李世軍

（開封大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，開封 475000）

農(nóng)副產(chǎn)品的烘干是收獲的重要和增值環(huán)節(jié)。全國各地根據(jù)傳統(tǒng)傳承、農(nóng)副產(chǎn)品干燥特性建造有多種燒煤的烘干房，統(tǒng)稱烤房。這類烤房都是燃煤烘烤，燃煤污染大，操作者勞動強(qiáng)度也大。隨著我國環(huán)保要求的提高，新能源無污染烘烤在全國范圍內(nèi)蓬勃開展。近年來，空氣源熱泵烤房、生物質(zhì)熱能烤房（用生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)替代燃煤熱源）得到了廣泛應(yīng)用。

對于燃煤烘干，溫濕度控制技術(shù)及其應(yīng)用已經(jīng)碩果累累[1-6]，但是由于沒有解決自動加煤問題，真正意義上的自動控制尚未實(shí)現(xiàn)。無疑，對空氣源熱泵烤房、生物質(zhì)熱能烤房的控制必須達(dá)到能夠無人值守，不僅使烘干節(jié)能環(huán)保，還要使工作人員從繁瑣的加煤勞動中解放出來，降低勞動強(qiáng)度，創(chuàng)造更大價值。雖然不同的加熱方式，其控制輸出形式及特性有所不同（空氣源熱泵烤房有多組熱泵機(jī)組交替工作和變頻控制等形式，前者根據(jù)烤房內(nèi)溫濕度需要使熱泵機(jī)組交替或一同工作，后者根據(jù)烤房內(nèi)溫濕度需要通過改變壓縮機(jī)電源工作頻率達(dá)到控制目標(biāo)），但控制量都是烤房內(nèi)的溫濕度，其采集方式相同，排濕方式類似，其他執(zhí)行裝置也類似。因此，研究開發(fā)能夠自動控制燃煤烤房、空氣源熱泵烤房、生物質(zhì)熱能烤房的溫濕度綜合控制儀是可行的，且具有廣泛的推廣價值。

1 設(shè)計(jì)方案與技術(shù)指標(biāo)

1.1 輸入與輸出

1.1.1 輸入

該系統(tǒng)的輸入信號為烤房內(nèi)的干球溫度和濕球溫度信號。為了便于觀察烤房內(nèi)的溫差并作為系統(tǒng)備用，系統(tǒng)使用2組傳感器組件，一組是主控傳感器組件，另一組是輔控傳感器組件。每組傳感器組件都有2個DS18B20溫度傳感器，其中一個檢測干球溫度，另一個由滲入水壺中的紗布包裹用于檢測濕球溫度。DS18B20是數(shù)字溫度傳感器，其測量溫度范圍為-55～125℃，精度為0.5℃，完全能滿足烘干領(lǐng)域的使用要求。

1.1.2 輸出

為了滿足不同類型烤房的輸出需求，對燃煤烤房、空氣源熱泵烤房和生物質(zhì)熱能烤房的輸出通道進(jìn)行整合，規(guī)劃3組AC 220 V輸出通道和2組DC 12 V輸出通道。輸出通道定義見表1。

表1 輸出通道定義Tab.1 Output channel definition

對于空氣源熱泵烤房，一般是2個熱泵機(jī)組組合使用，合理控制熱泵機(jī)組的運(yùn)行與停止是供熱控制的核心；控制儀對熱泵機(jī)組僅提供啟、?？刂菩盘?，熱泵機(jī)組內(nèi)部的配電系統(tǒng)獨(dú)立于烤房控制系統(tǒng)；熱泵烤房的排濕系統(tǒng)除循環(huán)風(fēng)機(jī)外，還有補(bǔ)風(fēng)門、排濕門、回風(fēng)門和冷風(fēng)門，補(bǔ)風(fēng)門、排濕門、回風(fēng)門是分步協(xié)調(diào)動作一致的[7]，所以可用一組信號進(jìn)行控制，冷風(fēng)門只有開和關(guān)2種狀態(tài)，有排濕就關(guān)閉（使除濕后的熱空氣進(jìn)入烤房），無排濕就打開。（免蒸發(fā)器出來的冷風(fēng)進(jìn)入烤房）

對于生物質(zhì)熱能烤房，循環(huán)風(fēng)機(jī)和排濕的工作方式與其他形式的烤房是相同的，燃燒風(fēng)量隨送料量的變化而變化，燃燒風(fēng)量不足時生物質(zhì)燃料燃燒不充分，風(fēng)量過大會將未燃盡的生物質(zhì)燃料吹出生物質(zhì)燃燒機(jī)爐膛[8]；送料量隨溫度的要求而變化，升溫時需要增大進(jìn)料量，穩(wěn)溫時需要減小進(jìn)料量；為保證溫度、送料、風(fēng)量三者統(tǒng)一協(xié)調(diào)，把送料量和燃燒風(fēng)機(jī)風(fēng)量由小到大分成10檔，以利于溫度變化的需要。從控制角度考慮，生物質(zhì)烤房的燃燒風(fēng)機(jī)需要多種速度，燃煤烤房的助燃風(fēng)機(jī)、熱泵烤房的熱泵是燃燒風(fēng)機(jī)控制的特例；生物質(zhì)烤房的除渣是定時除渣，控制信號與熱泵烤房的冷風(fēng)門性質(zhì)相同。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

綜合控制儀的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

有效測控范圍 20～80℃；

顯示分辨率 0.1℃；

測量精度 0.5℃；

控制精度 ±1℃；

使用電源 AC 220（1±10%）V/50 Hz。

2 控制原理

當(dāng)前大部分烤房的加熱室和烘干室是分離的，加熱室的熱量通過循環(huán)風(fēng)機(jī)的熱風(fēng)進(jìn)入烘干室實(shí)現(xiàn)烘干。烘干室干球溫度和濕球溫度相應(yīng)的滯后和非線性比較嚴(yán)重，難以建立數(shù)學(xué)模型，而采用模糊控制較適合。模糊控制是一種自動控制，以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言和模糊邏輯為理論基礎(chǔ)。模糊控制系統(tǒng)是一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)[9]。

設(shè)Et為烤房內(nèi)的干球溫度的溫度偏差，Et=Tt-T，其中，Tt為目標(biāo)溫度（升溫時為按升溫速率設(shè)定的計(jì)算值，穩(wěn)溫時是設(shè)定的穩(wěn)溫溫度）；T為測得干球溫度。Et′為溫度偏差隨時間的變化率。

將Et分為4個模糊子集。設(shè)定溫度回差值為δ，則4個子集及其對應(yīng)的偏差取值范圍分別為

B（大），δ≤（Tt-T）；

M（中），0≤（Tt-T）＜δ；

S（?。?，-δ＜（Tt-T）＜0；

N（負(fù)），（Tt-T）＜-δ。

將Et′分為3個模糊子集，3個子集及其對應(yīng)偏差變化量的取值范圍分別為

P（正），（Tn-Tn-1）＞0；

Z（零），（Tn-Tn-1）=0；

N（負(fù)），（Tn-Tn-1）＜0。

其中，Tn為本次采樣測得的干球溫度；Tn-1為上次采樣測得的干球溫度。

設(shè)Ct為加熱輸出，對于熱泵烤房，將其分為4個模糊子集，即PB（2組熱泵開）、PM（1組熱泵開）、PS（保持）、0（2 組熱泵停）；對于生物質(zhì)熱能烤房，將其分為3個模糊子集，即B′（風(fēng)量和進(jìn)料加檔）、M′（風(fēng)量和進(jìn)料保持）、S′（風(fēng)量和進(jìn)料減檔）。熱泵烤房和生物質(zhì)烤房干球溫度模糊控制規(guī)則分別見表2，表3。

表2 熱泵烤房干球溫度模糊控制規(guī)則Tab.2 Fuzzy control rule of dry bulb temperature in heat pump barn

表3 生物質(zhì)烤房干球溫度模糊控制規(guī)則Tab.3 Fuzzy control rule of dry bulb temperature in biomass barn

設(shè)Em為烤房內(nèi)的濕球溫度偏差，Em=M-M0，其中，M0為穩(wěn)溫濕球溫度；M為測得濕球溫度。Em′為偏差隨時間的變化率。將Em分為3個模糊子集，即B1（大）、M1（中）、S1（?。?其對應(yīng)偏差取值范圍分別為（M-M0）≤0，0＜（M-M0）＜δ，（M-M0）≥δ，其中 δ為設(shè)定的回差值。將Em′分為3個模糊子集，即P（正）、Z（零）、N（負(fù)）。其對應(yīng)偏差變化量的取值范圍分別為（Mn-Mn-1）＞0，（Mn-Mn-1）=0，（Mn-Mn-1）＜0，其中，Mn為本次采樣測得的濕球溫度；Mn-1為上次采樣測得的濕球溫度。

設(shè)Ch為排濕輸出，將其分為5個模糊子集：

GK（補(bǔ)風(fēng)門、排濕門全關(guān)，回風(fēng)門全開）；

KB（補(bǔ)風(fēng)口、排濕門開一步，回風(fēng)門關(guān)一步）；

BC（補(bǔ)風(fēng)門、排濕門、回風(fēng)門保持）；

GB（補(bǔ)風(fēng)口、排濕門關(guān)一步，回風(fēng)門開一步）；

KG（補(bǔ)風(fēng)口、排濕門全開，回風(fēng)門全關(guān)）。

烤房濕球溫度模糊控制規(guī)則見表4。

表4 烤房濕球溫度模糊控制規(guī)則Tab.4 Fuzzy control rule of wet bulb temperature in roast barn

3 儀器構(gòu)成

3.1 硬件系統(tǒng)

所研制的綜合溫濕度控制儀中，以PIC18f46k80單片機(jī)為核心構(gòu)成儀器的硬件系統(tǒng)，這是集溫濕度采集與處理、顯示操作、自動控制為一體的閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

PIC18f46k80是工業(yè)控制中最常用的芯片之一，具有片內(nèi)3.3 V穩(wěn)壓器，運(yùn)行速度高達(dá)64 MHz，有64 kb片上閃存程序存儲器，3.6kb的通用寄存器，I/O接口多達(dá)35個，可在線編程，完全能滿足系統(tǒng)要求。

外存儲器用于存儲烘烤工藝參數(shù)和記錄烘烤歷史數(shù)據(jù)等，外存儲器芯片采用24C256，除能夠存儲4條工藝曲線參數(shù)外，還能存儲10×150組數(shù)據(jù)，故通過顯示操作模塊可查詢歷史記錄。

控制選擇模塊用以人工選擇控制方式，2組傳感器組件可選任一組為主控傳感器；循環(huán)風(fēng)機(jī)、熱泵可選擇繼電器輸出控制或變頻輸出控制；報(bào)警形式可選擇語音報(bào)警或蜂鳴報(bào)警等。

輸出控制模塊包含3路AC 220 V繼電器輸出（6個繼電器）和2路DC 12 V全橋驅(qū)動輸出；使用TA8428K全橋驅(qū)動器，能夠控制正、反轉(zhuǎn)、停止和制動，輸出平均電流 1.5 A（峰值 3.0 A），具有熱關(guān)斷和短路保護(hù)功能，且理論壽命無窮大，徹底解決了繼電器的機(jī)械壽命無法滿足風(fēng)門使用壽命問題。

開關(guān)電源模塊為系統(tǒng)提供5 V和12 V直流電源，電源防雷等級達(dá)到4 kV，通過電流互感器和電壓互感器將循環(huán)風(fēng)機(jī)的工作電壓和電流傳給CPU，穩(wěn)壓采用開關(guān)電源芯片LM2576S-5.0和 LM2576S-12，防雷效果良好，電源性能穩(wěn)定。

系統(tǒng)時鐘模塊采用DS1302時鐘芯片，配以0.47 F電容形成掉電支持，一般在調(diào)試后校對一次時鐘即可。通訊模塊采用RS485接口，支持Modbus協(xié)議，用于集中控制或網(wǎng)絡(luò)控制。

3.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)由循環(huán)風(fēng)機(jī)電流和電壓采集模塊、顯示操作模塊、干濕溫度采集處理模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、干球溫度控制模塊和濕球溫度控制模塊、報(bào)警模塊組成。其主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程Fig.2 Main program flow chart

循環(huán)風(fēng)機(jī)可以人工開啟，也可以自動控制，循環(huán)風(fēng)機(jī)開啟后系統(tǒng)自動獲取其工作電流和三相電壓，并根據(jù)獲取的工作電流自動設(shè)置循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)的保護(hù)電流。

為了避免單次采樣毛刺造成執(zhí)行部件誤動作，提高系統(tǒng)控制的可靠性，干濕溫度采集處理模塊以連續(xù)10次采樣為樣本進(jìn)行處理，去掉1個最大值和1個最小值，以平均值作為本次采樣結(jié)果用以顯示、存儲。

干濕溫度控制模塊由燃煤烤房溫濕度控制模塊、熱泵烤房溫濕度控制模塊和生物質(zhì)烤房溫濕度控制模塊組成，根據(jù)供熱方式實(shí)施相應(yīng)的控制。干濕溫度控制模塊實(shí)現(xiàn)對烘干過程干濕溫度自動檢測、控制和超限報(bào)警等。系統(tǒng)按設(shè)定時間間隔不斷比較得出干濕溫度偏差 Et，Em及其變化率 Et′，Em′，然后從模糊控制表中查找對應(yīng)的控制對象，驅(qū)動加熱或排濕。

報(bào)警保護(hù)模塊把實(shí)測參數(shù)與目標(biāo)參數(shù)比較，實(shí)施報(bào)警保護(hù)：當(dāng)實(shí)際溫度在目標(biāo)溫度±1℃范圍以外時，系統(tǒng)語音溫度超限報(bào)警；當(dāng)電源缺相時，語音報(bào)警并停止運(yùn)行；當(dāng)供電電壓不在額定電壓±20 V以內(nèi)時，系統(tǒng)語音電壓超限報(bào)警并實(shí)施保護(hù)，當(dāng)系統(tǒng)電壓正常時自動恢復(fù)正常運(yùn)行；當(dāng)循環(huán)風(fēng)機(jī)的工作電流大于等于其保護(hù)電流時，系統(tǒng)語音電流超限報(bào)警，并實(shí)施保護(hù)（停止循環(huán)風(fēng)機(jī)運(yùn)行）。

4 結(jié)語

溫濕度綜合控制儀研制成功后，于2017年7月～11月在四川涼山州、廣元市和貴州畢節(jié)3個地區(qū)各投放了20臺，在煙葉烘烤、茶籽烘烤方面進(jìn)行長時間的運(yùn)行試用，取得良好效果。該控制儀應(yīng)用于烤煙的熱泵烤房，干球溫度實(shí)際控制精度在目標(biāo)干球溫度±0.7℃以內(nèi)，濕球溫度實(shí)際控制精度在目標(biāo)濕球溫度±0.5℃以內(nèi)；應(yīng)用于烤煙的生物質(zhì)熱源烤房，干球溫度實(shí)際控制精度在目標(biāo)干球溫度±0.8℃以內(nèi)，濕球溫度實(shí)際控制精度在目標(biāo)濕球溫度±0.5℃以內(nèi)；與單獨(dú)控制生物質(zhì)熱源方法對比，配風(fēng)、供料更加科學(xué)合理，平均每烤能節(jié)省生物質(zhì)顆粒燃料80～100 kg。

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