基于PLC 與組態的智能糧食烘干機控制系統設計*

江 晨，周發發，王宏旗，汪婷婷，陶麗萍

（無錫科技職業學院，江蘇 無錫 214028）

中國是農業大國，據統計，目前中國每年由于糧食霉變而造成的糧食損耗高達334.5 億kg，如果按一人一天一斤糧食來算，這些糧食可讓全江蘇7 000 多萬人吃三年。糧食霉變問題已使國家糧食安全受到嚴重威脅。2023 年中央一號文件提出，只有把牢糧食安全主動權，才能把穩強國復興主動權，依靠自己力量端牢中國飯碗。糧食減損，降低霉變刻不容緩。

糧食干燥是解決糧食霉變的有效方法，筆者調研了17 家中小型農場，收回有效問卷113 份，調研發現，現有的糧食干燥方式主要是人工晾曬和機器烘干，人工晾曬大約占37%。而這兩種干燥方式都有著顯著缺陷。人工晾曬存在干燥成本高、極易受到天氣制約、糧食損耗量大等問題。而機器烘干對于操作人員有著一定的技術門檻，并且存在溫度和模式單一，無法實時檢測水分等問題。針對以上痛點，本文采用高度集成的“三合一”模塊，運用PLC 和人機交互觸摸屏進行自適應控制。優化烘干流程，采用自制高精度水分儀和變頻烘干技術，根據不同糧食所含水分多少，自動匹配最佳烘干溫度，不僅降低能耗，還使得不同種類糧食在烘干后達到最佳含水量，提高糧食質量，減少糧食損耗。

1 系統硬件組成

糧食烘干機主要由風機、提升機、上絞龍、下絞龍、撥糧機和甩盤機、溫度傳感器、滿糧傳感器、水分儀等構成硬件系統[1]。核心部分采用“三合一”智能模塊作為控制器，包含PLC、人機交互、遠程控制模塊，節約了空間。系統硬件結構見圖1。

圖1 系統硬件結構圖

M1 風機電機采用三相異步電動機，由變頻器進行調速控制，電機啟動加速時間為1 s、減速時間為0.5 s。M2 提升機電機采用三相異步電動機，電機僅需單向正轉運行[2]。M3 上絞龍電機和M4 下絞龍電機均采用三相異步電動機。M5 甩盤電機采用三相異步電動機，電機運行方向為正轉運行。M6撥糧機電機采用三相減速電機，減速比為1∶25。

2 系統控制程序流程圖

系統上電后，觸摸屏界面開始運行，首先進入系統的歡迎界面，在歡迎界面中可以選擇烘干機的工作模式，分別為手動調試模式和自動運行模式。在手動模式中可對任何一部電機進行逐一調試[3]。手動模式的設計是為了方便調試單臺電機所設立的，因為每臺電機運行方式和安裝所在的機構位置不同，在硬件調試的時候，需要先對電機進行逐一調試，才能保證在之后的自動模式下電機運行正常。操作點擊觸摸屏上對應的電機按鈕，即可啟動調試電機，再次點擊按鈕停止調試，再切換至下一臺電機調試。如果調試過程中熱繼電器過載，則發出報警并緊急停機，直至故障解除方可再次進行調試。系統手動模式的工作流程圖見圖2。

圖2 系統手動模式工作流程圖

自動模式是本系統的核心，在自動模式中，根據大量實驗測試建立常見谷物實際含水量和烘干溫度的數據庫，構建PLC 程序算法，根據谷物的種類、實際含水量確定最佳烘干溫度進行自適應變頻控制。

進入自動模式后，首先進行系統初始化，將內部寄存器數據初始化，根據選擇的谷物類型，由PLC 將所選要烘干谷物的含水量標準值由串口傳送給水分儀，并進行進糧流程，進糧流程結束后，由PLC 發送指令進行干燥前的水分檢測并和設置的標準值進行對比，根據對比結果，進入不同溫度的變頻干燥流程，啟動甩盤電機-上絞龍電機-提升機-下絞龍電機-撥糧機-風機，在此流程中糧食在糧塔主機內流動循環進行干燥處理。水分儀進行測量糧食達到設定需要的水分時，發送指令反饋給PLC，此時系統停止。待完全停止后可以進行放糧流程運行：順序間隔時間啟動甩盤電機-撥糧機-下絞龍電機-提升機，打開儲糧口糧食即可排出烘干機內部，待糧食全部排出后，電機相反順序停止。系統自動模式的工作流程圖見圖3。

圖3 系統自動模式工作流程圖

3 觸摸屏組態設計

本系統采用FStudio 組態軟件進行人機界面設計，為了兼顧操作控制的便捷性與直觀性，在用戶界面設置了手動調試界面、自動模式界面、電機運行監控界面與警報履歷界面[4]。其中，在重點的自動模式下，還設置有自動模式運行界面、干燥監控界面和電機運行設置界面。

為了方便用戶使用，在自動模式界面設計好各個流程下電機的啟停順序（見圖4），為避免用戶操作失誤以及防止程序啟動邏輯沖突，當按下自動按鈕時，手動調試按鈕右上角均有禁止操作標識，此狀態下用戶操作無效，需要再次點擊自動按鈕取消自動模式后方可切換運行模式。在其中一個流程運行時也設計了相關的操作保護，極大地降低了程序上重復運行的沖突。每個流程運行時在右上角都能實時監控風機的進風溫度和自行設置報警溫度和停機溫度，根據設置最佳糧食烘干的溫度來減少烘干過程中溫度過高對糧食出現爆腰的問題。

圖4 觸摸屏自動模式運行界面

圖5 為電機啟動與停止的間隔時間與水分儀設定烘干糧食類型，在本界面中用戶可以自由設定啟動與停止時間，可以根據不同的糧食類型設置需要達到的水分要求。

圖5 電機運行設置與水分儀設定界面

4 遠程監控設計

在物聯網技術高速發展的今天，遠程控制技術被廣泛地應用于智能設備監控中[5]。本系統采用上海繁易公司的FBox 遠程模塊，該模塊可以對干燥過程中的各項參數等進行監控、控制模式進行選擇、報警監控提示進行實時查看，且可以在手機APP 或PC 端查看和修改參數，極大地方便了客戶和廠商的使用和對設備的信息獲取。遠程控制界面見圖6。

圖6 遠程控制界面

5 結束語

本文設計了一種基于PLC、人機交互、遠程控制的高精度自適應智能糧食烘干機，能夠實現在不同的烘干階段，根據谷物的種類和實際含水量自動匹配烘干溫度，使糧食達到最佳含水量，大幅度提升糧食品質，減少了糧食霉變損耗[6]。不僅適用于中小型農場的糧食烘干，而且適用于傳統烘干機的智能改造，具有較高的推廣價值。