基于PLC的食品加工用烘干設備的研究與應用

湖南文理學院計算機與電氣工程學院 彭 琛 曾 昱 黃 爽 周靈杰

食品烘干對于食品的儲存是非常重要的。本文主要研究和設計了針對食品烘干設備的自動控制，自動控制主要實現了對烘干室和燃燒室的控制，其中主控制系統利用PLC作為主控制器實現自動控制，針對烘干過程中出現了各種問題進行了解決，提出了單行控制和采用PWM控制，讀取溫度傳感器的數據，利用PID算法計算PWM參數。相對于傳統的烘干工藝，食品的烘干效率得到了大幅提高。

我國農業生產與發達國家相比我國的食品烘干機的使用度不高，根據資料顯示我國每年到了豐收的季節由于天氣原因不能嗮干糧食，導致了每年都要損失掉很多糧食。根據資料顯示，在我國大部分糧食是在農民的倉庫儲存著，但是農民沒有完備的烘干裝置，也沒有很好的儲存糧食的倉庫，因此，怎樣才能讓農民手中的糧食完好的儲存減少損失這成了當務之急，在我國人口眾多并且人均耕地面積少所以研制出一套食品烘干設備是非常有必要的。并且在出售食品的時候要是食品沒有烘干完全，那么儲存在倉庫里的糧食就會起蟲，卵蟲進行繁殖會對倉庫里的糧食造成損壞的作用。從而，降低了食品的品質，這會對該食品的口味以及價格會有很大影響。在我國加入世貿組織之后，與其他國家相比我國的農副產品是處于很不利的局面。所以要根據我們國家的國情來研制適合我國的一種可以移動的食品烘干設備這將對我國農業產值產生積極的作用。

在1950年的時候我國從蘇聯引進了烘干設備，在那個時期我們國家也在引進其他國家的烘干設備，90年代以后，正是因為我國對各個國家的烘干機的開始引進我國慢慢的開始吃透了外國的烘干技術，并且自我消化掉了，經過很長一段時間的技術積累終于開發出了適合我國國情的烘干機例如5HX、5HG、5HF、這些型號的食品烘干機。現在，我國自主研發的食品烘干機設備已經有20多家公司可以生產出來，并且小型的烘干機可以烘干高水分糧食50t，大型的烘干機可以烘干1000t，這些成就得益于我國科研人員的努力與辛勤付出。正是因為我國從外國引進了許多種型號的烘干機設備，在這些設備中我國已經掌握了這些型號的烘干機技術，因此我國的烘干機開始創新，并且逐步開始趕超發達國家的烘干機設備。雖然現在國內有很多廠家可以研制食品烘干機設備，這些公司研制的烘干機設備都有許多的優點，但是在我國的農業生產中卻很難普及開來，原因是我國只注重技術的研制，卻忽視了烘干基礎學得研究，這導致我國研制的烘干機設備有力沒地方使，所以我國的烘干機設備還是沒有普及開來，以后我們要加強烘干基礎學得研究，這樣才難是我國的研制的烘干機設備在農業生產中普及開來。

現在，如今在國際上生產混流失烘干機設備的公司還是比較多的，有德國的Stela和Simcco，美國的阿爾格萊德（Aeroglide）和Lsu加拿大的沃太克（Vertec），丹麥的希伯里亞（Cimbria），法國的拉富（Law）和Fao，英國的凱瑞（Carier），瑞典的斯維格碼（Swegma），美國的阿爾格萊德（Aeroglide）和Ls等幾十家。從這些發達國家的烘干設備中的引進對我國的烘干設備的發展的影響是非常巨大的，例如烘干機的糧食一開始是從中間進去然后再兩端進去的美國阿爾格萊德（Aeroglide）；丹麥希伯里亞（Cimbria ）烘干機是采用截面烘干；這個可以避免由于烘干接觸面太大產生烘干不是很均勻的問題。在發達國家的烘干機對計算機控制烘干機來實現烘干控制的投入比較多并且在混流式烘干方面外國研制出來的烘干機都是比較先進的。

1 系統的硬件設計

因為露天晾曬易受天氣的影響比如說下雨、天氣不好等。我們國家人口眾多對于糧食保存來說這是非常非常重要的。糧食烘干實際上就是能量與質量進行交換的過程，從各個方面來看，它具有變量多、滯后大和非線性的特點。我國每年到了收貨的季節都會損失15%的糧食，在這些損失的糧食中因為烘干不完全損失了5%～7%，這等于是說損失了2500～3000萬t的糧食，在本文中主要介紹一種基于現代可編程控制器技術（PLC）對食品烘干機的自動控制，主要包含進料、循環烘干、自動調溫、合格食品出料的自動控制。本文主要設計了提高烘干效率的食品加工用的烘干控制系統。在硬件設計部分包括溫度傳感器、濕度傳感器、稱重傳感器及PLC選型，還有提升機的選型以及總體設計。本文設計的食品烘干裝置的工藝流程圖如圖1所示。

圖1 食品烘干工作框圖

工作原理：當食品進入料斗時會對其重量進行稱重，如果符合重量范圍要求則啟動提升機、上絞龍電機 ，然后食品經上絞龍電機進入烘干室進行升溫烘干，如果食品烘干的指標達標的的話那么就由排糧管進行排糧然后打包儲藏，否則由排糧輪、絞龍機、提升機帶入烘干室繼續烘干。功能簡介：（1）稱重傳感器：測量并顯示該食品的重量。（2）溫度傳感器：測量并顯示烘干室的室溫。（3）濕度傳感器：測量并顯示烘干室的濕度情況。（4）提升機：主要將食品提升至烘干室。（5）烘干加熱：對食品進行加熱烘干。（6）打包儲存：將加熱烘干后的食品儲存倉庫。

1.1 主電路和PLC控制系統接線圖設計（如圖2、圖3所示）

圖2 烘干機主控制電路圖

圖3 PLC控制系統接線圖

接觸器KM1線圈得電，主觸點閉合提升機電機M1正轉，食品上升；接觸器KM2線圈得電，主觸點閉合提升機電機M1反轉，食品下降。KM3閉合上絞龍電機M2，啟動食品烘干達標后可排糧，KM4閉合下絞龍電機M2啟動循環烘干，KM5閉合排糧輪電機M3打開工作。輸入端主要有啟動、停止、急停按鈕，擴展的AD模塊有稱重傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器，系統啟動稱重傳感器檢測到物體提升機正轉上升，否則提升機反轉下降，上絞龍將食品帶入烘干室，又濕度檢測傳感器檢測濕度是否達標達標則，啟動排練管否則啟動下絞龍機繼續循環烘干。

1.2 PLC控制系統可擴展模塊

如圖4所示，稱重傳感器對食品的重量進行稱量，當提升機感應到食品重量那么提升機正轉食品上升，濕度和溫度傳感器在烘干室內對食品的溫度、濕度進行測量如果滿足達標要求那么久可以排糧。

圖4 PLC控制系統I/O端子接線圖

2 軟件設計

本章主要設計了程序總流程圖以及各個模塊的設計包括提升機上絞龍模塊、燃燒室烘干控制模塊、打包儲存模塊、下絞龍啟動模塊。食品烘干機的主程序流程框圖如圖5所示。

圖5 自動控制主程序流程框圖

處理過程：當我們的控制器打開之后，先對系統進行初始化，然后對每個傳感器傳來的數字信號進行檢測，若數值不在我們的預設范圍之內，則打開我們相應的溫度控制設備、濕度控制設備、以此來控制各個環節。這個系統主要包括了食品水分的檢測以及溫度的檢測。在這個系統中要每隔一定時間就要對食品的水分進行檢測，并且和給出的值進行比較，假如說食品水分的檢測值是大于在烘干室食品水分的給定值的，那么就可以控制烘干室開始啟動了，如果不是的話則可以控制烘干室進行關閉。

結論：本文還有很多有待改善的地方，食品烘干機在烘干食品過程中容易出現因烘干后水分過低而造成食品減量，或者因為一次烘干后水分未減低至標準，需要進行二次烘干，增加了作業成本等問題，所以本文采用了單行精確的控制，還有另一個改進方案是采用PWM控制，讀取溫度傳感器的數據，利用PID算法計算PWM參數，主控制系統主要實現了食品烘干的自動控制，相對于傳統的烘干工藝，食品的烘干效率大幅提高。食品烘干機在未來是很有前景的，現在我國的食品烘干機還有許多不足的地方，但是都在朝著大型化、先進化、自動化程度以及節能等方面發展，這是食品烘干機未來的發展趨勢，我們也將積極在這方面繼續探索研究。