基于PLC的糧食干燥機控制系統優化設計

□ 繆全誠 胡為兵

（1.中海廣東天然氣有限責任公司，廣東 珠海 519000；2.益海（連云港）糧油工業有限公司，江蘇 連云港 222000）

我國作為糧食大國，近年來糧食不斷高產，推動了農業經濟的快速發展，但同時，糧食豐收后的儲存環節也不容小覷，糧食技術人員在加大對糧食干燥的研究。糧油企業在進行糧油生產時需要消耗大量的糧食，由于糧食在收獲后會進行呼吸作用，使糧食在儲存中容易出現發霉變質的現象，導致大量的糧食浪費和經濟損失，同時會對糧油企業的生產造成一定程度上的影響。糧食干燥機可以有效地降低糧食中的含水量，從而極大地減少被糧食的腐敗變質，因此在農業中廣泛應用。然而，糧食的干燥過程復雜，若控制技術水平較低則會使干燥機的能耗過高，同時也降低了糧油生產的效率［1］。隨著我國農業領域技術水平的不斷提高，對糧食干燥過程的質量及效率也提出了更高的要求，為提高糧食干燥的質量，研究并應用可靠的控制技術是非常必要的。PLC具有較強的適用性，可靈活應用于多種控制系統，并具有良好的運行速度，因此本文基于PLC優化設計糧食干燥機的控制系統，對提高糧食干燥質量具有一定的參考依據，對今后的糧食干燥技術的發展具有重要的現實意義。

一、基于PLC的糧食干燥機控制系統硬件設計

（一）基于PLC設計主電路

本文基于PLC控制編程，以PLC為主控制器，控制干燥機電機，實現數據采集與人機交互等功能。根據控制系統的優化需求，考慮系統的精度，選用了臺達PLC，并配置了10個通道的數字量拓展模塊［2］。本文所述控制系統對干燥機的控制過程需要通過不同的控制裝置實現，采集糧食及環境的溫度和濕度，通過溫度及濕度傳感器所采集的數據，優化干燥機排糧速度，以達到在干燥過程中，實時進行自動化控制排糧速度的效果。根據連云港市的干燥環境特點，以及本文研究單位所主要采用的大豆、小麥、稻米等糧食的干燥特點，選擇溫度范圍為-20～80℃的溫度傳感器，并通過模擬量拓展模塊采集溫度，具體PLC電路控制圖如1所示。

由圖1可知，根據本文所述控制系統優化需求，選用大規模集成電路芯片，它可以實現與單片機的直接接口，同時不必對滿刻度以及零點進行調整，芯片內部包括了三臺緩沖器、三態鎖存器、模擬開關以及轉換器等。根據通信地址，在不同的時間與循環作用下，選擇信號輸入通道，提取采集的溫度值及濕度值，進行信號轉換，再由單片機接收，并存入暫存單元，每個通道進行3次采樣，將采集的不同數據值存入不同單元，并將各通道的溫度與濕度數據進行平均濾波，便于后續的數據處理及控制使用。

圖1 控制電路設計

（二）優化控制器

本文所述P L C控制器集成了模擬和數字I/O和PROFINET通信接口，以適用于本文所述系統。本文所述控制器進行控制的過程主要根據給定的干燥時間，通過輸入不同變頻器參數控制干燥機的排量速度，并根據糧食的干燥溫度要求、干燥機的風量和糧食的比例，按照控制規范調節干燥溫度。采用較為成熟的PLC控制技術實現整個控制過程，并在傳統的PLC控制方法和典型的控制結構的基礎上，調整并拓展控制器參數，建立專家系統。系統在控制過程中，會出現輸入與輸出值的偏差［3］，根據偏差范圍以及本單位所存儲使用的糧食的干燥特性和干燥機氣流狀態變化的特性，對知識庫進行調整及擴充，并根據專家系統的實際運行情況調整PLC參數，達到對控制器的調整與自動控制。其組成包括知識庫、接口與推理引擎。將系統中的糧食種類、干燥安全范圍的最高限和最低限，系統內輸入值與輸出值的變化范圍，以及在糧食干燥過程中的所有特征參數存儲的知識庫，根據本文所使用的干燥機特性，將其表達為適宜的控制規則。控制器的推理引擎單元能夠實現事件的搜索，并根據搜索結果得到調整干燥方案的功能單元，它能夠根據知識庫中所存儲的糧食干燥知識，針對糧食的干燥特性、干燥機的氣流狀態變化，為干燥控制過程提供智慧決策，該系統結合糧食水分參數的遞推規則，實現PLC自動控制，存儲動態數據簇。

二、基于PLC的糧食干燥機控制系統硬件設計

（一）構建糧食溫度采集模塊

糧食溫度采集模塊利用高溫度傳感器，根據程序設定值，當干燥機中的烘箱內溫度趨于飽和，且接近本文所設置的限值，控制系統進行數據處理，發出動作指令，控制排氣閥的開關狀態，將本文溫度采集模塊所采集的溫度數字量設為8位精度，結合本文使用的溫度傳感器，采集其輸出的電壓信號，得到數字量同實際溫度的對應關系［4］。本文系統程序基于PLC算法進行控制，該算法能夠避免系統運行時的誤動作，對糧食干燥機進行自動化控制，實現控制系統與干燥機的一體化。

（二）控制干燥機出口糧食濕度

為了優化本文所述系統控制干燥機的性能，將兩種控制方式進行結合，控制干燥劑出口糧食的濕度。首先，將干燥機內的蒸汽前饋量與PLC控制回路輸出的蒸汽量相加，得到前饋控制量。設置PLC控制回路的蒸汽流量預設值，PLC控制回路包括對蒸汽流量進行測量的變送器和蒸汽管道的控制閥等。當前蒸汽需求量與上次蒸汽需求量的差值為蒸汽前饋量，再與蒸汽PLC計算輸出值相加，即為蒸汽的流量預設值。接下來設置初始參數，用以調節蒸汽回路，將蒸汽調節回路的預設值為15000kg/h，將比例設置為1∶6，設置積累水分的時間為半分鐘，將蒸汽調節回路斷開，并將蒸汽閥門的控制操作設置為手動控制。其次，進行使用公式的控制方法，計算干燥機所需要的蒸汽量，該方法可以直接進行計算，以1為初始值，設置3項參數，若經計算發現干燥機出口的糧食濕度具有一定的偏差，則需要修改相關參數。蒸汽量為流量PLC控制回路蒸汽的流量預設值，蒸汽流量PLC控制回路與上述方法中所提到的組成部分相一致，以干燥機進口的糧食量、進口處糧食的含水量和干燥機進口處糧食的溫度計算具體蒸汽量。根據干燥劑實際的不同運行情況，選取不同的控制方法進行干燥機糧食的濕度控制，并在控制程序中加入能夠實現兩種控制方式轉換的程序，在系統觸摸屏的人機交互界面通過按鈕操作轉換控制方式。

（三）優化干燥機排糧速度

糧食的干燥生產在設定參量時，需要根據已知的糧食初始含水量以及干燥的目標含水量來達到糧食干燥的效果，在設定好糧食在進行干燥機后的水分值后，運用干燥機排量速度的理論，利用逆干燥模型進行計算，其原理是通過計算糧食干燥過程中糧食從初始含水量到目標含水量，得到排糧速度。排糧速度因不同的單元層出現速度不均等的情況，在實際使用干燥機進行糧食干燥的過程中，排糧裝置位于干燥機的出口，各單元層的排糧速度若不能保持一致，則不能滿足實際的生產需求。因此，所有的糧食單元層的排糧速度應保持一致。在本控制系統中，應用動態優化機制實現對不同控制循環周期的排糧速度進行優化計算，并得到最優結果。因此，需要設定合適的排糧速度，并對其進行優化處理。利用零平均誤差法應用于本文系統中優化排糧速度。根據實際排糧速度、當前單元層的糧食到達干燥機出口所需要的時間、采樣周期和干燥常數估計這些糧食到達干燥機出口時的水分。若在采樣周期中的實際排糧速度與理論所得排糧速度出現不一致的現象，則會導致糧食的最終水含水糧與目標含水量具有一定的誤差，因此，對于所有單元層的糧食而言，需要計算這些糧食的平均誤差，令平均誤差為0，就可以得到優化后的實際排糧速度，實現對排糧速度的優化控制。

三、實驗論證分析

（一）實驗準備

本次實驗在連云港市益海糧油公司進行，在完成上述控制系統的硬件及軟件優化設計后，對本文所述系統進行實驗。實驗所需要的實驗儀器主要為本文所使用的糧食干燥機為益海糧油公司所使用的循環谷物干燥機，還包括濕度傳感器及水分檢測儀等試驗設備。實驗過程嚴格按照糧食干燥機的操作要求與實驗方法進行，通過PLC記錄控制系統的實時運行狀態。具體系統測試運行條件如表1所示。

由表1可知實驗檢測平臺的搭建情況，在系統登錄界面輸入用戶名及密碼，展現人機交互界面，輸入實驗所設定的干燥機蒸汽流量及糧食溫度自動控制等參數，進行操作驗證。

表1 測試運行環境參數

（二）性能測試

首先對本文所述系統的控制性能進行測試，啟動上位機系統程序，預熱干燥機，利用編程軟件將各功能模塊導入PLC中，觀察各傳感器所采集的信息是否能夠正常傳輸到PLC的主控制器中，模擬糧食的滿倉狀態，觀察PLC是否能夠在接收到滿糧信號后啟動排糧電機，設定干燥熱風溫度的上限為60℃，對熱電偶進行加熱，當溫度超過60℃時，觀測煙氣閥門是否自動關閉并發出預警。經上述測試，系統數據采集、電機控制及閥門狀態等控制功能無異常，能夠正常實現各操作步驟并正確預警，為進一步驗證系統控制的穩定性，將未加入PLC的傳統控制系統與本文所述控制系統進行對比，得到兩種系統控制的響應曲線，如圖2所示。

圖2 不同系統的控制響應結果

由圖2可知，傳統系統具有較高的超調量，且響應情況具有一定的波動，系統的響應曲線較為穩定，且超調量較小，說明本文所述系統具有穩定性。

（三）實驗結果

在確保該系統及干燥機運行良好的條件下，對糧食干燥溫度進行實驗，以50℃為干燥機的目標熱風溫度，糧食的含水量為30%左右，相對濕度為50%。實時采集干燥機內的溫度值與水分值，當糧食含水量高于預定含水量15%時，自動放慢排糧速度，在水分低于設定值時，加快排糧速度，比較不同溫度條件下熱風溫度與糧食溫度實驗的結果，具體如表2所示。

表2 不同溫度條件下糧食干燥溫度實驗

由表2可知，干燥機熱風溫度控制在48～52℃之間，糧食溫度在32～34℃之間波動，根據實驗結果計算熱風溫度與糧食溫度的標準誤差，熱風溫度和糧食溫度的標準誤差分別為0.87℃和0.35℃，其糧食溫度較為穩定，且波動較小，證明經本文方法設計優化的控制系統的控制精度較好，在生產實驗結束后的12小時內對糧食的含水量進行檢查，未出現較大的水分偏離，符合糧食干燥機的生產作業要求，說明控制系統具有有效性。

四、結語

本文基于PLC設計控制系統的主電路與控制器，構建糧食溫度采集模塊，控制干燥機出口糧食濕度，優化干燥機排糧速度，取得了一定的研究成果，實現了對糧食干燥機的自動優化控制。實驗結果表明，本文所述系統所采集的數據能夠真實直觀地展現干燥過程中糧食的濕度和溫度情況，并根據糧食實際含水量控制排糧速度，具有可靠性。同時，本文研究還存在著諸多不足，有待于在今后更進一步深入探討，如未對排風速度的優化控制及糧食的含水量進行實驗，針對糧食干燥器的控制問題上還有許多細節需要深入研究，未來應在控制系統實現自動化控制的過程中優化其拓展性和開放性，提高糧食干燥機控制系統的智能化程度，并將經濟成本納入研究范圍。