田勇軍 黃采倫 張念 陳俊竹 劉袁慶子

摘要：密集烤房是煙葉烘烤的重要載體，控制系統(tǒng)是獲得優(yōu)質(zhì)干煙葉的重要途徑。針對現(xiàn)有密集烤房在節(jié)能、環(huán)保等方面的不足，提出了現(xiàn)有密集烤房的內(nèi)循環(huán)除濕改造方案，設(shè)計了改造烤房加熱除濕裝置和控制系統(tǒng)。加熱除濕裝置集成了3個結(jié)構(gòu)和原理均一致的加熱除濕子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)均能獨立完成加熱、除濕功能;控制系統(tǒng)以STM32系列單片機為控制核心，利用數(shù)字溫度傳感器采集裝煙室內(nèi)的實時干、濕球溫度，由STM32單片機內(nèi)嵌烘烤控制程序根據(jù)烘烤控制參數(shù)、實時干濕球溫度智能決策并輸出信號到加熱除濕裝置，控制和協(xié)調(diào)3個加熱除濕子系統(tǒng)分別工作在加熱、除濕狀態(tài)，使制熱除濕系統(tǒng)能夠按照煙葉烘烤工藝曲線進行智能開關(guān)和模式切換，以實現(xiàn)煙葉的自動化烘烤。本密集烤房和控制系統(tǒng)具有烘烤成本低、能耗低、控制過程細(xì)致、無有害氣體排放等優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：內(nèi)循環(huán)除濕;密集烤房改造;烘烤控制;STM32單片機;加熱除濕裝置

中圖分類號： TP29;TS48;S226.9文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）04-0222-08

收稿日期：2019-01-20

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：61672226）;湖南省自然科學(xué)基金（編號：14JJ3110）。

作者簡介：田勇軍（1991—），男，湖南懷化人，碩士研究生，主要研究方向為智能檢測技術(shù)與自動化裝置。E-mail：1693909151@qq.com。

通信作者：黃采倫，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向為智能檢測技術(shù)與自動化裝置、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷、地下水資源及礦區(qū)水害探測。E-mail：806313410@qq.com。

煙葉烘烤是香煙生產(chǎn)過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)[1]，密集烤房是該環(huán)節(jié)的重要載體。傳統(tǒng)密集烤房采用燃燒煤、生物質(zhì)燃料等方式供熱，由于這些燃料的燃燒特性導(dǎo)致裝煙室內(nèi)溫度、濕度可控性差[2]，因此會增加額外的人工守護成本，且燃料燃燒還會產(chǎn)生有害氣體污染環(huán)境[3-4]。電加熱、熱泵以及太陽能-熱泵等方式的烤房雖然能彌補傳統(tǒng)烤房的部分缺陷，但也存在一些問題[5-7]：（1）電加熱方式對密集烤房改造要求低且控制簡單，但煙葉烘烤是一個由室溫升至68.0 ℃左右的長期過程，須消耗大量電能，且由于現(xiàn)有密集烤房大都以集群化形式存在，使當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)無法滿足應(yīng)用要求。（2）太陽能-熱泵方式的耗電量較電加熱烤房低，但對場地要求高，還須考慮光照以及設(shè)備成本。（3）熱泵方式相對前兩者來說，設(shè)備成本較低且對電網(wǎng)要求也不高，然而現(xiàn)有熱泵烤房仍然使用強排濕方式排出裝煙室內(nèi)煙葉烘烤過程中析出的水分，且烘烤中只考慮脫水除濕過程中溫濕度變化，而不考慮煙葉內(nèi)部物質(zhì)轉(zhuǎn)化所需的穩(wěn)溫時長、溫濕度、控制誤差，使得整個烘烤過程粗放、能耗高，不能發(fā)揮優(yōu)質(zhì)煙葉的潛勢;因此，在煙葉烘烤過程中，采用強排濕方式不僅會造成熱量的大量損失、增加能耗成本，還會在排濕的過程中排掉煙葉變化過程中產(chǎn)生的煙香味[8]。

針對以上問題，本研究以現(xiàn)有密集烤房為研究對象，通過去除傳統(tǒng)烤房的強排濕裝置，將其改造成內(nèi)循環(huán)除濕方式的密集烤房，然后增加本研究設(shè)計的加熱除濕裝置使煙葉烘烤過程中空氣流在裝煙室、加熱除濕裝置內(nèi)部循環(huán)流動;進一步研究內(nèi)循環(huán)除濕密集烤房烘烤的控制方法及系統(tǒng)，控制系統(tǒng)以STM32F429為主控芯片，采用μC/OS-Ⅲ嵌入式操作系統(tǒng)[9]，以“八段式”烘烤工藝曲線為控制流程，以實現(xiàn)煙葉烘烤過程的自動化?；趦?nèi)循環(huán)除濕的密集烤房烘烤控制系統(tǒng)在煙葉烘烤過程中既可避免有害氣體排放、節(jié)省能耗，同時又降低了人工成本，減少了人為因素對煙葉烘烤質(zhì)量的影響。

1?密集烤房的內(nèi)循環(huán)除濕改造

1.1?內(nèi)循環(huán)除濕密集烤房原理及改造

密集烤房的工作原理是通過循環(huán)風(fēng)機進行強制通風(fēng)和熱風(fēng)循環(huán)方式對裝煙室內(nèi)的煙葉進行加熱[9]，促進煙葉內(nèi)部物質(zhì)轉(zhuǎn)化、合成，通過溫濕度控制器、風(fēng)速調(diào)節(jié)裝置來調(diào)控?zé)熑~內(nèi)物質(zhì)的降解、合成、轉(zhuǎn)化速度和脫水、干燥程度，以促進煙葉外觀色度和煙香的形成[10-11]。

內(nèi)循環(huán)除濕密集烤房結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括裝煙室、加熱除濕裝置、控制器3個部分。裝煙室是一個2.7 m×8 m×3 m的空間體，用來放置待烘烤的新鮮煙葉，加熱除濕裝置內(nèi)部包含有加熱室和除濕室作為空氣流流動的載體，用于煙葉烘烤過程中熱量供應(yīng)和脫水除濕?？諝饬髟谘b煙室和加熱除濕裝置內(nèi)的流動方式為熱空氣流從裝煙室進風(fēng)口進入裝煙室進行煙葉烘烤，與煙葉進行換熱后的空氣流從裝煙室出風(fēng)口排出，構(gòu)成一個空氣流動的循環(huán)體，主要包括2條循環(huán)路徑：在內(nèi)循環(huán)加熱階段從裝煙室排出的空氣流經(jīng)電動百葉窗到加熱除濕裝置內(nèi)部的加熱室進行加熱，然后再通過裝煙室進風(fēng)口回到裝煙室;內(nèi)循環(huán)除濕階段空氣流經(jīng)排濕窗口通過風(fēng)管并聯(lián)裝置到加熱除濕裝置內(nèi)部的除濕室進行換熱、脫水干燥，然后換熱干燥的空氣回到加熱室進行加熱。2種空氣流動路徑是由控制器通過控制電動百葉窗的開關(guān)來實現(xiàn)的。

1.2?基于內(nèi)循環(huán)除濕的加熱除濕裝置

加熱除濕裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括制熱除濕系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、除濕室、加熱室。制熱除濕系統(tǒng)集成了3個結(jié)構(gòu)和工作原理均一致的加熱除濕子系統(tǒng)，主要包括3臺熱泵壓縮機（1A、1B、1C）、冷凝器（2）、3個制熱電磁閥（3A、3B、3C）、3個電子膨脹閥（10A、10B、10C）、3個除濕電磁閥（6A、6B、6C）、除濕蒸發(fā)器（5）、室外蒸發(fā)器（4）、除濕風(fēng)機（9）、全熱交換器（7）、室外風(fēng)機（8）。3個加熱除濕子系統(tǒng)之間相互獨立，互不干擾，每1個加熱除濕子系統(tǒng)都有2種工作模式（制熱工作模式和除濕工作模式），2個工作模式相互關(guān)聯(lián)。當(dāng)煙葉烘烤在升溫或穩(wěn)溫期間，為了維持裝煙室內(nèi)實時干球溫度值在設(shè)定的控制誤差范圍內(nèi)，開啟加熱模式，通過加熱室內(nèi)的冷凝器（2）加熱空氣，通過循環(huán)風(fēng)機（19）將加熱空氣送入裝煙室內(nèi)，進行煙葉烘烤;當(dāng)需要除濕時，開啟除濕工作模式，使裝煙室內(nèi)的空氣從排濕窗和回風(fēng)口進入除濕室內(nèi)進行換熱、脫水干燥，換熱干燥后的空氣通過除濕室出風(fēng)口（16）和加熱室進風(fēng)口（17）進入加熱室進行加熱。制熱除濕系統(tǒng)中放置于加熱室內(nèi)的冷凝器為3個制熱除濕子系統(tǒng)的公共模塊，所以即使開啟除濕工作模式時，冷凝器仍然會持續(xù)對流過加熱室內(nèi)的空氣進行加熱，因此需要使用恒溫系統(tǒng)控制實時干球溫度值保持在設(shè)定誤差范圍內(nèi)波動，恒溫系統(tǒng)主要由3個水冷換熱器（13A、13B、13C）、循環(huán)水泵（11）、水箱（12）、排水管（20）、進水管（21）組成，通過控制循環(huán)水泵來實現(xiàn)恒溫系統(tǒng)的啟停。加熱除濕裝置的除濕室內(nèi)放置有接水盤（14）和排水管（15），加熱室還放置有用于補充熱源的電輔助加熱器（18）。

2?內(nèi)循環(huán)除濕密集烤房的控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1?控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

內(nèi)循環(huán)除濕密集烤房的控制系統(tǒng)作為煙葉烘烤系統(tǒng)的核心部分，控制整個煙葉烘烤過程[12-13]。本研究設(shè)計的控制系統(tǒng)如圖3所示，包括STM32最小系統(tǒng)（本設(shè)計在試驗中采用STM32F429單片機）、溫度采集模塊、數(shù)字輸入與保護模塊、繼電器及其驅(qū)動模塊、步進電機驅(qū)動模塊、通信電路接口模塊、LCD觸摸顯示屏模塊、報警電路模塊、程序與數(shù)據(jù)存儲器、電源模塊等組成。溫度采集模塊將裝煙室、壓縮機采集的溫度值傳輸?shù)絊TM32最小系統(tǒng)，

在STM32內(nèi)進行相關(guān)數(shù)據(jù)處理，然后傳輸?shù)絃CD觸摸屏顯示實時干球、濕球溫度，同時將由STM32處理過的結(jié)果作為烘烤工藝控制流程輸入值，由控制流程內(nèi)部算法進行決策得出控制指令傳輸給繼電器及其驅(qū)動模塊，通過繼電器模塊來控制電磁閥、交流接觸器等的通斷以實現(xiàn)煙葉烘烤過程的自動控制。數(shù)字輸入與保護模塊也會實時監(jiān)測熱泵壓縮機、風(fēng)機、電輔助加熱器等設(shè)備的運行狀態(tài)并將結(jié)果反饋給STM32，由STM32發(fā)出啟停保護指令。LCD觸摸顯示屏不僅作為觸摸控制板用來完成人機交互功能，還用于顯示裝煙室內(nèi)溫度傳感器采集的溫度值和各個工作設(shè)備工作狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備故障時，報警電路會發(fā)出故障報警提示。每次煙葉烘烤的過程數(shù)據(jù)都保存到數(shù)據(jù)儲存器中，不僅可為其他煙葉烘烤提供數(shù)據(jù)參考，還可通過通信電路模塊將數(shù)據(jù)傳輸給上位機，為建立完整的煙葉烘烤數(shù)據(jù)庫提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。整個控制系統(tǒng)的供電都從電網(wǎng)接入，其中380 V交流電作為三相交流電氣設(shè)備的電源，三相交流電器設(shè)備通過交流接觸器來控制，220 V交流電作為電源電路、電磁閥、繼電器觸點、電子膨脹閥、電動百葉窗的輸入工作電源，在電源電路中220 V交流電通過整流電路和電壓轉(zhuǎn)換電路為各個模塊提供需要的直流電源電壓。

2.2?主要硬件電路設(shè)計

2.2.1?溫濕度采集電路

溫度采集電路包括裝煙室的溫濕度采集模塊、熱泵壓縮機的溫度采集模塊2個部分。裝煙室的溫度采集模塊有7對共14個DS18B20溫度傳感器，分別用來監(jiān)測裝煙室7個不同位置的實時干濕球溫度[14]，7對傳感器放置位置如圖4所示。圖4中下棚放置位置分別為左前、右中、左后，呈S形分布，上棚放置位置為右前、左中、右后，也呈S形分布，中棚煙葉的正中間放置1對;各位置的溫度傳感器作為觀察值顯示在LCD上，以監(jiān)測裝煙室內(nèi)各個區(qū)域的實時溫度，基于各位置的實時干濕球溫度值和裝煙室溫濕度變化曲線，綜合計算出裝煙室的干濕球溫度值作為實時干濕球溫度值控制系統(tǒng)的輸入。熱泵壓縮機的溫度采集模塊有3路，分別用來監(jiān)測3臺壓縮機在工作狀態(tài)下的溫度變化。2個部分傳感器電路連接如圖5所示，裝煙室內(nèi)14個DS18B20通過接線端子JP1的GQ1～GQ7和SQ1～SQ7連接到STM32F429的引腳PB6～PB9、PB13～PB15、PC6、PC7、PC13、PE2～PE5，用于監(jiān)測熱泵壓縮機溫度變化的DS18B20通過接線端子JP2連接到STM32F429的引腳PA4～PA6，溫度傳感器DS18B20的均由+3.3 V 直流電源供電，每路DS18B20接1個4.7 kΩ 的上拉電阻。

2.2.2?繼電器驅(qū)動模塊

控制器需要控制的電氣設(shè)備多且控制板尺寸有限，因此控制器采用HFD4/5的單穩(wěn)態(tài)繼電器，該繼電器線圈電壓為5 V，最大切換電壓為AC 250 V，且體積小，完全能夠滿足本控制器設(shè)計需要。HFD4/5單穩(wěn)態(tài)繼電器線圈端有正負(fù)極2個端子，正負(fù)極的2個端子分別接在移位數(shù)據(jù)鎖存器74HC595上，當(dāng)正負(fù)2個端子上的電平分別為+5 V和0 V時，線圈通電，繼電器觸點閉合，否則觸點斷開。74HC595共包括7片且片與片之間采用級聯(lián)方式連接，移位數(shù)據(jù)鎖存器的輸入端通過光耦合器件TLP521-4與STM32F429的PA0、PH2、PH3共3個引腳相連，其中3個I/O口PA0、PH2、PH3分別對應(yīng)74HC595上的RCLK、SRCLR和SER，TLP521-4和74HC595都由+5 V直流電源供電，繼電器切換電壓為AC 220 V，包括電磁閥、交流接觸器、循環(huán)風(fēng)機高低速控制器3個切換部分。下面以壓縮機A的繼電器及其驅(qū)動電路為例進行介紹，其原理如圖6所示。

2.2.3?觸摸顯示屏與STM32的連接電路

LCD采用ATK-7.0 RGBLCD電容觸摸屏，屏幕分辨率為1 024×600。該觸摸顯示屏通過FPC軟排線與控制板上的FPC扁平電纜線插座JP40連接，JP40再與STM32F429相連接，其中連接引腳為NRST、PB5、PF10、PG3、PG6、PG7、PG11、PH6、PH7、PH9～PH15、PI0～PI10，RGBLCD電容觸摸屏采用+5 V直流供電，電路連接如圖7所示。

2.3?控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計采用C語言作為開發(fā)語言，使用MDK5和emWin作為開發(fā)平臺，以嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅲ作為基礎(chǔ)，主要軟件設(shè)計包括主程序、觸摸屏中斷子程序、定時器中斷子程序、烘烤控制子程序、加熱除濕開關(guān)控制子程序、數(shù)字輸入與保護子程序、控制輸出子程序等模塊，其主要程序模塊介紹如下。

2.3.1?系統(tǒng)控制主程序

系統(tǒng)主程序流程如圖8所示，當(dāng)開啟電源時，開始初始化CPU和外設(shè)并且顯示烘烤界面，然后開啟觸摸屏和定時器中斷、通信以及進行階段值賦值，開始獲取實時干濕球溫度值，調(diào)用觸摸屏中斷子程序以獲取觸摸屏按鍵值，將按鍵值與階段值比較，然后根據(jù)比較結(jié)果開始調(diào)用各個子程序模塊，將子程序模塊的返回值以及壓縮機控制與保護子程序的反饋值共同發(fā)送給控制輸出模塊，由控制模塊控制硬件電路的通斷，實現(xiàn)煙葉自動化烘烤。

2.3.2?烘烤控制子程序

烘烤控制子程序流程如圖9所示。在該子程序中進行相關(guān)烘烤參數(shù)配置、新階段的參數(shù)初始化以及干濕球溫度設(shè)定值和干濕球溫度實時值比較和運算的過程，根據(jù)這些運算結(jié)果得出加熱、除濕、恒溫的輸出指令，這些輸出指令作為加熱除濕開關(guān)控制子程序模塊的輸入值，每次烘烤控制子程序執(zhí)行完后都會返回到主程序中執(zhí)行其他程序。在煙葉烘烤過程中，各個階段的烘烤參數(shù)值由技術(shù)員根據(jù)以往煙葉烘烤過程中所存儲的烘烤數(shù)據(jù)進行選取，或者由有經(jīng)驗的煙農(nóng)根據(jù)經(jīng)驗參考烘烤工藝曲線進行設(shè)定，每個階段開始烘烤控制子程序都會從已經(jīng)設(shè)定好的控制參數(shù)表中獲取該階段的干濕球溫度目標(biāo)值、控制誤差、升溫速度、穩(wěn)溫時長，并且會對上一階段的烘烤時長以及烘烤數(shù)據(jù)進行保存并清零。烘烤階段之間的切換可由烘烤控制子程序根據(jù)設(shè)定烘烤參數(shù)自動切換，也可由烘烤技術(shù)員根據(jù)煙葉的變化情況和干濕球溫度穩(wěn)定時長決定手動切換的具體操作時間。

3?系統(tǒng)試驗與分析

為了驗證內(nèi)循環(huán)除濕密集烤房的可行性和節(jié)能性，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及烘烤優(yōu)質(zhì)干煙葉的提升率，項目組于2018年7月對貴州省畢節(jié)市黔西縣林泉鎮(zhèn)高錦烘烤工廠的1間密集烤房進行內(nèi)循環(huán)除濕改造，改造后的內(nèi)循環(huán)除濕密集烤房和控制器如圖10所示。對內(nèi)循環(huán)除濕密集烤房進行了煙葉烘烤試驗，烘烤所用的煙葉品種為NC102，共烘烤3次，選取其中1次烘烤試驗的數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果如表1所示。同時將本研究的改造烤房及其控制系統(tǒng)和現(xiàn)有烤房及其控制系統(tǒng)在能源成本、環(huán)境污染等方面進行數(shù)據(jù)對比，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)烘烤試驗結(jié)果得出，采用經(jīng)過內(nèi)循環(huán)除濕改造的密集烤房及其控制系統(tǒng)烘烤出干煙葉B1F級和B2F級的占比大于60%，B4F級煙葉占有率僅為10%，相比現(xiàn)有烤房，烘烤1爐煙葉節(jié)約費用約為543.65元，而且采用本研究改造的烤房及其控制系統(tǒng)可節(jié)約大量能源費，降低人工看護強度和精力，減少烘烤勞動成本，且烘烤過程中不產(chǎn)生廢氣廢渣、不污染環(huán)境。

4?總結(jié)

針對現(xiàn)有烤房存在的能耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重、烘烤工藝粗放導(dǎo)致的溫度控制不精確等問題，本研究通過對現(xiàn)有密集烤房及其烘烤系統(tǒng)進行研究，提出基于內(nèi)循環(huán)除濕的密集烤房改造方案，設(shè)計了內(nèi)循環(huán)除濕密集烤房的控制系統(tǒng)。與現(xiàn)有密集烤房相比，內(nèi)循環(huán)除濕密集烤房采用熱泵作為主供熱源，電輔助加熱器用于輔助加熱，同時使用空氣內(nèi)循環(huán)的烘烤方式，不僅降低了能耗，節(jié)約了能源，而且在煙葉烘烤過程中沒有任何氣體的排放，不會產(chǎn)生有害氣體污染環(huán)境;設(shè)計的與改造烤房相匹配的控制系統(tǒng)，采用更加細(xì)致的烘烤工藝，該烘烤工藝在煙葉烘烤過程中不僅考慮鮮煙葉的脫水除濕，還根據(jù)不同煙葉品種所需的穩(wěn)溫時間、穩(wěn)溫濕度和控制誤差來調(diào)整供熱量和除濕量，以應(yīng)對不同品種煙葉在各個階段所需要排出的水分和需要滿足的干濕球溫度波動誤差，使煙葉內(nèi)部物質(zhì)轉(zhuǎn)化、合成有充足的時長和最佳的溫濕度，以提高煙葉的評吸質(zhì)量。除此之外，由于使用空氣內(nèi)循環(huán)的加熱和除濕方式，可以使煙葉烘烤過程析出的香味停留在裝煙室內(nèi)，保留了煙葉自帶的煙香?；趦?nèi)循環(huán)除濕的密集烤房及其控制系統(tǒng)不僅提高了煙葉烘烤的穩(wěn)定性和可靠性，而且還可以最大程度地發(fā)揮優(yōu)質(zhì)煙葉的潛勢和提高優(yōu)質(zhì)干煙葉比重。

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