油菜籽真空干燥智能控制系統設計

朱光耀，楊彩霞

（湖南機電職業技術學院 電氣工程學院，湖南 長沙 410151）

油菜籽真空干燥智能控制系統設計

朱光耀，楊彩霞

（湖南機電職業技術學院 電氣工程學院，湖南 長沙 410151）

為了提高油菜籽干燥過程的加工質量與效率，研制了一套由PLC（Programmable Logic Controller）、觸摸屏、傳感器等組成的油菜籽真空干燥機及其智能控制系統，完成了油菜籽溫度PID控制、水分在線檢測、風機控制等系統的設計，并在MCGS平臺上完成了上位機設計，監控現場已完成了設備的安裝與調試，投入實驗室生產過程。實驗結果表明，該系統可以有效完成油菜籽干燥過程在線監控，較大程度地提高了油菜籽干燥系統的自動化程度。

油菜籽干燥；監控系統；智能控制；MCGS

自“十二五”以來，我國由傳統農業開始向現代農業轉變，對科技創新驅動、引領支撐現代農業建設的要求越來越高。我省是一個農業大省，據統計，2014年湖南油菜籽播種面積達1298.22千hm2，產量202.95萬t，且種植面積在政府引導之下逐年增加。一般油菜籽脫粒后的含水率在15%～30%左右，水分超過13%的油菜籽堆放儲存時，幾乎不出現先兆，一夜間升溫10℃以上導致全部霉變。油菜籽的水分愈高，發芽、發熱、霉變速度愈快。由于湖南省地處長江流域，油菜籽收獲時正值梅雨季節，因此研發油菜籽智能干燥設備，防止油菜籽發生霉變具有很大的現實意義。

目前市場上糧食干燥設備很多，但針對油菜籽的干燥設備相對較少，且主要以熱風干燥、微波干燥為主。傳統干燥設備對油菜籽干燥過程的各個參數不能實時精確監控，導致質量不一，油品質量穩定性差。針對這一問題，本研究通過對油菜籽真空干燥進行實時精確監控，能夠有效提高油菜籽的干燥效率，確保油菜籽干燥后的質量，從來帶來更大的經濟效益和社會效益。

1 系統整體設計

（1）油菜籽真空干燥機基本結構。本設計的油菜籽真空干燥機主要用于小批量干燥，要求干燥均勻，干燥溫度不能過高。故應該降到干燥室內的真空度，在桶蓋的上方安裝負壓風機，干燥時不斷抽出干燥室內濕空氣，使干燥室內處于負壓狀態。為了能使油菜籽在干燥室內運動，在干燥室內安裝螺旋攪拌器，使油菜籽在干燥室內攪拌均勻；使用電阻絲進行加熱。其結構原理如圖1所示。

圖1 油菜籽真空干燥機干燥結構圖

干燥室內部安裝有螺旋攪拌器，可以使底部的油菜籽由下而上向上輸送進行縱向攪拌。絞龍軸上安裝有3個槳葉，槳葉外傾，絞龍軸轉動，槳葉可以將中心的油菜籽向外推，進行橫向輸送。絞龍軸下端安裝有2個出料刮板，可將干燥完后的油菜籽刮送到出料口，使其落料干凈。料筒蓋頂端的負壓風機，雙風機，在干燥機進行工作時，不斷的將里面的濕熱空氣抽出，使干燥室保證一定的濕度和真空度。

（2）油菜籽真空干燥工藝過程分析。油菜籽的干燥過程應采用預熱+干燥+冷卻+干燥+冷卻的干燥工藝為宜，且在各干燥段的干燥時間要較短，這是控制油菜籽在干燥過程中產生酸敗的有效措施之一。另外，烘干后的油菜籽因帶有余溫，會加速酸敗，為了保證品質，烘后油菜籽必須進行冷卻，使其溫度不超過環境溫度。故將干燥系統的控制過程設置為：先啟動抽空泵，達到預設的壓力后進行預熱，預熱階段采用抽空與充氣的過程，使溫度能很快達到設定溫度。在此階段冷凝器啟動，抽出的水蒸氣直接排出。然后進一步抽空，降低真空度。一段時間后停止抽空，再次啟動加熱，達到預設溫度一段時間后，然后持續抽真空，直至達到預設壓力。然后進入終點運行，當真空度達到預設值時，達到要求，完成系統運行。

（3）控制系統整體設計。智能干燥控制系統以PLC為核心，其輸入部分由溫度采集電路、濕度采集電路、水分采集電路、按鍵輸入電路組成；輸出部分由螺旋攪拌電機控制、可控硅控制加熱設備、指示燈、人際界面顯示電路和報警電路等組成，如圖2所示。當PLC讀入所設置參數后，將不斷掃描各輸入端口，采集干燥機的各控制按鈕和工作狀態；然后按照所編制的系統控制程序進行邏輯計算，將計算結果通過PLC輸出端口對干燥機的溫度控制系統、真空系統、加熱和冷凝回收系統等進行控制；并將干燥機的工作狀態在觸摸屏上予以實時的顯示。

圖2 控制系統整體結構圖

根據油菜籽真空干燥機實際控制需要，主控模塊PLC型號為西門子S7-200 CPU226，此可編程控制器具有良好的可擴展性、使用條件、可靠性、易操作性及經濟性等性能指標，其中使用到的輸入點數為34個，輸出點數為32個。

2 具體模塊設計

（1）溫度控制模塊設計。Pt100鉑熱電阻是目前在溫度采集系統中應用較多的溫度傳感器，溫度的采集范圍可以在-200℃～+200℃，滿足干燥控制系統測溫要求，同時具有穩定性好、耐腐蝕、用PLC控制方便等優點，測量精度為± 0.15℃，完全符合設計要求。因此，在油菜籽智能干燥控制系統中選用Pt100作為溫度采集的傳感器。PT00溫度傳感器輸出信號為4～20mA，串接電阻把電流信號轉換成0～10V的電壓信號，送入PLC的模擬量輸入通信。

本設計對干燥系統進行恒溫控制，需要對溫度進行PID調節。PID運算的結果控制加熱器。PID控制算法是按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行計算，它是應用最為廣泛的一種自動控制器。它具有原理簡單，易于實現，適用面廣，控制參數相互獨立，參數的選定比較簡單等優點。本設計利用PID算法實現油菜籽溫度閉環控制，其過程可以通過PLC編程軟件中的PID指令算法來實現。

由于可控硅能以毫安級的電流控制大功率機電設備，放大功率達到幾十萬倍，反應快，通斷只要幾微妙就能實現，無觸點運行，成本低等特點，本設計采用可控硅對加熱設備進行控制。可控硅導通與斷開由PLC控制，設置不同檔位，達到調壓控制目的。

（2）水分在線采集模塊設計。油菜籽水分測量方法分為直接測量法和間接測量法兩種。直接測量水分即通常說的烘干稱重法，測量時間長，實時性差，多適用于實驗室精確測量場合。而在油菜籽需要快速干燥時，宜采用間接測量法進行測量。間接測量法是通過測量待測物種能夠表征水分含量的相關電量或非電量的變化來相應地測定物質的含水量，具有速度快、實時性好的優點。

本設計中選用電容式水分傳感器，其工作原理主要是檢查兩同芯圓柱之間的容值變化，當被檢測物含水量發生變化時，其介電常數會相應發生變化，電容式傳感器就是利用這一物理性質實現糧食水分的測量。

（3）監控系統設計。如圖3所示，所開發的油菜籽真空干燥機控制系統軟件由參數初始化模塊、水分在線檢測模塊、溫度和真空度控制模塊、用戶操作與監控界面以及系統通信等模塊組成。

圖3 監控系統軟件模塊結構組成

人機交互界面由觸摸屏設備昆侖通態TPC7062KS實現。通過用MCGS上位機軟件編程實現顯示功能，以溫度控制模塊界面設計為例，界面如圖4所示。其中的用戶操作與監控界面模塊是系統的主控模塊，它為用戶提供了友好的操作菜單和工作界面，并將系統工作狀態予以顯示。

圖4 溫度控制模塊人機界面

3 結語

本課題在對油菜籽真空干燥過程進行研究后，針對油菜籽真空干燥系統工藝，設計了智能控制系統。通過參數設置使抽空機組分時段協調工作。在監控系統中，采用PLC可編程控制器與觸摸屏協同監控整個系統的初始化設置、系統運行的各階段參數、整個工藝過程中設備及配套件的運行情況等。監控現場已完成了設備的安裝與調試，投入生產過程。本設計提高了系統的自動化水平，使干燥過程可以隨時從不合格的步驟重新開始運行，保證了產品質量，提高了干燥效率。

［1］謝艷群.智能油菜籽烘干機的設計與試驗研究［D］.長沙：湖南農業大學，2012.

［2］謝艷群等.CD100型滾筒式烘干機油菜籽干燥試驗［J］.湖南農業大學學報：自然科學版，2012，（3）：344-346.

［3］史春英，郭曉云，賈懷遠，等.油菜籽干燥工藝的研究［J］.佳木斯大學學報，2009，27（6）：904-908.

［4］周建中，項余建，王隆太.基于PLC和觸摸屏的皮革真空干燥機控制系統的設計開發［J］.機電工程技術，2009，（7）：24-25.

［5］徐峰，王蔚，王聰，等.中草藥微波真空連續干燥機控制系統的設計［J］.機電工程，2014，31（1）：67-69.

Design of Intelligent Control System for Rapeseed Vacuum Drying

ZHU Guang-yao，YANG Cai-xia
（School of Electrical Engineering，Hunan Institute of Mechanical and Electrical Technology，Changsha，Hunan 410151，China）

In order to improve the processing quality and efficiency of rapeseed drying process，a rapeseed vacuum dryer and its intelligent control system composed of PLC（Programmable Logic Controller），touch screen and sensor were developed to complete the control of rapeseed temperature PID，water on-line detection，fan control and other systems design，and in the MCGS platform to complete the host computer design，the installation and commissioning of equipmenthas completed on monitoring site and put into the laboratory production process.The experimental results show that the system can effectively monitor the drying process of rapeseed，and improve the degree of automation of rapeseed drying system to a great extent.

rapeseed drying；monitoring system；intelligent control；MCGS

TP273

A

2095-980X（2017）02-0067-02

2017-02-13

湖南省教育廳科學研究項目：油菜籽真空干燥在線監測系統研究與試驗（15C0488），2016年湖南機電職業技術學院科研項目（JDK16TD05）。

朱光耀（1984-），男，湖南婁底人，大學本科，講師，主要研究方向：自動化控制技術。