甄 潔，張楊林子，王 順，洪廣富，周明干，楊明華

（中國電子科技集團(tuán)公司第十二研究所，北京 100015）

1 引言

膨化作用能夠改善玉米的口感和風(fēng)味，同時(shí)提高玉米的營養(yǎng)價(jià)值。膨化后的玉米體積膨大、質(zhì)地疏松，有利于腸胃消化酶的滲入，便于消化吸收，因此膨化玉米作為飼料具有更高的利用價(jià)值[1，2]。

相比于傳統(tǒng)膨化技術(shù)，微波膨化具有加熱速度快、產(chǎn)品質(zhì)量高、受熱均勻、殺菌消毒效果好等特點(diǎn)。微波膨化的原理是：微波加熱使物體內(nèi)部氣體溫度急劇上升，使內(nèi)部蒸汽的形成速率高于蒸汽的遷移速率，物料出現(xiàn)蒸汽壓梯度，當(dāng)壓力超過纖維組織結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的承受能力時(shí)物料會(huì)膨化。

目前干燥加熱的微波設(shè)備多采用水平傳動(dòng)的隧道式結(jié)構(gòu)[3]，該結(jié)構(gòu)中微波源位于加熱腔上方，加熱腔體積通常較大，物料處分布的微波功率密度低。本設(shè)計(jì)的微波膨化玉米設(shè)備采用立式腔體結(jié)構(gòu)，微波源水平排布在腔體兩側(cè)，加腔體寬度設(shè)計(jì)依據(jù)微波在玉米中的穿透深度。玉米在加熱腔中垂直下落，通過調(diào)整下料速度控制微波的作用時(shí)間，最終達(dá)到膨化效果。該設(shè)備需要具備精確穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，根據(jù)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)設(shè)備的下料速度，使玉米達(dá)到穩(wěn)定的膨化效果。本文為微波膨化玉米設(shè)備設(shè)計(jì)了一套穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度PID自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)保護(hù)等功能，設(shè)備工作能夠一鍵控制。

2 微波玉米膨化設(shè)備的組成及工作原理

2.1 設(shè)備組成

微波玉米膨化設(shè)備結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。設(shè)備主體自上而下分別為上料腔、微波膨化腔、出料腔，設(shè)備背部為控制柜。上料腔用于暫儲(chǔ)上料機(jī)提升的玉米原糧。微波膨化腔設(shè)備的核心部分，包括磁控管、激勵(lì)腔、開關(guān)電源、磁控管水冷系統(tǒng)、出料調(diào)速系統(tǒng)等。設(shè)備最下方是暫儲(chǔ)處理后物料的出料腔?？刂乒癜讼到y(tǒng)的配電器件、PLC及擴(kuò)展模塊、設(shè)備操作觸摸屏、調(diào)速電機(jī)的變頻器和溫度信號(hào)變送器等。

圖1 設(shè)備組成框圖

2.2 設(shè)備工作原理

設(shè)備的工作原理為：玉米被上料機(jī)提升到上料腔后，下降堆積在微波膨化腔的加熱腔體中。當(dāng)玉米堆積滿后，開啟微波發(fā)生器，對(duì)玉米進(jìn)行加熱，同時(shí)開始控制出料電機(jī)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出料口處的溫度，利用PLC控制器控制微波發(fā)生器的工作及出料變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)微波對(duì)玉米的作用時(shí)間，從而使玉米在加熱腔內(nèi)達(dá)到具備最佳膨化效果的溫度。當(dāng)玉米達(dá)到工藝要求以后，進(jìn)入到出料腔，從出料口卸出。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)

工業(yè)微波設(shè)備設(shè)計(jì)中，利用PLC設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)、便于設(shè)計(jì)和安裝、維修方便等特點(diǎn)[4，5]。本設(shè)備設(shè)計(jì)選用了西門子S7-200系列PLC（CPU224）作為控制系統(tǒng)的核心。硬件系統(tǒng)組成如圖2所示，系統(tǒng)中添加模擬量采集模塊EM231進(jìn)行模擬量采集?？刂葡到y(tǒng)中的昆侖通態(tài)MCGS觸摸屏、出料電機(jī)控制變頻器及物料測(cè)距傳感器和PLC之間的通信采用RS-485。

3.2 控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與保護(hù)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)需要選擇合適的傳感器來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化工作及設(shè)備的電氣工作保護(hù)。在進(jìn)料腔中，使用紅外測(cè)距傳感器測(cè)量玉米堆放高度，將其與上料機(jī)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料。溫度采集選用PT100接觸式溫度傳感器，測(cè)溫范圍在0～150℃，利用變送器將信號(hào)轉(zhuǎn)化為4～20mA的電流信號(hào)，輸出給PLC的模擬量采集模塊EM231。物料的測(cè)溫點(diǎn)位于微波膨化腔的最下方，此處并列排放置兩個(gè)傳感器，取平均值為溫度反饋的參考值。磁控管水冷循環(huán)系統(tǒng)中也放入溫度傳感器，當(dāng)監(jiān)測(cè)溫度超過設(shè)定閾值后，系統(tǒng)自動(dòng)切斷磁控管電源和下料電機(jī)，起到保護(hù)磁控管的作用。為了能夠?qū)崿F(xiàn)微波輸出部分系統(tǒng)的自動(dòng)保護(hù)功能，采用在每個(gè)微波控制單元中串入電流傳感器。實(shí)時(shí)采集該單元的陽極電流數(shù)值，當(dāng)測(cè)量的實(shí)際數(shù)值超過安全閾值后，控制系統(tǒng)可以自動(dòng)切斷磁控管電源供電，從而起到自動(dòng)保護(hù)作用。

圖2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.3 PLC電路設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)如圖3所示。PLC的數(shù)字量輸出I/O端口控制水用于控制冷循環(huán)泵、進(jìn)料電機(jī)、散熱風(fēng)機(jī)、出料電機(jī)、以及4組磁控管電源的供電。兩個(gè)EM231模塊用于采集3路溫度信號(hào)及4組磁控管的電流信號(hào)。觸摸屏、變頻器以及物料高度檢測(cè)的激光測(cè)距儀則通過RS-485端口與PLC進(jìn)行連接。

圖3 控制系統(tǒng)主電路

4 控制系統(tǒng)軟件

4.1 控制系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。自動(dòng)控制時(shí)，系統(tǒng)上電后，在主頁面設(shè)置玉米出料的溫度和設(shè)備總工作時(shí)間，設(shè)置完畢后，按下開始鍵，設(shè)備開始工作。首先，上料機(jī)將玉米裝入上料腔，當(dāng)玉米高度達(dá)到要求后，開啟磁控管水冷泵，有水流信號(hào)后，開啟磁控管電源，微波發(fā)生器開始工作。根據(jù)出料口采集的實(shí)時(shí)溫度，通過PID控制調(diào)節(jié)出料電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制出料速度，從而使玉米加熱到設(shè)定溫度。待設(shè)備工作時(shí)間完成后，依次關(guān)閉磁控管電源、出料電機(jī)、進(jìn)料電機(jī)和水冷水泵等。在設(shè)備工作過程中，控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)水冷水溫、磁控管電流和上料倉的物料高度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)水溫過高或磁控管電流超出正常閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在控制屏幕上自動(dòng)報(bào)警，并切斷磁控管電源。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

4.2 溫度PID控制

本控制系統(tǒng)在加熱的下料過程中利用S7-200的PID控制實(shí)現(xiàn)溫度控制如圖5所示。閉環(huán)控制系統(tǒng)的PID（比例-積分-微分）控制，可以根據(jù)設(shè)定值（給定）與被控對(duì)象的實(shí)際值（反饋）的差值，計(jì)算出控制器的輸出量，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)去影響被控對(duì)象的變化。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化工作，選取了微波膨化腔最下方出料口的溫度作為PID的被控對(duì)象，出料電機(jī)的變頻器設(shè)置（即下料速度）為控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的PID調(diào)節(jié)，設(shè)備完成后，參考實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)的PID的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。最后使設(shè)備根據(jù)設(shè)定的溫度值，自動(dòng)調(diào)節(jié)出料速度，保證玉米膨化效果和特性的一致。

圖5 PID調(diào)節(jié)過程示意圖

4.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面使用觸摸屏MCGS嵌入版組態(tài)環(huán)境[6]。人機(jī)交互界面主要包括主控界面和功率調(diào)節(jié)界面。主控界面包括開始按鈕、溫度設(shè)定框、實(shí)時(shí)溫度的顯示以及工作時(shí)間的設(shè)置。功率調(diào)節(jié)界面則主要用于自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)節(jié)微波功率的輸出及工作過程中的保護(hù)和報(bào)警。界面如圖6所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)后，當(dāng)出料溫度設(shè)置為120℃時(shí)，處理后的玉米達(dá)到膨化效果。膨化玉米的營養(yǎng)成分化驗(yàn)結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明，膨化后的玉米具有更高的營養(yǎng)價(jià)值。

圖6 人機(jī)交互界面

表1 玉米膨化前后營養(yǎng)成分化驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語

本控制系統(tǒng)采用PLC與觸摸屏的控制方式，結(jié)合了激光測(cè)距、溫度、水流檢測(cè)等傳感器，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備膨化玉米過程的自動(dòng)化控制。經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，設(shè)備控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足微波膨化玉米設(shè)備工作的控制需求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)玉米溫度達(dá)到120℃時(shí)，膨化效果最佳。

[1] 王彩云.玉米膨化質(zhì)構(gòu)變化的研究.中國糧油學(xué)報(bào)，1998，（3）：41～43.

[2] 張鐘，劉正.微波對(duì)玉米籽粒膨化效果的影響.糧油與飼料工業(yè)，1997，（10）：35～36，43.

[3] 趙桂豐，連續(xù)式微波加熱設(shè)備的研制[D].大連工業(yè)大學(xué)，2009.

[4] 李建國，楊薇，黃小麗等.微波干燥自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（7）：3294，3321.

[5] 張康，劉淑良，井建等.基于PLC 的煤泥微波干燥自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].潔凈煤技術(shù)，2013，19（4）：109-111.

[6] 李清磊.工控組態(tài)軟件三維監(jiān)控界面人機(jī)交互技術(shù)的研究[D].北京工業(yè)大學(xué)，2008.