烘烤溫濕度綜合控制儀的研究

李世軍

（開封大學 電子電氣工程學院，開封 475000）

農副產品的烘干是收獲的重要和增值環節。全國各地根據傳統傳承、農副產品干燥特性建造有多種燒煤的烘干房，統稱烤房。這類烤房都是燃煤烘烤，燃煤污染大，操作者勞動強度也大。隨著我國環保要求的提高，新能源無污染烘烤在全國范圍內蓬勃開展。近年來，空氣源熱泵烤房、生物質熱能烤房（用生物質顆粒燃燒機替代燃煤熱源）得到了廣泛應用。

對于燃煤烘干，溫濕度控制技術及其應用已經碩果累累[1-6]，但是由于沒有解決自動加煤問題，真正意義上的自動控制尚未實現。無疑，對空氣源熱泵烤房、生物質熱能烤房的控制必須達到能夠無人值守，不僅使烘干節能環保，還要使工作人員從繁瑣的加煤勞動中解放出來，降低勞動強度，創造更大價值。雖然不同的加熱方式，其控制輸出形式及特性有所不同（空氣源熱泵烤房有多組熱泵機組交替工作和變頻控制等形式，前者根據烤房內溫濕度需要使熱泵機組交替或一同工作，后者根據烤房內溫濕度需要通過改變壓縮機電源工作頻率達到控制目標），但控制量都是烤房內的溫濕度，其采集方式相同，排濕方式類似，其他執行裝置也類似。因此，研究開發能夠自動控制燃煤烤房、空氣源熱泵烤房、生物質熱能烤房的溫濕度綜合控制儀是可行的，且具有廣泛的推廣價值。

1 設計方案與技術指標

1.1 輸入與輸出

1.1.1 輸入

該系統的輸入信號為烤房內的干球溫度和濕球溫度信號。為了便于觀察烤房內的溫差并作為系統備用，系統使用2組傳感器組件，一組是主控傳感器組件，另一組是輔控傳感器組件。每組傳感器組件都有2個DS18B20溫度傳感器，其中一個檢測干球溫度，另一個由滲入水壺中的紗布包裹用于檢測濕球溫度。DS18B20是數字溫度傳感器，其測量溫度范圍為-55～125℃，精度為0.5℃，完全能滿足烘干領域的使用要求。

1.1.2 輸出

為了滿足不同類型烤房的輸出需求，對燃煤烤房、空氣源熱泵烤房和生物質熱能烤房的輸出通道進行整合，規劃3組AC 220 V輸出通道和2組DC 12 V輸出通道。輸出通道定義見表1。

表1 輸出通道定義Tab.1 Output channel definition

對于空氣源熱泵烤房，一般是2個熱泵機組組合使用，合理控制熱泵機組的運行與停止是供熱控制的核心；控制儀對熱泵機組僅提供啟、停控制信號，熱泵機組內部的配電系統獨立于烤房控制系統；熱泵烤房的排濕系統除循環風機外，還有補風門、排濕門、回風門和冷風門，補風門、排濕門、回風門是分步協調動作一致的[7]，所以可用一組信號進行控制，冷風門只有開和關2種狀態，有排濕就關閉（使除濕后的熱空氣進入烤房），無排濕就打開。（免蒸發器出來的冷風進入烤房）

對于生物質熱能烤房，循環風機和排濕的工作方式與其他形式的烤房是相同的，燃燒風量隨送料量的變化而變化，燃燒風量不足時生物質燃料燃燒不充分，風量過大會將未燃盡的生物質燃料吹出生物質燃燒機爐膛[8]；送料量隨溫度的要求而變化，升溫時需要增大進料量，穩溫時需要減小進料量；為保證溫度、送料、風量三者統一協調，把送料量和燃燒風機風量由小到大分成10檔，以利于溫度變化的需要。從控制角度考慮，生物質烤房的燃燒風機需要多種速度，燃煤烤房的助燃風機、熱泵烤房的熱泵是燃燒風機控制的特例；生物質烤房的除渣是定時除渣，控制信號與熱泵烤房的冷風門性質相同。

1.2 主要技術指標

綜合控制儀的主要技術指標如下：

有效測控范圍 20～80℃；

顯示分辨率 0.1℃；

測量精度 0.5℃；

控制精度 ±1℃；

使用電源 AC 220（1±10%）V/50 Hz。

2 控制原理

當前大部分烤房的加熱室和烘干室是分離的，加熱室的熱量通過循環風機的熱風進入烘干室實現烘干。烘干室干球溫度和濕球溫度相應的滯后和非線性比較嚴重，難以建立數學模型，而采用模糊控制較適合。模糊控制是一種自動控制，以模糊數學、模糊語言和模糊邏輯為理論基礎。模糊控制系統是一種具有閉環結構的數字控制系統[9]。

設Et為烤房內的干球溫度的溫度偏差，Et=Tt-T，其中，Tt為目標溫度（升溫時為按升溫速率設定的計算值，穩溫時是設定的穩溫溫度）；T為測得干球溫度。Et′為溫度偏差隨時間的變化率。

將Et分為4個模糊子集。設定溫度回差值為δ，則4個子集及其對應的偏差取值范圍分別為

B（大），δ≤（Tt-T）；

M（中），0≤（Tt-T）＜δ；

S（小），-δ＜（Tt-T）＜0；

N（負），（Tt-T）＜-δ。

將Et′分為3個模糊子集，3個子集及其對應偏差變化量的取值范圍分別為

P（正），（Tn-Tn-1）＞0；

Z（零），（Tn-Tn-1）=0；

N（負），（Tn-Tn-1）＜0。

其中，Tn為本次采樣測得的干球溫度；Tn-1為上次采樣測得的干球溫度。

設Ct為加熱輸出，對于熱泵烤房，將其分為4個模糊子集，即PB（2組熱泵開）、PM（1組熱泵開）、PS（保持）、0（2 組熱泵停）；對于生物質熱能烤房，將其分為3個模糊子集，即B′（風量和進料加檔）、M′（風量和進料保持）、S′（風量和進料減檔）。熱泵烤房和生物質烤房干球溫度模糊控制規則分別見表2，表3。

表2 熱泵烤房干球溫度模糊控制規則Tab.2 Fuzzy control rule of dry bulb temperature in heat pump barn

表3 生物質烤房干球溫度模糊控制規則Tab.3 Fuzzy control rule of dry bulb temperature in biomass barn

設Em為烤房內的濕球溫度偏差，Em=M-M0，其中，M0為穩溫濕球溫度；M為測得濕球溫度。Em′為偏差隨時間的變化率。將Em分為3個模糊子集，即B1（大）、M1（中）、S1（小）。 其對應偏差取值范圍分別為（M-M0）≤0，0＜（M-M0）＜δ，（M-M0）≥δ，其中 δ為設定的回差值。將Em′分為3個模糊子集，即P（正）、Z（零）、N（負）。其對應偏差變化量的取值范圍分別為（Mn-Mn-1）＞0，（Mn-Mn-1）=0，（Mn-Mn-1）＜0，其中，Mn為本次采樣測得的濕球溫度；Mn-1為上次采樣測得的濕球溫度。

設Ch為排濕輸出，將其分為5個模糊子集：

GK（補風門、排濕門全關，回風門全開）；

KB（補風口、排濕門開一步，回風門關一步）；

BC（補風門、排濕門、回風門保持）；

GB（補風口、排濕門關一步，回風門開一步）；

KG（補風口、排濕門全開，回風門全關）。

烤房濕球溫度模糊控制規則見表4。

表4 烤房濕球溫度模糊控制規則Tab.4 Fuzzy control rule of wet bulb temperature in roast barn

3 儀器構成

3.1 硬件系統

所研制的綜合溫濕度控制儀中，以PIC18f46k80單片機為核心構成儀器的硬件系統，這是集溫濕度采集與處理、顯示操作、自動控制為一體的閉環控制系統。系統硬件構成如圖1所示。

圖1 系統結構Fig.1 System structure

PIC18f46k80是工業控制中最常用的芯片之一，具有片內3.3 V穩壓器，運行速度高達64 MHz，有64 kb片上閃存程序存儲器，3.6kb的通用寄存器，I/O接口多達35個，可在線編程，完全能滿足系統要求。

外存儲器用于存儲烘烤工藝參數和記錄烘烤歷史數據等，外存儲器芯片采用24C256，除能夠存儲4條工藝曲線參數外，還能存儲10×150組數據，故通過顯示操作模塊可查詢歷史記錄。

控制選擇模塊用以人工選擇控制方式，2組傳感器組件可選任一組為主控傳感器；循環風機、熱泵可選擇繼電器輸出控制或變頻輸出控制；報警形式可選擇語音報警或蜂鳴報警等。

輸出控制模塊包含3路AC 220 V繼電器輸出（6個繼電器）和2路DC 12 V全橋驅動輸出；使用TA8428K全橋驅動器，能夠控制正、反轉、停止和制動，輸出平均電流 1.5 A（峰值 3.0 A），具有熱關斷和短路保護功能，且理論壽命無窮大，徹底解決了繼電器的機械壽命無法滿足風門使用壽命問題。

開關電源模塊為系統提供5 V和12 V直流電源，電源防雷等級達到4 kV，通過電流互感器和電壓互感器將循環風機的工作電壓和電流傳給CPU，穩壓采用開關電源芯片LM2576S-5.0和 LM2576S-12，防雷效果良好，電源性能穩定。

系統時鐘模塊采用DS1302時鐘芯片，配以0.47 F電容形成掉電支持，一般在調試后校對一次時鐘即可。通訊模塊采用RS485接口，支持Modbus協議，用于集中控制或網絡控制。

3.2 軟件系統

軟件系統由循環風機電流和電壓采集模塊、顯示操作模塊、干濕溫度采集處理模塊、參數設置模塊、干球溫度控制模塊和濕球溫度控制模塊、報警模塊組成。其主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程Fig.2 Main program flow chart

循環風機可以人工開啟，也可以自動控制，循環風機開啟后系統自動獲取其工作電流和三相電壓，并根據獲取的工作電流自動設置循環風機電機的保護電流。

為了避免單次采樣毛刺造成執行部件誤動作，提高系統控制的可靠性，干濕溫度采集處理模塊以連續10次采樣為樣本進行處理，去掉1個最大值和1個最小值，以平均值作為本次采樣結果用以顯示、存儲。

干濕溫度控制模塊由燃煤烤房溫濕度控制模塊、熱泵烤房溫濕度控制模塊和生物質烤房溫濕度控制模塊組成，根據供熱方式實施相應的控制。干濕溫度控制模塊實現對烘干過程干濕溫度自動檢測、控制和超限報警等。系統按設定時間間隔不斷比較得出干濕溫度偏差 Et，Em及其變化率 Et′，Em′，然后從模糊控制表中查找對應的控制對象，驅動加熱或排濕。

報警保護模塊把實測參數與目標參數比較，實施報警保護：當實際溫度在目標溫度±1℃范圍以外時，系統語音溫度超限報警；當電源缺相時，語音報警并停止運行；當供電電壓不在額定電壓±20 V以內時，系統語音電壓超限報警并實施保護，當系統電壓正常時自動恢復正常運行；當循環風機的工作電流大于等于其保護電流時，系統語音電流超限報警，并實施保護（停止循環風機運行）。

4 結語

溫濕度綜合控制儀研制成功后，于2017年7月～11月在四川涼山州、廣元市和貴州畢節3個地區各投放了20臺，在煙葉烘烤、茶籽烘烤方面進行長時間的運行試用，取得良好效果。該控制儀應用于烤煙的熱泵烤房，干球溫度實際控制精度在目標干球溫度±0.7℃以內，濕球溫度實際控制精度在目標濕球溫度±0.5℃以內；應用于烤煙的生物質熱源烤房，干球溫度實際控制精度在目標干球溫度±0.8℃以內，濕球溫度實際控制精度在目標濕球溫度±0.5℃以內；與單獨控制生物質熱源方法對比，配風、供料更加科學合理，平均每烤能節省生物質顆粒燃料80～100 kg。

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[9] 潘新民，王燕芳．微型計算機控制技術[M]．北京：電子工業出版社，2003：329-334．■