室溫度由熱風裝置進行控制與調節，干燥室濕度由加濕裝置進行濕度控制。

圖1　調質紅棗干燥機工作流程圖

2調質紅棗干燥機的總體結構設計

調質紅棗干燥機整機結構如圖2所示。

1.搖桿機構　2.機架　3.輸送裝置　4.熱風裝置

最終設計出的調質紅棗干燥機主要由喂入裝置、循環輸送裝置、干燥室、循環管道、熱風通道、熱風裝置和機架等構成。工作時，由熱風裝置形成的熱風經熱風通道通向干燥室底部，由干燥室底部入口進入干燥室，帶走紅棗的水分，再經干燥室出口的循環管道回到熱風通道，整個過程構成一個循環系統，達到熱能循環利用的目的。循環輸送裝置將紅棗逐級推進并傳送至干燥室內部，紅棗鋪放厚度由喂入口處的調節檔板來控制，使紅棗均勻平鋪在滑板上，直至鋪滿整個干燥室。經過一定時間后，在滑板推動和輸送帶作用下紅棗進行間歇循環干燥，從而保證紅棗干燥的均勻性；當紅棗達到設置的所需含水率時，循環干燥過程結束。

3干燥機智能測控系統的研究

根據干燥機的特點，可在熱風通道內部安裝組合型電加熱器，在干燥室兩端入口分別安裝溫度傳感器，可對電加熱器進行分段控制。為了實現溫濕度信號的準確反饋，在調質紅棗干燥機的干燥室內部、熱風通道、干燥室入口與出口均設置了溫濕度傳感器的測點。

3.1　干燥機系統傳感器測點的分布

結合調質紅棗干燥機的結構，對干燥室內部進行傳感器的布置，布置平面圖如圖3所示。干燥室入口1分別設有風速測點F01，溫度測點T03，濕度測點M01；干燥室入口2分別設有風速測點F02，溫度測點T04，濕度測點M01。在干燥室本體內部，分別在干燥室物料干燥處設有溫度傳感器T05、T06、T07測點，濕度傳感器M02、M03、M04測點。

圖3　干燥機內部傳感器測點平面布置圖

根據傳感器的檢測位置布置，設定各類測控儀表及控制單元的物理地址如表1所示。為提高溫度控制的精度，保證溫度控制系統的快速響應性，設置了多點溫度檢測，T01～T07為多段溫度檢測傳感器，分別測定熱風通道、入口、干燥室內部及出口溫度。濕度控制包括排溫與加濕系統的控制，M01～M04為濕度傳感器檢測裝置。風速控制與干燥溫度、干燥室空氣相對濕度密切相關。因此，在風機出口、干燥室入口和出口設置風速儀F01～F03，標定不同區間的風速變化，將風速變化值反饋至PLC處理系統，PLC通過模糊PID調節與計算，輸出給定風速值至變頻器，變頻器輸出合適頻率，確定風機的風速。

表1　各類測控儀表及控制單元的物理地址

3.2　干燥機系統的控制

干燥機的總體控制選用SIEMENS公司生產的 PLCS7-200，CPU224為控制核心，通過USB接口電路與上位機HMI人機界面進行連接；人機界面主要包括虛擬儀表、遠程監測控制圖表、報警和歷史數據的存儲記錄等。S7-200PLC系統連接了干燥機各電氣設備終端，包括電加熱控制系統、風機變頻控制系統、濕度控制系統及上料控制系統；干燥機內部的溫度、濕度、風速各測點信號通過差壓變送器進行信號放大后送至PLC的模擬量輸入口AIW0至AIW10。干燥機自動化控制系統結構圖如圖4所示。

調質紅棗干燥機自化控制系統核心部件選用PLCS7-200為控制核心，其CPU型號為224XP，主機基本單元自帶16路數字輸入信號、16路數字輸出信號。結合傳感器的測點布置，對模擬量模塊進行擴展處理，擴展模塊選用EM231，共形成12路模擬量輸入，其地址為AIW0至AIW12；14路模擬量輸出，其地址為AQW0至AQW14。硬件連接圖如圖5所示。圖5中：數字量輸入信號包括加濕控制信號、溫度控制信號、風機信號、上料系統信號及故障信號等；數字量輸出信號包括各系統的運行信號、控制輸出信號、變頻器調速信號及故障報警信號等；模擬量輸入信號與輸出信號包括各測點傳感器的濕度信號、溫度信號、風速信號的輸入與數據顯示等。傳感器信號輸入PLC內部后經程序比較及數據處理，向HMI傳送狀態信號，同時接收HMI的控制命令。

圖4　干燥機自動化控制系統結構圖

3.3　多段加熱器的系統控制

根據干燥室風溫控制模型，選用多段加熱控制方案，將陶瓷型電加熱器分成多段進行控制：第1段為KR1，第2段為KR2，第3段為KR3，具體的電氣圖如圖6所示。圖6中：變頻器主要控制風機出口風速，風機速度由PLC控制給定，通過轉速控制算法，給定風機轉速變化量，同時變頻系統對風速進行內部PID算法調節，達到風機風速穩定控制的目的；電加熱器由3段陶瓷型電加熱圈組成，KM1為總控制交流接觸器，對整個加熱器起通斷作用，K1～K3、K4～K6繼電器組成兩組繼電器，通斷信號由PLC程序給定，可分別對任意一個單獨的電加熱圈組進行分段加熱。PLC通過采集多段溫度值，內部程序根據加熱器控制傳遞函數計算出干燥機目標溫度值，向加熱器發出控制信號。當干燥機處于加速升溫階段時，KM1閉合，所有加熱器模塊投入加熱，干燥室處于快速加熱過程；當干燥室溫度接近PLC程序計算溫度時，K1～K3組繼電器動作，電加熱器KR3與KR2被短接而停止加熱，由KR1保持低速加熱；當干燥室溫度達到PLC程序計算溫度時，KM1斷開，由加熱器余熱繼續供干燥室達到實際的目標溫度。

圖5　PLC控制系統硬件連接圖

圖6　多段加熱控制系統原理圖

3.4　調質紅棗干燥機的人機工作界面

目前，與其他同類產品相比較，PLC控制的人機系統在兼容性、穩定性與設計靈活性上更具有優越性，在工業控制上得到了廣泛的應用。人機界面(Human Machine Interaction)簡稱HMI，是計算機與操作者之間進行信息交換、友好對話的工具。人機界面是實現控制系統與操作者之間信息傳遞的媒介，是自動控制最終實現智能化最重要的控制方式。基于PLC系統控制的紅棗干燥機在線控制采用Siemens公司開發的小型人機界面LeviStudio7.52系統進行開發。LeviStudio7.52系統具有豐富的圖形表達界面與控制手段，能更好地兼容PLC程序中的變量地址，具有較高的可應用性。調質紅棗干燥機的人機界面包括控制主界面、熱源控制界面、風機控制界面、干燥室工作界面及干燥室溫度與濕度數據記錄畫面。

人機主界面是與各工作界面的主要連接畫面，通過主畫面可以任意切換到各個控制單元的狀態畫面。主界面主要有登陸口令、干燥機整體控制界面，能全面地反映出干燥機的工作狀態。紅棗熱風干燥機實時控制系統主界面見圖7所示。主界面以圖形的形式向操作者展示，可以從主界面上看到加熱器、風機、干燥室及上料皮帶的運行狀態；同時能通過主按鍵進行系統的啟與停止等功能的操作，實現對每個分系統進行監控，通過圖形界面的選擇可以切換至各個分系統的工作界面。

圖7　紅棗熱風干燥機人機系統主界面

人機的其他功能還包括對干燥室內部溫度值與濕度值的數據反饋與數據記錄等。界面同時設計有歷史數據的顯示面畫，通過對干燥過程中各類數據的整理，數據以報表的形式輸出，方便了解干燥過程中溫濕度各數據的變化情況。

4干燥試驗

4.1　試驗材料與方法

調質紅棗干燥機如圖8所示。其它儀器設備包括：電子天平(CP3102型，奧豪斯儀器(上海)有限公司)，精密鼓風干燥箱(DHG-9125A型，上海和呈儀器制造有限公司)，數字式風速儀(AM-4201型，臺灣路昌電子有限公司)，溫濕度控制儀(XMT9007D型，余姚市長江溫度儀表廠)，溫濕度一體集成型傳感器(SHT71型，瑞士盛思銳)。

圖8　調質紅棗干燥機

按試驗要求設定干燥箱的溫度，預熱時間為30min；取出冰箱中保存完好，形狀圓潤的紅棗，等待其溫度達到室溫時再進行干燥。干燥機測試試驗按不同的溫度控制模式分2組進行，總時間為300min。一組為電加熱器多段控制模式下的干燥測試，另一組為未分段控制模式下的干燥測試。試驗時，按不同時間段對干燥機各測點的溫度及濕度值進行記錄。

4.2　試驗結果分析

1)整機性能測試。通過對樣機進行紅棗熱風干燥試驗，不同時間段干燥室內部的溫、濕度數據記錄如表2所示。表2中預熱階段的熱風干燥試驗結果表明：調質干燥機預熱階段試性能良好，在目標溫度為60℃時，預熱時間為20min，預熱效果良好；干燥機出口風溫與干燥室內風溫溫差約為10℃，熱風通道中的傳熱性能良好；風機電流輸出穩定，調速性能良好。

2)系統溫度控制性能測試。通過對調質紅棗干燥機進行300min加熱，對比得到相同時間段內的干燥室內部溫度變化，如圖9所示。結果表明：與分段控制相比較，電加熱器未分段控制方式下的溫度變化較大，干燥室內部的最高溫度波動達到5℃，主要體現在升溫階段與降溫階段溫度值波動較大，不利于精確的干燥室溫控制；多段控制方式下，電加熱器進行分段加熱控制，使干燥室溫度穩定在目標溫度，獲得了較優的控制效果。

表2　調質紅棗干燥機的試驗結果

圖9　不同控制方式下的電加熱器性能對比

5結論

1)調質干燥機預熱階段試性能良好，在目標溫度為60℃時，預熱時間為20min，預熱效果良好；干燥機出口風溫與干燥室內風溫溫差約為10℃，熱風通道中的傳熱性能良好；風機電流輸出穩定，調速性能良好。

2)調質紅棗干燥機進行300min加熱試驗表明：多段控制方式下，電加熱器進行分段加熱控制，使干燥室溫度穩定在目標溫度，獲得了較優的控制效果。

3)調質干燥機整體性能穩定，設備移動方便，可為南疆中小型紅棗干果加工廠提供干燥加工的思路。

參考文獻：

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Design and Test on Conditioning the Jujube Dryer Automatic Control System

Yi Xiaokang1,2, Chen Chao3, Hu Can1,2, Li Chuanfeng1,2, Wu Wenfu4

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Tarim University, Alar 843300, China; 2.The Key Laboratory of Colleges & Universities under the Department of Education of Xinjiang, Alar 843300, China; 3.Agricultural Machinery Manufacturing Co. Ltd., Alar 843300, China; 4.College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130022,China)

Abstract：the hot air drying is red jujube dry processing one of the most widely used drying technology. In the study of red hot air drying technology, drying equipment in the process of optimization, the parameters such as drying at room temperature, humidity stability control remains to be optimized and ascend. In this paper, aiming at the main characteristics of hot air drying equipment, integrated processing characteristics of southern Xinjiang red jujube, using PLC control technology and HMI online control technology, we design a conditioning red jujube dryer, has carried on the multistage to dryer temperature control, temperature control system was optimized. Dry heating test,tested by experimental prototype of the technical specifications of the prototype,the results show that tempering drying machine preheating stage performance is good, the target temperature of 60℃, preheating time for 20 min, preheating effect is good.Dryer export wind temperature and wind in drying chamber sent about 10℃, the heat transfer performance is good in hot air channel; Stable output current, fan speed control performance is good. Conditioning heating test showed that red jujube dryer for 300minutes more control mode, the electric heater of segmented heating control with the drying chamber temperature stability in the target temperature, the optimal control effect were obtained. Research for the southern Xinjiang small and medium-sized red jujube fruit processing plants provide drying equipment design reference.

Key words：jujube； hot-air drying；automatic control；conditinoning

中圖分類號：S226.6；S24

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0090-06

作者簡介：弋曉康(1976-)，男，陜西華縣人，副教授，碩士生導師，博士，(E-mail)yxkcn@163.com。通訊作者：吳文福(1965-)，男，蘭州人，教授，博士生導師，(E-mail)wwfzlb@126.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(31560479，31260288)

收稿日期：2015-11-14