順流式玉米烘干塔溫度控制系統(tǒng)開發(fā)與改進

蔡有杰 吳志東 王雪峰 包 麗 張金峰

(1. 齊齊哈爾大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2. 黑龍江景星機械制造有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

順流式玉米烘干塔溫度控制系統(tǒng)開發(fā)與改進

蔡有杰1吳志東1王雪峰1包 麗1張金峰2

(1. 齊齊哈爾大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2. 黑龍江景星機械制造有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

為有效保證糧食的烘干溫度保持在設(shè)定的安全溫度范圍之內(nèi)，采用多傳感器均勻布點檢測與模糊控制技術(shù)，設(shè)計一種順流式玉米烘干塔溫度控制系統(tǒng)。以AT89C51單片機為開發(fā)平臺，利用可編程溫度傳感器DS18B20，通過串口通信傳輸至LabVIEW系統(tǒng)上位機顯示，并以檢測的溫度數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)調(diào)節(jié)反饋，采用抗飽和PID控制算法，調(diào)節(jié)單片機輸出占空比的大小，從而使驅(qū)動電路控制熱風(fēng)機的轉(zhuǎn)速。與傳統(tǒng)裝置相比，改進后的溫度控制系統(tǒng)具有主機接口簡單、結(jié)構(gòu)靈活、調(diào)試方便、測溫系統(tǒng)轉(zhuǎn)換速度快、精度高的特點。

玉米；烘干塔；溫度控制；上位機；單片機

收后干燥是玉米安全儲藏的重要環(huán)節(jié)，而干燥過程機械自動化是中國糧食生產(chǎn)的重要研究方向，在烘干技術(shù)中如低溫干燥、蒸氣干燥等新技術(shù)的研究應(yīng)用，實行干燥過程自動控制，對玉米干燥生產(chǎn)效率、安全及提高玉米品質(zhì)都具有重要的意義。

從20世紀(jì)40年代開始，國外就進行了糧食干燥技術(shù)的研究，70年代已經(jīng)達到糧食產(chǎn)后烘干機械化，90年代后烘干設(shè)備就向著高效節(jié)能的方向發(fā)展，并逐步形成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。

中國糧食烘干技術(shù)起步較晚，全國已發(fā)展有50多個烘干設(shè)備廠家，但機型較少且不成熟、產(chǎn)量不高、能耗高、技術(shù)較低[1]。玉米烘干塔溫度控制多是在烘干塔糧食入口和出口處設(shè)置溫度傳感器采用熱敏電阻、濕敏電阻作為傳感器件，通過檢測電阻的變化來反映糧食溫度的變化，為烘干塔糧食烘干提供參考依據(jù)。其原理多采用單點局部測量，通過信號調(diào)理送入單片機，單片機通過算法對信息進行運算處理，送出顯示并控制風(fēng)機動作[2]。但熱敏電阻的單點局部測量可靠性差，測量溫度準(zhǔn)確率低，而且必須經(jīng)過專門的接口電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能由單片機進行處理。

為克服上述缺點，結(jié)合可編程溫度傳感器DS18B20的特點，借鑒多傳感器均勻布點檢測與模糊控制技術(shù)在數(shù)據(jù)采集、機器人控制等領(lǐng)域應(yīng)用中體現(xiàn)出來的反應(yīng)靈敏，控制精度高；可模塊化設(shè)計，擴展性強；成本低，易于推廣等優(yōu)勢。本研究采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器均勻布點，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器，以AT89C51代替8031單片機，通過在每個塔層設(shè)置溫度傳感器，對按時序邏輯獲得的多傳感器采集的信息進行綜合分析和處理，同時采用PID控制算法避免糧食烘干塔烘干溫度的超調(diào)，并采用閉環(huán)控制，實時采集糧食烘干過程中的烘干溫度，使糧食的烘干溫度能夠精確地控制在安全的范圍內(nèi)。旨在建立一套以計算機自動控制糧食烘干過程的實時監(jiān)測控制系統(tǒng)，以優(yōu)化糧食烘干塔干燥過程自動化水平，降低糧食在烘干過程中因溫度監(jiān)測不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的損壞。

1 順流式玉米烘干塔組成及系統(tǒng)功能設(shè)計

順流式玉米烘干塔其整體結(jié)構(gòu)可分為三大部分，兩段加熱，一段冷卻。塔體主要由底座、塔頂、儲糧段、排糧段和各烘干塔層組成。其烘干原理為糧食經(jīng)清選后，由提升機送至烘干塔儲糧段，料位器自動控制上糧，糧食在烘干塔內(nèi)運行方向與熱風(fēng)(冷風(fēng))流動方向成順流，實現(xiàn)預(yù)熱、干燥、緩蘇、冷卻的整個過程，通過控制系統(tǒng)自動監(jiān)測控制排糧，從而達到理想的烘干效果，最后由排糧機送出。

根據(jù)烘干塔工作流程和參數(shù)要求，順流式玉米烘干塔控制系統(tǒng)的工作方式及相關(guān)的功能為：在烘干塔溫度控制方面，采集塔體各層的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)驅(qū)動電路調(diào)節(jié)熱風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，使烘干塔溫度保持在設(shè)定值范圍，保持玉米良好的屬性；玉米烘干的目的就是保證烘干后的玉米水分含量在安全的儲藏要求的范圍之內(nèi)，在玉米水分控制方面，利用在線式玉米水分檢測傳感器測量進出口玉米的水分含量，根據(jù)測得的玉米水分含量，控制排糧機構(gòu)的運轉(zhuǎn)速度，以玉米層在烘干塔內(nèi)的流動速度，使出口的玉米水分達到儲藏要求；圖1、2分別為改進前、后系統(tǒng)控制總框圖，前者熱敏電阻傳感器要經(jīng)多路開關(guān)多線分別經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入單片機處理后經(jīng)擴展接口電路通過數(shù)碼顯示；改進后的多點傳感器通過并行通信方式直接送至單片機，并通過主控芯片與上位機串口通信，在上位機顯示烘干塔數(shù)據(jù)并控制系統(tǒng)運行。

圖1 傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)總框圖Figure 1 Temperature control system of total diagram before improvement

圖2 改進后系統(tǒng)控制總框圖Figure 2 The improved temperature control system block diagram

2 烘干塔溫度控制設(shè)計

玉米烘干過程中溫度的控制對玉米的烘干效率以及玉米的屬性有著重要的影響。烘干塔的溫度控制設(shè)計分為溫度檢測及處理、烘干段恒溫控制算法設(shè)計、溫度控制執(zhí)行設(shè)計等部分[3]。

2.1 烘干塔的溫度檢測

2.1.1 溫度傳感器與單片機接口電路 烘干塔的溫度采集，如圖3采用8個DS18B20溫度傳感器采集8路溫度數(shù)據(jù)，8路溫度分別是：1路外部溫度、1路冷卻段溫度、2路加熱段1的溫度、1路熱風(fēng)口1的溫度、2路加熱段2的溫度、1路熱風(fēng)口2的溫度[4]。為克服圖1中使用單總線讀取8個傳感器時操作周期較長，不能滿足系統(tǒng)的實時性要求，尤其在讀取器件的序列號時需要大量時間的缺點，在烘干塔溫度采集的電路接口設(shè)計中，采取犧牲單片機IO口的方法，使用一組單片機IO口(P2)并行操作8個DS18B20，當(dāng)電路中一根總線上只有一個DS18B20溫度傳感器器件時，可以通過寫入指令“Writ_onebyte(0xCC)”，跳過讀取溫度傳感器序列號，從而節(jié)省大量溫度傳感器的操作時間，應(yīng)用該電路設(shè)計可以在1 s之內(nèi)將8個溫度傳感器的16字節(jié)的數(shù)據(jù)讀取完成[5]。

圖3 溫度傳感器與單片機接口電路Figure 3 The temperature sensor and single chip microcomputer interface circuit

2.1.2 烘干塔溫度采集與數(shù)據(jù)處理 單片機采用AT89C51代替原來的8031，8031片內(nèi)不帶程序存儲器ROM，使用時用戶需外接程序存儲器和一片邏輯電路373。用戶若想對寫入到EPROM中的程序進行修改，必須先用一種特殊的紫外線燈將其照射擦除，之后再可寫入[6]。而AT89C51因不用外存儲器，不必安裝原電路的外存儲器和373芯片，且由于內(nèi)部RAM的存在，可以減少I/O擴展芯片、鎖存器及片外RAM等等，使整個設(shè)計顯得簡單明了。

烘干塔的溫度數(shù)據(jù)采集操作，分為以下幾個步驟：① 復(fù)位8路DS18B20溫度傳感器芯片[Init_Ds18b20()]；② 寫入忽略ROM指令[Writ_onebyte(0xCC)]；③ 寫入開始轉(zhuǎn)換指令[Writ_onebyte(0x44)]；④ 延時等待轉(zhuǎn)換完成；⑤ 復(fù)位8路DS18B20溫度傳感器芯片[Init_Ds18b20()]；⑥ 寫入忽略ROM指令[Writ_onebyte(0xCC)]；⑦ 寫入讀取溫度數(shù)據(jù)指令[Writ_onebyte(0xBE)]。

每路溫度數(shù)據(jù)分為高、低兩個字節(jié)，并行采集8路溫度數(shù)據(jù)時，單片機從低位到高位依次讀取8路溫度傳感器的串行數(shù)據(jù)，8路溫度數(shù)據(jù)的每一位組成1字節(jié)的數(shù)據(jù)[7]。將16字節(jié)數(shù)據(jù)存儲在數(shù)組中并進行以下數(shù)據(jù)處理：① 將數(shù)組中進行數(shù)據(jù)進行拆位處理，轉(zhuǎn)化為每路溫度傳感器有效的高、低兩字節(jié)數(shù)據(jù)。并將兩字節(jié)數(shù)據(jù)處理為單精度的溫度數(shù)據(jù);② 將得到的單精度溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4字節(jié)十六進制數(shù)據(jù)存儲在發(fā)送緩沖區(qū)，發(fā)送至上位機;③ 將測量的加熱段1、2的溫度反饋至抗飽和PID控制器，對烘干塔的烘干溫度進行閉環(huán)控制;④ 將冷卻段的玉米溫度與外部溫度比較后，控制排糧機構(gòu)的輸出。烘干塔的溫度采集與數(shù)據(jù)處理框圖見圖4。

圖4 烘干塔的溫度采集與數(shù)據(jù)處理框圖Figure 4 Diagram of the temperature acquisition and data processing

2.2 烘干段恒溫控制算法設(shè)計

烘干塔溫度較為復(fù)雜，改進后的溫度控制采用PID控制算法， PID控制框圖見圖5。糧食烘干過程中要防止溫度超調(diào)，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)在烘干過程中，如果溫度超調(diào)，只能停止熱風(fēng)機的運行，進行自然冷卻降低溫度，由于減少了熱空氣與糧食層的相對流動從而降低了糧食烘干的效率[8]。而使用抗飽和PID控制算法能夠有效避免糧食烘干塔烘干溫度的超調(diào)，達到設(shè)計范圍內(nèi)恒溫控制的目的。

圖5 PID控制框圖Figure 5 PID control block diagram

烘干塔溫度抗飽和PID程序設(shè)計：

float Hg_kbh_pid(float set_value,float rea_value,float kp,float ki,float kd)

{

float result,ki_work,kp_work,kd_work,err;// 定義局部變量

err=set_value-rea_value; //計算誤差

kp_work = kp*err; //比例項

ki_work = ki*Erradd; //積分項

kd_work = kd*(err-Lasterr); //微分項

if(Erradd>(set_value+10)) //積分值限制

{

if(err<0)

Erradd+=err;

}

if(Erradd<(set_value-10))

{

if(err>0)

Erradd+=err;

}

Lasterr=err;// 用于下次微分項計算

result =kp_work+ki_work+kd_work;// 結(jié)果輸出

// Resultback=result;

return result;

}

2.3 溫度控制執(zhí)行設(shè)計

2.3.1 熱風(fēng)機選擇及驅(qū)動電路 烘干塔的溫度控制可以通過調(diào)節(jié)熱風(fēng)機的風(fēng)量的大小來控制烘干塔的溫度，溫度控制的執(zhí)行原件主要分為兩個部分，分別是引風(fēng)機和電機調(diào)速兩個部分。以200T/D玉米烘干塔所需的引風(fēng)機功率約為15 kW[9]，熱風(fēng)機選用的是Y5-48 No8C型Y160L-4引風(fēng)機，功率15 kW，轉(zhuǎn)速1 600 r/min，全壓1 948 Pa，流量15 765 m3/h。電機調(diào)速驅(qū)動電路使用是變頻器，采用西門子6SE7023-4EC61變頻器額定功率15 kW，它具有控制電機的功耗實現(xiàn)設(shè)備節(jié)能、便于維護設(shè)備、運轉(zhuǎn)過程中對電路和電機的保護的特點[10]。變頻器接受到發(fā)出的控制信息，通過改變電源的頻率，來對電機進行調(diào)速。單片機管腳PWM輸出要加上限流電阻，與變頻器的控制接口采用光耦隔離進行保護，電機驅(qū)動電路原理圖見圖6。

2.3.2 熱風(fēng)機軟件控制設(shè)計 利用AT89C51單片機通過調(diào)節(jié)PWM輸出的占空比調(diào)節(jié)電壓信號，通過寫入PCA_PWMn模塊寄存器的EBSn_1和EBSn_0位，設(shè)置模塊為6～8位PWM輸出[11]。模塊0的PWM寄存器見表1。

EBS0_1,EBS0_0:當(dāng)單片機的PCA模塊0工作在PWM模式時

0 , 0:模塊工作在8位PWM

0 , 1:模塊工作在7位PWM

1 , 0:模塊工作在7位PWM

1 , 1:無效，模塊工作在8位PWM

單片機的三路PCA模塊共用一個16位PCA定時器，如圖7所示，通過寫入選擇定時器的時鐘頻率，在設(shè)計中選擇定時器2的溢出率(1/T)為PCA定時器的時鐘頻率。定時器的工作模式固定為16位自動重裝，通過設(shè)置初裝值及定時器2的時鐘頻率設(shè)定定時器2的溢出率，從而設(shè)定PCA模塊的頻率。設(shè)置PCA的頻率，則PWM為選擇輸入源頻率的1/256；因為PWM為8位；時鐘源選擇可以是fosc/12或者fosc/2、定時器T0/T2溢出率、也可以是外部時鐘輸入ECI/P3.4，或者fosc、fosc/4、fosc/6、fosc/8；可以通過T0定時器的工作方式及初始值設(shè)定一定頻率的PWM輸出，寫入相應(yīng)模塊捕獲寄存器CCAPnH和CCAPnL的值，控制PWM占空比輸出，調(diào)節(jié)控制電壓的大小，進而達到控制烘干溫度的目的。

烘干塔熱風(fēng)機部分軟件控制程序：

Resultback=Hg_kbh_pid(hot1.settemp,ByteFloat(DataScope_OutPut_Buffer,5),

hot1.setkp,hot1.setki,hot1.setkd);//使用烘干段1的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)控制烘干段1

if(Resultback>100)//PID輸出范圍限定

Resultback=100;

if(Resultback<0)

Resultback=1;

圖6 電機驅(qū)動電路原理圖Figure 6 Motor drive circuit principle diagram

表1 模塊0的PWM寄存器Table 1 PWM module 0 registers

圖7 PCA定時器/計數(shù)器結(jié)構(gòu)Figure 7 Motor drive circuit principle diagram

CCAP0H =255-((uint8)((Resultback/100)*255));//比例對應(yīng)調(diào)節(jié)

Delay5x_ms(10);

Resultback=0;

Resultback=Hg_kbh_pid(hot2.settemp,ByteFloat(DataScope_OutPut_Buffer,6),

hot2.setkp,hot2.setki,hot2.setkd);//控制烘干段2

if(Resultback>100)

Resultback=100;

if(Resultback<0)

Resultback=1;

CCAP1H =255-((uint8)((Resultback/100)*255));

3 烘干塔溫度控制仿真驗證

玉米烘干塔的溫度控制仿真在Code Block與MATLAB軟件中實施。分為以下幾個步驟：

(1) 建立簡化的烘干塔溫度控制對象的數(shù)學(xué)模型。

(2) 將被控對象微分方程進行差分化處理。

(3) 將離散的被控對象模型用C語言表示。

(4) 進行PID參數(shù)整定，使被控對象的輸出達到系統(tǒng)設(shè)計要求。烘干塔溫度控制屬于大慣性、大滯后、時變非線性的控制系統(tǒng)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，通過簡化系統(tǒng)輸入輸出的關(guān)系，建立系統(tǒng)的微分方程，用來描述實際系統(tǒng)溫度特性隨時間演變的過程[12]。PID參數(shù)的整定順序為比例(P)、積分(I)、微分(D)。三個環(huán)節(jié)對于誤差的作用各不相同。① 對于比例環(huán)節(jié)，當(dāng)誤差產(chǎn)生時立即作用，其輸出波形是誤差波形乘以比例系數(shù)；② 積分環(huán)節(jié)的作用是消除靜差，只要誤差存在，便會一直作用，當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出的誤差不等于0，則積分會在該方向一直累加；③ 微分在系統(tǒng)抖動的時候作用，且作用較強，在大慣性的系統(tǒng)中，積分項可以提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度。當(dāng)取比例Kp=30，積分Ki=1.0，微分Kd= 20，給定值為階躍信號 60，慣性環(huán)節(jié)的慣性系數(shù)取5 833時，通過以下PID算法進行參數(shù)整定，得到烘干塔出口溫度仿真圖形。

PID算法：

pid_out=generalpid(30,1.0,20,60,sys_realout);//比例積分微分分別為30，1.0，20

sys_realout=InertialElement(5833,pid_out);

烘干塔出口溫度仿真圖形結(jié)果見圖8。由圖8可知，系統(tǒng)出口溫度隨時間推移、數(shù)據(jù)采集次數(shù)增到300次以上，溫度波動較小，說明溫控系統(tǒng)控制精度較高，完全滿足玉米烘干溫度恒定要求。

圖8 烘干塔溫度控制仿真Figure 8 Drying tower temperature control simulation

4 結(jié)論

通過烘干塔溫度控制系統(tǒng)的溫度采集電路、溫度數(shù)據(jù)的處理、烘干塔恒溫控制算法優(yōu)化設(shè)計、執(zhí)行部分軟硬件設(shè)計，并簡化烘干塔溫控的數(shù)學(xué)模型，使用設(shè)計的抗飽和PID算法對烘干塔的溫度控制進行了仿真。通過整定PID參數(shù)，達到烘干塔自動控制工作要求。

[1] 趙學(xué)偉, 周兵. 我國玉米干燥技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]. 玉米與飼料業(yè), 2003, 26(2): 15-17.

[2] 鄒莉. 實驗用溫控對象模擬器的設(shè)計[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2009: 2-4.

[3] 李紅剛, 張素萍. 基于單片機和LabVIEW的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 國外電子測量技術(shù), 2014, 33(4): 62-67.

[4] 林凡, 吳孫桃, 郭東輝. 半導(dǎo)體溫度傳感器及其芯片集成技術(shù)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2003, 40(12): 1-2.

[5] 劉鴻文. 材料力學(xué)Ⅰ[M]. 北京: 高等教育出版社, 2011: 189-193.

[6] 李振濤, 張陽, 張麗梅. 玉米水分在線檢測傳感器[J]. 遼寧大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2006, 40(3): 241-243.

[7] 丁向榮. 單片機微機原理與技術(shù)接口[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2012: 95-101.

[8] 張金. LabVIEW程序設(shè)計與應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2015: 234-236.

[9] 郭天祥. 新概念51單片機C語言教程: 入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009: 105-114.

[10] 陳荷娟. 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2008: 25-29.

[11] 呂孝榮. 玉米烘干過程智能控制的理論與試驗研究[D]. 沈陽: 東北大學(xué), 2005: 44-47.

[12] 王巧芝. Altium Designer電路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)教程[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2012: 80-84.

The exploring and improvement of the temperature control system in the corn drying tower

CAI You-jie1WUZhi-dong1WANGXue-feng1BAOLi1ZHANGJin-feng2

(1.MechanicalandElectronicEngineeringInstitute,QiqiharUniversity,Qiqihar,Heilongjiang161006,China; 2.HeilongjiangJingxingMachineryManufacturingCo.,LTD,Qiqihar,Heilongjiang161006,China)

To effectively guarantee the grain drying temperature to keep in safe range, a downstream type corn drying tower temperature control system was designed combining the multi-sensor detection and the even putting fuzzy control technology. With AT89C51 as the development platform, and the programmable temperature sensor DS18B20 was used via a serial port communication and transport to the LabVIEW system. Moreover, according to the upper machine, the temperature was detected as the data for feedback system adjustment, and anti-saturation PID control algorithm, the size of single chip microcomputer output duty cycle was adjusted. Thus the drive circuit heat fan speed was controlled finally. Compared with the traditional device, this improved temperature control system contained a simple host interface, a flexible structure, a convenient debugging, an efficient and precious temperature detection and transformation.

corn; drying tower; temperature control; upper computer; single chip microcomputer

齊齊哈爾市科技局科學(xué)技術(shù)計劃項目工業(yè)攻關(guān)(編號：GYGG-201418，GYGG-201505)；黑龍江省教育廳基本業(yè)務(wù)專項理工青年骨干項目(編號：135109310)；黑龍江省規(guī)劃辦項目(編號：16Q148)

蔡有杰(1966—)，男，齊齊哈爾大學(xué)副教授。E-mail: 86464642@qq.com

2016-08-28

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.02.019