密封式隧道型電烘爐的分區(qū)結(jié)構(gòu)與溫控技術(shù)*

林若波林榮才

（1.揭陽職業(yè)技術(shù)學院2.廣東豐盛食品機械有限公司）

密封式隧道型電烘爐的分區(qū)結(jié)構(gòu)與溫控技術(shù)*

林若波1林榮才2

（1.揭陽職業(yè)技術(shù)學院2.廣東豐盛食品機械有限公司）

針對傳統(tǒng)敞開式隧道爐的不足，提出一種密封式隧道型電烘爐的分區(qū)結(jié)構(gòu)，采用分區(qū)隔熱加熱技術(shù)，實現(xiàn)分區(qū)溫度精準控制；通過密封式熱風循環(huán)系統(tǒng)，提高溫度控制穩(wěn)定性，并達到節(jié)能效果；最后提出一種變速積分PID算法，解決溫度滯后的非線性問題，實現(xiàn)快速控溫。測試結(jié)果表明：密封式隧道爐比傳統(tǒng)隧道爐控溫穩(wěn)定速度更快，溫度波動更小，范圍控制在±1oC，達到精準控溫效果。

密封式；隧道型；分區(qū)結(jié)構(gòu)；變速積分

0 引言

烘烤是餅干生產(chǎn)成型必不可少重要工藝，而溫度控制是直接關(guān)系到餅干成型質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，是餅干生產(chǎn)成型裝備的核心問題之一。烘烤工藝常采用隧道爐加熱方式，隧道爐的溫度控制與回風量控制對降低成本、高效節(jié)能有著重要的意義。關(guān)于溫度控制技術(shù)，國內(nèi)外學者做了大量有益的研究，主要集中在控制算法與新型爐具結(jié)構(gòu)設(shè)計上。Sanchez(2007)基于變頻技術(shù)，研究一種節(jié)能模糊PID算法[1]；孟文雅(2010)采用灰色預測與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合的方法對隧道窯系統(tǒng)進行控制，很好地解決隧道窯系統(tǒng)的溫度滯后問題[2]；Li等(2013)研究一種級聯(lián)模糊算法（C-Fuzzy-PID），較好實現(xiàn)高速熱風隧道的溫度節(jié)能控制[3]。結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，文獻[4]報道一種新型隧道爐結(jié)構(gòu)，在進料口、出料口設(shè)置彎形擋熱板，一定程度提高加熱段的保溫能力；林若波等(2014)突破傳統(tǒng)敞開式結(jié)構(gòu)設(shè)計的弱點，設(shè)計一種密封式隧道型鏈網(wǎng)回鏜裝置，減少非工作段鏈網(wǎng)的熱量損失，達到節(jié)能效果[5]。本文在此基礎(chǔ)上，進一步闡述其分區(qū)結(jié)構(gòu)特點，采用分區(qū)隔熱加熱技術(shù)，基于熱風循環(huán)系統(tǒng)，采用變速積分PID算法，并通過PLC控制，解決溫度滯后的非線性問題，實現(xiàn)溫度的精準控制[6-8]。

1 密封式隧道爐的分區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)隧道爐采用敞開式結(jié)構(gòu)，僅包括內(nèi)框架、外框架、底架和頂架組成的電烘爐，內(nèi)框架四周與底架、外框架和頂架間鋪設(shè)保溫材料組成烘烤空間。這種電烘爐沒有熱風循環(huán)系統(tǒng)，在排除廢氣的同時帶走大量熱量，使電烘爐效率低下。改進后的密封式隧道爐分區(qū)結(jié)構(gòu)模型包括爐體、電熱管、輸送平臺和循環(huán)熱風裝置，如圖1所示。爐體分設(shè)4個區(qū)域，即一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)和四區(qū)，每個區(qū)域中設(shè)置有排氣裝置和電熱管，且每個區(qū)域間均由隔板和隔熱裝置隔開。熱風循環(huán)裝置由回風管道和熱風管組成，通過把四區(qū)的熱風循環(huán)到一、二、三區(qū)，以提高熱效率。保溫裝置中使用保溫材料，可有效減少區(qū)域間的熱傳導，減少由溫差引起的對流傳熱，上下的兩個開口可讓鏈網(wǎng)在爐膛中正常運動。分區(qū)結(jié)構(gòu)能有效提高隧道爐的熱效率及各分區(qū)間溫度控制的精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，使烘烤食品色澤更均勻。

圖1 密封式隧道爐分區(qū)結(jié)構(gòu)模型

2 密封式隧道爐的分區(qū)溫度控制

基于分區(qū)隔熱加熱的隧道爐總體控制結(jié)構(gòu)包括PLC控制模塊、溫控模塊和回風控制模塊，如圖2所示。PLC控制模塊實現(xiàn)對溫控模塊、回風控制模塊的控制；溫控模塊實現(xiàn)不同分區(qū)溫度的調(diào)節(jié)控制；回風控制模塊實現(xiàn)熱風循環(huán)系統(tǒng)的回風量控制等功能。

圖2 基于分區(qū)隔熱加熱的隧道爐總體控制結(jié)構(gòu)圖

2.1 分區(qū)隔熱加熱的溫度控制

為實現(xiàn)不同分區(qū)溫度的調(diào)節(jié)控制，圖3給出基于分區(qū)隔熱加熱的隧道爐溫控模塊原理圖。該模塊主要包括：控制面板、繼電器、溫度傳感器、電熱管、電源和變頻器等。PLC控制模塊選用信捷XC3-14T-C，溫度傳感器選用瑞利威爾JWB/C型溫度變送器。溫度傳感器實現(xiàn)溫度反饋調(diào)節(jié)功能，將烤爐內(nèi)的實際溫度信息反饋給PLC；繼電器通過PLC的控制實現(xiàn)對電熱管的開關(guān)控制；PLC則根據(jù)其反饋信息發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)請求。每個分區(qū)均通過自身加熱和熱風循環(huán)調(diào)節(jié)，并通過隔熱板進行隔熱，實現(xiàn)各個分區(qū)溫度的精準控制。

圖3 隧道爐溫控模塊原理圖

2.2 熱風循環(huán)系統(tǒng)的回風量控制

為突破傳統(tǒng)敞開式結(jié)構(gòu)設(shè)計的弱點，本文除了采用密封式隧道型電烘爐鏈網(wǎng)回鏜結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高熱能利用效率之外[5]，還構(gòu)建了隧道爐的熱風循環(huán)系統(tǒng)。基于分區(qū)隔熱加熱的隧道爐回風量控制模塊圖如圖4所示，主要包括：第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、鼓風機和可控流量閥等。其中第一溫度傳感器實現(xiàn)溫度反饋調(diào)節(jié)功能，將烤爐內(nèi)的實際溫度信息反饋給PLC。第二溫度傳感器實現(xiàn)溫度反饋調(diào)節(jié)功能，將熱風循環(huán)管內(nèi)的實際溫度信息反饋給PLC，同時PLC將第一溫度傳感器反饋的爐內(nèi)實際溫度與其進行比較，經(jīng)過處理后，根據(jù)實際需要，控制可控流量閥的流量與流速，從而實現(xiàn)高效節(jié)能的目的。鼓風機則實現(xiàn)加速熱風循環(huán)功能，促進熱風的循環(huán)利用，達到溫度控制平穩(wěn)的目的。

圖4 隧道爐回風量控制模塊圖

3 分區(qū)溫度變速積分PID控制仿真與實現(xiàn)

3.1 變速積分PID理論模型

隧道式電烘爐的整個溫度控制，簡化為對4個分區(qū)特定點的溫度定值控制，即將電烘爐分成4個區(qū)，每1區(qū)選擇1個測溫點作為溫度控制點。電烘爐是典型的一階慣性延時對象，其控制模型為

傳統(tǒng)PID過程控制可以有效解決線性定常問題，但對于生產(chǎn)中大滯后、大時間常數(shù)的非線性復雜工業(yè)控制對象，很難獲得精確的數(shù)學模型[9]。本文采用變速積分PID可較好地解決這個問題，其基本思想是設(shè)法改變積分項的累加速度，使其與偏差大小相對應(yīng)，偏差越大，積分越慢，反之則越快。

設(shè)積分系數(shù)f是e(k)的函數(shù)，e(k)增大時，f減小，反之增大。變速積分PID表達式為

系數(shù)f與偏差當前值|e(k)|的關(guān)系可設(shè)為

3.2 變速積分PID仿真與測試

設(shè)仿真的采樣時間為2 s，延遲時間為4個采樣時間，即8 s，被控對象可離散化為

PID整定參數(shù)設(shè)為kp=0.5，ki=0.05，kd=0.0，A=40，B=60，假定輸入設(shè)定溫度為T1=100oC，常規(guī)PID和變速積分PID仿真的輸出溫度曲線如圖5所示。

圖5 常規(guī)PID和變速積分PID仿真圖

從溫度仿真的暫態(tài)過程看出：常規(guī)PID達到穩(wěn)定約需90s，變速積分PID僅需75s。可見，采用變速積分能有效減小溫度控制的滯后時間。

為評估密封式隧道爐的分區(qū)溫控效果，對廣東某食品有限公司的DKDRF 100型電烤爐進行測試。現(xiàn)場測試結(jié)果表明：4個分區(qū)溫度很快達到穩(wěn)定，且比傳統(tǒng)隧道爐波動小，波動范圍控制在±1oC，測試現(xiàn)場溫控圖如圖6所示。

圖6 4個分區(qū)的溫度控制狀態(tài)圖

4 結(jié)論

1)提出一種密封式隧道型分區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用分區(qū)隔熱加熱技術(shù)，有效提高隧道爐的熱效率，實現(xiàn)分區(qū)溫度的精準控制。

2)提出一種密封式熱風循環(huán)系統(tǒng)，通過PLC實現(xiàn)回風量控制，提高溫度控制穩(wěn)定性，并達到節(jié)能效果。

3)提出一種變速積分PID算法，解決溫度滯后的非線性問題，實現(xiàn)快速控溫。

4)通過測試密封式隧道爐的分區(qū)溫控效果，結(jié)果表明：密封式隧道爐比傳統(tǒng)隧道爐控溫穩(wěn)定速度更快，溫度波動更小，范圍控制在±1oC，達到精準控溫效果。

[1]Sanchez Edgar N,Becerra Hectorm,Velez Carlos M. Combiningfuzzy,PIDandregulationcontrolforan autonomousmini-helicopter[J].InformationSciences, 2007(177):1999-2022.

[2]孟文雅.基于灰色預測的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID在隧道窯控制中的研究[D].沈陽:東北大學,2010.

[3]Li Yunhua,Cai Chaozhi,Lee Kok-Meng,et al.A novel cascadetemperaturecontrolsystemforahigh-speed heat-airflow wind tunnel[J].IEEE-ASME Transaction on Mechatronics,2013,18(4):1310-1319.

[4]張宗報.一種隧道爐:中國,CN201010182417.6[P].2010-09-22.

[5]林若波,林榮才,劉桂雄.密封式隧道型電烘爐鏈網(wǎng)回鏜結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機床與液壓,2014,42(13):109-112.

[6]林榮才,楊轉(zhuǎn)正,林娥卿,等.一種基于分區(qū)隔熱加熱的餅干電烤爐控制設(shè)備:中國,CN201320487815.8[P].2014-01-08.

[7]林榮才,楊轉(zhuǎn)正,林娥卿,等.一種具有分區(qū)加熱隔熱的餅干電烤爐:中國,CN201320487363.3[P].2014-01-08.

[8]林榮才,楊轉(zhuǎn)正,林娥卿,等.一種餅干電烤爐循環(huán)熱風系統(tǒng):中國,CN201320488470.8[P].2014-01-08.

[9]滕立國,桂衛(wèi)華.智能PID在隧道式電烘爐上的應(yīng)用[J].微計算機信息,2007,23(9-1):93-94,101.

Partition Structure and Temperature Control Technology of Seal-Style Tunnel Electric Oven

Lin Ruobo1Lin Rongcai2
(1.JieyangVocational and Technical College2.Guangdong Fengsheng Machinery Co.,Ltd.)

Aiming at the existing problems of the traditional open type tunnel oven,the partition structure of seal-style tunnel electric oven is developed,which uses the partition heat insulation technology to realize accurate control of the temperature of zone, improve temperature control stability and energy saving by means of seal-style heated air circulation system.The paper proposes a gearshift integral PID algorithm to solve the problem of temperature hysteresis nonlinear and achieve rapid temperature control.The test results show that the steady speed of seal-style tunnel oven is faster than traditional tunnel oven with small-fluctuation temperature of±1oC control scope.

Seal-Style;Tunnel;Partition Structure;Variable Speed Integral

林若波，1974年生，碩士，教授，主要研究方向：機電一體化技術(shù)。E-mail:linruobo@126.com

揭陽市產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究與開發(fā)資金計劃項目（201409）