張環(huán) 董霖 李平 王爽 曾高升 譚果

1.西華大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究院，四川成都

2.西華大學機械工程學院，四川成都

3.四川省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術研究中心，四川成都

我國果蔬生產(chǎn)加工規(guī)模位居世界首位，果蔬產(chǎn)業(yè)是僅次于糧食產(chǎn)業(yè)的第二大農(nóng)業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)[1]。剛收獲的果蔬農(nóng)產(chǎn)品水分含量高、易損傷、難儲藏。農(nóng)產(chǎn)品干燥可解決上述問題，但果蔬農(nóng)產(chǎn)品品種多樣，其大小、形狀均不同，入機干燥的含水量差異非常大，再加上目前常用的網(wǎng)帶式干燥機智能化程度低，不能檢測機體內(nèi)干燥溫度、濕度和熱風風速的變化[2]，從而導致農(nóng)產(chǎn)品干燥品質(zhì)差。本文研究網(wǎng)帶式干燥機控制系統(tǒng)軟件和硬件的設計，以期提升干燥過程的智能化控制水平，降低果蔬農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后干燥加工的損失。

1 農(nóng)產(chǎn)品的干燥特性

對于剛收獲的以果蔬為代表的高濕農(nóng)產(chǎn)品，可以看作是絕對干物料、液態(tài)水、氣態(tài)水的組成。干燥介質(zhì)可以看作由干空氣和水蒸氣組合而成，農(nóng)產(chǎn)品在干燥介質(zhì)中自發(fā)進行水分遷移過程，直至農(nóng)產(chǎn)品物料表面的水蒸氣壓力等于干燥介質(zhì)中的水蒸氣分壓，農(nóng)產(chǎn)品干燥的過程到達平衡含水率，從而結束干燥。

在熱風的溫度、濕度、風速和農(nóng)產(chǎn)品接觸方式保持不變的條件下，干燥可以分為預熱、等速、降速三個過程。預熱階段，高濕農(nóng)產(chǎn)品在熱風的作用下溫度上升，熱源提供的熱量大部分用于提升農(nóng)產(chǎn)品的溫度，少部分熱量用于農(nóng)產(chǎn)品的水分蒸發(fā)。當物料溫度升高至干燥介質(zhì)濕球溫度時，物料溫度保持不變，單位時間內(nèi)物料的脫水量將保持不變，即物料的干燥速率沒有改變，此過程為等速階段。農(nóng)產(chǎn)品物料中的水分含量減少到介質(zhì)水分含量時，其表面上的水蒸汽分壓就會降低，農(nóng)產(chǎn)品表面與干燥介質(zhì)的水蒸氣分壓力差降低，從而農(nóng)產(chǎn)品的平均干燥速率減慢，農(nóng)產(chǎn)品的溫度逐漸上升，干燥過程進入降速干燥階段。

2 網(wǎng)帶式干燥機控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 網(wǎng)帶式干燥機結構特征

本文以5GDC-IV80 型網(wǎng)帶式果蔬干燥機作為研究對象。該網(wǎng)帶式干燥機由干燥箱、網(wǎng)帶傳動系統(tǒng)、送風管、排濕管、熱泵、回風口、送風機、上料斗、均料器、混風室、風室隔板、新風管、回風管、送風室、排料傳動系統(tǒng)組成[3]。網(wǎng)帶式果蔬干燥機三維結構示意圖，如圖1所示。

圖1 5GDC-IV80型網(wǎng)帶式果蔬干燥機總體結構圖

2.2 干燥控制系統(tǒng)硬件設計

設計的果蔬農(nóng)產(chǎn)品干燥控制系統(tǒng)包括PLC 主控制器、HMI、傳感器、供熱熱泵、變頻器、排濕風機、網(wǎng)帶電機、循環(huán)風機、風閥、上下料光電開關、安全報警系統(tǒng)等部件組成，該控制系統(tǒng)的框架結構如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結構圖

設計的控制系統(tǒng)輸入端具有各種傳感器采集干燥過程中的信息，如：環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、干燥介質(zhì)溫度、干燥介質(zhì)濕度、干燥介質(zhì)熱風風速以及檢測物料位置光電開關信號。系統(tǒng)的輸出部件包括各熱泵、循環(huán)風機、排濕風機、網(wǎng)帶電機的控制和安全警報系統(tǒng)等組成。

2.3 主要元器件選型

果蔬干燥工作環(huán)境復雜多變，故選用的控制器需具備較好的穩(wěn)定性和抗干擾能力，綜合以上因素，主控制器選用三菱FX2N-48MT 晶體管型PLC。果蔬農(nóng)產(chǎn)品干燥溫度的采集需要用到PT100 溫度傳感器輸入模塊。選用FX2N-4AD-TC溫度采集特殊模塊，該模塊將4路模擬量輸入信號轉化為12 位的數(shù)字量信號，并將這個信號值輸入到PLC緩沖存儲器中，可以同時采集4路溫度模擬量。干燥過程環(huán)境中的濕度模擬量采集選用FX2N-4AD模塊，該模塊為模擬量輸入模塊，有CH1～CH4 四個通道，每個通道都可以進行A/D 轉換。干燥控制系統(tǒng)中的熱風風速模擬量采集通過風速傳感器與Modbus RTU 通訊協(xié)議連接進行數(shù)據(jù)傳送和處理。選用FX2N-485-BD 通訊板對主控制器與傳感器設備進行RS485 通訊，將箱內(nèi)的熱風風速數(shù)據(jù)傳送給RS485 總線。網(wǎng)帶傳送電機轉速的控制，采用FX2N-4DA 模擬量輸出模塊，該模塊把PLC 中的數(shù)字量轉換為模擬量，將12 位數(shù)字量轉化成4 路模擬量輸出，輸出的模擬量信號傳送給變頻器，從而實現(xiàn)電機的變頻調(diào)速。干燥箱內(nèi)熱風溫度調(diào)節(jié)通過控制熱泵壓縮機的轉速達到變溫設置要求，熱泵壓縮機轉速的控制同樣通過FX2N-4DA 模擬量輸出模塊控制變頻器實現(xiàn)。主控制器和擴展模塊主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 主控制器和擴展模塊主要性能參數(shù)

3 網(wǎng)帶式干燥機模糊PID結構設計

果蔬農(nóng)產(chǎn)品干燥是一個具有非線性、滯后性、多干擾和時變性的過程[4-9]。此外，由于網(wǎng)帶轉速運行狀態(tài)的變化、農(nóng)產(chǎn)品物料含水率不同、外界溫濕度的變化以及熱泵工作狀態(tài)的不穩(wěn)定，使得傳統(tǒng)PID 控制難以實現(xiàn)對滯后性、多干擾的干燥過程進行穩(wěn)定控制。模糊PID 將模糊控制與常規(guī)PID 控制方法相結合，形成專門用于溫度等大滯后系統(tǒng)模糊PID 控制的方法，使用在滯后性、多干擾的控制系統(tǒng)中，具有更好的魯棒性。因此，在PLC 控制器中選用模糊PID 控制算法可達到更好的控制效果，并且相較于其他控制理論，在PLC控制算法編程上更容易應用和實現(xiàn)。

模糊PID 控制器分為一維、二維、三維模糊控制結構，針對本文的干燥熱風溫度控制選用二維模糊控制結構，其控制效果較好。本文熱風溫度控制系統(tǒng)的設計思想是通過對干燥箱內(nèi)熱風溫度測量結果與設定的目標熱風溫度進行對比，將熱風溫度誤差e和熱風溫度誤差速變化率ec作為模糊控制器的輸入變量，將經(jīng)模糊推理運算得到的修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd作為輸出結果。將運算得到的三個修正量參數(shù)帶入模糊PID 控制器參數(shù)計算表達式，計算出整定后的常規(guī)PID 控制器參數(shù)Kp、Ki、Kd，此時就完成了對常規(guī)PID 控制參數(shù)Kp、Ki、Kd的整定工作。本文設計的模糊PID控制器，通過溫度傳感器反饋干燥箱內(nèi)熱風溫度的變化，PLC 控制器發(fā)出指令實時調(diào)整熱泵壓縮機工作狀態(tài)，從而穩(wěn)定地、快速地控制干燥熱風溫度，保證農(nóng)產(chǎn)品干燥品質(zhì)，提高干燥機控制性能。熱風溫度控制模糊PID 控制器結構如圖3所示。

圖3 熱風溫度控制模糊PID控制器結構圖

4 網(wǎng)帶式干燥機控制系統(tǒng)軟件設計

4.1 控制系統(tǒng)軟件程序設計總框架

本文使用三菱FX2N系列PLC 作為主控制器，GX Works 軟件設計主程序，程序設計語言采用簡潔易懂的梯形圖，并采用模塊化的設計思路，程序設計包括溫度程序采集模塊、濕度程序采集模塊、風速程序采集模塊、循環(huán)風機控制程序設計模塊以及熱泵供熱控制程序設計模塊?？刂乒裼|摸屏界面設計采用昆侖通態(tài)TPC7062Ti觸摸屏，并搭配MCGSE 組態(tài)軟件進行操作界面的編程。網(wǎng)帶式干燥機控制系統(tǒng)軟件設計總框架如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)軟件設計總框架圖

4.2 PLC傳感器數(shù)據(jù)采集控制程序設計

PLC 的工作方式是按順序?qū)Τ绦蜻M行掃描，即從左到右、從上到下地掃描每一條指令[10]。掃描所有用戶程序過后，如溫度采集程序、濕度采集程序、風速采集程序、各運動部件控制程序等，PLC 將這些程序信息輸入到映像寄存器中進行數(shù)據(jù)的運算，并將映像寄存器中的信息內(nèi)容傳輸?shù)郊拇孑敵鰻顟B(tài)的輸出鎖存器中，最終驅(qū)動各執(zhí)行機構。本文的5GDC-IV80 型網(wǎng)帶式果蔬干燥機工作控制系統(tǒng)程序設計流程如圖5所示。

圖5 干燥機工作程序流程圖

4.2.1 溫度程序采集模塊

溫度模塊需要采集環(huán)境溫度、網(wǎng)帶上層溫度、網(wǎng)帶中間溫度、網(wǎng)帶下層溫度。其中，干燥箱內(nèi)溫度變化直接影響果蔬農(nóng)產(chǎn)品干燥品質(zhì)，箱內(nèi)熱風溫度的精確檢測非常重要。傳輸網(wǎng)帶上中下每層的溫度不同，故需要將每層檢測的熱風溫度求平均值以反映真實的干燥溫度，將求得的平均溫度值作為調(diào)節(jié)熱風溫度的反饋信息，實現(xiàn)干燥過程溫度的閉環(huán)控制。

4.2.2 濕度程序采集模塊

干燥過程濕度的采集選用FX2N-4AD 模塊，濕度傳感器FG6010A 將采集的濕度模擬量信號由該模塊轉換成數(shù)字量信號傳輸給PLC 控制單元，并通過觸摸屏顯示環(huán)境濕度和干燥箱內(nèi)濕度。

4.2.3 風速程序采集模塊

熱風風速信息采集通過模擬量數(shù)據(jù)采集模塊BSRAD20B與風速傳感器連接，模擬量采集模塊RS485接口與FX2N-485-BD 通訊板連接，實現(xiàn)風速傳感器與PLC 進行RS485 通訊，通訊協(xié)議采用Modus RTU。模擬量數(shù)據(jù)采集模塊與PLC進行RS485通訊的關鍵是設置通訊格式以及設置數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的參數(shù)，風速傳感器采集通訊程序設計如圖6所示，熱風溫度模糊PID控制算法程序設計如圖7所示。

圖6 風速傳感器采集通訊程序流程圖

圖7 熱風溫度模糊PID控制算法程序設計流程圖

4.3 干燥機熱泵溫度控制程序模塊

通過溫度傳感器采集值實時傳送給PLC，同預設溫度值進行比較，通過模糊PID 控制程序計算出控制變頻器輸出頻率從而控制熱泵壓縮機轉速達到熱風溫度控制要求。

4.4 觸摸屏界面設計

本設計觸摸屏采用昆侖通態(tài)TPC7062Ti觸摸屏，網(wǎng)帶式干燥機控制系統(tǒng)人機交互界面設計采用MCGSE組態(tài)軟件。

主控制界面內(nèi)容主要是對干燥過程中傳感器采集到的實時數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和顯示，界面左側分別顯示干燥溫濕度、環(huán)境溫濕度以及風速，左下方按鈕用于設備一鍵啟動、自動模式切換和緊急停止，界面右側兩個曲線圖用于實時顯示干燥過程溫濕度的變化情況，右下方按鍵用于控制界面跳轉和干燥熱風溫度異常報警提醒。如圖8所示。

圖8 主控制界面窗口

參數(shù)設定控制界面主要用于熱泵溫度模糊PID 控制參數(shù)初始值的設定、目標溫濕度值設定和熱風風速設定等。參數(shù)設定控制界面窗口如圖9所示。

圖9 參數(shù)設定控制界面窗口

5 結語

針對目前網(wǎng)帶式果蔬干燥機控制系統(tǒng)存在的問題分析，以5GDC-IV80 型網(wǎng)帶式果蔬干燥機作為研究控制對象，結合果蔬農(nóng)產(chǎn)品干燥過程理論，基于模糊PID 控制算法和在線監(jiān)控技術，對網(wǎng)帶式干燥機控制系統(tǒng)硬件和軟件設計，并塔建電氣控制柜和模糊PID 控制算法模型對干燥機控制系統(tǒng)進行調(diào)試和改進，最終開發(fā)出一套果蔬農(nóng)產(chǎn)品干燥智能控制系統(tǒng)。

本文設計的模糊PID 控制器在三菱PLC 中的PID 控制器基礎上進行了優(yōu)化，其控制精度、響應速度和穩(wěn)定性得到了明顯的提升，其控制模型體現(xiàn)出模糊PID 控制器的優(yōu)越性。本文設計的網(wǎng)帶式果蔬干燥機控制系統(tǒng)經(jīng)試驗調(diào)試后，可以投入多物料廣兼容的農(nóng)產(chǎn)品干燥生產(chǎn)使用。