循環式谷物烘干機原理及電控方案設計

姜 巖，佟 童，韓長生，許才花

(黑龍江省農業機械工程科學研究院 佳木斯分院，黑龍江 佳木斯 154004)

0 引言

農業生產完成糧食作物的收獲后，需要開展規范的糧食烘干工作才有利于糧食的長久貯存，傳統生產過程多采用自然晾曬的方式烘干糧食作物，盡管不需機械設備，但人力物力的負擔很大，且自然晾曬受到環境因素的限制，糧食的烘干質量難以達到統一標準，不利于糧食的長久存儲。據統計，我國不同地區在糧食貯存過程因發霉、變質所導致的平均糧食損失在10%～14%之間，這一過程造成的糧食浪費遠高于世界平均水平，這與糧食烘干質量有直接關系。谷物烘干機是農業機械化的重要產后設備，先進的谷物烘干機利用機電控制技術能夠實現大量糧食的自動化烘干，且能夠更好地保證糧食烘干質量，有利于糧食在最佳的含水率狀態下進行貯存，能有效減少糧食變質損失[1]。

1 循環式谷物烘干機的應用特征

1.1 應用價值

我國是人口大國，糧食的有效存儲意義重大。循環式谷物烘干機是糧食烘干處理的最常用機型，其分類十分廣泛，包括了水稻烘干機、豆類烘干機、小麥烘干機、玉米烘干機等多種類型，也包括能夠適應多種不同類型糧食作物的綜合性烘干機產品。隨著我國糧食產量的逐漸增加，農業生產中使用的烘干機產品逐漸向大型化、高效化和自動化方向發展，先進的谷物烘干機產品為糧食的快速大批量烘干創造了有利條件，同時減少了糧食烘干過程所需的人力、物力、場地等負擔。據統計，利用谷物烘干機烘干的糧食作物，相對于傳統的烘干方式，損失率可降低約5%～9%，按照我國2020年糧食總產量66 949萬t計算，僅2020年即可減少糧食損失約3 347萬～6 025萬t，可為約6.6萬～12.0萬人提供1年的主食供給[2-3]。

1.2 結構與原理

現階段，市場上銷售和使用的谷物烘干機種類較多，除采用熱風技術的循環式谷物烘干機外，還包含遠紅外谷物烘干機、微波谷物烘干機等。現階段，循環式谷物烘干機仍然是糧食烘干的主力機型，其技術先進性對于我國糧食烘干的整體質量影響很大。循環式谷物烘干機的主體結構如圖1所示，主要包括了濕糧入口、均糧設備、輸送帶、出糧口、二次勻糧機構、烘干倉庫、電控箱、風機、熱源等結構[4]。圖1僅為結構組成的示意圖，在實際生產中應用的循環式谷物烘干機在結構上也會存在一定差異，例如烘干倉庫會根據地區糧食產量的不同而設計不同的體積、形狀和噸位，熱風風機與熱源的技術和形態也存在一定差異。對于大部分循環式谷物烘干機，會建立熱風的專用循環路徑，通過熱風的入口、風向、風力的控制適應不同糧食種類、烘干倉庫結構，達到最佳烘干效果，大部分烘干倉庫內部設計有電控出風口，并配套有排風機能夠實現潮濕空氣的快速排出，保持合理的倉內濕度[5]。

1.濕糧入口；2.均糧設備；3.輸送帶；4.出糧口；5.二次勻糧機構；6.烘干倉庫；7.電控箱；8.風機；9.熱源

循環式谷物烘干機體積龐大，結構復雜，具有顯著的機電控制特征，其能夠通過各個功能部件的配合自動化完成糧食的烘干作業[6]。循環式谷物烘干機的主要工作流程如圖2所示。首先需要烘干的濕糧通過皮帶輸送機等提升設備送入進料位置，并利用均糧機構將糧食進行均布，保持糧食的均勻供給。通常情況下，中大型谷物烘干機要經過較長時間的濕糧輸送裝倉，并在濕糧進入烘干倉之前利用絞龍等設備進行再次均糧和輸送，當烘干倉內的糧食裝滿后，系統控制輸送機停止供糧，開始進入正式烘干過程。

圖2 循環式谷物烘干機主要工作流程

在烘干過程中，糧食以不同形式與熱風接觸，其被熱風增溫并使內部的水分逐漸散失。循環式谷物烘干機采用反復多次烘干的模式完成對糧食的烘干，即干燥的熱風進入烘干倉將糧食中的水分帶離，與濕度較大的熱風一同離開干燥倉，使干燥倉內保持良好的干燥環境，糧食在高溫和氣流的共同作用下實現快速的干燥，干燥效率通常為每小時降低濕度0.5%～1.5%。大部分谷物烘干機的烘干過程分為多個階段，每個烘干階段使糧食下降一定比例的含水率，每個烘干過程經過調質、烘干、緩蘇多個步驟。分多個階段進行干燥的優勢在于提高糧食的烘干品質和烘干均勻性，避免一次性持續降低含水率造成糧食損傷或養分流失。

在谷物烘干的過程中，干燥倉內部設置的濕度傳感器負責對烘干質量進行監測，當糧食的含水率達到預設值范圍后，烘干過程結束，糧食在被冷卻后通過輸送裝置送離烘干倉，烘干過程結束。

2 電氣控制方案設計

隨著機電技術的快速發展，現代化的谷物烘干機與可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)進行廣泛結合，可編程控制器技術作為成熟的機電控制技術，能夠實現對谷物烘干過程的核心控制，并有利于完善烘干工藝與執行狀態，最終提升整體的工作質量。本文結合可編程控制器技術完善谷物烘干機的電氣控制方案，利用邏輯、定時、計數、計算等功能提高循環式谷物烘干機的工作能力。

2.1 總體方案

根據循環式谷物烘干機的技術特征與工作流程，其工藝上具有明顯的規律性和可控性，易于利用電氣控制技術實現總體設計。對于總體控制過程，以PLC技術為核心，結合傳感器技術、電氣控制執行裝置、人機交互設備、軟件系統實現對谷物烘干機的總體控制體系(圖3)。以CPU為控制核心，實現對谷物烘干機功能的控制、烘干質量的檢測，并具備關鍵數據存儲及后續升級等功能。

圖3 總體控制功能分布

2.2 軟件控制設計

軟件系統的設計決定了烘干邏輯的合理性，也是烘干機功能實現和工藝設計的基礎，對于烘干質量和自動化程度影響很大，循環式谷物烘干機的軟件控制流程如圖4所示。

圖4 軟件控制流程

2.3 烘干邏輯程序設計

烘干過程是谷物烘干機工作過程的最主要工序，從循環式谷物烘干機的烘干流程來看，主要采用分段式烘干的方式，使每次烘干降低一定量的含水率。本次設計的循環烘干方式也采用分段式，共分為兩種模式，分別為3級分段和4級分段，設計初始濕度對比值為W，當測得糧食濕度大于W采用4級分段烘干，反之采用3級分段烘干。單次烘干的含水率降低程度采取浮動方案，即由使用者根據不同的糧食種類或預期的干燥標準輸入相關數值，電控系統通過分析傳感器測得的含水率與預期干燥后的含水率取差后，再分4次或3次均勻烘干，烘干過程通過傳感器檢測烘干質量，并對烘干方案進行實時修正。

3 結語

綜上所述，循環式谷物烘干機具有應用范圍廣、自動化程度高的優點，易于與現代化的電氣控制技術及其他先進技術相結合，農機生產企業應當重視現階段的谷物烘干機產品向自動化及智能化方向轉型，從而進一步提升谷物烘干的整體質量。