陳坤杰 左 毅 李和清 戚 超 劉浩魯 賁宗友

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南京 210031；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

0 引言

干燥是糧食生產(chǎn)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是許多農(nóng)產(chǎn)物料長期貯藏的一種經(jīng)濟(jì)有效的方法[1-4]。如果新收獲的糧食不能及時干燥至安全含水率，則會因霉變和發(fā)芽等造成嚴(yán)重?fù)p失[5-6]。因此,利用干燥機(jī)對糧食進(jìn)行干燥是減少糧食損失、確保糧食安全的重要手段[7]。

常見的谷物干燥機(jī)種類主要有順流式[8]、混流式[9]和低溫循環(huán)式[5]等。其中，低溫循環(huán)式谷物干燥機(jī)因干燥品質(zhì)好、適合稻谷干燥等，在我國南方地區(qū)使用最為廣泛[10]。文獻(xiàn)[11]研究了5HSZ-R-12型循環(huán)式糧食干燥機(jī)的傳動系統(tǒng)，優(yōu)化了系統(tǒng)的上螺旋輸送機(jī)、下螺旋輸送機(jī)與六葉輪結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[12]對5HY-50型低溫循環(huán)糧食干燥機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，使其適用于不同種類高、低含水率的糧食干燥；文獻(xiàn)[13]設(shè)計了一種小型種子循環(huán)干燥機(jī)，使干燥效率提高了20%；文獻(xiàn)[14]設(shè)計開發(fā)了一種內(nèi)置遠(yuǎn)紅外電熱管循環(huán)式干燥機(jī)，并通過試驗(yàn)確定了工作參數(shù)?，F(xiàn)有的低溫循環(huán)式干燥機(jī)大多以煤炭、燃油等化石能源燃燒產(chǎn)生的熱量作為熱源[15]，這不符合節(jié)能減排的要求。采用熱泵干燥技術(shù)對農(nóng)產(chǎn)品、食品和木材進(jìn)行干燥，不僅干燥品質(zhì)好，而且對環(huán)境污染小，近年來越來越受到人們的關(guān)注[16-18]。文獻(xiàn)[19]利用熱泵干燥機(jī)對稻谷進(jìn)行干燥試驗(yàn)研究；文獻(xiàn)[20]將空氣源熱泵應(yīng)用于多段塔式玉米干燥系統(tǒng)中，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熱泵干燥系統(tǒng)比燃煤干燥系統(tǒng)單位干燥成本降低22.4%，且節(jié)能減排效果明顯。隨著國內(nèi)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高，燃煤干燥已被逐步禁止，采用熱泵系統(tǒng)替代燃煤熱風(fēng)爐已成為糧食干燥機(jī)的發(fā)展方向[21]。

本文根據(jù)江淮地區(qū)的氣候條件，圍繞優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能干燥要求，設(shè)計一款熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)一體化控制系統(tǒng)。

1 干燥機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)主要由電氣控制柜、谷物干燥機(jī)與熱泵系統(tǒng)3部分組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電氣控制柜包括觸摸屏、PLC、控制按鈕和報警燈等部件，實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)控、熱泵組合調(diào)節(jié)和干燥機(jī)動作控制等功能。

谷物干燥機(jī)由提升電機(jī)、排風(fēng)機(jī)、排糧輪和螺旋輸送機(jī)等組成。其工作原理是通過各電機(jī)協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)使糧食依次經(jīng)過緩蘇段、干燥段、冷卻段和排糧段，完成一次干燥循環(huán)。谷物水分儀檢測糧食達(dá)到目標(biāo)含水率時，干燥機(jī)停止動作。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)總體框圖

控制系統(tǒng)用于一體化控制熱泵與低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)，實(shí)現(xiàn)谷物干燥過程的手動與自動等多模式控制。控制系統(tǒng)總體如圖2所示。

控制系統(tǒng)可分為6大模塊：主控模塊完成信號采集、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)監(jiān)控等任務(wù)；A/D轉(zhuǎn)換模塊可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度和熱風(fēng)溫度等模擬量信號輸入以及信號的A/D轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)通訊模塊的作用是通過RS485通訊將谷物水分儀水分信號傳輸給主控模塊；拓展模塊將風(fēng)壓檢測器、堵糧檢測器等傳感器信號通過緊急報警電路傳給主控模塊并通過報警燈顯示報警狀態(tài)；輸出控制模塊通過PLC輸出端口對中間繼電器施加有效控制信號，進(jìn)而通過強(qiáng)電控制器控制熱泵與谷物干燥機(jī)動作；人機(jī)交互與顯示模塊用于設(shè)置目標(biāo)谷物含水率、谷物品種和定時時間等參數(shù)，顯示溫度、含水率和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等實(shí)時信息。

2.2 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)以PLC為主控制器，控制熱泵與干燥機(jī)電機(jī)、采集傳感器數(shù)據(jù)并與觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互等功能。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)的輸入量分布為12個數(shù)字量和3個模擬量，輸出量為18個數(shù)字量，并從系統(tǒng)架構(gòu)、I/O點(diǎn)數(shù)、參考精度和經(jīng)濟(jì)性綜合考量[22-25]，選用具有20個數(shù)字量的臺達(dá)DVP-28SS211T型PLC，另外再配置支持12通道數(shù)字量的拓展模塊DVP-08SN11T。控制系統(tǒng)需采集環(huán)境溫度、熱風(fēng)溫度和糧食溫度信息。結(jié)合江淮地區(qū)谷物干燥環(huán)境特點(diǎn)，選用檢測溫度范圍為-20～80℃的JCJ100R型溫度傳感器，通過DVP04AD-S型模擬量拓展模塊采集溫度。PLC控制電路圖如圖3所示。

本文將熱泵與干燥機(jī)控制組件結(jié)合于一個控制電路內(nèi)，可有效地對兩設(shè)備進(jìn)行一體化控制。同時，設(shè)計了緊急報警電路，當(dāng)風(fēng)壓檢測器、堵糧檢測器或高低壓報警器任一部分發(fā)生故障時，系統(tǒng)會立即同時切斷熱泵與干燥機(jī)的控制電路，以確保系統(tǒng)整體安全。

系統(tǒng)人機(jī)交互界面選用中達(dá)電通股份有限公司生產(chǎn)的DOP-B10S615型觸摸屏，通過MPI/PPI型電纜與PLC 建立通訊。該觸摸屏具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能[26]，滿足現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和存儲、前段數(shù)據(jù)的處理與控制要求。

2.3 PLC軟件設(shè)計

PLC控制流程如圖4所示，網(wǎng)絡(luò)程序包括：主程序、溫度采集子程序、谷物水分儀通訊子程序、溫度控制子程序和SFC(順序功能圖)控制算法程序等。

模擬量采集模塊具有12位精度數(shù)字量，所選取的溫度傳感器輸出信號為電壓型，數(shù)字量換算公式為

(1)

式中Ov——溫度數(shù)字值輸出結(jié)果

Iv——溫度電壓值，V

Osh——數(shù)字值輸出上限

Osl——數(shù)字值輸出下限

Ish——電壓信號值上限，V

Isl——電壓信號值下限，V

溫度傳感器的輸出滿足

(2)

式中Tv——溫度實(shí)際值，℃

Tsh——溫度量程上限，℃

Tsl——溫度量程下限，℃

根據(jù)式(1)、(2)計算可得溫度實(shí)際值與溫度數(shù)字值輸出對應(yīng)關(guān)系為

(3)

控制系統(tǒng)程序采用SFC控制算法設(shè)計，可實(shí)現(xiàn)對熱泵系統(tǒng)與谷物干燥機(jī)的一體化控制，如圖5所示。該算法可避免系統(tǒng)運(yùn)行時的誤動作，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.4 觸摸屏軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用DOPSoft組態(tài)軟件進(jìn)行觸摸屏程序設(shè)計，包括用戶登錄界面和功能界面，觸摸屏軟件設(shè)計界面如圖6所示。根據(jù)生產(chǎn)要求，功能界面主要由設(shè)備監(jiān)控界面、參數(shù)設(shè)置界面、設(shè)備調(diào)試界面、溫度采集界面和實(shí)時報警界面組成，可實(shí)現(xiàn)工作模式選擇以及含水率、溫度和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測等功能；參數(shù)設(shè)置界面可設(shè)定定時循環(huán)時間、定時干燥時間、目標(biāo)含水率和干燥谷物品種等；溫度采集界面實(shí)現(xiàn)傳感器實(shí)時信號采集與曲線繪制等功能。

3 控制系統(tǒng)測試試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與方法

2018年10—12月在江蘇省泰州市姜堰區(qū)騰飛種植家庭農(nóng)場利用本文設(shè)計的控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)測試。谷物干燥機(jī)為5HXG-120型低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)，選用初始含水率約為24%的淮稻5號稻谷為干燥對象，控制系統(tǒng)測試試驗(yàn)嚴(yán)格參照GB/T 6970 2007《糧食干燥機(jī)試驗(yàn)方法》與JB/T 10268 2001《批式循環(huán)谷物干燥機(jī)操作要求》。通過PLC的時序圖功能記錄控制系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖7所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

控制系統(tǒng)為手動工作模式時，干燥機(jī)的進(jìn)糧試驗(yàn)、循環(huán)試驗(yàn)、干燥試驗(yàn)和排糧試驗(yàn)的時序如圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，控制系統(tǒng)達(dá)到該狀態(tài)下各干燥流程的控制要求。

控制系統(tǒng)為自動工作模式時，由于稻谷干燥時間較長，為方便時序圖顯示，本文截取控制狀態(tài)改變時圖像，如圖9所示。當(dāng)檢測到滿糧信號時，系統(tǒng)由進(jìn)糧流程自動切換到干燥流程，系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境溫度自動控制熱泵的輸出熱風(fēng)溫度，當(dāng)水分儀檢測稻谷達(dá)到目標(biāo)含水率后關(guān)閉熱泵系統(tǒng)，進(jìn)入循環(huán)流程將稻谷冷卻降溫，最后通過排糧流程將稻谷排出。

為測試控制系統(tǒng)的定時模式，在定時控制功能下，設(shè)置定時時間為60 s，按下定時計時按鈕，定時計數(shù)器M2置高電平，計時開始，當(dāng)計時結(jié)束時，排糧輪、下螺旋輸送電機(jī)、提升電機(jī)與風(fēng)機(jī)依次順序停止，定時循環(huán)結(jié)束。工作時序圖如圖10所示。試驗(yàn)結(jié)果表明控制系統(tǒng)能夠滿足定時功能需求。

為了測試系統(tǒng)的緊急報警功能，當(dāng)風(fēng)壓檢測器檢測到風(fēng)壓不足時，線圈Y14立即變?yōu)榈碗娖剑稍餀C(jī)控制電路斷開，同時線圈Y15置高電平，報警燈提示報警信息，故障保護(hù)功能時序圖如圖11所示，滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

4 熱泵熱風(fēng)溫度控制結(jié)果與分析

4.1 熱風(fēng)溫度采集與分析

谷物干燥時需維持在較為恒定的溫度條件下，本文采用帶有噴氣增焓的4級熱泵，通過調(diào)節(jié)不同組合熱泵級數(shù)控制輸出熱風(fēng)溫度。2018年10—12月和2019年9—12月期間，在不同環(huán)境溫度條件下，采集與記錄不同熱泵級數(shù)組合的熱風(fēng)溫度數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。

表1 不同環(huán)境溫度各熱泵組合熱風(fēng)溫度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)環(huán)境溫度大于15℃時，可實(shí)現(xiàn)輸出熱風(fēng)目標(biāo)溫度(50～60℃)的不同熱泵級數(shù)組合較多；當(dāng)環(huán)境溫度于10～15℃時，開啟3級或以上熱泵組合的熱風(fēng)溫度可達(dá)目標(biāo)溫度，但可選組合較少；當(dāng)環(huán)境溫度低于10℃時，熱風(fēng)溫度整體偏低，3級或以上的熱泵組合難以滿足目標(biāo)溫度，2級或單級的熱泵組合熱風(fēng)溫度遠(yuǎn)低于目標(biāo)溫度。因此，環(huán)境溫度低于15℃時，增加噴氣增焓試驗(yàn)，得出開啟噴氣增焓時不同級數(shù)熱泵組合條件下熱風(fēng)溫度，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 開啟噴氣增焓各熱泵組合熱風(fēng)溫度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[27]開啟噴氣增焓和多個熱泵時會較大增加能耗，結(jié)合實(shí)際測得的熱風(fēng)溫度制定熱泵控制策略，通過PLC編程實(shí)現(xiàn)熱泵組合自動控制。

4.2 稻谷干燥溫度試驗(yàn)結(jié)果

以55℃為目標(biāo)熱風(fēng)溫度進(jìn)行稻谷干燥試驗(yàn)，得出不同環(huán)境溫度下，熱風(fēng)溫度與糧食溫度試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。試驗(yàn)結(jié)果誤差分析如表3所示。

由表3可知，熱風(fēng)溫度控制于53.20～57.80℃之間，熱風(fēng)溫度平均誤差為0.95℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.93℃，控制系統(tǒng)具有較好的控制精度與穩(wěn)定性。糧食溫度在33℃上下波動，標(biāo)準(zhǔn)差為0.43℃，糧食溫度波動較小，符合低溫循環(huán)式谷物干燥機(jī)作業(yè)要求[28]。

表3 誤差分析結(jié)果

5 結(jié)論

(1)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，設(shè)計了將熱泵系統(tǒng)與低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)相結(jié)合的一體化控制系統(tǒng)，采用SFC控制算法與梯形圖實(shí)現(xiàn)對糧食干燥過程的進(jìn)糧、循環(huán)、干燥與排糧4個流程的控制。針對易發(fā)生故障的風(fēng)機(jī)與排糧輪，設(shè)計了故障檢測與報警系統(tǒng)。

(2)通過研究不同環(huán)境溫度下、不同熱泵啟停組合的實(shí)際運(yùn)行狀況，設(shè)計了熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)的溫度控制策略。稻谷干燥溫度試驗(yàn)表明，在環(huán)境溫度發(fā)生變化時，熱風(fēng)溫度平均誤差為0.95℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.93℃，系統(tǒng)具有較好的控制精度與穩(wěn)定性。糧食溫度穩(wěn)定在33℃左右，滿足低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)的作業(yè)要求。