鋼帶式果蔬干燥設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化*

宋開棟，丁立利，李曉康，段宗科，楊增萬，寇明杰，張得儉

(甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院甘肅省農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

干燥是果蔬干制品生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，是一個(gè)復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)過程，它的理論基礎(chǔ)是時(shí)間-溫度曲線。實(shí)際干燥過程的時(shí)間-溫度控制是實(shí)現(xiàn)干燥工藝和干燥設(shè)備有效結(jié)合的主要環(huán)節(jié)。該設(shè)備的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括:溫度控制系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。三個(gè)系統(tǒng)相互配合，相互影響，共同運(yùn)行實(shí)現(xiàn)溫度-時(shí)間控制。溫度控制模塊的主要功能是完成生產(chǎn)線15個(gè)閉環(huán)干燥箱的溫度-時(shí)間控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線分段、分區(qū)時(shí)間-溫度控制，使生產(chǎn)過程實(shí)際干燥曲線自動(dòng)擬合該物料的理論干燥特性曲線(見圖1)，有效保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

1 技術(shù)背景

在多級輸送帶式干燥設(shè)備加工產(chǎn)品的過程中，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和能源消耗狀況的因素有以下三點(diǎn)，溫度、濕度和物料輸送速度。三者相互影響，很難單獨(dú)調(diào)整。目前我國現(xiàn)有設(shè)備調(diào)整這三個(gè)參數(shù)時(shí)，基本上都是手工單獨(dú)調(diào)整。調(diào)整某一個(gè)參數(shù)時(shí)，其余參數(shù)將隨之變化，使其無法達(dá)到最佳組合，降低了產(chǎn)品質(zhì)量，浪費(fèi)了寶貴的能源。

果蔬干燥的過程由于受到環(huán)境因素的影響，實(shí)際上是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，需要不斷地調(diào)整參數(shù)，為加工產(chǎn)品創(chuàng)造一個(gè)良好的環(huán)境。僅憑手工操作顯然無法達(dá)到加工需求。

圖1 干燥特性曲線

目前國外先進(jìn)設(shè)備上都安裝有數(shù)控節(jié)能裝置，用以協(xié)調(diào)加工時(shí)的各個(gè)參數(shù)之間的平衡。該裝置能夠在線實(shí)時(shí)控制溫度、濕度和帶速，保證良好的工作環(huán)境。尤其是在節(jié)能方面效果顯著，能夠節(jié)能10% ～15%。目前我國的干燥設(shè)備上尚無此應(yīng)用，解決這個(gè)問題，將極大地提高我國干燥設(shè)備的水平。

2 工作原理

溫度控制閥安裝于換熱器的進(jìn)汽端，換熱器-風(fēng)機(jī)系統(tǒng)為干燥箱內(nèi)部加熱，溫度傳感器裝于干燥箱壁，溫度控制器作為溫控系統(tǒng)的核心采集溫度數(shù)據(jù)，然后處理數(shù)據(jù)，然后給溫度控制閥發(fā)送指令，使換熱管路通蒸汽或者停蒸汽，以達(dá)到溫度控制的目的。該溫度控制系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)，時(shí)時(shí)在線采集溫度數(shù)據(jù)，自動(dòng)控溫。

2．1 運(yùn)用常開式電磁閥控制的工作原理

控制電壓220 V，溫度傳感器PT100接溫度控制器的5、6、7號(hào)點(diǎn)采集各干燥箱溫度數(shù)據(jù)，溫度控制器的11、12號(hào)點(diǎn)作為信號(hào)輸出，接中間繼電器及電磁閥。整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)閉環(huán)，當(dāng)溫度高于溫度控制器的設(shè)定上限值時(shí)，電磁閥關(guān)閉，阻斷通入換熱器的蒸汽，停止熱量補(bǔ)充，溫度會(huì)持續(xù)下降;當(dāng)溫度低于溫度控制器的設(shè)定下限值時(shí)，電磁閥打開，蒸汽繼續(xù)通入換熱器，補(bǔ)充熱量，溫度會(huì)持續(xù)上升?？刂圃砣鐖D2、圖3所示。

圖2 電磁閥控制系統(tǒng)原理圖

圖3 電磁閥結(jié)構(gòu)原理圖

2．2 運(yùn)用溫度調(diào)節(jié)閥控制的工作原理

運(yùn)用溫度調(diào)節(jié)閥進(jìn)行PID溫度調(diào)節(jié)，PID控制器是一種線性控制器，它將給定值與實(shí)際輸出值偏差e(t)的比例、積分和微分進(jìn)行線性組合，形成控制量u(t)輸出，如圖4所示。

圖4 PID控制方框圖

先把過程參數(shù)進(jìn)行采樣，并通過模擬量輸入通道將模擬量變成數(shù)字量，這些數(shù)字量通過計(jì)算機(jī)按一定控制算法進(jìn)行運(yùn)算處理，運(yùn)算結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量后，由模擬量輸出通道輸出，并通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)，以此達(dá)到給定值，控制原理見圖5。

圖5 溫度調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)原理圖

為了防止PID調(diào)節(jié)器積分飽和，采用積分分離法:當(dāng)被調(diào)量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大;當(dāng)被控量接近給定值時(shí)，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度。

溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)慣性較大的系統(tǒng)，也就是說，當(dāng)給溫區(qū)開始加熱之后，并不能立即觀察到溫區(qū)溫度的明顯上升;同樣的，當(dāng)關(guān)閉加熱之后，溫區(qū)的溫度仍然有一定程度的上升。另外，熱電偶對溫度的檢測，與實(shí)際的溫度檢測值(PV)到達(dá)設(shè)定值時(shí)才關(guān)斷輸出，可能因溫度的滯后效應(yīng)而長時(shí)間超出設(shè)定值，需要較長時(shí)間才能回到設(shè)定值;如果在溫度檢測值(PV)未到設(shè)定值時(shí)即關(guān)斷輸出，則可能因關(guān)斷較早而導(dǎo)致溫度以達(dá)到設(shè)定值。為了合理地處理處理系統(tǒng)響應(yīng)速度(即加熱速度)與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的矛盾，我們把溫度控制分為兩個(gè)階段。

(1)PID調(diào)節(jié)前階段 在這個(gè)階段，因?yàn)闇貐^(qū)的溫度距離設(shè)定值還很遠(yuǎn)，為了加快加熱速度，SSR與發(fā)熱管處于滿負(fù)荷輸出狀態(tài)，只有當(dāng)溫度上升速度超過控制參數(shù)“加速速率”，SSR才關(guān)閉輸出?！凹铀偎俾省泵枋龅氖菧囟仍趩挝粫r(shí)間的跨度，反映的是溫度升降的快慢，如上圖所示。用“加速速率”限制溫升過快，是為了降低溫度進(jìn)入PID調(diào)節(jié)區(qū)的慣性，避免首次到達(dá)溫度設(shè)定值(SV)時(shí)超調(diào)過大。

在這個(gè)階段，要么占空比K=0，SSR關(guān)閉;要么占空比K=100%，SSR全速輸出。PID調(diào)節(jié)器不起作用，僅由“加速速率”控制溫升快慢。

(2)PID調(diào)節(jié)階段 在這個(gè)階段，PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出，根據(jù)偏差值計(jì)算占空比(0% ～100%)，保證偏差(EV)趨近于零，即使系統(tǒng)受到外部干擾時(shí)，也能使系統(tǒng)回到平衡狀態(tài)。圖6、7為實(shí)際使用的硬件。

圖6 溫度PID控制器

圖7 溫度調(diào)節(jié)閥

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3．1 運(yùn)用常開式電磁閥控制干燥生產(chǎn)線溫度的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)得到的溫度結(jié)果如圖8、9、10所示，圖中給出了進(jìn)行紅椒干燥實(shí)驗(yàn)時(shí)，2#、6#、13#干燥箱在1h內(nèi)的溫度變化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，2#干燥箱的設(shè)定溫度為135℃，實(shí)際溫度高于設(shè)定值15℃，且整個(gè)過程不能降下來;6#干燥箱的設(shè)定溫度為90℃，由圖可知，溫度上升較慢，溫度升高后，下降也很緩慢，上下限溫差為50℃;13#干燥箱的設(shè)定溫度為65℃，溫度的上下限差為30℃。

圖8 電磁閥系統(tǒng)時(shí)間-溫度曲線-2#

3．2 運(yùn)用溫度調(diào)節(jié)閥控制干燥生產(chǎn)線溫度的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)得到的溫度結(jié)果如圖11、12、13所示，圖中給出了進(jìn)行紅椒干燥實(shí)驗(yàn)時(shí)，2#、6#、13#干燥箱在2h內(nèi)的溫度變化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，2#干燥箱的設(shè)定溫度為130℃，溫度上下限差值為4℃;6#干燥箱的設(shè)定溫度為90℃，由圖可知，溫度在2 h內(nèi)基本穩(wěn)定，溫度波動(dòng)上下線差值為2℃;13#干燥箱的設(shè)定溫度為70℃，溫度的上下限差為6℃。

圖9 電磁閥系統(tǒng)時(shí)間-溫度曲線-6#

圖10 電磁閥系統(tǒng)時(shí)間-溫度曲線-13#

圖11 溫度調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)時(shí)間-溫度曲線-2#

圖12 溫度調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)時(shí)間-溫度曲線-6#

圖13 溫度調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)時(shí)間-溫度曲線-13#

4 結(jié)論

溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)慣性較大的系統(tǒng)，溫度調(diào)節(jié)閥的PID調(diào)節(jié)使實(shí)際干燥過程更準(zhǔn)確地?cái)M合理論干燥曲線，該系統(tǒng)更適合做鋼帶式干燥機(jī)的溫度控制;而電磁閥溫控系統(tǒng)中，電磁閥只有“全開”或者“全關(guān)”兩種狀態(tài)，此系統(tǒng)不適合做鋼帶式干燥機(jī)的溫度控制。理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)充分證明了以上兩點(diǎn)。采用PID溫度調(diào)節(jié)，系統(tǒng)得到了明顯的優(yōu)化。

［1］ 楊 智．自整定PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法［J］．甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，24(1):77-82．

［2］ 韓曾晉．自適應(yīng)控制［M］．北京:清華大學(xué)出版社，1995．

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［4］ 張 靜，袁惠新．幾種食品干燥新技術(shù)的進(jìn)展與應(yīng)用［J］．包裝與 食品機(jī)械，2003，21(1):29．