常見智能谷物干燥機控制技術與發展趨勢探析

陳武東,蘇東鶴,劉 睿,李喜陸,姜 巖,何樹國,馬文軍

(黑龍江省農業機械工程科學研究院佳木斯分院,黑龍江 佳木斯 154004)

0 引言

谷物干燥主要是指利用熱能將谷物中的水分或者其他溶劑去除的過程,最終收獲固體成品的技術[1]。谷物干燥可以防止谷物在儲藏過程中由于水分過多發生霉爛或者變質等問題,并且,有利于谷物運輸和進一步加工作業等。谷物干燥是農業生產中的重要工序之一,是實現糧食生產和農業全程機械化發展的重要技術措施之一[2-3]。

谷物干燥是谷物適時收獲的重要保障,谷物成熟后,在地里停留時間越長,產量越低,而且容易出現倒伏,尤其是玉米,提高谷物干燥能力可以實現糧食適時收獲,減少農業損失[4-5]。提前進行谷物收獲,還可以合理安排人力、物力,以及提高土地利用率。以南方水稻收獲為例,水稻在南方是一年兩熟,收獲早稻之后要立即播種晚稻。但是收獲早稻時期常逢陰雨,因此,需要集中大部分勞動力去搶收早稻,否則會影響后續晚稻的種植與產量[6]。因此,如果有可靠的谷物干燥機,可以適時早收,既保證后續田間管理,又不影響晚稻的種植與產量。

隨著谷物干燥機的逐漸發展,目前大量研究圍繞水分在線測量、PLC控制、太陽能谷物干燥和智能烘干機開展研究。因此,對目前常見的智能控制技術進行研究,研究結果對于保證谷物烘干技術高效、節能、優質等方面發展提供技術參考與借鑒。

1 智能谷物干燥機控制系統

谷物干燥機智能控制系統對于控制糧食干燥過程至關重要,電子技術、微型計算機、智能控制系統、專家系統和模糊邏輯控制系統已經廣泛應用于谷物干燥機的控制技術中。

1.1 智能谷物干燥機控制系統目標

1)在喂入谷物干燥機的谷物水分和溫度及干燥技術參數變化的情況下,保證谷物干燥品質。

2)避免過度干燥和欠干燥,谷物水分過高,沒有達到要求的水分含量,谷物后期會發生霉爛變質;干燥過度會增加耗能,降低谷物品質,減少種子發芽率。

3)以最低的干燥成本達到最高的谷物干燥處理量,在干燥過程中避免火災和環境污染。

1.2 智能谷物干燥控制變量

谷物干燥過程變量分為控制變量、擾動變量和輸出變量。具體指標如表1所示,控制示意圖如圖1所示。在谷物干燥過程中,輸出變量主要是指出機谷物含水率,對出機谷物含水率的控制方法主要分為直接控制和間接控制。間接控制是指通過檢測和控制干燥機的排氣溫度控制谷物含水率,但是控制精度低,控制性能較差。直接控制是指采用谷物水分傳感器對出機谷物含水率進行在線測量和控制,但傳感器成本較高。

表1 谷物干燥控制變量和具體指標

圖1 谷物干燥過程變量示意圖

2 谷物干燥機控制方法

智能控制技術與人工控制相比,具有保證谷物干燥機高效運行的應用優勢。當谷物干燥機受到外界環境干擾時,被控制變量會出現誤差值,通過智能控制方法可以避免人工的介入[7]。目前,常見的智能控制方法分為前饋控制系統、專家控制技術、智能控制系統。

2.1 前饋控制技術

前饋控制技術是通過測量擾動變量,根據擾動變量的變化直接調節控制變量作出相應的補償,而不是等到輸出變量變化出現誤差后再進行調解。前饋控制原理如圖2所示。前饋控制系統可以提高控制系統的穩定性,其缺點是對各項過程變量變化較為敏感,需要建立過程模型。

2.2 智能控制技術

圖2 谷物干燥及前饋控制系統工作原理

智能控制技術是基于人工智能控制技術和神經網絡技術實現谷物干燥智能控制,目前常用的神經網絡為BP神經網絡技術,具有任意非線性的表達能力,即使前期不清楚各項變量之間的變化關系,也可以通過大量數據建立相應的控制模型,其基本原理如圖3所示。

圖3 智能控制技術工作原理(BP神經網絡PID控制技術)

3 谷物智能干燥信息技術應用前景

我國谷物干燥機發展時間較長,成熟機型較多,但是目前谷物干燥機自動化和智能化技術含量較低,耗能較高,未來谷物干燥機應向智能化和節能減排方向發展[8]。目前,果蔬干燥產業發展較快,熱物理和光物理技術方法逐漸被應用到谷物干燥領域中,未來應進一步加強微波干燥、真空干燥、真空冷凍干燥和遠紅外干燥等新技術的發展。

3.1 遠紅外干燥技術

紅外線干燥技術分為近、中和遠紅外線干燥,基本原理是利用紅外發生器,對干燥物料輻射橫向紅外線,保證物料內部的粒子、分子和電子等吸收電磁能量,促進物料內部粒子的快速運動與振蕩、碰撞,粒子自身熱度提升。遠紅外線是利用遠紅外輻射元件發出紅外線被物料吸收轉化為熱能進而實現谷物干燥的目的,是目前應用最為廣泛的紅外線干燥技術之一,具有較強的穿透性,其本質是對物料內部直接加熱,可以減少溫度梯度對水分外移的阻礙作用,提高干燥速率。

3.2 太陽能干燥技術

太陽能屬于新能源之一,是一種取之不盡,用之不竭的清潔能源。太陽能干燥技術主要向兩個方向發展,一是在太陽照射下直接干燥,谷物吸收熱量促進水分蒸發;二是間接干燥,采用集熱器將太陽能轉化為熱能,加熱空氣送入干燥機,不會出現由于干燥溫度過高破壞谷物品質,而且不污染生態環境。

3.3 微波干燥技術

微波干燥技術是利用被干燥物料內部水分對微波的吸收特性,水分吸收微波能轉化為水分加熱蒸發所需的熱能,屬于一種穿透性強的電磁波,具有高頻、波長短和頻率高等特點，微波干燥與常規干燥機理對比如圖4所示。微波干燥的主要特點為:干燥速度快、加熱均勻、節能高效、防霉殺菌、安全無害和谷物干燥品質高等應有優勢。

3.4 其他先進干燥技術

圖4 微波干燥與常規干燥機理對比示意圖

目前,相關先進谷物干燥技術圍繞“節能減排”的主題,充分開發了太陽能和熱泵干燥技術,將廢棄或者低值熱量轉化為高熱能循環利用,達到節本增效的目的。目前常見的先進技術和耗能如表2所示。

表2 典型先進谷物干燥技術與耗能對比 單位:kW·h·(tH2O)-1

4 結論

如何提高谷物烘干水平是保證我國農業可持續發展的主要問題。本研究對目前常見的智能控制技術進行研究,系統闡述了谷物烘干機常見控制方法,并提出未來谷物干燥技術的發展與應用。研究結果以期為谷物干燥技術發展提供理論參考與技術支撐,對于保證我國農業可持續發展及國家糧食安全具有重要意義。