糧食烘干塔智能預測控制系統軟件開發路徑研究

胡會南，李秀麗

（河南測繪職業學院計算機工程系，河南 鄭州 451464）

種植戶在糧食收獲完畢后，需對糧食進行干燥處理，將糧食中水分盡可能降低，以滿足糧食長期貯存的需求。由于糧食種類不同，需要干燥處理的糧食數量大，因此，探究糧食烘干塔進行糧食干燥處理極其重要。將智能化技術應用在烘干塔優化上，可以進一步確保烘干塔質量，完善烘干塔功能，實現智能化糧食烘干處理。智能預測控制系統軟件開發可以通過分析糧食干燥處理過程中糧食溫度變化、糧食出機水分、排糧電機轉速等與糧食烘干質量之間的關系，結合BP 神經網絡技術，構建可以根據烘干塔工作狀態預測糧食烘干質量的智能控制手段，以設計糧食烘干塔智能預測控制系統。

1 糧食干燥技術發展現狀

我國糧食機械干燥研究相對較晚，起源于20 世紀50 年代，最早的糧食干燥機為庫茲巴斯干燥機。雖然庫茲巴斯干燥機可以實現糧食干燥處理，但其生產效率低，大部分糧食很難在干燥處理后滿足貯存需求，依舊需要采用人工晾曬等處理方式，使糧食含水率明顯下降，最終滿足糧食存貯需求。最初應用的糧食干燥機也多在庫茲巴斯干燥機基礎上，進行仿造，短期內達到提高糧食烘干效率的目的。早期干燥機進行糧食處理成本較高，烘干塔建設成本也比較高，整個烘干塔在糧食處理上，對能源的消耗也比較大，整體烘干綜合效益較低，技術人員對烘干機的研究不斷深入，一直以提高烘干效率、降低烘干能耗、提高烘干品質為研究重點。20 世紀60 年代后，對糧食干燥技術的研究進一步深入，圓筒式烘干機等陸續出現。20 世紀70 年代糧食干燥技術取得新進展。進入21 世紀后，糧食生產技術不斷發展，糧食總產量不斷增加，糧食干燥處理量越來越大，促使糧食干燥技術進一步發展。糧食干燥機型不斷豐富，由固定式直立糧食烘干塔逐漸發展為臥式圓桶型可移動糧食烘干機。固定式糧食烘干塔已經可以采用逆流、橫流、順流、混流等多種烘干形式。烘干塔運行中，所用的能源越來越多樣，小型的烘干機械以燃油為主[1]。進入2010 年之后，干燥設備行業發展迅速，一些智能化技術應用于干燥設備設計與制造之中，進一步提升了糧食烘干質量。

2 糧食烘干塔種類及特點

2.1 橫流烘干

橫流烘干以立式作為主要烘干模式，大多數橫流烘干機主要為圓柱形的過濾孔洞或者方形塔過篩模式結構，橫流烘干設備生產區域和廠家數量較多，該設備生產過程中普遍具有生產技術簡單、安裝經濟成本低以及生產質量高等優勢。由于糧食烘干塔智能預測控制系統在生產和技術操作環節上，以大型立式設備為主要結構，在烘干環節的能量消耗極大，糧食干燥水平低。相同烘干設備能夠烘干的糧食種類和數量受到約束和限制，并且烘干之后糧食生產品質的損壞率不斷提升。同時，由于設備自身結構特點，烘干設備所使用的孔洞過篩需要經常清理。

2.2 混流烘干

混流烘干技術主要指在糧食干燥處理上，通過排氣系統、進氣系統實現糧食干燥處理。糧食干燥處理時，當設備熱空氣由進氣區域進入烘干塔，分別向下、向上運動，后通過上下兩個角度盒排除，使得烘干塔內部區域形成上下流動的氣流，增強空氣流動，加速糧食表面水分蒸發，通過混流方式實現糧食干燥處理。該種模式與其他烘干模式相比，送風均勻，烘干充足，整體糧食干燥處理質量較高。但由于混流烘干設備內部結構需要交錯分布多個排角狀區域，需要布置相應的風機儀器，增加了烘干塔結構的復雜性。

2.3 逆流烘干

逆流烘干設備使用率相對較低，主要工作單元為逆流烘干設備，采用逆流冷卻技術，對經過干燥處理的糧食進行降溫，使得糧食在干燥處理后迅速降溫，便于之后存貯。

2.4 順流烘干

順流烘干技術即在糧食干燥處理時，烘干運動的方向與糧食運動的方向相同，設備內部結構呈現復雜的漏洞狀，設備內部存在多個通風管道，便于為糧食干燥處理區域提供熱空氣。在糧食干燥處理時，溫度高達150 ℃左右，因此糧食烘干效率高。順流烘干塔容量大，可以實現快速烘干，此類烘干塔是當前應用最為廣泛的烘干塔形式。

3 糧食烘干塔智能預測控制系統軟件開發

3.1 糧食干燥機機理及干燥處理過程分析

3.1.1 糧食干燥機機理

糧食烘干塔在糧食干燥處理上，主要借助物理水分蒸發原理，通過加速糧食周圍空氣流動、提高糧食周圍環境溫度等，促使糧食表面水分轉移與蒸發，達到降低糧食表面含水率的目的，使得糧食可以滿足貯藏需求。在糧食烘干處理時，糧食表面在烘干作用下出現汽化，將糧食表面水分汽化擴散到干燥介質中，使得糧食表面水分向表面轉移，達到干燥糧食的目的。糧食干燥處理時，主要機理包括表面水分汽化、水分與物質結合。1）表面水分汽化。糧食的干燥實施過程中，通過高溫等處理，糧食整體溫度出現升高的情況，加快糧食表面水分蒸發，在糧食物質表面形成大量水蒸氣[2]。隨烘干溫度不斷提升，糧食水分子運動速度隨之加快。糧食烘干塔運作時，干燥物質會在設備中不斷流動，將糧食擴散在空氣環境中的水分帶走，所以即使糧食本身溫度較低，只要糧食內部所包含的水分明顯高于標準要求時，糧食的烘干流程就會持續開展，直至水分達到平衡，設備將停止運轉。2）水分與物質結合。水分在糧食內部結構主要以游離水狀態和結合水狀態兩種形式存在，游離水附著糧食表面結構與內部結構，此種水分并不屬于糧食本身結構，因此在烘干操作時，干燥處理難度不大。結合水分則主要指糧食內部的水分，其相對穩定，并處于糧食內部，這部分水分處理難度很大。結合水屬于糧食本身的結構之一，在烘干處理過程中，若溫度過高或者采用的烘干方式不同，則會對結合水造成破壞，使得糧食品質有所下降，因此在糧食干燥處理時，需要注重該部分水分的適當保護。

3.1.2 糧食干燥機干燥處理過程

糧食干燥整體過程通過加熱，使糧食中的水分物質通過表面汽化之后，能夠被干燥的介質物質帶離糧食，實現糧食干燥處理。糧食烘干塔運行，可以提高糧食烘干處理效率。1）預加熱。該階段能夠針對糧食進行提前預熱處理，致使溫度大幅度提高，部分水分能夠在糧食表面進行汽化處理，而隨著糧食自身溫度不斷升高，整個干燥速度和效率隨之加快[3]。2）速干階段。經過預處理之后，糧食水分均勻下降，此時的糧食干燥速度已經達到了最大參數，在此環節上糧食溫度應確保穩定，有效調控干擾風力溫度和干燥效率。3）降速干燥。使用糧食烘干塔進行糧食干燥時，由于糧食經過速干階段，所以糧食內部水分大幅度縮小，水蒸氣基礎壓力減小，造成干燥速度降低，而降速干燥緩解則能夠不斷增加糧食溫度，減少糧食內部所包含的水分。該階段糧食表面水分基本已經蒸發完畢，為避免對糧食結合水造成破壞，需要降低干燥機器運行速度，確保糧食干燥質量。

3.2 糧食烘干過程——BP神經網絡模型設計

在糧食烘干塔智能預測控制系統軟件開發上，考量到糧食烘干的最終目標為控制糧食出機時的水分，并需要確保糧食的品質，使得糧食的品質可以滿足貯存的要求。在糧食烘干控制上，將糧食塔烘干處理出機水分14%，誤差1%的參數要求輸入到系統之中，并要求系統可以動態監測烘干塔工作狀態（入機溫度平均值、入機水分平均值等）。采用傳統BP 神經網絡結構，三層結構包括傳輸層、基礎層、處理層[4]。基礎層主要為相關參數輸入，傳輸層則主要負責相關數據傳輸，處理層負責相關數據分析，根據分析結果決策，并將決策質量通過傳輸層發送到基礎層，實現糧食烘干塔干燥處理控制。在輸入層，需要將糧食烘干處理相關數據信息包括排糧電機轉速、烘干熱風溫度、糧食初始溫度、環境相對濕度等輸入，并將最終糧食烘干處理要求相關參數輸入（如出機水分14%）。BP 神經網絡所用函數設計采用Sigmoid 型函數，模擬生物神經元，實現非線性數據處理，增強神經網絡的非線性映射能力[5-6]。

3.3 數據監測設計

糧食烘干塔智能預測控制系統在電路結構設計上，糧食溫度、濕度等數據監測系統主要包含糧食設備入機溫度、出機溫度、入機濕度以及出機濕度等方面，糧食入機、出機溫度在信息檢測上屬于常溫檢測模式，而烘干空氣檢測屬于高溫檢測。1）空氣溫度監測。在糧食烘干塔智能預測控制系統中，想要完成烘干熱空氣，則應使用燃煤作為高溫燃燒的核心條件，確保其溫度適中，保證在80 ℃～200 ℃之間，確保熱力電阻能夠滿足數據測量要求。如果系統出現故障問題，其烘干溫度則產生大幅度跳動，為了防止產生超出數據測量情況，烘干空氣溫度在實際檢測過程中需要使用熱電偶作為信息檢測傳感主要模式。其中熱電偶主要由兩種不同成本材質造成閉合電路，由于材質不同，不同電子密度所產生電子擴散，等待穩定之后會產生應有電勢。當兩端溫度差距越大，電流則隨之提升，為此技術人員測試電動趨勢之后才能夠了解基礎的溫度參數。從本質上來看，熱力電偶是一種能量轉化設備，能夠將熱能轉化為電能。熱電偶的技術優勢十分明顯，因此熱電偶溫度測試范圍相對比較寬泛，其性能穩定，丈量精準程度極高，能夠保證熱電偶參數與被測試目標直接接觸。2）糧食溫度監測設計。整個設備進行烘干操作過程中，由于糧食烘干塔內部結構的約束和限制，糧食溫度檢測裝置和設備只能安裝在糧食烘干塔入糧口和出糧口兩個位置上。糧食入機溫度水平直接取決于室外環境和空氣溫度，比如東北地區冬季室外溫度最低能夠達到零下35 ℃左右，夏季最高溫度則大于35 ℃，而經過冷卻處理之后，糧食在貯存區域時，應該保證在標準溫度范圍，以此滿足糧食溫度傳感系統對于糧食溫度測量需求[7]。由于溫度檢測裝置應安裝和設置在控制室內50 m 的室外，因此裝置設備應使用鋰電池作為電源，為了防止電源電量過低造成電壓不穩定，從而引起溫度失準的情況，信息測量裝置應使用型號為REF02 精密電源作為PT 溫度測量裝置，提供相對穩定的5 V準電壓。

3.4 通信層設計方案

在信息通信模塊設計實施過程中，無線數據收發所使用的無線模塊相對穩定。由于該無線模塊從本質上來看是一款穩定性高、功耗低的信息收發模塊，所以在不轉變客戶信息數據協議的同時，實現無線傳輸功能[8]。由于信息通信模塊在運轉過程中，普遍具有模塊尺寸小、靈敏程度高、傳輸距離遠等特點，使用TTL 連接端口，其設備接收靈敏程度達到-124 dBm，當傳輸距離達到3 000 m且上限高度為2 m 時，設備需要積極調整，確保在無干擾情況下傳輸距離為4 000 m。在糧食濕度監測上，使用STH75檢測模塊，該模塊內部可以對傳感器信號進行初步處理，將其轉化為數字信號。考慮到糧食濕度檢測模塊數字信號需求，對外輸出引腳采用單片機I/O口連接[9-10]。系統采用無線數據傳輸，選擇TTL433 無線模塊，無線透明數據收發模塊，GFSK調制方式。

4 結束語

綜上所述，糧食烘干塔智能預測控制系統軟件開發可以對糧食烘干塔糧食干燥處理進行進一步優化，提高糧食干燥處理質量。在智能預測控制系統軟件開發上可以充分結合烘干塔類型與特點，采用BP神經網絡模型等設計，完善預測控制系統質量，提高整體糧食烘干塔糧食干燥處理效率。