姜 巖,佟 童,韓長生,許才花
(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院 佳木斯分院,黑龍江 佳木斯 154004)
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)完成糧食作物的收獲后,需要開展規(guī)范的糧食烘干工作才有利于糧食的長久貯存,傳統(tǒng)生產(chǎn)過程多采用自然晾曬的方式烘干糧食作物,盡管不需機械設(shè)備,但人力物力的負擔(dān)很大,且自然晾曬受到環(huán)境因素的限制,糧食的烘干質(zhì)量難以達到統(tǒng)一標準,不利于糧食的長久存儲。據(jù)統(tǒng)計,我國不同地區(qū)在糧食貯存過程因發(fā)霉、變質(zhì)所導(dǎo)致的平均糧食損失在10%~14%之間,這一過程造成的糧食浪費遠高于世界平均水平,這與糧食烘干質(zhì)量有直接關(guān)系。谷物烘干機是農(nóng)業(yè)機械化的重要產(chǎn)后設(shè)備,先進的谷物烘干機利用機電控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大量糧食的自動化烘干,且能夠更好地保證糧食烘干質(zhì)量,有利于糧食在最佳的含水率狀態(tài)下進行貯存,能有效減少糧食變質(zhì)損失[1]。
我國是人口大國,糧食的有效存儲意義重大。循環(huán)式谷物烘干機是糧食烘干處理的最常用機型,其分類十分廣泛,包括了水稻烘干機、豆類烘干機、小麥烘干機、玉米烘干機等多種類型,也包括能夠適應(yīng)多種不同類型糧食作物的綜合性烘干機產(chǎn)品。隨著我國糧食產(chǎn)量的逐漸增加,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的烘干機產(chǎn)品逐漸向大型化、高效化和自動化方向發(fā)展,先進的谷物烘干機產(chǎn)品為糧食的快速大批量烘干創(chuàng)造了有利條件,同時減少了糧食烘干過程所需的人力、物力、場地等負擔(dān)。據(jù)統(tǒng)計,利用谷物烘干機烘干的糧食作物,相對于傳統(tǒng)的烘干方式,損失率可降低約5%~9%,按照我國2020年糧食總產(chǎn)量66 949萬t計算,僅2020年即可減少糧食損失約3 347萬~6 025萬t,可為約6.6萬~12.0萬人提供1年的主食供給[2-3]。
現(xiàn)階段,市場上銷售和使用的谷物烘干機種類較多,除采用熱風(fēng)技術(shù)的循環(huán)式谷物烘干機外,還包含遠紅外谷物烘干機、微波谷物烘干機等?,F(xiàn)階段,循環(huán)式谷物烘干機仍然是糧食烘干的主力機型,其技術(shù)先進性對于我國糧食烘干的整體質(zhì)量影響很大。循環(huán)式谷物烘干機的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括了濕糧入口、均糧設(shè)備、輸送帶、出糧口、二次勻糧機構(gòu)、烘干倉庫、電控箱、風(fēng)機、熱源等結(jié)構(gòu)[4]。圖1僅為結(jié)構(gòu)組成的示意圖,在實際生產(chǎn)中應(yīng)用的循環(huán)式谷物烘干機在結(jié)構(gòu)上也會存在一定差異,例如烘干倉庫會根據(jù)地區(qū)糧食產(chǎn)量的不同而設(shè)計不同的體積、形狀和噸位,熱風(fēng)風(fēng)機與熱源的技術(shù)和形態(tài)也存在一定差異。對于大部分循環(huán)式谷物烘干機,會建立熱風(fēng)的專用循環(huán)路徑,通過熱風(fēng)的入口、風(fēng)向、風(fēng)力的控制適應(yīng)不同糧食種類、烘干倉庫結(jié)構(gòu),達到最佳烘干效果,大部分烘干倉庫內(nèi)部設(shè)計有電控出風(fēng)口,并配套有排風(fēng)機能夠?qū)崿F(xiàn)潮濕空氣的快速排出,保持合理的倉內(nèi)濕度[5]。
1.濕糧入口;2.均糧設(shè)備;3.輸送帶;4.出糧口;5.二次勻糧機構(gòu);6.烘干倉庫;7.電控箱;8.風(fēng)機;9.熱源
循環(huán)式谷物烘干機體積龐大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,具有顯著的機電控制特征,其能夠通過各個功能部件的配合自動化完成糧食的烘干作業(yè)[6]。循環(huán)式谷物烘干機的主要工作流程如圖2所示。首先需要烘干的濕糧通過皮帶輸送機等提升設(shè)備送入進料位置,并利用均糧機構(gòu)將糧食進行均布,保持糧食的均勻供給。通常情況下,中大型谷物烘干機要經(jīng)過較長時間的濕糧輸送裝倉,并在濕糧進入烘干倉之前利用絞龍等設(shè)備進行再次均糧和輸送,當(dāng)烘干倉內(nèi)的糧食裝滿后,系統(tǒng)控制輸送機停止供糧,開始進入正式烘干過程。
圖2 循環(huán)式谷物烘干機主要工作流程
在烘干過程中,糧食以不同形式與熱風(fēng)接觸,其被熱風(fēng)增溫并使內(nèi)部的水分逐漸散失。循環(huán)式谷物烘干機采用反復(fù)多次烘干的模式完成對糧食的烘干,即干燥的熱風(fēng)進入烘干倉將糧食中的水分帶離,與濕度較大的熱風(fēng)一同離開干燥倉,使干燥倉內(nèi)保持良好的干燥環(huán)境,糧食在高溫和氣流的共同作用下實現(xiàn)快速的干燥,干燥效率通常為每小時降低濕度0.5%~1.5%。大部分谷物烘干機的烘干過程分為多個階段,每個烘干階段使糧食下降一定比例的含水率,每個烘干過程經(jīng)過調(diào)質(zhì)、烘干、緩蘇多個步驟。分多個階段進行干燥的優(yōu)勢在于提高糧食的烘干品質(zhì)和烘干均勻性,避免一次性持續(xù)降低含水率造成糧食損傷或養(yǎng)分流失。
在谷物烘干的過程中,干燥倉內(nèi)部設(shè)置的濕度傳感器負責(zé)對烘干質(zhì)量進行監(jiān)測,當(dāng)糧食的含水率達到預(yù)設(shè)值范圍后,烘干過程結(jié)束,糧食在被冷卻后通過輸送裝置送離烘干倉,烘干過程結(jié)束。
隨著機電技術(shù)的快速發(fā)展,現(xiàn)代化的谷物烘干機與可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)進行廣泛結(jié)合,可編程控制器技術(shù)作為成熟的機電控制技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)對谷物烘干過程的核心控制,并有利于完善烘干工藝與執(zhí)行狀態(tài),最終提升整體的工作質(zhì)量。本文結(jié)合可編程控制器技術(shù)完善谷物烘干機的電氣控制方案,利用邏輯、定時、計數(shù)、計算等功能提高循環(huán)式谷物烘干機的工作能力。
根據(jù)循環(huán)式谷物烘干機的技術(shù)特征與工作流程,其工藝上具有明顯的規(guī)律性和可控性,易于利用電氣控制技術(shù)實現(xiàn)總體設(shè)計。對于總體控制過程,以PLC技術(shù)為核心,結(jié)合傳感器技術(shù)、電氣控制執(zhí)行裝置、人機交互設(shè)備、軟件系統(tǒng)實現(xiàn)對谷物烘干機的總體控制體系(圖3)。以CPU為控制核心,實現(xiàn)對谷物烘干機功能的控制、烘干質(zhì)量的檢測,并具備關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲及后續(xù)升級等功能。
圖3 總體控制功能分布
軟件系統(tǒng)的設(shè)計決定了烘干邏輯的合理性,也是烘干機功能實現(xiàn)和工藝設(shè)計的基礎(chǔ),對于烘干質(zhì)量和自動化程度影響很大,循環(huán)式谷物烘干機的軟件控制流程如圖4所示。
圖4 軟件控制流程
烘干過程是谷物烘干機工作過程的最主要工序,從循環(huán)式谷物烘干機的烘干流程來看,主要采用分段式烘干的方式,使每次烘干降低一定量的含水率。本次設(shè)計的循環(huán)烘干方式也采用分段式,共分為兩種模式,分別為3級分段和4級分段,設(shè)計初始濕度對比值為W,當(dāng)測得糧食濕度大于W采用4級分段烘干,反之采用3級分段烘干。單次烘干的含水率降低程度采取浮動方案,即由使用者根據(jù)不同的糧食種類或預(yù)期的干燥標準輸入相關(guān)數(shù)值,電控系統(tǒng)通過分析傳感器測得的含水率與預(yù)期干燥后的含水率取差后,再分4次或3次均勻烘干,烘干過程通過傳感器檢測烘干質(zhì)量,并對烘干方案進行實時修正。
綜上所述,循環(huán)式谷物烘干機具有應(yīng)用范圍廣、自動化程度高的優(yōu)點,易于與現(xiàn)代化的電氣控制技術(shù)及其他先進技術(shù)相結(jié)合,農(nóng)機生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當(dāng)重視現(xiàn)階段的谷物烘干機產(chǎn)品向自動化及智能化方向轉(zhuǎn)型,從而進一步提升谷物烘干的整體質(zhì)量。