麥冬全自動烘干機的設計

李曉曉　何云勇　彭亮　袁影　楊濤

摘 要：傳統的麥冬加工方式對氣候環境和勞動者要求高，現無專業的麥冬全自動烘干機。在對烘干機的工作原理進行分析之后確定了烘干機技術要求與主要結構參數，并對烘干機結構進行了設計和樣機試制，最后基于C/S網絡體系架構協議，實現了對麥冬烘干設備電氣控制和遠程監控。烘干試驗說明了麥冬全自動烘干機的效果，并為農業設備物聯網集群組網的開發提供了參考。

關鍵詞：麥冬;全自動烘干機;遠程監控;物聯網集群

中圖分類號：S225.5 文獻標識碼：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20201015015

引言

麥冬屬百合科沿街草屬藥用植物，具有養陰、生津、潤肺、止咳、清心除煩等功效，是名貴中藥材，市場需求量較大[1]，但每年麥冬的收獲季節為春雨季，麥冬難以烘干到位。麥冬的傳統烘干方式大體分為2種，藥商大戶及合作社基本以煤炭烘干，煤炭烘干會使麥冬含硫產生毒性;而小農戶則以日曬、悶堆的方式進行烘干，容易受到天氣影響、效率低下。而且煤炭烘干法會使麥冬烘干溫度無法精準保持在同一溫度，溫度易過熱變化，導致麥冬霉變、腐爛速度加快，使麥冬藥性受到嚴重影響[2]。麥冬目前的加工方式對氣候環境和勞動者經驗要求高、能耗高、周期長、勞動力需求大，制約著麥冬產業的發展，而烘干機的出現大大提升了傳統烘干方式能效。劉懷海、王繼煥[3]將模糊控制算法應用于谷物烘干機溫度控制系統，設計的智能模糊控制器具有穩態精度高、超調量小等優點;馬保聰等[4]研發出多級連續滾筒式糧食烘干機，能夠使熱冷風能夠與糧食充分接觸，熱交換快，水分布均勻度低，還可以對排濕除塵裝置強制操控，有益于快速地排出農作物中的濕氣與灰塵，然而由于此滾筒式糧食烘干機對于溫度和濕度的控制參數精度還有很大進步空間，所以在日后的生產中對于這一烘干機的自動化程度還需進一步設計改良;馬小麗[5]根據谷物靠自重的作用，在烘干機內自上而下流動，熱介質則由熱風機進入進氣管的多級順流間歇式烘干工藝設計了5H-40新型玉米烘干機，具有熱風爐效率高、烘干過程玉米破碎率小以及對糧食無污染等優點。近些年來，從政府的大力扶持農業機械到國內高校和企業紛紛加入烘干機的開發、研究以及生產中，都傳達了國家振興烘干加工行業的訊息。

1 麥冬烘干機工作原理與技術參數

1.1 烘干機工作原理

根據麥冬烘干工藝以及設計要求，設計的麥冬烘干機采用整體閉式箱體結構，內部采用多層帶式傳動，結合了傳統的密封箱式和傳送帶式烘干機特點，節能效果好，空間結構緊湊。麥冬烘干機主要由送料架、傳送帶裝置、提升機構、加熱系統和揉搓機構5大部分組成，烘干系統利用PLC的控制方式，動力來源為三相電機。在麥冬烘干過程中，送料架安裝在烘干機的左面，加熱系統安裝在烘干機的側面，提升機構安裝在烘干機的右面，揉搓機構安裝在烘干機的頂部。除了送料架，傳送帶裝置、提升機構、加熱系統和揉搓機構的外部都采用了隔熱板隔熱，可以降低熱量散發和消除外表面發熱對工作人員的燙傷隱患。工作時，利用送料機將新鮮帶須的麥冬投入傳送帶裝置，麥冬在傳送帶裝置內部循環運轉，麥冬在傳送帶內由下至上傳送是通過提升機構實現的;加熱系統連接在整個傳送帶裝置的一個側面，通過鼓風機將電阻絲的產熱送入傳送帶裝置，麥冬在傳送帶裝置循環傳動烘干后，通過提升機構進入揉搓裝置，揉搓裝置對烘干的麥冬揉搓去須，去須完成后又通過傳送帶裝置送入出料口。麥冬烘干機的整體機構如圖1所示。

麥冬烘干機中，送料架、傳送帶裝置、提升機構、加熱系統和揉搓機構所有的動力來源都由電機提供。送料架連接送料電機;傳送帶裝置內部的傳送電機I的輸出軸通過齒輪傳動、帶動第1傳送帶逆時針和第2傳送帶順時針運動，第1傳送帶又通過鏈傳動使第3傳送帶做逆時針運動，傳送電機II直接驅動第4傳送帶運動;提升機構通過提升電機做順時針運動;揉搓機構連接揉搓電機，揉搓機構的進料口處有1塊電動推桿控制的擋板，擋板的開合控制著烘干后的麥冬是否進入揉搓機構;加熱系統則控制加熱管的加熱量和鼓風機工作時間。

1.2 烘干機技術要求與主要結構參數

設計的麥冬烘干機以四川省三臺市麥冬作為烘干對象，同時要求兼顧其它類似農特產品烘干能力，具體技術要求包括運用連續式作業方式，麥冬的烘干率為1000kg·d-1;烘干設備要具備易操作、簡維修和占地面積小的特點;烘干設備以循環利用電阻熱風實現能源節約;烘干設備要排出潛在威脅因素，設計合理科學的觀察窗口;烘干設備要標有明確安全標識以警示提醒使用者;烘干設備的所有參數設計和模擬試驗等要滿足國家標準和行規。

麥冬烘干機的主要技術指標和主要結構參數如表1所示。

2 麥冬烘干機結構設計

2.1 麥冬烘干機關鍵零部件結構設計

麥冬連續烘干機主要由送料架、傳送帶裝置、提升機構、加熱系統和揉搓機構等部件構成。

2.1.1 送料架

送料架用于將要烘干的麥冬送入烘干機內部，采用的是傳送帶運送方式，將傳送帶架在支撐架上提高傳送高度，送料傳送帶的最高處對著烘干機的進料口。送料架的支撐架下方安裝有萬向輪，送料完成后可以將送料架移開。送料架的三維結構圖如圖2所示。

2.1.2 傳送帶裝置

為實現從上到下逐層傳送烘干麥冬，需要為該傳送系統選擇一個動力源，本文采用的動力源為三相電機，用以帶動軸和齒輪。具體傳動過程，通過鏈條讓三相電機輸出的功率傳遞給主動輪，隨后從動輪會跟隨主動輪發生運動，從而完成整個傳動過程，同時麥冬的傳輸方向和受熱面積也會隨著上述過程發生變化。該裝置對麥冬進行烘干的優點，麥冬可以受到立體烘干，即麥冬受熱更加全面和均勻，總體來看烘干效果好;烘干設備結構簡單便于運輸和維修;該設備的占地面積小。烘干機箱體中的傳送帶裝置主要由4條傳送帶組成，其中第1傳送帶逆時針運動，與第2傳送帶的運行方向相反，與第3傳送帶的運行方向相同，目的是能夠讓麥冬全面受熱，有利于麥冬烘干，上層網帶上的麥冬可以在傳送過程中掉落到下層網帶，從而可以近似地看作麥冬發生了翻動。傳送帶裝置見圖3。

2.1.3 提升機構

傳統的帶式烘干機主要的弊端就是占用空間大，而水平傳送帶無法多層空間利用，為實現空間循環利用，通過提升機構完成麥冬在烘干機底部的第4傳送帶上傳送到頂部的第1傳送帶上，內側半圓形的提升結構可以有效將內部麥冬提升。提升機構的三維機構如圖4所示。

2.1.4 加熱系統

目前市場上常用的加熱方式是加熱管，利用鼓風機將熱風吹送入烘干機內，吹風方式是在烘干機箱體的底部將熱風吹入，而在最高處設置通風口，可以使熱風從低到高加熱，循環利用熱量，但這樣的效果是熱量在最高處的通風口排出，熱量損失較大。加熱系統的三維結構如圖5所示。本文設計的吹風方式是將把整個烘干機箱體的側面作為進風口，充分擴大熱風接觸面積，這樣升溫較快。加熱系統的排風口設置在提升機構的最左上端，使烘出的水蒸氣從這里排出。而在烘干機箱體的頂部設置有連接鼓風機箱的管道，使得熱風吹出后又從烘干機頂部鼓風機箱進入循環使用，充分利用熱能。

2.1.5 揉搓機構

當麥冬烘干后，需要對麥冬揉搓去須，傳統的麥冬烘干和去須都是分開進行，本文設計的烘干機將烘干和揉搓去須二者集成，當麥冬烘干后直接進入揉搓機構，揉搓機構揉搓去須后直接出料。雙桶式揉搓機揉搓效率更高，揉搓機的上方設置有擋板，當麥冬未烘干時，揉搓機上方的擋板處于閉合狀態，麥冬無法進入揉搓機，當麥冬烘干后，揉搓機上方的擋板會打開，烘干的麥冬就會進入揉搓機進行揉搓去須。圖6為揉搓機構的三維結構圖。

2.2 麥冬烘干機整機建模與樣機試制

利用三維建模軟件CATIA對麥冬烘干機進行三維建模，完成的麥冬烘干機三維結構如圖7所示，圖7中麥冬烘干機三維模型分別是其正面和背面。麥冬烘干機三維模型設計完成后，對模型進行運動仿真和干涉分析，分析無誤后進行麥冬烘干機樣機試制，圖8為試制完成的麥冬烘干機樣機。

3 麥冬烘干遠程監控系統設計與烘干試驗

3.1 麥冬烘干遠程監控系統設計

麥冬烘干遠程監控系統的總體思路是在麥冬烘干機旁部署1臺PC（又稱上位機），負責獲取和控制PLC數據并與用戶的移動終端通信。移動終端管理界面是1個C/S結構的系統，上位機作為服務器，移動終端作為客戶端[6]。用戶攜帶移動終端連接網絡后，發起連接即可通過上位機監控麥冬烘干機的運行狀態。在麥冬烘干設備監控系統中，控制軟件有2個，分別是計算機上的應用程序，負責發送指令并接收由PLC傳遞來的實時數據;移動終端上的Android程序，與計算機上的應用程序通過TCP/IP的形式連接，發送指令并接收由應用程序傳遞來的實時數據，從而間接控制PLC的直接流程。為了在與PLC通信的過程中能夠在上位機界面上實時顯示出數據，采用Microsoft Visual Studio 2013軟件工具和C++語言來編寫計算機應用程序。此外，在設計編輯遠程移動控制端的相關程序時采用了Android-Studio-Bundle軟件工具，將計算機應用程序通信過程中產生的數據實時顯示在移動終端上。根據麥冬烘干機控制系統的工作原理，由設備監控模塊、網絡數據傳輸模塊和設備控制模塊共同構成了麥冬烘干遠程監控系統。麥冬烘干監控系統功能如圖9所示。

由于系統的軟件有2個，分別為上位機和遠程終端，因此系統的測試環境主要分為硬件環境與軟件環境。其中，硬件環境包括工業電腦1臺、支持Android 7.0環境的手機1臺、無線路由器1臺、西門子S7-200 Smart PLC1臺。搭建完成以上軟硬件環境，并將PLC、上位機、移動終端相關的網絡線纜連接完畢后，打開上位機軟件，移動終端軟件，西門子PLC狀態監控模擬器STEP 7 SMART V2.2進行系統測試。圖10為麥冬烘干上位機系統工作界面，圖11為麥冬烘干設備監控系統移動終端界面。

3.2 麥冬全自動烘干機試驗分析

試驗對象為四川省三臺市采挖的新鮮麥冬，新鮮麥冬從送料架進入，再通過提升機構、傳送帶裝置、加熱系統和揉搓機構的綜合作用，烘干揉搓好的干麥冬從出料口流出。圖12（a）為采挖的新鮮麥冬，圖12（b）為烘干揉搓后的干麥冬。

4 結論

麥冬烘干對保證麥冬的品質、便于包裝和貯藏具有重要的作用和意義，采用程序變溫的方式烘干效果最好。結構上，麥冬烘干機采用整體閉式箱體，內部采用多層帶式傳動，結合了傳統的密封箱式和傳送帶式烘干機特點，節能效果好，空間結構緊湊;控制系統方面，利用PLC對烘干機進行控制，通過傳感器對烘干機控制系統的溫度和濕度進行檢測;并完成了麥冬烘干遠程監控系統的上位機和移動終端設計，實現了麥冬全自動烘干機的物聯網設備集成。

參考文獻

[1] 劉翠翠，楊濤，馬京晶，等.基于PCA-SVM的麥冬葉部病害識別系統[J].中國農機化學報，2019，40（08）：132-136.

[2]王玉霞.麥冬藥材質量評價及道地性初步研究[D].北京：北京協和醫學院，2014.

[3]劉懷海，王繼煥.模糊控制在谷物烘干機溫控系統中的應用[J].糧食加工，2009，34（02）：38-40.

[4]馬保聰，田相克，莊少林.多級連續滾筒式糧食烘干機的研發[J].科技視界，2016（17）：76-77.

[5]馬小麗.5H-40新型玉米烘干機的研制[J].佳木斯大學學報（自然科學版），2017，35（01）：57-58.

[6]李光輝，周小波，曾文明，等.智能泵站PLC遠程控制系統設計[J].中國農機化學報，2018，39（07）：78-83.

（責任編輯 周康）

收稿日期：2020-08-27

基金項目：成都農業科技職業學院院級孵化項目“多功能微型電動農業無人車關鍵技術研究”（項目編號20ZR108）

作者簡介：李曉曉（1987-），碩士，實驗師。研究方向：機械機構設計與傳感器應用;通訊作者楊濤（1991-），男，碩士。研究方向：農業工程與信息化和機器視覺技術。