朱 燁，江 濤，張現(xiàn)廣，洪 揚(yáng)，邢精珠

海帶自然晾曬與熱泵烘干級(jí)聯(lián)干燥自動(dòng)控制系統(tǒng)研制

朱 燁，江 濤※，張現(xiàn)廣，洪 揚(yáng)，邢精珠

（中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092）

干燥是海帶加工過(guò)程中的工序之一，為進(jìn)一步解決海帶干燥過(guò)程中勞動(dòng)強(qiáng)度大、能耗高等問(wèn)題，該研究設(shè)計(jì)了自然晾曬與熱泵烘干級(jí)聯(lián)的干燥模式并研制了海帶全程自動(dòng)搬運(yùn)、協(xié)調(diào)工作的碼垛自動(dòng)控制系統(tǒng)，其由晾曬棚、熱泵房、碼垛裝置、橋接裝置與控制室組成。采用USS協(xié)議與G120變頻器通訊，采集信號(hào)通過(guò)485通訊口送到可編程邏輯控制器PLC的寄存器，PLC對(duì)行走電機(jī)進(jìn)行加減速判斷；同時(shí)利用Profibus協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC與Sick條碼定位傳感器通訊，實(shí)現(xiàn)晾曬桿準(zhǔn)確定位；然后編程控制氣動(dòng)抓手，實(shí)現(xiàn)海帶晾曬桿的自動(dòng)抓放等動(dòng)作；利用限位開(kāi)關(guān)作為數(shù)據(jù)傳遞的觸發(fā)信號(hào)，晾曬棚與熱泵房導(dǎo)軌自動(dòng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)海帶自然晾曬與熱泵烘干結(jié)合。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)總運(yùn)行時(shí)間為5.7 h，晾曬桿定位誤差±1 cm，高速運(yùn)行速度20 m/min，晴天自然晾曬可減少海帶含水率至60%，烘干后海帶含水率為15.2%左右，泥沙、雜質(zhì)率為0%，為一級(jí)品。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)約人工，保證海帶干燥的品質(zhì)。該研究有助于為藻類加工產(chǎn)業(yè)提供高品質(zhì)、低能耗、綠色環(huán)保新模式與樣板。

烘干；加工；控制系統(tǒng)；海帶；自然晾曬；熱泵烘干；級(jí)聯(lián)系統(tǒng)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017－2019年中國(guó)藻類養(yǎng)殖產(chǎn)量由223.5萬(wàn)t增至254.4萬(wàn)t，其中養(yǎng)殖海帶總產(chǎn)量占世界的近九成[1]。針對(duì)藻類產(chǎn)量大，含水率高，需降低藻類的含水率，便于存儲(chǔ)和加工。目前沿海地區(qū)主要以露天沙地晾曬為主，易受場(chǎng)地以及天氣的影響，且在酷暑的環(huán)境中容易導(dǎo)致勞動(dòng)者突發(fā)性中暑等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)研究學(xué)者多采用太陽(yáng)能耦合熱泵式干燥，能夠節(jié)約能耗、提高能源利用率[2-10]，但對(duì)海藻干燥方面的研究較少。江濤等[11]對(duì)國(guó)內(nèi)藻類干燥進(jìn)行展望，并提出大力推進(jìn)潔凈能源，實(shí)現(xiàn)藻類干燥工藝的標(biāo)準(zhǔn)化，提高熱回收，提升藻類干燥品質(zhì)的建議；趙子碩等[12]采用不同干燥方式研究羊棲菜中巖藻黃素穩(wěn)定性，證明采用冷凍干燥方式獲得的羊棲菜巖藻黃素含量高，穩(wěn)定性好；王應(yīng)強(qiáng)等[13]研究不同波長(zhǎng)和風(fēng)速對(duì)海帶干燥特性的影響，并將熱風(fēng)干燥和微波真空干燥進(jìn)行比較，論證了紅外線波長(zhǎng)為2.5～3.0m時(shí)比5～6m時(shí)的效率高，且與熱風(fēng)干燥相比，干燥時(shí)間可縮短7%（160 min），節(jié)能58 %；胡自成等[14]采用雙蒸發(fā)器常閉式熱泵干燥技術(shù)，研究海帶結(jié)熱泵干燥特性及水分隨時(shí)間變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明干燥溫度45 ℃、裝載密度32.39 kg/m3、單位除濕能耗比1.625 kg/(kW·h)、干燥時(shí)間260 min為較佳干燥工藝參數(shù)且與Page模型的預(yù)測(cè)值基本吻合；馬來(lái)西亞國(guó)立大學(xué)太陽(yáng)能研究所（SERI）在當(dāng)?shù)爻晒ρ兄屏艘环N新型綠色節(jié)能的V形屋頂混合型太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)[15-16]，用于海藻干燥機(jī)理和干燥工藝，得出了太陽(yáng)能干燥器有穩(wěn)定的溫度輸出和較高的干燥性能，并且能夠節(jié)約能源的結(jié)論；Ahmad等[17]對(duì)紅藻進(jìn)行太陽(yáng)能干燥試驗(yàn)，通過(guò)能量分析得出太陽(yáng)能干燥效率在1%～93%之間，平均為30%。前人對(duì)整根成串海帶干燥研究不足，且主要是藻類干燥方法特性研究，鑒于此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上[18]，解決整根成串海帶干燥及批量自動(dòng)化干燥的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種海帶全程自動(dòng)搬運(yùn)級(jí)聯(lián)干燥系統(tǒng)。確定了自然晾曬+熱泵干燥的干燥模式，分析海帶干燥碼垛裝置變頻調(diào)速、條碼定位、導(dǎo)軌對(duì)接關(guān)鍵技術(shù)與原理，并驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間、功耗等性能參數(shù)，為后續(xù)開(kāi)展海帶高質(zhì)化干燥研究提供數(shù)據(jù)參考與技術(shù)支撐。

1 海帶級(jí)聯(lián)干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研制的海帶級(jí)聯(lián)干燥裝置主要結(jié)構(gòu)由晾曬棚、熱泵房、碼垛裝置、橋接裝置與控制室組成。系統(tǒng)配套裝置主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。前期，海帶擱置在晾曬棚中，利用光照和風(fēng)能進(jìn)行干燥；熱泵房對(duì)未完全曬干的海帶繼續(xù)干燥，可保證海帶干燥品質(zhì)；碼垛裝置完成對(duì)鉤掛在晾曬桿的海帶自動(dòng)搬運(yùn)，減少了勞動(dòng)力，是裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；橋接裝置將晾曬棚與熱泵房進(jìn)行對(duì)接，保證碼垛裝置將晾曬桿搬運(yùn)至熱泵房；控制室完成對(duì)外部環(huán)境信號(hào)的檢測(cè)與熱泵運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)控制，并對(duì)采集數(shù)據(jù)實(shí)施預(yù)處理與分析。系統(tǒng)流程如圖1a所示。

1.2 工作原理

該干燥裝置工作原理為：利用自然晾曬與熱泵烘干結(jié)合的模式，前期將自然中的熱能與風(fēng)能用于海帶干燥，后期運(yùn)用熱泵進(jìn)行干燥，旨在提升海帶干燥能耗與品質(zhì)。為節(jié)約勞動(dòng)力及提高晾曬效率，干燥設(shè)備采用海帶晾曬桿吊掛整串海帶干燥及自動(dòng)精確定位放置的形式。自行設(shè)計(jì)的碼垛控制系統(tǒng)方案如圖1b所示，采用智能提升碼垛裝置將1串重達(dá)100 kg（最大量）的鮮海帶，連同15 kg晾曬桿提升至晾曬棚內(nèi)晾曬架上，智能擺放碼垛裝置接力，采用空間方位校準(zhǔn)及條碼定位技術(shù)，搬運(yùn)到設(shè)定位置，進(jìn)行太陽(yáng)輻射及自然風(fēng)干；在晚上，利用智能擺放碼垛裝置自動(dòng)將海帶搬運(yùn)至熱泵房繼續(xù)烘干，縮短海帶排列間距，烘干完后，取下海帶。

表1 配套裝置主要技術(shù)參數(shù)

1.熱泵房 2.智能擺放碼垛裝置(搬運(yùn)晾曬桿到接力位置) 3.智能橋接 4.晾曬棚 5.智能提升碼垛裝置(搬運(yùn)晾曬桿到指定位置) 6.電動(dòng)推桿 7.碼條 8.橋接導(dǎo)軌 9.限位開(kāi)關(guān) 10.限位塊 11.熱泵房導(dǎo)軌 12.齒輪 13.電葫蘆1 14.控制箱 15.行走電機(jī) 16.氣泵 17.電葫蘆2 18.晾曬桿。

2 海帶級(jí)聯(lián)干燥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

海帶全程自動(dòng)化搬運(yùn)控制系統(tǒng)，主要控制海帶晾曬桿自動(dòng)搬運(yùn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變頻調(diào)速和掃碼定位功能。采用3個(gè)控制箱，其中提升裝置和擺放裝置上各裝1個(gè)，控制室安裝1個(gè)。該海帶干燥控制系統(tǒng)設(shè)備主要有PLC（型號(hào)：1212C、1215C，德國(guó)西門(mén)子股份公司）、觸摸屏（型號(hào)：GP-4500，普洛菲斯國(guó)際貿(mào)易上海有限公司）、抓放裝置、電葫蘆、行走電機(jī)、限位開(kāi)關(guān)、條碼定位傳感器（型號(hào)：OLM 200，廣州市西克傳感器有限公司）等，其中創(chuàng)新性技術(shù)包括自動(dòng)變頻調(diào)速技術(shù)、定位技術(shù)、晾曬棚和熱泵房對(duì)接技術(shù)、信息采集技術(shù)。自動(dòng)變頻技術(shù)采用西門(mén)子USS協(xié)議，實(shí)現(xiàn)行走電機(jī)自動(dòng)變速；準(zhǔn)確定位技術(shù)，采用Profibus協(xié)議通訊，進(jìn)行晾曬桿放置距離測(cè)定；晾曬棚和熱泵房對(duì)接技術(shù)，將2個(gè)空間精準(zhǔn)對(duì)接保證動(dòng)作準(zhǔn)確；信息采集技術(shù)，采用溫濕度傳感器、光照度傳感器（型號(hào)：HSTL-102WS、HSTL-GZD，北京華控興業(yè)科技發(fā)展有限公司）、風(fēng)速傳感器（型號(hào)：RS-FSJT、山東建大仁科測(cè)控技術(shù)有限公司）測(cè)量晾曬棚內(nèi)不同位置的溫濕度、風(fēng)速、光照度等信息?？刂葡到y(tǒng)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 碼垛裝置

碼垛裝置由齒輪、電葫蘆、行車電機(jī)、控制箱、氣泵、氣動(dòng)抓手等元器件組成（圖1d）。2臺(tái)碼垛裝置接力配合實(shí)現(xiàn)將晾曬桿放置晾曬架上干燥。由于碼垛裝置初始位置不同，且距離晾曬桿交接點(diǎn)的運(yùn)行速度也不同，為保證工作準(zhǔn)確性、有序性，在作業(yè)前要將2臺(tái)碼垛裝置運(yùn)行至初始位置。

2.1.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)

為了提高晾曬系統(tǒng)效率，搬運(yùn)裝置可調(diào)速是高效、節(jié)約時(shí)間的重要技術(shù)。在大量海帶從海上采收到粗加工再到存儲(chǔ)的過(guò)程中，為了節(jié)約時(shí)間、提高效率，需加快干燥速度，才能解決量大、存儲(chǔ)難的問(wèn)題。本文采用G120變頻器，控制行走電機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離加速、到目標(biāo)位置減速的功能。根據(jù)異步電機(jī)轉(zhuǎn)速公式[19-20]，當(dāng)控制器改變變頻器頻率時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為

式中為電機(jī)轉(zhuǎn)速，為電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)，1電機(jī)頻率，為轉(zhuǎn)差率。本文應(yīng)用變頻器的USS協(xié)議進(jìn)行通訊[21-23]。在編程軟件中，首先在TIA Portal V15編程軟件[24-25]中進(jìn)行硬件組態(tài)，添加PLC 1215C和CM1241 RS485模塊[26]，然后對(duì)G120變頻器[27]參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，最后調(diào)用應(yīng)用指令庫(kù)USS協(xié)議，通信接口指令USS_PORT、控制功能指令USS_DRV，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的編程。提高了可靠性，減少接線和開(kāi)發(fā)費(fèi)用，降低成本，并提高海帶晾曬效率。

行走電機(jī)額定功率為0.75 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，頻率50 Hz，在試驗(yàn)過(guò)程中，行走電機(jī)全速運(yùn)動(dòng)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致碼垛裝置出現(xiàn)晃動(dòng)，運(yùn)行不穩(wěn)定；調(diào)節(jié)電機(jī)頻率為35 Hz時(shí)較優(yōu)，測(cè)得電機(jī)速度可達(dá)到20 m/min；在電機(jī)頻率5 Hz時(shí)，測(cè)得電機(jī)速度可達(dá)3 m/min，可保證電機(jī)平穩(wěn)抱閘停車。

2.1.2 條碼定位間距可調(diào)系統(tǒng)

在晾曬的過(guò)程中，晾曬桿以一定間隔距離精準(zhǔn)定位放置在支撐桿上，采用Sick條碼定位傳感器[28]，其分辨率可達(dá)0.1 mm，最大速度可達(dá)10 m/s，通過(guò)Profibus協(xié)議傳輸位置信號(hào)[29-30]，將條碼的方式應(yīng)用于海帶定位。首先在TIA Portal V15編程軟件中加載Sick條碼定位傳感器GSD文件，進(jìn)行硬件組態(tài)。設(shè)置和匹配相關(guān)參數(shù)，實(shí)時(shí)讀取條碼定位傳感器的數(shù)值，再通過(guò)編程對(duì)數(shù)值處理，送入執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制行走電機(jī)動(dòng)作。從晾曬棚到熱泵房，海帶晾曬桿間的間距是不等的，晾曬棚內(nèi)晾曬桿間距為37 cm，熱泵房?jī)?nèi)間距為12 cm，可實(shí)現(xiàn)2種間距之間切換。

若實(shí)現(xiàn)放置晾曬桿間距離精準(zhǔn)，需要控制目標(biāo)位前減速位置。根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)速度公式和位移公式，由于電機(jī)最高速度為20 m/min，最低速度為3 m/min，測(cè)得時(shí)間為2 s，計(jì)算運(yùn)行距離為38.3 cm。考慮摩擦阻力、慣性等因素，設(shè)置目標(biāo)前減速距離為50 cm。

2.2 自動(dòng)橋接裝置

為了將晾曬棚內(nèi)未干的海帶自動(dòng)搬運(yùn)至熱泵房?jī)?nèi)烘干，首先需要保證熱泵房側(cè)卷簾門(mén)升降過(guò)程與熱泵房軌道對(duì)接先后性與準(zhǔn)確性。試驗(yàn)中自主研發(fā)的自動(dòng)橋接裝置（圖1c），是后期進(jìn)入熱泵房且有效控制海帶含水率的保證。該裝置兩邊各采用一個(gè)電動(dòng)推桿（型號(hào)：LX600，南京理一訊電子有限公司），控制軌道對(duì)接；卷簾門(mén)升降通過(guò)無(wú)線遙控實(shí)現(xiàn)。對(duì)接到位信號(hào)送入控制器，判斷后續(xù)動(dòng)作是否可作為卷簾門(mén)的升降因子；同時(shí)卷簾門(mén)升降限位信號(hào)送入控制器，判斷后續(xù)動(dòng)作是否可作為電推桿的伸縮因子。保證動(dòng)作有序，正常運(yùn)行。

2.3 信息采集和處理

采用多個(gè)溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、光照度傳感器等，安裝在晾曬棚各位置，準(zhǔn)確測(cè)量不同位置溫濕度、風(fēng)速變化情況，然后將測(cè)得傳感器信號(hào)接入控制室的處理器單元，經(jīng)過(guò)軟件編程和GP-Pro EX 4.0軟件對(duì)Proface GP-4500觸摸屏人機(jī)界面編輯[31-32]，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)后期對(duì)數(shù)據(jù)分析，可得對(duì)應(yīng)各時(shí)間段、各環(huán)境條件下晾曬海帶干燥環(huán)境情況。傳感器安裝位置如圖3所示。

1.質(zhì)量傳感器 2.光照度傳感器 3.溫濕度傳感器 4.風(fēng)速傳感器。

2.4 稱量裝置

在晾曬架兩端放置一組質(zhì)量傳感器（型號(hào)：NOS-B801，長(zhǎng)沙諾賽希斯儀器儀表有限公司），測(cè)量1 d自然晾曬后海帶的質(zhì)量變化，同時(shí)在熱泵房?jī)?nèi)對(duì)應(yīng)位置也放置一組質(zhì)量傳感器，測(cè)量熱泵烘干后海帶的質(zhì)量變化。通過(guò)質(zhì)量變化計(jì)算出海帶含水率的變化。

2.5 控制電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

海帶自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)主要通過(guò)PLC邏輯編程實(shí)現(xiàn)，擺放碼垛裝置為系統(tǒng)主要組成部分，圖4為擺放碼垛控制系統(tǒng)的電路示意圖。

注：L+、M為24VDC電源輸入，1M為公共端子，I0.0~I1.3為輸入按鈕和限位開(kāi)關(guān)，Q0.0~Q0.6為控制輸出，SIEMENS G120為西門(mén)子G120變頻器，PORT為485串口，USS為通訊協(xié)議，LAN0為以太網(wǎng)口，PROFIBUS為通訊協(xié)議，SICK OLM200為西克條碼定位傳感器，KM1~KM3，KM5，KM6為220 V接觸器，KM11~KM16為24V中間繼電器，作用弱電控制強(qiáng)電。

擺放碼垛裝置有將海帶搬運(yùn)至晾曬棚或熱泵房和熱泵房卸料的功能，且可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)功能切換。晾曬棚最遠(yuǎn)運(yùn)行距離為20.5 m，熱泵房最遠(yuǎn)運(yùn)行距離為28.0 m，熱泵房卸料距離為28.2 m。在自動(dòng)運(yùn)行相應(yīng)功能前需要先將碼垛裝置復(fù)位運(yùn)行至初始位，然后再開(kāi)始運(yùn)行（如圖1b所示，右邊為海帶起吊區(qū)，左邊為海帶擺放區(qū)）。例如運(yùn)晾曬棚動(dòng)作：行走電機(jī)慢速右行→起吊位（行走電機(jī)停止）→電葫蘆1下行（Q0.1）、電葫蘆2下行（Q0.4）→抓手抓桿（Q0.3）→電葫蘆1上行（Q0.2）、電葫蘆2上行（Q0.5）→電葫蘆1上限位（I0.3）、電葫蘆2上限位（I1.3）→快速左行→目標(biāo)位前50 cm減速左行→掃碼目標(biāo)位（行走電機(jī)停止）→電葫蘆1下行（Q0.1），電葫蘆2下行（Q0.4）→抓手放桿（Q0.3）→電葫蘆1上行（Q0.2）、電葫蘆2上行（Q0.5）→電葫蘆1上限位（I0.3）、電葫蘆2上限位（I1.3）→快速右行→初始位前50 cm減速右行→初始位停止。下一組動(dòng)作重復(fù)運(yùn)行，放置位為前目標(biāo)位減去37 cm。搬運(yùn)至熱泵房、熱泵房卸料功能的動(dòng)作相似，只需調(diào)節(jié)放置的目標(biāo)位及動(dòng)作的先后順序。

3 系統(tǒng)試驗(yàn)

海帶級(jí)聯(lián)干燥系統(tǒng)搭建在山東省榮成市尋山集團(tuán)的海邊晾曬場(chǎng)。為了得到不同工況下的結(jié)果，試驗(yàn)選擇在晴天和陰天條件，時(shí)間為2019年7月15日—2019年9月2日。

3.1 試驗(yàn)步驟與方法

起吊區(qū)，操作人員先將一整串40 kg無(wú)切斷鮮海帶鉤掛在晾曬桿上，再將晾曬桿自動(dòng)提升至晾曬棚內(nèi)的支撐架上，2根晾曬桿放置間距為37 cm，重復(fù)進(jìn)行50次。在光照度不足時(shí)，記錄質(zhì)量傳感器數(shù)據(jù)，得到一天晾曬海帶失水率，同時(shí)用水分測(cè)定儀（型號(hào)：SH-10A，上海菁海儀器有限公司）檢測(cè)多根晾曬海帶根部的含水率，并做記錄。然后將晾曬棚與熱泵房對(duì)接，并把海帶晾曬桿提升并放置在熱泵房?jī)?nèi)的支撐架上，兩根晾曬桿放置間距為12 cm，重復(fù)50次，進(jìn)一步干燥。干燥結(jié)束，放下晾曬桿，取下干燥后海帶，再次測(cè)量并記錄海帶的含水率。測(cè)量記錄晾曬桿之間距離與系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行分析

對(duì)海帶晾曬桿之間距離進(jìn)行測(cè)量，自動(dòng)擺放50根晾曬桿，隨機(jī)測(cè)量5次，晾曬桿定位誤差為±1cm；采用自動(dòng)變頻調(diào)速和掃碼定位技術(shù)可實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)抓手準(zhǔn)確抓取海帶晾曬桿。測(cè)量海帶桿間距如表2所示。

表2 海帶桿間距

按照電機(jī)最高運(yùn)行速度20 m/min、減速運(yùn)行最低速度3 m/min，以及運(yùn)行距離，計(jì)算可得每根晾曬桿搬運(yùn)時(shí)間。海帶級(jí)聯(lián)干燥自動(dòng)搬運(yùn)時(shí)間分為海帶搬運(yùn)至晾曬棚內(nèi)時(shí)間、海帶從晾曬棚搬運(yùn)至熱泵房時(shí)間以及熱泵房海帶卸料時(shí)間。運(yùn)行時(shí)間為每個(gè)動(dòng)作運(yùn)行時(shí)間。例如海帶搬運(yùn)至晾曬棚時(shí)間

其中1為海帶搬運(yùn)至晾曬棚時(shí)間，2為提升碼垛裝置運(yùn)行時(shí)間，3為擺放碼垛裝置運(yùn)行時(shí)間，4為平均單次提升碼垛裝置運(yùn)行時(shí)間，4=120 s，1為擺放碼垛裝置慢速右行時(shí)間，2為擺放碼垛裝置下降抓取上升時(shí)間，3為擺放碼垛裝置快速左行時(shí)間，4為擺放碼垛裝置下降放置上升時(shí)間，5為擺放碼垛裝置快速右行時(shí)間，6為擺放碼垛裝置慢速右行時(shí)間。

每根晾曬桿搬運(yùn)時(shí)間如圖5所示。可知海帶搬運(yùn)至晾曬棚時(shí)間最長(zhǎng)，熱泵房卸料時(shí)間最短。

圖5 每根晾曬桿搬運(yùn)時(shí)間

在起吊過(guò)程中需人工將大串海帶拖掛至晾曬桿上，且將海帶自動(dòng)搬運(yùn)至晾曬棚內(nèi)，是由2臺(tái)碼垛裝置接力配合運(yùn)行，導(dǎo)致實(shí)際搬運(yùn)時(shí)間偏長(zhǎng)；晾曬棚至熱泵房只有一臺(tái)碼垛裝置運(yùn)行，雖然運(yùn)行距離長(zhǎng)，但中途無(wú)需等待，無(wú)需人工搬運(yùn)，搬運(yùn)時(shí)間相對(duì)較短；熱泵房卸料時(shí)，碼垛裝置運(yùn)行距離短，故搬運(yùn)時(shí)間最短。

表3為實(shí)際搬運(yùn)時(shí)間與理想搬運(yùn)時(shí)間的對(duì)比。理想搬運(yùn)時(shí)間為每根晾曬桿搬運(yùn)時(shí)間相加：

由于人工搬運(yùn)掛海帶導(dǎo)致實(shí)際搬運(yùn)至晾曬棚時(shí)間較理想搬運(yùn)時(shí)間長(zhǎng)0.3 h。晾曬棚至熱泵房實(shí)際搬運(yùn)時(shí)間與理想搬運(yùn)時(shí)間相符（全程自動(dòng)搬運(yùn)）。實(shí)際熱泵房卸料時(shí)，需要人工輔助，故運(yùn)行時(shí)間較理想卸料時(shí)間長(zhǎng)?？偟膶?shí)際搬運(yùn)時(shí)間與理想搬運(yùn)時(shí)間分別為5.7和5.22 h，相差0.48 h。

表3 自動(dòng)搬運(yùn)時(shí)間

海帶級(jí)聯(lián)干燥系統(tǒng)試驗(yàn)如圖6所示。

圖6 海帶晾曬試驗(yàn)

圖6可以看出海帶放置間距相等，成功將50大串海帶掛置在晾曬棚中進(jìn)行自然晾曬。

3.3 海帶干燥試驗(yàn)

記錄海帶晴天和陰天條件下晾曬時(shí)外部環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速變化，以及烘干時(shí)熱泵房?jī)?nèi)部的溫度、濕度變化過(guò)程。測(cè)得晾曬后和烘干后，海帶根部（最厚部位）的平均含水率。并實(shí)時(shí)記錄控制室內(nèi)電表的讀數(shù)（能耗）。最后分析在2種條件下海帶自然晾曬情況。

試驗(yàn)測(cè)定環(huán)境或熱泵房溫度、環(huán)境或熱泵濕度、環(huán)境或熱泵房風(fēng)速、物料平均含水率、能耗參數(shù)如表4所示。

自然晾曬時(shí)間為9 h，試驗(yàn)中熱泵干燥系統(tǒng)設(shè)置4個(gè)階段，第一階段為預(yù)熱排濕階段，45～50 ℃；第二階段為干燥排濕，50～58 ℃；第三階段為干燥內(nèi)循環(huán)，58～60 ℃；第四階段為升溫定型，60～62 ℃。干燥過(guò)程中熱泵房?jī)?nèi)的濕度隨溫度升高而降低。

在陰天有風(fēng)的條件下，晾曬依然有效，可降低海帶的含水率至80.5%左右。熱泵烘干時(shí)間為8 h，海帶含水率為15.4 %，陰天熱泵能耗為2:30時(shí)刻的能耗減去18:30時(shí)刻的能耗，為356 kW·h。晴天有風(fēng)條件下，晾曬后海帶含水率降至60.7 %，熱泵烘干時(shí)間為6 h，海帶含水率為15.2 %，晴天熱泵能耗為00:30時(shí)刻的能耗減去18:30時(shí)刻的能耗，為192 kW·h。證明海帶干燥速率與環(huán)境溫度、濕度有關(guān)。晴天條件下光照度最高為120 000 lx，溫度為30.4 ℃，濕度為70.0 %，風(fēng)速為3 m/s時(shí)，自然晾曬能夠蒸發(fā)海帶中大量的水分，降低海帶含水率至60 %左右，可節(jié)約干燥能耗。

在干燥過(guò)程前期，海帶含水率較高，熱泵采用開(kāi)式干燥模式，加溫將海帶內(nèi)部結(jié)合水遷移到表層，烘房?jī)?nèi)部濕度升高，排濕后海帶相對(duì)濕度就會(huì)降低，通過(guò)不斷預(yù)熱升溫，排走大量水分，保證干燥效率。在干燥中后期，由于晚上環(huán)境濕度較高，外排過(guò)程會(huì)導(dǎo)致環(huán)境濕空氣進(jìn)入烘房，使得內(nèi)部濕度增大，同時(shí)烘房?jī)?nèi)溫度也會(huì)降低，不利于海帶烘干，所以當(dāng)室內(nèi)濕度達(dá)到45 %左右時(shí)，采用閉式干燥模式，通過(guò)熱泵系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，蒸發(fā)除濕，降低烘房?jī)?nèi)濕度，降低海帶含水率。

海帶經(jīng)過(guò)自然晾曬+熱泵烘干與沙地灘曬干燥，成品干海帶的品質(zhì)檢測(cè)[33]如表5所示。

表4 海帶級(jí)聯(lián)干燥系統(tǒng)參數(shù)

表5 干海帶品質(zhì)分析

自然晾曬+熱泵烘干海帶的品質(zhì)要高于沙地灘曬，且干海帶泥沙、雜質(zhì)率為0 %，為一級(jí)品。

4 結(jié) 論

1）為了配合海帶級(jí)聯(lián)干燥裝置，設(shè)計(jì)了晾曬桿全程自動(dòng)搬運(yùn)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PLC控制晾曬桿搬運(yùn)，通過(guò)USS協(xié)議與變頻器通訊，控制行走電機(jī)轉(zhuǎn)速高速為20 m/min，低速為3 m/min；采用Profibus協(xié)議與Sick OLM 200條碼定位傳感器通訊，設(shè)定目標(biāo)位前50 cm距離減速，控制晾曬桿有序放置；限位開(kāi)關(guān)位置信號(hào)跟蹤，控制導(dǎo)軌自動(dòng)橋接，實(shí)現(xiàn)卷簾門(mén)、電推桿動(dòng)作先后性；系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為5.7 h。后期進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，加快行走電機(jī)速度，提高工作效率。

2）在晴天光照度為120 000 lx，溫度為30.4 ℃，濕度為70.0%，風(fēng)速為3 m/s時(shí)，在日曬和風(fēng)吹的條件下，海帶含水率可降低至60%左右。再通過(guò)熱泵精準(zhǔn)可調(diào)烘干，最終得海帶含水率為15.2%左右。對(duì)比現(xiàn)有人工和純熱泵干燥系統(tǒng)，其干燥品質(zhì)高，能耗低。且在陰天條件下，晾曬也可降低海帶含水率，節(jié)省能耗。

海帶級(jí)聯(lián)干燥全程自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)可對(duì)整大串海帶在無(wú)需切斷的情況下進(jìn)行干燥，干燥過(guò)程中無(wú)需人工搬運(yùn)和翻弄，大大提升干燥的自動(dòng)化水平，是一種低能耗、綠色環(huán)保、高品質(zhì)的海帶干燥系統(tǒng)，能夠解決實(shí)際生產(chǎn)中勞動(dòng)力不足、海帶含沙泥品質(zhì)低等問(wèn)題，同時(shí)為藻類加工企業(yè)提供新模式與示范，也為藻類加工產(chǎn)業(yè)提供樣板。

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Development of automatic control system for natural drying and heat pump drying of kelp cascade drying

Zhu Ye, Jiang Tao※, Zhang Xianguang, Hong Yang, Xing Jingzhu

(200092,)

Kelp drying plays an important role in kelp processing and storage. However, there are some challenge issues in the kelp drying, such as high labor cost and high power consumption. In order to solve these issues in kelp drying, reduce the labor intensity, save power consumption, and improve the quality of products, a new type of sea-belt drying system combining the natural drying method with the heat pump drying method has been proposed. The new system is based on a task force and cascading design and consists of 5 parts, namely drying room, heat pump room, palletizing device, bridge part and control room. The automatic control system for the kelp drying includes data communication function, dry rod position tracking function, and environmental parameter measurement function. Without the manual labor, such as transport and tumble the fresh kelp, 50 drying rods hanging 100 kg of fresh kelp are automatically lifted to the drying room, a support frame with a length, width and height of 34.5 m × 6 m × 6.5 m for natural drying. The Siemens programmable logic controller (PLC) is used to communicate with the G120 inverter. The Universal Serial Interface (USS) protocol is employed to achieve long-distance acceleration and deceleration of the target position. The Process Field Bus (PROFIBUS) protocol is utilized to communicate with the Sick barcode positioning sensor to ensure accurate positioning of the drying rod. The rod track is used to synchronize the running motor and position the palletizing equipment. The limit switches are used to generate the trigger signal for kelp transmission from the drying room to the heat pump room, that is, the automatic bridge function. The heat pump drying method is to ensure the moisture content of kelp drying achieving high quality after the natural drying procedure. After completing the design of the automatic control system, several kelps are selected as the experimental samples. The test results showed that the walking motor can be adjusted by frequency conversion. The maximum speed is 20 m/min, the minimum speed is 3 m/min, and the maximum efficiency can be achieved before the target position 50 cm to start the deceleration. The distance between the two drying rods in the drying chamber is 37 cm and can also be precisely located. After the natural drying procedure by the sun-drying and air-drying actually, the moisture content of kelp is about 60 %. When the natural drying level (subject to the sunlight-drying degree and air-drying degree) is insufficient, the kelp should be transfer from the drying room to the heat pump room for further drying. The rails of the drying chamber must be connected to the rails of the heat pump chamber. Then the drying rods hanging the kelp automatically are transferred to the support frame in the heat pump room with a length, width and height of 6.5 m × 6 m × 5.6 m. The distance between the two drying rods is 12 cm, which can be precisely located. The moisture content of kelps are dried to about 15.2% eventually, without sediment, impurity rate of 0%, grade I. The whole operation time is about 5.7 h. The results showed that the novel kelp drying system can achieve high quality products with very low energy consumption and labor cost. In addition, it can be used as a reference in the algae processing industry.

drying; processing; control system; kelp; natural drying; heat pump drying; cascade system

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2020-05-10

2020-09-10

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金（CARS-50）

朱燁，從事藻類干燥技術(shù)與裝備研究。Email：zhuye@fmiri.ac.cn

江濤，研究員，從事藻類干燥技術(shù)與裝備研究。Email：jiangtao@fmiri.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.034

S985.4+1

A

1002-6819(2020)-19-0298-08