基于PLC控制的微波干燥箱設計與研究

摘? 要：文章分析了微波干燥原理及特性，設計了一套基于PLC和觸摸屏等設備構成的自動控溫干燥箱。利用PLC編寫程序實現PID控制PWM輸出和SSR輸出，通過控制磁控管的開關狀態，實現溫度恒定控制;利用變頻器對系統參數進行調節和設置，觸摸屏監測生產過程中微波干燥箱內的溫度和濕度。該設備操作簡單，控制方便，自動化程度高，具備一定的推廣及應用價值。

關鍵詞：微波干燥箱;PLC;觸摸屏;PID控溫

中圖分類號：TP273? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）09-0026-04

Design and Research of Microwave Drying Oven Based on PLC Control

ZHU Xuefei

（Xinjiang Shihezi Vocational Technical College，Shihezi? 832000，China）

Abstract：This paper analyzes the principle and characteristics of microwave drying，and designs an automatic temperature control drying oven based on PLC and touch screen. The PID control PWM output and SSR output are realized by PLC programming，the temperature constant control is realized by controlling the switch state of the magnetron;the system parameters are adjusted and set by the frequency converter，and the temperature and humidity in the microwave drying box are monitored by the touch screen during the production process. The equipment is easy to operate，easy to control，high degree of automation，and has certain promotion and application value.

Keywords：microwave drying oven;PLC;touch screen;PID temperature control

0? 引? 言

新鮮水果和蔬菜的含水量大都超過90%，在采摘、運輸、銷售過程中稍處理不當便會腐爛。腌制、熏制等加工方法可以讓農產品長期貯存，但會導致營養損失嚴重且不利于健康。經脫水的干制果蔬食品綠色健康、易于保存運輸且能調節淡旺季供需矛盾，因此干燥是一項重要的農產品、食品加工技術。隨著農業機械、電氣控制技術快速發展，進一步研究開發節能型的干燥工藝技術和裝備及自動化控制系統將會成為今后重點研究和發展的方向。依托石河子職業技術學院計算機測控實驗室，筆者進行了探索和試驗。從結果來看，PLC控制的微波干燥箱能夠實現溫度控制，降低人工成本，提高生產效率，具備一定的實用價值。

1? 微波干燥原理與特點

微波是一種頻率范圍在300 MHz～300 GHz之間、方向和大小會隨著時間的推移作周期性變化的電磁波。微波加熱是利用介質損耗原理進行的，干燥過程中，水分子極易吸收微波，導致水的介質損耗因數比干物質大得多。物料中的極性分子吸收微波，并隨外電磁場的變化進行極性運動，同時以與微波頻率相同的速度進行摩擦碰撞，隨后產生熱能，達到加熱或者熟化效果[1]。

在農產品鮮果中，其極性分子為水分子。在微波作用下，鮮果中的水分會大量吸收微波能，并產生摩擦碰撞變成熱能，鮮果中的水升溫和蒸發同時進行。由于水分蒸發冷卻，內層溫度高于表層溫度，以至于內部快速形成的蒸汽產生壓力梯度，從而產生“泵”效應，驅使鮮果內部的水分流向表面，進一步加快鮮果微波干燥的速度[2]。

與常規干燥技術相比，微波干燥技術干燥速度快、效率高，采用微波干燥技術作業時，熱量產生于鮮果內部，在特定的微波功率、微波密度和強度下，短時間內即能達到干燥效果，比熱風、紅外等方式干燥速度快4～10倍;微波干制的鮮果品相好，營養物質破壞少，微波干燥過程中，加熱均勻，鮮果表面由于蒸發冷卻，溫度略低于內層溫度，因而能保證干制好的果體形狀均勻，果面潔凈，顏色鮮紅，有光澤;工藝先進，易實現自動化生產控制，通過控制磁控管輸出功率，即可控制干燥生產過程，控制系統自動化程度高，降低了人工成本;微波除了熱效應外還具有殺菌作用，微波可以穿透食物內部，能在較短時間和較低溫段達到消毒殺菌效果。實踐證明，經過2～3分鐘的微波加熱，可殺死大部分物料中的細菌，并能保證食品中的營養成分和風味[2]。

2? 微波干燥箱總體設計

微波干燥箱是由電源箱、微波發生器、微波干燥倉、傳送帶、控制臺、傳送電機、排濕換氣裝置、機架、微波抑制系統等組成。

微波系統主要包括微波發生器、散熱裝置和能量輸裝置。微波發生器由6個磁控管組成。磁控管是一種用來產生微波能的電真空器件，此次使用到的磁控管頻率為2450 MHz，功率900 W，每秒能產生約24億次振蕩。微波系統是干燥箱的熱源，通過波導裝置與干燥倉連通。

干燥倉是存放鮮果并實現干燥作業的空間，由鍍鋅白鐵皮制成。呈長方體，長200 cm，寬120 cm，高120 cm。正面有艙門，可通過把手打開艙門出入物料。艙門中間設有小窗，可觀測倉內工作情況。干燥倉上方與能量傳到裝置相連，接收磁控管發出的能量，用于干燥物料。左右兩側與微波抑制器相連，防止微波能量泄露，確保安全生產。

鮮果干燥過程中，大量水分從果體蒸發，干燥倉內空氣變得濕熱，鮮果干燥速度變慢。此時需要打開排濕換氣裝置，把濕熱空氣排出干燥倉，從外界引入干燥空氣，以保持鮮果內部與外界空氣的溫度差，保證鮮果干燥速度。排濕換氣裝置由抽濕電機和排氣管道構成。抽濕電機安裝在室外，類似家用空調的外機，用排氣管道與干燥倉相連，當傳感器檢測到干燥倉內空氣濕度達到上限，PLC控制抽濕電機開始工作，完成空氣交換。

微波是一種輻射源，若其泄漏會對操作人員造成傷害。為防止微波能量泄漏導致輻射危害、保證微波加熱設備運行的安全性，在干燥倉兩側設有抑制裝置，在干燥倉內每隔一段上下都安裝有不銹鋼抑制片，在微波干燥倉泄漏出來的微波能被不銹鋼抑制片反射回倉內。并在每個排氣扇的外側都安裝了多孔的金屬防護罩，最大限度減小微波泄露，確保微波漏能指標符合安全標準。同時在微波干燥腔上部采用旋轉拋物面的設計使微波射線的絕大部分垂直向下，也減少了絕大部分微波的泄露。檢修維護倉門的設計是在設備排故或停機清掃時使用、設備運行時嚴禁開啟。此處安裝有限位開關，在微波干燥設備運行時，如果有異常情況，設備立即停止，磁控管停止工作，控制系統發出聲光報警信號。

為了減少違規操作帶來的損失，在微波干燥箱上安裝智能儀表和聲光報警器，當某些參數超過設定值，能夠及時提示報警，盡快檢修以降低損失。

3? 微波干燥箱系統控制方案設計

3.1? 系統啟動初始化控制方案設計

控制系統是本研究設計的微波干燥箱行為決策和執行運動的核心處理單元。首先通過觸摸屏根據農產品的品種、采摘時間、含水率等設定干燥倉溫度、濕度參數標準值和傳送帶速度標準值。隨后點擊觸摸屏，啟動傳送帶電機、微波磁控管、送風電機及抽濕電機，通過PLC和變頻器控制加熱裝置和各電機工作狀態，鮮果隨傳送帶送入干燥倉，開始干燥作業。溫、濕度傳感器實時監測干燥倉內部參數，送入PLC，開啟PID控制，至此系統啟動初始化結束。

3.2? 設備通訊

本研究采用觸摸屏（HMI）作為上位機與可編程控制器（PLC）組成主從式網絡控制系統。PLC作為微波干燥控制系統的底層分散控制器，通過計算機編程軟件Micro-WIN編寫程序，通過模擬量模塊EM AM06來采集溫度信號。基于以太網的控制系統體系結構如圖1所示。

3.3? 控制器選型

常用的系統控制模塊有單片機控制系統、PLC控制系統及工業計算機控制系統。單片機控制系統價格低廉，但是開發周期長，后期運行成本高;工控機系統功能強大、穩定性好，但是性價比不高;PLC控制系統性能價格比高，可靠性高，抗干擾能力強并且系統的設計、安裝、調試更方便，因此選用PLC作為微波干燥箱的系統控制器。

結合控制系統應用場景，本文選擇西門子公司的S7-200 SMART系列PLC作為控制器，該系列PLC配備西門子專用高速處理器芯片，基本指令執行時間可達0.15 μs，在同級別小型PLC中遙遙領先。CPU模塊通過以太網接口可方便地與其他PLC模塊、HMI、計算機組網通訊，支持8路PID功能，可進行自動/手動切換及PID整定，配以方便易用的向導設置功能，快速實現設備調速、控溫等功能。SMART系列PLC采用模塊化結構設計，不但能降低用戶使用成本，而且可以通過相應模塊的擴展為后續系統的開發升級留有足夠的空間[3]。

本文設計的控制系統選擇兩臺不同輸出類型的PLC，分別是S7-200 SMART CPU ST30（下文簡稱ST30）和S7-200 SMART CPU SR40（下文簡稱SR40）。這是因為繼電器輸出可以帶交直流負載，但是由于繼電器本身的輸出特性決定了它不能高頻輸出，且繼電器通斷的壽命一般在10萬次左右，不適合頻繁通斷的場合;而晶體管型PLC適合高頻輸出，但是只能帶低壓直流負載。所以選擇SR40控制變頻器和三相異步電機，選擇ST30控制PWM（脈沖寬度調制）和固態繼電器輸出。

人機界面（HMI）是人與機器進行信息交流的場所，使用觸摸屏，監控人員可以修改系統參數設定以滿足不同工藝的需求，也可以從觸摸屏上直觀地了解設備的工作狀態和系統的運行情況，還可以對系統的運行過程進行監視，并顯示報警信息。觸摸屏選擇昆侖通態TPC7062Ti，該觸摸屏采用嵌入式一體化設計，高亮度TFT液晶顯示，分辨率高達800×480。選用ARM結構的低功耗CPU，主頻達到400 MHz，性能良好。該型號觸摸屏性價比高，支持U盤備份、恢復，操作更快捷、更方便;并且支持RJ45以太網通訊接口，與PLC組網通訊非常方便，能夠滿足微波干燥箱控制系統設計要求。

3.4? 電氣原理圖設計

系統控制電路接線電路如圖2所示。SR40作為主站結合變頻器控制物料輸送帶，結合交流接觸器控制送風電機和抽濕電機;ST30作為從站，實現PID控制PWM輸出和固態繼電器輸出，以控制磁控管的開閉，保持溫度恒定控制。系統控制電路接線圖如圖3所示。

3.5? 控制策略的選擇

從控制原理來講說，人們希望控制的輸出量保持在設定的數值，通常會使用開環或閉環控制。如果系統的輸入量與控制量之間關系穩定，干擾比較小可采用開環控制;當被控對象受干擾的影響，其實現狀態與期望狀態出現偏差時，通常選用閉環控制。

PID控制廣泛應用于溫控、水泵、伺服閥、運控等行業，是一種典型的閉環控制，程序設計簡單，參數調整方便。能夠在不獲取被控對象的數學模型的情況下，得到比較滿意的效果。S7-200 SMART系列PLC可以控制8個PID回路，控制器根據設定值與被控對象的實際值計算偏差，通過PID算法計算出控制器的輸出量，推動執行機構去影響被控對象的變化。

在S7-200 SMART系列PLC中的PID功能是通過PID指令功能塊實現。按照采樣時間周期執行PID功能塊，按照PID運算規律，根據當時的給定、反饋、比例積分微分數據，計算出控制量。西門子S7-200 SMART系列的編程軟件STEP 7-Micro/WIN SMART提供了PID指令向導，以方便地完成這些轉換標準化處理，除此之外，PID指令同時也會被自動調用。

系統啟動時，上位機設定溫度值發送至PLC，由PLC控制觸發模塊，觸發模塊控制固態繼電器導通，磁控管得電開始工作，干燥倉內溫度上升。熱電阻PT-100為溫度檢測元件，測量并經溫度變送器給出為單極性電壓模擬量，變送器將此信號轉換為標準電流信號傳輸至PLC的模擬量輸入模塊，經過PLC處理后作為溫度過程變量PV;將其與溫度設定值SV二者的差值進行PID運算，得到溫度偏差值EV;PID調節器根據偏差值EV運算輸出，輸出值是送至加熱器磁控管的PWM信號，其允許變化范圍為最大值的0%～100%;通過控制固態繼電器的開關狀態，調整磁控管的功率，實現溫度的恒定控制，如圖4所示[4]。

PID溫度控制模塊的PLC梯形圖如圖5所示。首先對PID初始化參數進行設定，分別對給定量、增益、采樣時間、積分時間常數、微分時間常數進行設置。其中給定量50為工程量，PID需要0.0到1.0的實數，因此50除以總量程500，將其轉化為0.0～1.0的實數。此外，在尋找合適的增益和積分時間常數時，先給增益賦一個較小的值，給積分常數一個較大的值，保證不會出現較大的超調，經過一點點嘗試，最后找到最佳參數。微分時間通常設置為0[5]。

4? 結? 論

本研究利用現代電氣控制技術，設計了基于PLC控制的微波干燥箱，溫度控制精度達到±1 ℃。新疆地區盛產的辣椒、葡萄和紅棗等農產品長期以來都是采取自然晾曬的原始干燥技術，本研究對我區農產品干燥規模化、自動化有一定的意義。

參考文獻：

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[2] 葛新鋒，劉存祥.金銀花環形微波干燥裝置的設計與研究 [J].食品科技，2010，35（1）：116-119.

[3] 陳忠平，侯玉寶，李燕.西門子S7-200 PLC從入門到精通（雙色版） [M].北京：中國電力出版社，2015.

[4] 雷威，李彥明，凌曉，等.基于PWM的相變熱管溫度分段控制系統設計 [J].測控技術，2014，33（8）：72-74+79.

[5] 韓相爭.西門子S7-200 SMART PLC編程技巧與案例 [M].北京：化學工業出版社，2017：208-218.

作者簡介：朱學飛（1984.12—），男，漢族，新疆石河子人，講師，碩士，研究方向：電氣自動化。