農產品均質干燥在線測水裝置設計

盧安琪，譚升梁，劉 蓮，劉曉蝶，欒 馨，李嘉浩，劉春山

(佳木斯大學 機械工程學院，黑龍江 佳木斯 154000)

0 引言

糧食收獲后本身的水分過高，人工晾曬的方法解決了小部分濕糧的干燥問題，但人工晾曬費時、費人、費力，同時還受氣候、晾曬場地等條件的制約[1]，易導致收獲的糧食不能及時干燥到安全的含水率，造成變質、發芽、霉爛，帶來巨大的損失。干燥的溫度、速度和時間都會對糧食品質產生一定影響。例如糧食中的各種淀粉，變質溫度為60 ℃，一旦超過就會發生變質；當糧食的溫度超過142 ℃時，糧食中能被氧化鈉提取的蛋白質數量會顯著減少；干燥速度過高，籽粒容易裂碎；低溫干燥的時間過長未達到安全的水分，會使糧食發霉、變質從而影響糧食品質。因此，要想減少糧食損失、確保糧食安全，利用干燥機進行干燥是重要手段。

2000年以前糧食干燥機在整個農機行業中所占份額很小，但在農業全程機械化鏈條中扮演著十分重要的角色[2]。目前來說，國內外對糧食的干燥工藝和設備進行了較多研究，國內干燥器的種類已超過了300種，而在工業領域所研發的干燥器種類也超過了100種[3]。但現有的干燥設備仍不能滿足對物料在線稱重的目的。本項目是研制農產品均質干燥在線測水裝置，通過傳動驅動機構與升降機構的配合，克服了烘干機對待烘干物料加熱不均勻的問題，同時實現在線稱重的目的。

1 干燥實驗臺的主要裝配

1.1 內框架

為了使干燥試驗臺的運輸更加方便，同時降低運輸過程中的成本，將糧食干燥試驗臺設計成可拆卸的內外框組合的形式。試驗臺內框架由14根鋁型材拼接而成，右下方設有一個千斤頂，內框架的下方設有四個稱重傳感器，在內框架中部安裝有一臺三相異步電機，在內框架中部安裝有兩根用來安裝電動機的承重橫梁。

1.2 滾筒

本次設計的干燥試驗臺為循環式烘干，為了提高整體的烘干效率，避免待烘干物料產生堆積現象，在滾筒入口設計有螺旋結構，使進入滾筒中的物料可以攪拌得更加均勻，且滾筒另一端50 mm距離內不設置螺旋結構，方便將待烘干物料送達頂端后滑回低處，以此實現循環烘干，整個滾筒每次可以盛放3.5 kg的待烘干物料。

1.3 傳動機構

傳動機構位于內框架的右側，整個傳動機構包括三個傳動鏈輪(一個主動鏈輪，兩個從動鏈輪)、一根傳動鏈。位于下方的主動鏈輪連接到電動機輸出軸上，電動機轉動帶動主動鏈輪轉動，主動鏈輪通過鏈條帶動水平布置的兩個從動鏈輪，兩根從動鏈輪分別帶動兩根傳動軸轉動。

1.4 外殼

試驗臺的外殼由14根4040鋁型材(40 mm×40 mm)、15根2020鋁型材(20 mm×20 mm)和12片不同尺寸的1.5 mm厚鍍鋅板裝配而成。每塊鍍鋅板上加工有若干半徑為5 mm的圓孔，圓孔的圓心距板材邊緣為12.5 mm，使用M8的螺栓穿過圓孔，配合鋁型材使用的T型螺母可以將鍍鋅板固定于型材上，使得整個試驗臺成為密閉的箱體。本次設計中的試驗臺殼體可以自由拆卸，極大程度上方便了后期的運輸和存放。試驗臺的右側設有檢修門，便于后期對試驗臺進行檢修與維護。

2 智能控制系統總體設計

該裝置通過傳動驅動機構與升降機構的配合，克服了烘干機對待烘干物料加熱不均勻的問題，同時實現在線稱重，在線檢測必須考慮物料的實際堆積密度、組態對其介電常數的影響，合理設計電容式水分在線傳感器的結構等[4]。裝置結構如圖1所示。通過傳感器獲取實際工作溫度、濕度，啟動驅動電機和風機；當實際溫度大于或等于設定溫度時，啟動第一加熱管，啟動電動推桿將風量調節機構的開口變大；當裝置內的實際溫度小于預設溫度時，第一加熱管和第二加熱管同時工作，電動推桿不動；烘干結束后，進行稱重并計算含水率，不僅操作方便，且能取得更好的干燥效果。

1.機蓋；2.主箱體；3.電控箱；4.風量調節機構；5.電動推桿；6.升降機構；7.移動機構；8.檢修門；9.出風機構；10.橡膠環；11.內框架；12.軸承座；13.軟連接；14.風機；15.進風口；16.加熱管；17.加熱管；18.限位輪

滾筒設置在兩個傳動軸之間，滾筒的內壁上沿軸向設置有螺紋結構，且滾筒的外壁上沿軸向和徑向開設有多個長孔。工作時，取下滾筒，將一定的物料放入滾筒內，然后將滾筒放回到傳動軸上，關上機蓋打開電動機開始送風供熱，滾筒隨著傳動軸的轉動而轉動，螺旋在滾筒轉動過程中不斷攪拌物料，增大物料與空氣的接觸面積，風機將空氣經加熱管加熱后順著進風口吹到滾筒下方對物料進行干燥，通過升降機構調節滾筒的傾斜角度，使物料攪拌更加徹底，受熱更加均勻，稱重傳感器可以實時測量滾筒中物料質量的變化，進而獲得物料的含水率信息。烘干結束后打開機蓋，取出滾筒即可獲得烘干后的物料。烘干過程中，烘干的快慢由放入物料的多少和設定的風溫決定，風溫越高烘干速度越快，反之則越慢。

3 系統硬件設計

糧食干燥是一種大慣性、多變量、非線性的工藝系統[5]，為了滿足農產品的干燥要求，在干燥過程中需要對糧食干燥的工藝過程及參數進行嚴格的控制。其中熱風溫度，熱風風速，干燥時間，均勻程度都是影響干燥質量和干燥效果的主要原因[6]，這就要求控制裝置能夠對干燥風速、干燥溫度及干燥時間進行設定和自動控制，因此必須采用智能化的控制裝置。系統的硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 系統的硬件結構圖

3.1 控制系統的檢測

壓力傳感器通過壓力變送器連接到可編程控制器PLC上，PLC通過計算處理得出相應的重量值繼而得出水稻的含水量顯示到觸控屏上，電動機通過變頻器與PLC相連，可編程控制器PLC向變頻器輸入模擬量的頻率指令，以實現電機速度連續調整，加熱管A和加熱管B通過中間繼電器與可編程控制器PLC連接，電動推桿通過變頻器連接到可編程控制器PLC上，風機通過變頻器連接到可編程控制器PLC上。

3.2 溫濕度的檢測

糧食的熱敏性比較高，對溫濕度變化比較敏感，在干燥過程中容易產生裂紋、爆腰和食味值下降等品質劣化現象，因此對溫濕度要求比較高[7]。此裝置在電控箱中有可編程控制器PLC，PLC與觸控屏通過RS485的接口直連，在溫度控制過程中實時顯示和設置溫度值，溫濕度傳感器通過溫濕度變送器連接到PLC上，實現對溫濕度的檢測。

3.3 稱重系統的檢測

稱重傳感器是測量系統中的一個重要組件，能夠對干燥試驗臺內框架及物料的總重量進行穩定、高精度的測量，其作用是讀取重量信號[8]。稱重傳感器將測得的質量信號轉換成模擬電壓信號輸出到稱重變送器，稱重變送器將稱重傳感器輸出的模擬電壓信號經放大及轉換等處理方式，轉換為可讀的數字信號，并將稱重結果通過串行總線輸出。利用稱重變送器可將連接稱重傳感器的模擬信號轉換成穩定的、可供PLC系統讀取的信號。稱重變送器通過RS232串口數據線把稱重結果傳到觸摸屏內部的數據內存區中,再由觸摸屏內部處理器對內存區中數據進行采集、處理，轉換成有效信息,最后在觸摸屏上顯示稱量數據,方便實驗人員對待烘干物料的重量進行實時測量。上位機可以對獲取的重量數值進行相關計算，得出待烘干物料的實時含水量，并顯示到觸摸屏上，便于在實驗過程中控制好物料的含水量，以得出更加準確的實驗結果。稱重時，為了提高數值的精確性，需要停止電動機及軸流風機，防止電動機和軸流風機因轉動而產生的振動影響稱重結果的準確性。

3.4 溫度系統控制設計

該系統的軟件設計以PLC為控制器，實現對整個系統的控制。首先打開機蓋取下滾筒，放入待烘干物料后將滾筒放回到傳動軸上，啟動系統后在觸摸屏上輸入預設的烘干溫度T和滾筒轉速v，然后溫濕度傳感器讀取實際溫度Ts和濕度，然后可編程序控制器PLC控制電動機和風機開始工作，若裝置內Ts≥T則加熱管A開始工作，然后電動推桿工作調節風量調節裝置使其開口變大，若裝置內Ts

圖3 控制系統程序流程圖

4 結論

我國的糧食干燥機起源于20世紀50年代，引進前蘇聯的干燥機開始，但當時的糧食干燥機械結構復雜、耗材多、造價高僅國有大型糧庫、農場和集體企業使用，但是隨著各種技術的不斷發展,我國干燥設備的市場前景良好[9],發展潛力巨大。每種產品所需要的干燥設備不同，因此需要進一步研發高智能、高水平、規范化、適用性強的干燥裝置,解決各種農產品干燥問題，并優化各種機械設備,從而改善我國干燥產品的品質,提高我國干燥設備在國際市場的競爭力。

該裝置通過PLC對溫濕度變送器、壓力變送器、變頻器等進行控制，完成對農產品的均質干燥和在線稱重。通過傳動驅動機構與升降機構的配合，克服了烘干機對待烘干物料加熱不均勻和不能在線稱重的問題，達到了較好的干燥效果。經過模擬試驗證明該裝置運行穩定，達到了預定的功能要求，具有較高的研究和實用價值。