谷物烘干機的自動控制技術與優化方向

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

谷物烘干機是確保糧食長久存放的關鍵機械設備，相對于傳統的谷物自然烘干，利用谷物烘干機烘干的糧食更適合現代化的貯存條件。現代化的谷物烘干機是一種機電一體化農機裝備，能夠對水稻、小麥、豆類等多種谷物進行烘干，隨著技術的進步，谷物烘干機的自動化程度顯著提升，通過預先設置的溫度、濕度條件，烘干機能夠將內部的谷物自動烘干，并實時獲得谷物的含水率和溫度等狀態，谷物烘干獲得最佳效果。為進一步提升谷物烘干機的工作效率，通過應用自動控制技術能夠有效減少人工操作內容，避免經驗操作產生的誤差，使烘干合理性進一步提升，確保糧食可靠存放需求。

1 谷物烘干機的功能與原理

現代化谷物烘干機能夠根據預先設定的烘干條件自動化降低谷物水分，使其達到貯存最適宜的含水率后排出，再進行貯存。谷物烘干機根據烘干形式不同可分為順流烘干機、逆流烘干機、混流烘干機等多種。下面以現階段大型糧庫應用較多的混流烘干機為例，說明谷物烘干機的工作原理。

谷物烘干機采用熱風作為烘干糧食的介質，在烘干倉內部，有規律地分布角狀通風盒。當糧食進入烘干倉內部，并按照規律流動過程中，烘干機的熱風在風機和管道的作用下，由各個角狀通風盒位置進入烘干倉，并以順流和逆流兩個方向穿過糧食層，在此過程中，溫度較高的氣流與糧食接觸，產生熱交換，使糧食溫度升高，糧食內部的水分蒸發到空氣中，被氣流帶離，達到一定濕度的熱風從廢氣口排出。利用干燥熱風的往復循環流動，糧食中的水分逐漸減少，達到一定標準后進入緩蘇段。在緩蘇段的糧食內外層的溫度和水分含量逐漸變得均衡，盡管含水率降低更緩慢，但含水率的均勻性得到了保證。離開緩蘇段的糧食進入冷卻段進行冷卻，冷卻后的糧食已滿足干燥需求，由排糧段排出后集中貯存。

2 谷物烘干機的自動控制技術

2.1 自動控制功能需求

(1)對于進入料斗的谷物含水率狀態進行自動檢測，獲得含水率相關數據后根據作物品種判斷含水率超標情況，從而選擇相應的干燥方案；

(2)自動控制待干燥谷物均勻地進入烘干機，烘干機執行相應方案，控制谷物運動速度、熱風風量、廢氣排放等，并同時檢測烘干段谷物含水率、溫度狀態，適時調整烘干方案；

圖1 谷物烘干機自動控制流程

(3)對于烘干后的谷物，檢測其含水率是否合格，若含水率合格，則由排糧段排出；若含水率不合格，則自動進行循環烘干。

2.2 控制流程的制定

自動控制技術需要依靠PLC技術和傳感器技術實現[1]，通過溫度、濕度、轉速、速度等傳感器獲得各個位置的數據信息，并由通信系統傳遞給處理器，自動執行相應的烘干方案或調整烘干參數。根據自動控制的功能需求，設計谷物烘干機的自動控制流程如圖1所示。

2.3 硬件系統功能

從全自動化控制的角度出發，硬件系統的功能以數據監測、處理、傳輸、控制為主要方向，監測系統主要包括烘前測水儀、烘箱溫度傳感器和濕度傳感器、烘后測水儀、流量計等，處理系統采用工業控制計算機，傳輸系統應用標準數據接口和數據通訊模塊，控制系統包括配套儀表、可編程控制器、變頻調速器、排糧電機及其他輔助執行器。硬件系統的選擇需具備高可靠性、強抗干擾能力。

烘干過程中多個溫度傳感器和濕度傳感器分別獲取谷物、進風、出風、環境的溫度，其中對進風出風的檢測傳感器分別位于進風口和出風口，環境溫度位于機體外，糧溫傳感器位于烘干段、緩蘇段、冷卻段的多個位置，高度約為糧食輸送厚度的1/2處，即測量糧層中部的溫度與濕度。烘前測水儀位于入糧段位置，用于檢測烘干前谷物的含水率情況，烘后測水儀位于排糧段前方，以確保糧食烘干達到標準的含水率要求。烘干過程中通過將眾多傳感器獲得的數據傳輸給工控機，工控機根據預設程序調整烘干過程的空氣流量與運糧速度，使烘干過程更為合理。

2.4 軟件系統功能

谷物烘干機自動控制模塊常見組成結構如圖2所示，包括了信息獲取模塊、動作執行模塊、人機交互模塊、輔助功能模塊、故障預警模塊5大部分。信息獲取模塊主要控制溫度傳感器、濕度傳感器、速度傳感器、轉速傳感器、測水儀等設備的工作與信息傳遞工作；動作執行模塊根據工控機給出的指令執行相應動作，例如對各個風盒開閉狀態控制、風機轉速控制、熱風溫度調整等；人機交互模塊主要為使用者提供信息模塊獲取的信息和動作執行狀態信息，例如實時溫度、濕度、糧食含水率、熱風風量等，并能夠通過人機交互模塊實現對烘干過程的人工調整，專業人員還能通過人機交互接口實現烘干機的功能優化與程序改進；輔助功能模塊包括谷物烘干的輔助執行設施，例如計時器、數據存儲單元等；故障預警模塊主要針對谷物烘干機在工作過程中出現的機械故障或功能異常發出警報，警報以燈光、警示音進行展示，并能夠在人機界面查看故障碼，以便于對問題進行解決[2]。

圖2 谷物烘干機自動控制模塊組成結構

谷物烘干機啟動后，自動控制系統會自動初始化程序，此時各個功能模塊均被初始化，例如傳感器功能初始化、計時裝置初始化、工控機初始化等，且人機交互界面啟動，將相關數據信息進行實時顯示。烘干開始后，控制系統自動獲取進料段、烘干段、緩蘇段、冷卻段溫濕度等信息，熱風溫度信息、風機轉速、物料速度等信息及時傳輸給工控機，并與烘干方案預設范圍進行比較。確定烘干方案后工控機控制熱風系統調整風機轉速和熱風溫度，同時控制谷物按照專門的輸送方式和輸送速度運動，當熱風溫度、谷物溫度超出預設范圍，預警機構會事先報警，并在設定的時間后采取停機措施，若系統判斷烘干效率不足，則會自動調整谷物運行速度并提高熱風流量，從而提高烘干效率。

3 谷物烘干自動控制技術優化方向

(1)利用自動控制技術改善局部位置谷物烘干后含水率超標的問題，進一步提高烘干過程的均勻性；

(2)通過自動控制技術優化能源消耗情況，減少谷物烘干過程的能源浪費；

(3)提高谷物烘干機對不同種類谷物的適應能力，通過自動分辨谷物種類、含水率等特點，自動化應用不同谷物的烘干模式；

(4)提高谷物烘干機的工作效率，在保證質量的前提下，盡可能縮短烘干過程的時間消耗。

總之，我國谷物烘干機的自動控制技術仍有較大的提升空間，應通過多方努力確保谷物烘干技術得到進一步優化和提升。

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