熱泵干燥控制系統(tǒng)的設(shè)計

尚巧贈，王 勇，梁月肖

（1.河北省機電一體化中試基地，河北 石家莊 050081；2.石家莊科技信息職業(yè)學(xué)院，河北 石家莊 050081）

熱泵干燥技術(shù)越來越成熟，應(yīng)用的行業(yè)越來越多，該技術(shù)從某種程度上，緩解了能源壓力。把自動控制運用于熱泵干燥系統(tǒng)中，使之能夠根據(jù)物料干燥的邏輯自動控制，是熱泵干燥發(fā)展的必然趨勢。由于干燥的物料受時間、天氣的限制，如糧食，每年糧食干燥是人們面臨的一個重大問題，數(shù)量比較大，受天氣的影響大。用自動控制的熱泵干燥，無需太多的勞動力，就能短時間內(nèi)完成干燥。因此，自動控制干燥系統(tǒng)在干燥行業(yè)的應(yīng)用有巨大潛力。

1 熱泵干燥控制系統(tǒng)的構(gòu)成

該系統(tǒng)由熱泵干燥裝置、控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。熱泵干燥裝置是利用冷熱控制的置換，為干燥箱提供熱量，也是整個干燥系統(tǒng)的核心；控制系統(tǒng)根據(jù)采集的干燥箱內(nèi)及熱泵設(shè)備參數(shù)，了解設(shè)備運行情況和干燥物干燥程度，通過控制算法對執(zhí)行機構(gòu)控制，及時調(diào)整干燥數(shù)據(jù)的設(shè)置以及報警信息查詢等。

2 熱泵干燥系統(tǒng)的構(gòu)成

熱泵干燥系統(tǒng)主要由壓縮機、蒸發(fā)風(fēng)機、循環(huán)風(fēng)機、干燥箱等構(gòu)成，如圖1。

圖1 熱泵干燥系統(tǒng)的構(gòu)成

熱泵干燥與傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥的區(qū)別在于空氣循環(huán)方式不同。熱泵干燥時空氣在干燥箱與熱泵干燥機組間進(jìn)行閉式循環(huán)，它利用熱泵干燥機組的制冷系統(tǒng)使來自干燥箱的濕空氣降溫脫濕，當(dāng)濕空氣流經(jīng)熱泵吸熱器時，內(nèi)部的低壓制冷劑吸收空氣的熱量由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，空氣因降溫而排出其中的大部分凝結(jié)水。來自吸熱器的低壓制冷蒸汽由壓縮機升壓后送至發(fā)熱器。當(dāng)脫濕后的干冷空氣流經(jīng)發(fā)熱器時，內(nèi)部的高壓制冷劑因冷凝而放出熱量，外部的空氣則被加熱為熱風(fēng)又回到干燥箱內(nèi)繼續(xù)干燥。

3 控制系統(tǒng)的組成

該控制系統(tǒng)主要由上位機、下位機、數(shù)據(jù)采集部分及執(zhí)行機構(gòu)組成。下位機是以LPC1766為核心的控制板，上位機是采用的昆侖通態(tài)的TPC7062TD顯示屏，如圖2。

3.1 硬件構(gòu)成

主控板由32位高速微處理器LPC1766芯片、電流檢測電路、繼電器、18b20傳感器及其一些外圍電路組成，包括通訊模塊SP3232ESE及一個MAX485ESA模塊等。

具有100MHz操作頻率的微處理器LPC1766是主控板的核心，通過溫度傳感器采集現(xiàn)場溫度、濕度，根據(jù)采集到的溫濕度和設(shè)定值進(jìn)行比較，完成監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、回路控制和模糊控制算法等功能，從而使熱泵干燥裝置可以按照操作人員的設(shè)定要求自動控制設(shè)備啟停、故障檢測和保護(hù)等工作過程。

數(shù)據(jù)采集部分采用的數(shù)字傳感器18b20，18b20是單總線數(shù)字傳感器，允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件，18b20的測量范圍從－55℃到＋125℃，增量值為0.5℃，可在l s（典型值）內(nèi)把溫度變換成數(shù)字，采集速度、精度及測溫范圍均能滿足熱泵干燥的要求。干燥箱內(nèi)共安置4個18b20數(shù)字傳感器探頭，在循環(huán)風(fēng)的進(jìn)出風(fēng)口分別安置兩個18b20傳感器，為干球溫度和濕球溫度；在循環(huán)風(fēng)的進(jìn)風(fēng)口稱為上棚，在循環(huán)風(fēng)的出風(fēng)口稱為下棚。CPU根據(jù)上下棚溫差選擇依據(jù)上棚或下棚溫濕度控制設(shè)備運行。干球溫度測量的是干燥箱內(nèi)空氣的溫度，而濕球是18b20封裝后浸泡在水中，操作人員根據(jù)溫度判斷干燥箱內(nèi)的濕度，即為濕球溫度。也可以根據(jù)溫度和濕度的換算公式經(jīng)過查表得到相對濕度。

圖2 控制系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)設(shè)計了兩個通訊接口，通訊模塊SP3232ESE與MAX485ESA模塊。通過模塊SP3232ESE實現(xiàn)上位機與下位機串口通訊；通過MAX485ESA模塊把數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到監(jiān)管部門，進(jìn)行管理歸檔。

另外設(shè)計了報警電路，當(dāng)檢測到風(fēng)機及壓縮機運行狀態(tài)出現(xiàn)問題時，進(jìn)行聲光報警。

3.2 人機界面

上位機主要完成數(shù)據(jù)的監(jiān)控和管理，將主控板上傳的數(shù)據(jù)取出，進(jìn)行實時顯示、存儲，并進(jìn)行歸檔、報警等分析處理。昆侖通態(tài)的TPC7062TD觸摸屏提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息歸檔及報表的功能模板。高性能的過程藕合，快速的畫面更新以及可靠的數(shù)據(jù)使其具有高度的實用性。人機界面的主要功能：

1）數(shù)據(jù)設(shè)定：主界面顯示兩條溫度曲線和濕度曲線，曲線分為10段，每段需要設(shè)置數(shù)據(jù)并下發(fā)給主控板，和實際數(shù)據(jù)相比較，控制風(fēng)機和壓縮機。

2）工作模式：分為“烘烤”、“烘烤＋排濕”、“烘烤＋強排濕”三種工作模式，“烘烤”模式只控制加熱設(shè)備，不控制風(fēng)門開關(guān)?！昂婵荆艥瘛蹦Ｊ綖橥瑫r控制加熱設(shè)備啟停和風(fēng)門開關(guān)?！昂婵荆珡娕艥瘛蹦Ｊ绞窃凇昂婵荆艥瘛蹦Ｊ降幕A(chǔ)上增加備用電加熱快速啟動功能，適用于干燥箱需要大量強排濕，并且溫度要求高的階段。

3）記錄和實時顯示參數(shù)：主界面實時顯示干燥箱內(nèi)的溫度、濕度、風(fēng)門打開的角度及系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。記錄、歸檔數(shù)據(jù)生成報表。

3.3 控制方法

在熱泵控制系統(tǒng)中，溫濕度是一種帶反饋的閉環(huán)控制。根據(jù)溫濕度傳感器采集干燥箱的實際數(shù)據(jù)，與設(shè)定數(shù)據(jù)相比較，控制執(zhí)行機構(gòu)啟停，將干燥箱內(nèi)的溫濕度控制在設(shè)定值范圍內(nèi)，達(dá)到熱泵干燥的控制精度。

溫度和相對濕度控制的慣量比較大，變化趨勢是相反的。溫度控制主要是比較當(dāng)前的溫度值和設(shè)定值，調(diào)整主從壓縮機的運行時間，以此來調(diào)節(jié)熱量交換的流量，使干燥箱內(nèi)的溫度穩(wěn)定在設(shè)定值。在設(shè)定的時間內(nèi)，熱泵裝置不能達(dá)到溫度設(shè)定值，啟動輔助電熱，當(dāng)熱泵裝置能夠滿足干燥物需求的熱量時，關(guān)閉電加熱，由熱泵裝置單獨供熱并自動調(diào)整加熱時間。濕度控制是建立在溫度控制的基礎(chǔ)上的，在目標(biāo)溫度下比較當(dāng)前的相對濕度和設(shè)定濕度值，調(diào)整排濕風(fēng)門和進(jìn)風(fēng)門的開度，把潮濕的空氣排出，相對濕度較高的空氣經(jīng)過發(fā)熱器時，溫度降低，其所含的水分將冷凝成水析出，經(jīng)排水管排出機組外，把相對濕度控制在濕度設(shè)定值。

干燥箱內(nèi)的溫度分為恒溫控制和升溫控制，升溫控制是根據(jù)操作人員設(shè)定的升溫速率，上升到目標(biāo)值，使用模糊控制方法實現(xiàn)升溫速率的控制，把升溫速率細(xì)化，以達(dá)到升溫精度±0.5℃為準(zhǔn)。升溫控制結(jié)束后，轉(zhuǎn)為恒溫控制，控制任務(wù)就是把溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上，誤差范圍不得超過±0.5℃。并且由升溫控制轉(zhuǎn)為恒溫控制時，超調(diào)量非常的小，符合熱泵干燥的需求。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)將ARM系列為控制核心的單片機與觸摸屏相結(jié)合，實現(xiàn)熱泵干燥系統(tǒng)的自動控制。通過采集干燥箱內(nèi)的溫濕度，控制壓縮機和風(fēng)機的運行狀態(tài)，合理有效的進(jìn)行干燥，提高了干燥物的品質(zhì)。該系統(tǒng)設(shè)計合理、性能可靠、工作穩(wěn)定，減少了工作人員的操作強度，并在一定程度上提高了控制的精度。

［1］ 張燕妮.ARM Cortex嵌入式開發(fā)實例相解［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

［2］ 張建鋒，李娟鈴.熱泵干燥裝置控制系統(tǒng)的研究［J］.糧食加工，2007.

［3］ 范海亮，基于PLC的模糊PID復(fù)合控制在熱泵干燥控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［D］.2012：18－27.