籽棉烘干自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭文松 張 宏 廖結(jié)安 陳曉川，2*

(1 塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)(2 東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

新疆棉區(qū)屬于大陸性干早氣候，每年11月以后，溫度驟降，相對(duì)濕度增高，空氣中水份飽和，棉花的吸濕性造成回潮率增高，彈性降低，加工過程中如不進(jìn)行烘干容易導(dǎo)致棉結(jié)，索絲增多，影響加工速度和加工質(zhì)量。為提高棉花加工質(zhì)量，保證棉花加工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，近幾年的新建、改建和擴(kuò)建的棉花加工生產(chǎn)線上，廣泛采用了籽棉烘干技術(shù)[1]。特別是在機(jī)采棉的清理加工部分，烘干核心問題就是對(duì)軋籽棉回潮量的調(diào)控，試驗(yàn)證實(shí)，籽棉回潮率在6. 5%～8%范圍內(nèi)對(duì)軋花最有利，此時(shí)不僅能耗低、產(chǎn)量高，而且產(chǎn)品質(zhì)量也較好。

目前、新疆棉花加工生產(chǎn)中存在的烘干溫度以人工控制為主、自動(dòng)化程度低、籽棉烘干不均勻、能源浪費(fèi)等問題[2]，本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)采籽棉烘干自動(dòng)化控制系統(tǒng)，使其可以依據(jù)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)到的籽棉回潮率而自動(dòng)調(diào)整烘干機(jī)的工作參數(shù)，從而消除機(jī)采籽棉因回潮率不均勻而引起的皮棉加工品級(jí)下降問題。

1 籽棉控制系統(tǒng)構(gòu)成

為了保證籽棉回潮率在軋花前控制在6. 8%～8%范圍。本控制系統(tǒng)利用PID控制策略實(shí)現(xiàn)回潮率值的恒值控制，同時(shí)為了更準(zhǔn)確的控制烘干溫度，本文采用熱電偶檢測(cè)烘干溫度，形成負(fù)反饋控制。控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 籽棉烘干自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 控制系統(tǒng)主要模塊選型和設(shè)計(jì)

2.1 控制器的選擇

本控制系統(tǒng)根據(jù)輸入、輸出點(diǎn)數(shù)和所需要實(shí)現(xiàn)的功能，選擇西門子S7-200PLC，由于本系統(tǒng)主要是完成模擬信號(hào)的采集和控制，因此本控制器配備EM235模塊， EM235模塊具有4個(gè)模擬量的輸入和1個(gè)模擬量的輸出，可以滿足本控制系統(tǒng)的需求。

本文的PID(比例，微分，積分)控制器主要由PLC內(nèi)部的PID控制模塊完成，PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)由式(1)所示

式(1)

其中Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)。三個(gè)系數(shù)的確定決定著控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性， 本文利用仿真試驗(yàn)，利用試湊法來確定PID各參數(shù)[3，4]。所謂試湊法是指通過Matlab仿真運(yùn)行, 觀察系統(tǒng)對(duì)典型輸入(單位階躍輸入) 作用的響應(yīng)曲線, 根據(jù)各參數(shù)的控制作用, 反復(fù)調(diào)節(jié)試湊, 直到滿意為止。最終本控制系統(tǒng)設(shè)置為Kp為1. 4，Ki為0. 5，Kd為0. 2。

2.2 熱電偶選型

熱電偶是廣泛應(yīng)用于工業(yè)和科研中的溫度傳感器，它測(cè)溫的基本原理是熱電效應(yīng)。如圖2所示，把兩種不同的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)A和B連接成閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)1和2溫度不同時(shí)，如T>T0，則回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)EAB(T>T0)。導(dǎo)體A和B叫做熱電極，兩熱電極A和B的組合成為熱電偶，在兩個(gè)接點(diǎn)中，接點(diǎn)1是將兩電極焊在一起，測(cè)溫時(shí)將它放入被測(cè)對(duì)象中感受被測(cè)溫度，故稱之為測(cè)量端；接點(diǎn)2處于環(huán)境之中，要求溫度恒定，故稱之為參考端。

圖2 熱電偶結(jié)構(gòu)圖

圖3所示為本系統(tǒng)選擇的熱電偶，WZP，Pt100型熱電偶，檢測(cè)精度最高，測(cè)量范圍為-200 ℃～500 ℃，允許偏差為Δt ℃，±(0. 15+0. 002|t|),精度等級(jí)為A級(jí)。固定螺紋 M27×2，保護(hù)管316 L，長度450 mm，插入深度300 mm。保護(hù)管具有良好的耐腐蝕性。

圖3 Pt100型熱電偶

2.3 熱電偶變送器選擇

熱電偶變送器，由基準(zhǔn)源、冷端補(bǔ)償、放大單元、線性化處理、V/I轉(zhuǎn)換、斷偶處理、反接保護(hù)、限流保護(hù)等電路單元組成。它是將熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)經(jīng)冷端補(bǔ)償放大后，再由線性電路消除熱電勢(shì)與溫度的非線性誤差，最后放大轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流輸出信號(hào)，熱電偶變送器的接線圖如圖4所示。

圖4 熱電偶變送器接線圖

本設(shè)計(jì)選擇的溫度變送器：型號(hào)：SBWZ，分度號(hào)：PT100，工作電源：DC24 V，輸出：4～20 MA(極限是28 MA)。精度：0. 2%，冷端補(bǔ)償：0～50 ℃±1 ℃，調(diào)整方式：電位器；負(fù)載能力：0～250 Ω，環(huán)境溫度：-20～80 ℃，環(huán)境濕度：﹤85%RH。

Pt100的量程為：-200度500度，溫度變送器把這個(gè)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后對(duì)應(yīng)的 4 mA就是200度， 20 mA就是500度，通過確認(rèn)變送器輸?shù)碾娏鞔笮【涂梢灾喇?dāng)前的溫度值。

2.4 回潮率檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

籽棉回潮率的檢測(cè)，利用籽棉回潮率值發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致平行板電容的電容值發(fā)生變化的原理。通過檢測(cè)電容值的變化去測(cè)量回潮率值，其檢測(cè)電路如圖5所示[5，6]。

圖5 回潮率檢測(cè)電路

電容檢測(cè)電路采用交流激勵(lì)式電容/電壓轉(zhuǎn)換，該電路測(cè)量精度高、速度快且抗雜散電容能力強(qiáng)。電容檢測(cè)電路主要包括正弦激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器，電容/電壓轉(zhuǎn)換電路、放大電路和有限制檢測(cè)電路。ICL8038是一款多功能波形發(fā)生器集成電路芯片，具有結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活、方便等優(yōu)點(diǎn)。AD620是一款低功耗、高精度儀表放大器，具有良好的交直流特性，只需外接一個(gè)電阻就可調(diào)節(jié)增益，其增益范圍為1～1 000。AD637是一款高精度的有效值/直流轉(zhuǎn)換器，具有工作頻帶寬、穩(wěn)定時(shí)間短、外接元件少等優(yōu)點(diǎn)。

2.5 晶閘管交流調(diào)功器

晶閘管交流調(diào)功器適用于電阻負(fù)載(功率因數(shù)等于1)，如鎳鉻、鐵鉻鋁、鎳鐵電阻絲、鎢鉬絲，碳化硅棒、遠(yuǎn)紅外電熱板等電熱元件。本設(shè)計(jì)選用的晶閘管交流調(diào)功器主要是用遠(yuǎn)紅外電熱板。利用PLC輸出的模擬量信號(hào)去控制遠(yuǎn)紅外電板輸出功率，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)之間的線性放大。

本設(shè)計(jì)選擇Kt16P 系列單相晶閘管調(diào)功器 / 調(diào)壓器，相數(shù)：單相，頻率： 50 Hz ，控制輸入信號(hào)：4～20 mA,輸入阻抗： 120 Ω ，觸發(fā)方式：移相調(diào)壓型和變周期過零功型 ，調(diào)節(jié)輸出范圍： 0～100% ，采樣周期 控制輸入信號(hào)：10次/每秒，額定電流：100 A 。 其接線簡圖如圖6所示

圖6 晶閘管交流調(diào)功器接線簡圖

2.6 遠(yuǎn)紅外輻射籽棉烘干裝置

目前籽棉烘干主要包括：采用電熱爐、燃?xì)狻⑷济骸⑷加停h(yuǎn)紅外等方法。由于電熱爐、燃煤的方法加熱具有大滯后，大慣性的特點(diǎn)，因此并不太適合于自動(dòng)化控制，而燃?xì)狻⑷济簞t成本較高。

因此，本設(shè)計(jì)主要控制遠(yuǎn)紅外輻射籽棉烘干裝置的輸出功率，從而來控制籽棉烘干過程。采用遠(yuǎn)紅外加熱的方法對(duì)籽棉進(jìn)行烘干，遠(yuǎn)紅外加熱與傳統(tǒng)加熱方法相比，具有加熱速度快、產(chǎn)品質(zhì)量好、設(shè)備占地面積小、生產(chǎn)費(fèi)用低和加熱效率高等優(yōu)點(diǎn)[7]。它代替電能加熱，其節(jié)電效率非常顯著，一般可節(jié)電30%左右，個(gè)別場(chǎng)合甚至可達(dá)到60%～70%。

遠(yuǎn)紅外輻射加熱器是把電能或其它形式的能量轉(zhuǎn)化為輻射能的器件，是紅外加熱系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。紅外輻射加熱器主要由兩部分組成，即熱源和輻射基體。本設(shè)計(jì)熱源是由電熱絲通電產(chǎn)生，輻射基體選擇乳白石英。乳白石英紅外加熱器的光譜發(fā)熱率ελ在4～8 um和11～15 um波段內(nèi)高達(dá)0. 92，正好是絕大多數(shù)高分子有機(jī)物和水的主要吸收帶[8]，非常適合于籽棉的烘干。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)采籽棉烘干自動(dòng)化控制系統(tǒng)，主要工作包括整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)建，溫度采集模塊選型，籽棉回潮率采集電路設(shè)計(jì)，晶閘管交流調(diào)功器的選型和遠(yuǎn)紅外籽棉烘干裝置的選擇。使其可以依據(jù)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)到的籽棉回潮率而自動(dòng)調(diào)整烘干機(jī)的工作參數(shù)，從而消除機(jī)采籽棉因回潮率不均勻而引起的皮棉加工品級(jí)下降問題。

[1] 方言.充分認(rèn)識(shí)新疆棉花基地的戰(zhàn)略地位[EB/OL].http://www.ce.cn/cysc/agriculturel，2011-01-07.

[2] 李偉,鄭小偉.籽棉烘干系統(tǒng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].加工技術(shù)與應(yīng)用,2010,(4):10-14.

[3] 鄒明江.烘干生產(chǎn)過程自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].湖北武漢:華中科技大學(xué),2005.

[4] 張金嬌.基于Matlab的控制系統(tǒng)仿真[J].湖北工學(xué)院學(xué)報(bào),2004,19(3):42-144.

[5] 郭文川,劉馳,楊軍.小麥秸稈含水率測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(1):33-40.

[6] 梁琨,沈明霞,路順濤.基于平衡水分模型的稻谷含水量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013,44(1):125-130.

[7] 史運(yùn)昌.遠(yuǎn)紅外線烘干籽棉清理機(jī):中國,CN 203128694U[P],2013-08-14.

[8] 楊戰(zhàn)國.紅外烘道的烘干特性研究[D].河北保定:河北農(nóng)業(yè)大學(xué),2009.