變溫保質干燥機控制系統設計與試驗研究

李海龍,車 剛,萬 霖,高瑞麗,馬廣宇,王洪超

(黑龍江八一農墾大學 工程學院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

黑龍江作為重要的商品糧基地,隨著國家農業供給側的結構性改革,雜糧和優質水稻的種植面積不斷增加。其中,雜糧種植面積達46.7萬hm2,優質稻谷種植面積不斷增加[1]。雜糧、水稻是熱敏性物料,若干燥不均勻或受熱溫度及干燥風速較高,則產生溫度梯度,出現爆腰、營養成分損失等現象,在后續脫殼加工過程中出現碎粒,將會造成價格大幅下降。因此,需要在雜糧、優質水稻收獲后,選擇合理干燥工藝,達到保質烘儲的目的[2-3]。

長期以來,相關學者在糧食干燥的理論、干燥過程的檢測與控制、熱源、干燥機設計及干燥過程試驗方面均有較多深入研究,但實際生產中缺少雜糧、優質水稻的配套干燥設備,使用傳統干燥機進行作業,忽視了干燥后的糧食品質,降低了產品附加值,限制了我國農產品產后的品質提升[4-6];同時,雜糧、優質水稻干燥作業對作業參數(特別是溫度、風速)較為苛刻,有必要研究針對雜糧、優質水稻相配套的干燥設備及控制系統。

1 變溫保質干燥機的工作原理

1.1 變溫保質干燥機的工作原理

雜糧和優質水稻在干燥過程中對熱源溫度、風速要求精度較高,因此在設計原理上采用變溫負壓型干燥機,主體部分主要由預熱段、過渡段、干燥段、變溫調節裝置等構成,如圖1所示。

1.排糧輥 2.干燥段負壓風機 3.干燥段 4.過渡層 5.預熱段負壓風機 6.預熱段 7.提升機 8.變溫調節裝置圖1 負壓變溫保質干燥機結構圖Fig.1 Structure diagram of negative pressure variable temperature and quality dryer。

干燥機采用負壓風機進行干燥介質的引流,受外界環境和供熱熱源燃燒介質情況不均的限制,供熱過程氣流溫度波動較大,將降低雜糧、優質水稻干燥后品質。因此,采用實時變溫可調的變溫調節裝置對干燥過程的氣流溫度實時可控,使進入干燥機的風溫較為平穩,且具有較小時滯性,保證干燥后雜糧和優質水稻干燥后品質。

工作時,糧食由提升機提升進入主機,在重力的作用下,經過預熱層、過渡層、干燥層,通過安裝在排糧輥下端的電阻式水分傳感器檢測出水分,并通過RS485與控制柜中的PLC進行通訊;當檢測水分值達到安全水分時,PLC發出信號,通過變頻器控制排糧電機帶動排糧輥運轉,排出糧食。根據入機水分的大小,PLC控制預熱段風機轉速和時長、干燥段負壓風機轉速和時長,控制雜糧、優質水稻在預熱段和干燥段加熱時間,通過控制變溫調節裝置的外側冷風入口的開口大小,控制進入預熱段、干燥段的風溫高低,其供熱時間、時長由深床干燥基礎試驗通過回歸分析得出。通過檢測糧食入機水分的高低,PLC進行不同的變溫調節控制,從而實現干燥過程的保質干燥,提高干燥后雜糧及優質水稻的產品附加值。

1.2 變溫保質干燥機的控制工藝

針對基于品質干燥過程的試驗研究可知:在糧食較高水分時,可通過45℃較高溫度、0.16m/s較低熱風風速對水稻籽粒進行預熱,在預熱和預熱后加熱時長為y+z時長后,到達“變點”;隨后,進入較短時間緩蘇過渡到較高風速0.64m/s、溫度35℃條件下的保質干燥過程。

預熱時間采用移動平均法進行計算,實現在線控制。預熱階段控制時間模型由經驗數值得出,顯著性P<0.001,各因素對時間影響極顯著,R=1。干燥段時間計為t,采用水分值反推預測法進行預測。由于干燥過程屬于大時滯、非線性系統,對于干燥過程時間計算模型均源于經驗或者半經驗公式,因此需要配合基于出機水分的控制算法進行控制。運行干燥工藝如圖2所示。

圖2 變溫保質干燥工藝運行路線圖Fig.2 Roadmap of variable temperature and quality drying process。

2 PLC控制系統搭建

2.1 基于PLC的硬件系統搭建

為實現糧食干燥過程的自動化作業,需要采用PLC及配套模塊硬件對相關部件進行搭建。PLC模塊采用包括西門子公司生產S7-224 XP CN可編程控制器進行信號的處理,模擬量信號輸入輸出模塊采用EM235模塊,PLC模塊為系統信號處理模塊。硬件系統感知元器件主要包括溫度傳感器、風速傳感器,限位開關;執行裝置由繼電器、變頻器、變溫裝置配風閥門電機、提升機、負壓風機及排糧電機等組成。其中,提升機通過繼電器與PLC的I/O口進行聯機,變溫裝置配風閥門電機也是通過繼電器與PLC的I/O口進行相連。控制系統連接示意圖如圖3所示。

圖3 PLC控制系統硬件設計圖Fig.3 PLC control system hardware design。

變溫裝置的配風閥門電機為永磁直流減速電機,可控制其通電方向及時長,從而控制變溫調節裝置上冷風配比閥門的開口度大小。以限位開關出發為復位點,變溫過程中溫度的增加或減少通過直流電機的轉動時間進行控制。當接觸到復位開關后,調整方向進行轉動;當需求管道中的溫度高于目標溫度時,根據兩者差值、熱風混合前溫度及所處環境溫度進行控制;當溫度低于目標溫度時,進氣調節齒盤的開口完全重合(即100%關閉)。該裝置能避免溫度過高帶來的糧食品質的下降問題,從而控制入機溫度達到實時控制的目的。

執行部件需要借助控制元器件進行隔離鏈接與PLC相連。冷風配比混流裝置的直流電機控制使用CHNT JZX-22F(D)/2Z繼電器及配套接線底座,能夠實現12～220V的通斷。該繼電器信號端采用PLC的開關型接口DC24V供電,電機連接端口采用DC12V供電,提升機使用TCL TIC1-1810交流接觸器進行控制。該交流接觸器的通斷采用CHNT繼電器以小控大,實現對于提升機的控制;總電路供電使用TCL交流接觸器進行控制。控制部件變頻器采用松下VFO系列變頻器,選擇4～20mA進行控制風機的轉速,從而間接控制通過水稻籽粒的風速。

系統中的水分采集由水分傳感器采用靜岡生產CS-T IICD小粒測量部件和CS-T IIC5控制部。該傳感器為擠壓式單粒電阻傳感器,能夠實時顯示籽粒的水分,且能夠測量多種谷物,通過控制部的旋鈕進行選擇,既能手動檢測,又能自動檢測。內置溫度傳感器,能夠自動修正水分值的大小,重復測量精度偏差±0.1%,采用220V供電,可通過預留RS-485串口與PLC完成通訊。在運行狀態下,該傳感器能夠在故障狀態下顯示故障代碼,在水分值不準的情況下通過旋轉水分微動開關進行調整傳感器的準確度。以上部件為干燥過程中的測量部件,通過信號線鏈接至接線柱,搭載在PLC控制器上,并按照硬件設計圖完成系統的電路連接。

2.2 系統軟件設計

負壓干燥機控制系統的搭建過程中,下位機采用西門子PLC作為控制器,使用STEP7-Micro/WIN軟件進行編程;上位機采用MCGS廠家配套MCGS嵌入式組態軟件進行組態,程序分別運行在下位機PLC和上位機MCGS觸摸屏端。PLC的運行需要通過西門子配套STEP7 Micro WIN SP9 V4.0進行程序程序代碼的編寫。

2.2.1 信號位置分配

信號輸入通過PLC的I/O、AI/AO口進行信號及數據的駛入輸出,通過內置存儲區進行數據的存儲,已被計算及提取。因此,信號的輸入輸出需要進行分配位置進行運算處理,運算處理數據及物理計算地址如表1所示。

表1 PLC信號位置分配表Table 1 PLC signal position allocation table。

通過物理內部存儲區的分配,方便程序中的數據調用,PLC中數據與MCGS人機界面中數據通過RS485數據信號線進行交換,MCGS128M內存能夠保存運行數據,方便數據的導出分析。MCGS地址設置進行組態過程中設置,設置參數及參數性質原理與表中需要一致,才能保證數據的準確調用和傳輸。

2.2.2 PLC程序設計

PLC程序主要完成整機的控制運行,主要控制包括預熱段負壓風機的運行、干燥段負壓風機的運行、排糧輥轉速調節和冷熱配風裝置的運行,并根據干燥工藝進行執行。上位機界面主要完成數據的顯示及運行情況的可視化。排糧輥的轉速主要由PLC進行控制,進而控制籽粒在干燥機中的運行時間,通過前人經驗總結的預測模型,與模糊控制規則出機水分進行聯合控制,從而達到水稻出機水分平穩的目的。

糧食干燥過程屬于大時滯系統,為提高系統的控制精度及相應速度,保證干燥過程的出機的水分均勻性,減少外界環境變量對整機運行的影響及參數數量的輸入,設計單輸入模式的控制方式,把糧食籽粒水分值設定與測值作為輸入語言變量及輸出語言變量。模糊控制原理如圖4所示。

圖4 模糊控制原理圖Fig.4 Fuzzy control schematic。

根據運行系統的分析可知:首先要針對糧食水分值的偏差進行模糊化,進行模糊量輸入,從而實現整機的調節控制。控制過程設定輸入變量目標水分值與實測水分值的差為輸入變量E,設置預測時間與實際運行時間的時間差值T,設定輸出為排糧輥轉速為U從而進行。

模糊控制規則如表2所示。輸出變量流量,輸出為控制4～20mA電流,并將U的取值分為7種狀態,分別對應電流值的不同變頻器頻率,相對應的排量電機7種狀態分為7個模糊狀態{最高電流、最高排糧轉速、高電流高排糧轉速、中電流中低等排糧轉速、中電流中等排糧轉速、中高電流中高排糧轉速、低電流高排糧轉速、最低電流最低排糧轉速},每種狀態設置成1個檔位,表示符號為{CL、CM、CS、H、OS、OM、OL}。

表2 模糊控制規則Table 2 Fuzzy control rules。

模糊控制規則的確定要考慮到控制系統的非線性、大時滯等情況,根據現場大量試驗,系統采用經驗歸納法生成模糊控制規則,得出如下控制規則:

IF(糧食含水率較大)AND(含水率有上升趨勢)

THEN(電流降低、排糧速度降低)

IF(糧食含水率較小)AND(含水率有下降趨勢)

THEN(電流增高、排糧速度加快)

在控制過程中,只要執行對輸入量模糊化和對應的參數設置為差值的百分比進行控制,水分分段按達到目標值的20%、50%、70%、80%、90%、95%、100%進行分段。對參數值進行編程,通過參數間邏輯關系,分別將轉化后的水分差值與輸入量的百分比分段進行對比。當滿足其IF、AND、THEN語句時,每一個百分比值對應一個延長時間,在時間觸發的上升沿,對排糧電機變頻器進行變化輸出,排糧輥轉動,將滿足安全水分的糧食從干燥機中排出;當不滿足其IF、AND、THEN語句時,對變頻器進行輸出,根據作用時間延時控制糧食籽粒在干燥段、預熱段時長,從而使糧食在排出時滿足安全水分。控制策略開啟PLC梯形圖如圖5所示。

圖5 控制策略開啟變頻器存儲位Fig.5 Control strategy to open the drive storage bit。

控制策略的輸出關閉、開啟則是關閉、開啟變頻器動態變化的存儲位,其控制策略關閉程序與開啟程序類似。

該過程中,D/A輸出為20mA對應變頻器頻率為50HZ,4mA對應變頻器0Hz,根據輸出值的大小控制排糧輥的轉速大小,通過控制存儲位控制變頻器的通斷。模糊控制程序輸出如圖6所示。

圖6 控制策略模擬量輸出Fig.6 Control strategy analog output。

2.2.3 MCGS程序設計

MCGS主要提供與下位機PLC的數據通訊、數據可視化顯示及設計的截面優化等。

PLC與MCGS之間連接通過RS485通訊電纜進行連接和信號傳輸,MCGS觸摸屏同時保存數據及實時顯示等功能。基于保質干燥工藝進行PLC的編程,特別是針對排糧輥轉速的模型預測控制和模糊控制進行組合控制,按照設計電路圖進行整機系統的搭建控制柜,如圖7所示。

圖7 PLC控制柜Fig.7 PLC control cabinet。

3 變溫保質干燥機性能試驗

3.1 試驗材料及檢測設備

試驗材料選取優質水稻進行試驗,產自黑龍江省齊齊哈爾市龍安橋鎮,品種為黑龍江省農業科學院綏化農科所供種綏粳12;2018年9月27日進行收獲,樣品含水率22.3%(烘箱法)。相關文獻表明[8],綏粳12的整精米率為66.8%～70.6%。水稻脫殼和水分檢測分別使用臺州路橋仁信糧儲檢測儀器設備公司生產的JLGJ-45型電動礱谷機和皇林LB-301電阻式水分儀;水稻品質通過北京東孚久恒儀器技術有限公司生產JSWL20大米食味計進行檢測食味值指標;外觀檢測使用該公司生產JMWT12 V2大米外觀品質檢測儀。

3.2 變溫裝置的時滯分析

干燥機變溫裝置的試驗可通過測量實時混后風速、熱源溫度及控制電機轉動時間,控制開口大小,結果表明:從0%運動到100%,時長為12s,時間極大縮短。為進一步研究其時滯性,溫度死區設置為0.5℃,進行隨機試驗驗證,通過系統設置溫度,自動計算溫度差值,檢測電機運動停止時間與理論值的差值,作為系統時滯性檢測試驗進行研究。

表3 時滯性隨機試驗結果表Table 3 Time-delay random test results table。

由試驗結果可知:實測值與設置參數時刻的上一次設置的時間差值相差均值為0.64s,最長轉動時長小于12s,變溫過程時滯較小。實測值與累計差值相差不大,原因在于設計過程中閥門變化為累積變化。

3.3 整機系統運行試驗

為驗證基于品質干燥過程的理論及系統的搭建性能,對整機進行連續運行,觀察其出機水分值變化及干燥后品質評分,對該干燥系統進行評價。干燥過程水分變化如圖8所示。設置出機水分為14.5%的情況下進行干燥連續運行試驗,由運行結果曲線圖可知:隨著干燥時間的增加,開始過程水分變化差值較小;平均出機水分值為14.6%,標準誤差為0.035 46,方差為0.113;出機水稻食味值82,糙碎率為3.4%,淀粉含量14.7%,蛋白質含量為9.8%。

圖8 出機水分趨勢圖Fig.8 Outlet moisture trend chart。

4 結論

針對雜糧、高品質水稻的熱敏特性,依據各參數對干燥后品質的影響規律,總結了一套變溫保質干燥工藝,并開發了負壓型變溫保質干燥機PLC控制系統。系統選用西門子PLC S7-224模塊和MCGS觸摸屏進行搭建,并針對干燥工藝設計了模糊控制規則,從硬件、軟件兩方面實現變溫保質干燥機的智能化控制。試驗結果表明:變溫保質干燥機及其PLC控制系統在干燥過程中時滯較小,干燥后糧食水分偏度標準誤差為0.254,出機水分均勻,干燥后品質較好,符合設計標準。