新型粘性物料烘干機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王　立，黃曉華，陳國(guó)三，陳龍高，董松江，馮　暢

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

Design of Control System for New Type of Viscous Material Dryer

WANG Li，HUANG Xiaohua，CHEN Guosan，CHEN Longgao，DONG Songjiang，F(xiàn)ENG Chang

(School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094，China)

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新型粘性物料烘干機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王立，黃曉華，陳國(guó)三，陳龍高，董松江，馮暢

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

Design of Control System for New Type of Viscous Material Dryer

WANG Li，HUANG Xiaohua，CHEN Guosan，CHEN Longgao，DONG Songjiang，F(xiàn)ENG Chang

(School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094，China)

摘要：針對(duì)新型粘性物料烘干機(jī)的自動(dòng)化要求高、烘干效果好等問題。采用了西門子PLC為主控單元，SMART LINE1000ie觸摸屏為上位機(jī)，對(duì)新型粘性物料烘干機(jī)進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過PLC控制與新型機(jī)構(gòu)的結(jié)合，明顯提高了烘干機(jī)的自動(dòng)化程度、生產(chǎn)率和資源利用率。

關(guān)鍵詞：粘性物料；控制系統(tǒng)；PLC；SMART LINE1000ie觸摸屏

0引言

隨著科技的發(fā)展，高效率、高質(zhì)量、自動(dòng)化已經(jīng)成為衡量新型烘干設(shè)備的重要指標(biāo)。因此，對(duì)烘干設(shè)備的要求是越來越高。大多數(shù)物料例如：棗類和核類，表面都是光滑的，所以在烘干的過程中物料不會(huì)粘貼到烘干板上，而且物料之間也不會(huì)相互粘貼。這樣的物料在烘干過程自由運(yùn)動(dòng)，不需要考慮粘貼。而粘性物料本身的粘附性很強(qiáng)，干燥過程中不易分散，且容易在粘在烘干板上，產(chǎn)生粘貼、結(jié)疤現(xiàn)象[1-2]。

粘性物料烘干是烘干技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)。根據(jù)粘性物料的特性，開發(fā)一種新型粘性物料烘干機(jī)，來提高烘干機(jī)的性能和補(bǔ)充原有烘干機(jī)的不足。粘性物料的烘干后的口味和質(zhì)量一直是決定烘干設(shè)備好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，新型粘性物料烘干機(jī)以其新型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)合PLC控制系統(tǒng)，不僅提高了自動(dòng)化程度，粘性物料烘干的口味和質(zhì)量也有相應(yīng)的改善。

1新型粘性物料烘干設(shè)備的烘干原理

新型粘性物料烘干機(jī)是以帶式連續(xù)烘干機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。新型粘性物料烘干機(jī)主要包括：熱風(fēng)爐、房體、風(fēng)機(jī)、排濕閥組件、傳動(dòng)帶、平穩(wěn)落料裝置、垂直提升機(jī)、橫向皮帶出料機(jī)、橫向皮帶進(jìn)料機(jī)、溫濕度傳感器、變頻器、PLC控制系統(tǒng)等。待烘干物料放在載物托盤中，載物托盤隨著垂直提升機(jī)到上料輸送帶上，再由上料輸送帶將其送至第1層傳送帶上。當(dāng)載物托盤移動(dòng)至傳送帶的端部時(shí)，平穩(wěn)落料裝置將載物托盤平穩(wěn)的由上一層移送到下一層。傳送帶上下層運(yùn)動(dòng)方向相反，載物托盤在烘房中往復(fù)運(yùn)動(dòng)直到一個(gè)烘干流程結(jié)束。

粘性物料烘干主要分為4個(gè)階段：升溫段、高溫恒速干燥段、低溫降速干燥階段和冷卻段，能最大程度地保護(hù)物料最初的風(fēng)味口味。上料完成后進(jìn)熱風(fēng)，物料進(jìn)入升溫段，物料吸收周圍環(huán)境熱量，溫度上升至40～45℃。此段溫度過高常溫物料易出現(xiàn)燙傷、表面硬化、阻止內(nèi)部水分向外部遷移；此段溫度過低則不能很好地進(jìn)入高溫恒速干燥段。然后進(jìn)入高溫恒速烘干段，此段物料體內(nèi)水分以近似不變的速率從表面氣化，保持在55～65℃。高溫短時(shí)結(jié)束此段，從而縮短烘干時(shí)間、提高效率。再進(jìn)入低溫降速失水段，當(dāng)物料表面不再有充足的水分供表面蒸發(fā)時(shí)，多余熱量會(huì)通過熱傳導(dǎo)進(jìn)入物料內(nèi)部，使內(nèi)部水分向外遷移，此時(shí)溫度要降到45～55℃之間。過高會(huì)出現(xiàn)表面硬化、出現(xiàn)褶皺甚至焦糊現(xiàn)象；過低熱量不能傳到物料內(nèi)部，使內(nèi)部水分無法向外遷移。最后進(jìn)入冷卻段，高溫物料需要一個(gè)緩慢降溫過程。溫度驟變易引起表面褶皺、產(chǎn)品風(fēng)味改變。干物料冷卻完成后即可出料。干物料通過出料緩坡平緩的移送到橫向皮帶出料機(jī)上，再由橫向皮帶出料機(jī)送出烘房實(shí)現(xiàn)出料。

使用這樣的烘干系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)就是通過自動(dòng)化手段實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、水分、時(shí)間以及喂料和出料的全面調(diào)節(jié)。能最大程度地提高粘性物料的風(fēng)味和口味，實(shí)現(xiàn)新型粘性物料烘干機(jī)的優(yōu)勢(shì)。從而能充分地使粘性物料產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)品價(jià)值得到最大化提升。同傳統(tǒng)的烘干機(jī)相比，該產(chǎn)品高效節(jié)能、產(chǎn)品性能穩(wěn)定。

圖1　新型粘性物料烘干機(jī)結(jié)構(gòu)

2新型粘性物料烘干機(jī)的控制系統(tǒng)

新型粘性物料烘干機(jī)的控制包括手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，手動(dòng)控制包括一鍵上料、上料停止、一鍵下料、下料停止、主電機(jī)啟停、風(fēng)機(jī)啟停、蒸汽閥啟停等工況；自動(dòng)控制模式通過溫度傳感器、壓力傳感器和濕度傳感器檢測(cè)到的溫度信號(hào)、壓力信號(hào)和濕度信號(hào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的烘干裝置的運(yùn)行和蒸汽閥的啟停時(shí)間。

新型粘性物料烘干機(jī)和以往烘干方式不同，采用新型變溫干燥工藝。在此方案中使用SMART LINE1000ie觸摸屏進(jìn)行監(jiān)控。觸摸屏系統(tǒng)包括主界面、手動(dòng)控制界面、自動(dòng)控制界面、參數(shù)設(shè)計(jì)界面和報(bào)警界面?？蛻艨梢愿鶕?jù)自己的需求進(jìn)行手自動(dòng)控制和參數(shù)的設(shè)計(jì)。

基于粘性物料的烘干需求，對(duì)新型粘性物料烘干機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其工作原理如圖2所示。

圖2　新型粘性物料烘干機(jī)控制工作原理

2.1　溫度和水分控制

烘房?jī)?nèi)的熱風(fēng)是由熱風(fēng)爐提供的，風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)爐中的熱風(fēng)吹入烘房?jī)?nèi)部。由于物料的烘干過程每一個(gè)階段的烘干溫度都不一樣，因此在風(fēng)機(jī)的前端安裝比例閥實(shí)現(xiàn)不同烘干階段溫度的調(diào)節(jié)。每個(gè)烘干段的溫度和濕度都是有溫濕度傳感器在線測(cè)量，并通過變送器把信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)量程的直流信號(hào)，然后PLC的模擬量輸入模塊用A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)會(huì)對(duì)這一數(shù)字量與設(shè)定值的差值進(jìn)行PID運(yùn)算，并依據(jù)運(yùn)算結(jié)果，形成對(duì)物料水分值的自動(dòng)控制作用。

2.2　PLC硬件選擇

西門子S7-200系列PLC性價(jià)比高，在各個(gè)行業(yè)中的運(yùn)用非常普遍 ，根據(jù)新型粘性物料烘干機(jī)的控制要求，需要16個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)、18個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)和3個(gè)模擬量輸入點(diǎn)?？刂葡到y(tǒng)選用西門子公司的SIMATIC S7-200 SMART系列PLC(CPU SR60)和擴(kuò)展模塊EM231。CPU SR60集成有36個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和24個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，并標(biāo)配以太網(wǎng)接口，集成了強(qiáng)大的以太網(wǎng)通信功能。一根普通的網(wǎng)線即可將程序下載到PLC中，方便快捷，省去了專用編程電纜。通過以太網(wǎng)接口還可與其他CPU模塊、觸摸屏、計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，輕松組網(wǎng)。EM231提供4通道模擬量采集，其中2通道用于連接熱敏電阻NTC溫度傳感器或熱電阻PT100溫度傳感器，另外2個(gè)通道用于采集電壓/電流信號(hào)輸入。

研究采用PLC來開發(fā)該設(shè)備，具有成本低、適應(yīng)性廣、可移植和升級(jí)的優(yōu)點(diǎn)。

2.3　控制系統(tǒng)I/O地址分配表

新型粘性物料烘干機(jī)控制系統(tǒng)中，需要16個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào)、18個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)和3個(gè)模擬量輸入信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)對(duì)應(yīng)的I/O輸入輸出觸點(diǎn)及地址號(hào)如表1所示。

表1　控制系統(tǒng)I/O觸點(diǎn)及地址號(hào)

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1　下位機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)新型粘性物料烘干機(jī)的功能需求和系統(tǒng)的操作要求，可確定各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的順序和相互之間的關(guān)系，研究在STEP 7-Micro/WIN軟件平臺(tái)下進(jìn)行PLC程序的編寫。

物料經(jīng)過提升機(jī)到上料輸送帶，再由上料輸送帶送至烘房?jī)?nèi)。物料進(jìn)入烘房后經(jīng)過升溫段、高溫失水段、低溫干燥段和冷卻段，物料烘干好后經(jīng)過出料輸送帶出料。整個(gè)烘干過程通過PLC來控制物料的溫度、濕度和烘干時(shí)間，控制系統(tǒng)的主程序流程如圖3所示。

圖3　新型粘性物料烘干機(jī)主程序流程

3.2　上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)人機(jī)界面采用西門子的SMART LINE1000ie觸摸屏，SMART LINE1000ie觸摸屏集成的工業(yè)以太網(wǎng)接口，可以和S7-200 SMART建立高速無縫的連接。SMART LINE1000ie使用WINCC flexible工程組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面，并通過以太網(wǎng)轉(zhuǎn)到SMART LINE1000ie中。在本控制系統(tǒng)中，它的主要功能為控制系統(tǒng)建立的手自動(dòng)控制界面、參數(shù)設(shè)置界面以及報(bào)警界面，由此來控制新型粘性物料烘干機(jī)的運(yùn)行和設(shè)定溫濕度參數(shù)等等。

新型粘性物料烘干機(jī)的主要包括5個(gè)控制界面，主界面、手動(dòng)控制界面、自動(dòng)控制界面、參數(shù)設(shè)置界面和報(bào)警界面。其中主界面可選擇控制方式是手動(dòng)控制還是自動(dòng)控制。手動(dòng)控制界面可根據(jù)需求手動(dòng)控制烘干機(jī)的運(yùn)行。自動(dòng)控制界面可設(shè)定好參數(shù)自動(dòng)控制烘干機(jī)。參數(shù)設(shè)置界面可選擇不同的物料類型，設(shè)定相應(yīng)烘干階段的烘干時(shí)間和溫度。報(bào)警界面只有當(dāng)故障發(fā)生時(shí)才會(huì)調(diào)用報(bào)警界面，報(bào)警界面中會(huì)顯示何處發(fā)生故障，危險(xiǎn)警示燈會(huì)閃爍。

4結(jié)束語

粘性物料烘干機(jī)將烘干過程分為升溫段、高溫失水的、低溫干燥段、冷卻段4個(gè)階段，通過可編程控制器來分段控制粘性物料的烘干溫度、濕度以及烘干時(shí)間，能最大程度地提高粘性物料的烘干質(zhì)量。系統(tǒng)采用了西門子PLC進(jìn)行了控制，通過SMART LINE1000ie觸摸屏，為使用人員提供直觀快捷的操作界面，使用人員可以操作界面控制粘性物料烘干機(jī)的運(yùn)行。

實(shí)際應(yīng)用表明，與傳統(tǒng)的粘性物料烘干機(jī)相比，本控制系統(tǒng)與新型設(shè)備的結(jié)合不僅提高了自動(dòng)化程度節(jié)約大量的勞動(dòng)力，而且極大地改善了粘性物料的風(fēng)味和口味，對(duì)于粘性物料烘干的研究具有重要的意義。

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Abstract:Aiming at the requirements of high automation level and good drying performance of the new viscous material dryer, this article uses Siemens PLC as the main control unit, SMART LINE 1000ie touch screen as the upper computer to design a new type of viscous material dryer control system. Through the combination of PLC control and new mechanisms, the automation level, productivity and resource utilization of the dryer are improved obviously.

Key words：viscous material；control system；PLC；SMART LINE 1000ie touch screen

作者簡(jiǎn)介：王立(1992-)，男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造；黃曉華(1969-)，男，江蘇南通人，副教授，工學(xué)博士，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代制造技術(shù)。

收稿日期：2015-08-31

文章編號(hào)：1001-2257(2015)12-0010-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP272；S24