□ 繆全誠(chéng) 胡為兵

（1.中海廣東天然氣有限責(zé)任公司，廣東 珠海 519000；2.益海（連云港）糧油工業(yè)有限公司，江蘇 連云港 222000）

我國(guó)作為糧食大國(guó)，近年來(lái)糧食不斷高產(chǎn)，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，但同時(shí)，糧食豐收后的儲(chǔ)存環(huán)節(jié)也不容小覷，糧食技術(shù)人員在加大對(duì)糧食干燥的研究。糧油企業(yè)在進(jìn)行糧油生產(chǎn)時(shí)需要消耗大量的糧食，由于糧食在收獲后會(huì)進(jìn)行呼吸作用，使糧食在儲(chǔ)存中容易出現(xiàn)發(fā)霉變質(zhì)的現(xiàn)象，導(dǎo)致大量的糧食浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)會(huì)對(duì)糧油企業(yè)的生產(chǎn)造成一定程度上的影響。糧食干燥機(jī)可以有效地降低糧食中的含水量，從而極大地減少被糧食的腐敗變質(zhì)，因此在農(nóng)業(yè)中廣泛應(yīng)用。然而，糧食的干燥過(guò)程復(fù)雜，若控制技術(shù)水平較低則會(huì)使干燥機(jī)的能耗過(guò)高，同時(shí)也降低了糧油生產(chǎn)的效率［1］。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提高，對(duì)糧食干燥過(guò)程的質(zhì)量及效率也提出了更高的要求，為提高糧食干燥的質(zhì)量，研究并應(yīng)用可靠的控制技術(shù)是非常必要的。PLC具有較強(qiáng)的適用性，可靈活應(yīng)用于多種控制系統(tǒng)，并具有良好的運(yùn)行速度，因此本文基于PLC優(yōu)化設(shè)計(jì)糧食干燥機(jī)的控制系統(tǒng)，對(duì)提高糧食干燥質(zhì)量具有一定的參考依據(jù)，對(duì)今后的糧食干燥技術(shù)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、基于PLC的糧食干燥機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）基于PLC設(shè)計(jì)主電路

本文基于PLC控制編程，以PLC為主控制器，控制干燥機(jī)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與人機(jī)交互等功能。根據(jù)控制系統(tǒng)的優(yōu)化需求，考慮系統(tǒng)的精度，選用了臺(tái)達(dá)PLC，并配置了10個(gè)通道的數(shù)字量拓展模塊［2］。本文所述控制系統(tǒng)對(duì)干燥機(jī)的控制過(guò)程需要通過(guò)不同的控制裝置實(shí)現(xiàn)，采集糧食及環(huán)境的溫度和濕度，通過(guò)溫度及濕度傳感器所采集的數(shù)據(jù)，優(yōu)化干燥機(jī)排糧速度，以達(dá)到在干燥過(guò)程中，實(shí)時(shí)進(jìn)行自動(dòng)化控制排糧速度的效果。根據(jù)連云港市的干燥環(huán)境特點(diǎn)，以及本文研究單位所主要采用的大豆、小麥、稻米等糧食的干燥特點(diǎn)，選擇溫度范圍為-20～80℃的溫度傳感器，并通過(guò)模擬量拓展模塊采集溫度，具體PLC電路控制圖如1所示。

由圖1可知，根據(jù)本文所述控制系統(tǒng)優(yōu)化需求，選用大規(guī)模集成電路芯片，它可以實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的直接接口，同時(shí)不必對(duì)滿刻度以及零點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，芯片內(nèi)部包括了三臺(tái)緩沖器、三態(tài)鎖存器、模擬開關(guān)以及轉(zhuǎn)換器等。根據(jù)通信地址，在不同的時(shí)間與循環(huán)作用下，選擇信號(hào)輸入通道，提取采集的溫度值及濕度值，進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)接收，并存入暫存單元，每個(gè)通道進(jìn)行3次采樣，將采集的不同數(shù)據(jù)值存入不同單元，并將各通道的溫度與濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行平均濾波，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理及控制使用。

圖1 控制電路設(shè)計(jì)

（二）優(yōu)化控制器

本文所述P L C控制器集成了模擬和數(shù)字I/O和PROFINET通信接口，以適用于本文所述系統(tǒng)。本文所述控制器進(jìn)行控制的過(guò)程主要根據(jù)給定的干燥時(shí)間，通過(guò)輸入不同變頻器參數(shù)控制干燥機(jī)的排量速度，并根據(jù)糧食的干燥溫度要求、干燥機(jī)的風(fēng)量和糧食的比例，按照控制規(guī)范調(diào)節(jié)干燥溫度。采用較為成熟的PLC控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制過(guò)程，并在傳統(tǒng)的PLC控制方法和典型的控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，調(diào)整并拓展控制器參數(shù)，建立專家系統(tǒng)。系統(tǒng)在控制過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)輸入與輸出值的偏差［3］，根據(jù)偏差范圍以及本單位所存儲(chǔ)使用的糧食的干燥特性和干燥機(jī)氣流狀態(tài)變化的特性，對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行調(diào)整及擴(kuò)充，并根據(jù)專家系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)整PLC參數(shù)，達(dá)到對(duì)控制器的調(diào)整與自動(dòng)控制。其組成包括知識(shí)庫(kù)、接口與推理引擎。將系統(tǒng)中的糧食種類、干燥安全范圍的最高限和最低限，系統(tǒng)內(nèi)輸入值與輸出值的變化范圍，以及在糧食干燥過(guò)程中的所有特征參數(shù)存儲(chǔ)的知識(shí)庫(kù)，根據(jù)本文所使用的干燥機(jī)特性，將其表達(dá)為適宜的控制規(guī)則。控制器的推理引擎單元能夠?qū)崿F(xiàn)事件的搜索，并根據(jù)搜索結(jié)果得到調(diào)整干燥方案的功能單元，它能夠根據(jù)知識(shí)庫(kù)中所存儲(chǔ)的糧食干燥知識(shí)，針對(duì)糧食的干燥特性、干燥機(jī)的氣流狀態(tài)變化，為干燥控制過(guò)程提供智慧決策，該系統(tǒng)結(jié)合糧食水分參數(shù)的遞推規(guī)則，實(shí)現(xiàn)PLC自動(dòng)控制，存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)簇。

二、基于PLC的糧食干燥機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）構(gòu)建糧食溫度采集模塊

糧食溫度采集模塊利用高溫度傳感器，根據(jù)程序設(shè)定值，當(dāng)干燥機(jī)中的烘箱內(nèi)溫度趨于飽和，且接近本文所設(shè)置的限值，控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，發(fā)出動(dòng)作指令，控制排氣閥的開關(guān)狀態(tài)，將本文溫度采集模塊所采集的溫度數(shù)字量設(shè)為8位精度，結(jié)合本文使用的溫度傳感器，采集其輸出的電壓信號(hào)，得到數(shù)字量同實(shí)際溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系［4］。本文系統(tǒng)程序基于PLC算法進(jìn)行控制，該算法能夠避免系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的誤動(dòng)作，對(duì)糧食干燥機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與干燥機(jī)的一體化。

（二）控制干燥機(jī)出口糧食濕度

為了優(yōu)化本文所述系統(tǒng)控制干燥機(jī)的性能，將兩種控制方式進(jìn)行結(jié)合，控制干燥劑出口糧食的濕度。首先，將干燥機(jī)內(nèi)的蒸汽前饋量與PLC控制回路輸出的蒸汽量相加，得到前饋控制量。設(shè)置PLC控制回路的蒸汽流量預(yù)設(shè)值，PLC控制回路包括對(duì)蒸汽流量進(jìn)行測(cè)量的變送器和蒸汽管道的控制閥等。當(dāng)前蒸汽需求量與上次蒸汽需求量的差值為蒸汽前饋量，再與蒸汽PLC計(jì)算輸出值相加，即為蒸汽的流量預(yù)設(shè)值。接下來(lái)設(shè)置初始參數(shù)，用以調(diào)節(jié)蒸汽回路，將蒸汽調(diào)節(jié)回路的預(yù)設(shè)值為15000kg/h，將比例設(shè)置為1∶6，設(shè)置積累水分的時(shí)間為半分鐘，將蒸汽調(diào)節(jié)回路斷開，并將蒸汽閥門的控制操作設(shè)置為手動(dòng)控制。其次，進(jìn)行使用公式的控制方法，計(jì)算干燥機(jī)所需要的蒸汽量，該方法可以直接進(jìn)行計(jì)算，以1為初始值，設(shè)置3項(xiàng)參數(shù)，若經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)干燥機(jī)出口的糧食濕度具有一定的偏差，則需要修改相關(guān)參數(shù)。蒸汽量為流量PLC控制回路蒸汽的流量預(yù)設(shè)值，蒸汽流量PLC控制回路與上述方法中所提到的組成部分相一致，以干燥機(jī)進(jìn)口的糧食量、進(jìn)口處糧食的含水量和干燥機(jī)進(jìn)口處糧食的溫度計(jì)算具體蒸汽量。根據(jù)干燥劑實(shí)際的不同運(yùn)行情況，選取不同的控制方法進(jìn)行干燥機(jī)糧食的濕度控制，并在控制程序中加入能夠?qū)崿F(xiàn)兩種控制方式轉(zhuǎn)換的程序，在系統(tǒng)觸摸屏的人機(jī)交互界面通過(guò)按鈕操作轉(zhuǎn)換控制方式。

（三）優(yōu)化干燥機(jī)排糧速度

糧食的干燥生產(chǎn)在設(shè)定參量時(shí)，需要根據(jù)已知的糧食初始含水量以及干燥的目標(biāo)含水量來(lái)達(dá)到糧食干燥的效果，在設(shè)定好糧食在進(jìn)行干燥機(jī)后的水分值后，運(yùn)用干燥機(jī)排量速度的理論，利用逆干燥模型進(jìn)行計(jì)算，其原理是通過(guò)計(jì)算糧食干燥過(guò)程中糧食從初始含水量到目標(biāo)含水量，得到排糧速度。排糧速度因不同的單元層出現(xiàn)速度不均等的情況，在實(shí)際使用干燥機(jī)進(jìn)行糧食干燥的過(guò)程中，排糧裝置位于干燥機(jī)的出口，各單元層的排糧速度若不能保持一致，則不能滿足實(shí)際的生產(chǎn)需求。因此，所有的糧食單元層的排糧速度應(yīng)保持一致。在本控制系統(tǒng)中，應(yīng)用動(dòng)態(tài)優(yōu)化機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)不同控制循環(huán)周期的排糧速度進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，并得到最優(yōu)結(jié)果。因此，需要設(shè)定合適的排糧速度，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理。利用零平均誤差法應(yīng)用于本文系統(tǒng)中優(yōu)化排糧速度。根據(jù)實(shí)際排糧速度、當(dāng)前單元層的糧食到達(dá)干燥機(jī)出口所需要的時(shí)間、采樣周期和干燥常數(shù)估計(jì)這些糧食到達(dá)干燥機(jī)出口時(shí)的水分。若在采樣周期中的實(shí)際排糧速度與理論所得排糧速度出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象，則會(huì)導(dǎo)致糧食的最終水含水糧與目標(biāo)含水量具有一定的誤差，因此，對(duì)于所有單元層的糧食而言，需要計(jì)算這些糧食的平均誤差，令平均誤差為0，就可以得到優(yōu)化后的實(shí)際排糧速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)排糧速度的優(yōu)化控制。

三、實(shí)驗(yàn)論證分析

（一）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本次實(shí)驗(yàn)在連云港市益海糧油公司進(jìn)行，在完成上述控制系統(tǒng)的硬件及軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)后，對(duì)本文所述系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所需要的實(shí)驗(yàn)儀器主要為本文所使用的糧食干燥機(jī)為益海糧油公司所使用的循環(huán)谷物干燥機(jī)，還包括濕度傳感器及水分檢測(cè)儀等試驗(yàn)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照糧食干燥機(jī)的操作要求與實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行，通過(guò)PLC記錄控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。具體系統(tǒng)測(cè)試運(yùn)行條件如表1所示。

由表1可知實(shí)驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)的搭建情況，在系統(tǒng)登錄界面輸入用戶名及密碼，展現(xiàn)人機(jī)交互界面，輸入實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的干燥機(jī)蒸汽流量及糧食溫度自動(dòng)控制等參數(shù)，進(jìn)行操作驗(yàn)證。

表1 測(cè)試運(yùn)行環(huán)境參數(shù)

（二）性能測(cè)試

首先對(duì)本文所述系統(tǒng)的控制性能進(jìn)行測(cè)試，啟動(dòng)上位機(jī)系統(tǒng)程序，預(yù)熱干燥機(jī)，利用編程軟件將各功能模塊導(dǎo)入PLC中，觀察各傳感器所采集的信息是否能夠正常傳輸?shù)絇LC的主控制器中，模擬糧食的滿倉(cāng)狀態(tài)，觀察PLC是否能夠在接收到滿糧信號(hào)后啟動(dòng)排糧電機(jī)，設(shè)定干燥熱風(fēng)溫度的上限為60℃，對(duì)熱電偶進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度超過(guò)60℃時(shí)，觀測(cè)煙氣閥門是否自動(dòng)關(guān)閉并發(fā)出預(yù)警。經(jīng)上述測(cè)試，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、電機(jī)控制及閥門狀態(tài)等控制功能無(wú)異常，能夠正常實(shí)現(xiàn)各操作步驟并正確預(yù)警，為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性，將未加入PLC的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與本文所述控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，得到兩種系統(tǒng)控制的響應(yīng)曲線，如圖2所示。

圖2 不同系統(tǒng)的控制響應(yīng)結(jié)果

由圖2可知，傳統(tǒng)系統(tǒng)具有較高的超調(diào)量，且響應(yīng)情況具有一定的波動(dòng)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線較為穩(wěn)定，且超調(diào)量較小，說(shuō)明本文所述系統(tǒng)具有穩(wěn)定性。

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在確保該系統(tǒng)及干燥機(jī)運(yùn)行良好的條件下，對(duì)糧食干燥溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以50℃為干燥機(jī)的目標(biāo)熱風(fēng)溫度，糧食的含水量為30%左右，相對(duì)濕度為50%。實(shí)時(shí)采集干燥機(jī)內(nèi)的溫度值與水分值，當(dāng)糧食含水量高于預(yù)定含水量15%時(shí)，自動(dòng)放慢排糧速度，在水分低于設(shè)定值時(shí)，加快排糧速度，比較不同溫度條件下熱風(fēng)溫度與糧食溫度實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，具體如表2所示。

表2 不同溫度條件下糧食干燥溫度實(shí)驗(yàn)

由表2可知，干燥機(jī)熱風(fēng)溫度控制在48～52℃之間，糧食溫度在32～34℃之間波動(dòng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算熱風(fēng)溫度與糧食溫度的標(biāo)準(zhǔn)誤差，熱風(fēng)溫度和糧食溫度的標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為0.87℃和0.35℃，其糧食溫度較為穩(wěn)定，且波動(dòng)較小，證明經(jīng)本文方法設(shè)計(jì)優(yōu)化的控制系統(tǒng)的控制精度較好，在生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的12小時(shí)內(nèi)對(duì)糧食的含水量進(jìn)行檢查，未出現(xiàn)較大的水分偏離，符合糧食干燥機(jī)的生產(chǎn)作業(yè)要求，說(shuō)明控制系統(tǒng)具有有效性。

四、結(jié)語(yǔ)

本文基于PLC設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的主電路與控制器，構(gòu)建糧食溫度采集模塊，控制干燥機(jī)出口糧食濕度，優(yōu)化干燥機(jī)排糧速度，取得了一定的研究成果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)糧食干燥機(jī)的自動(dòng)優(yōu)化控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所述系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)能夠真實(shí)直觀地展現(xiàn)干燥過(guò)程中糧食的濕度和溫度情況，并根據(jù)糧食實(shí)際含水量控制排糧速度，具有可靠性。同時(shí)，本文研究還存在著諸多不足，有待于在今后更進(jìn)一步深入探討，如未對(duì)排風(fēng)速度的優(yōu)化控制及糧食的含水量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，針對(duì)糧食干燥器的控制問(wèn)題上還有許多細(xì)節(jié)需要深入研究，未來(lái)應(yīng)在控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的過(guò)程中優(yōu)化其拓展性和開放性，提高糧食干燥機(jī)控制系統(tǒng)的智能化程度，并將經(jīng)濟(jì)成本納入研究范圍。