循環(huán)谷物干燥機測控系統(tǒng)的設計

張立輝+魏立明+李春良

摘要：根據(jù)循環(huán)谷物干燥的特點，提出循環(huán)干燥采用質電雙參數(shù)等速變溫的測控新方法，質量參數(shù)和電參數(shù)融合在線測量水分含量，實現(xiàn)等速變溫控制；開發(fā)測控系統(tǒng)并進行干燥測控系統(tǒng)試驗；用上位機軟件中的LabVIEW技術開發(fā)實時進行數(shù)據(jù)顯示。實際應用結果表明，能實時準確控制干燥的水稻水分，實現(xiàn)干燥自動控制，保證谷物的干燥品質。

關鍵詞：谷物；循環(huán)干燥；測控系統(tǒng)；質電雙參數(shù)；水分檢測；LabVIEW

中圖分類號：S226.6 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）01-0211-03

發(fā)展糧食烘干產(chǎn)業(yè)、加速糧食生產(chǎn)全程機械化、最大限度地減少儲糧損失，是確保豐產(chǎn)豐收、穩(wěn)定糧食總量的重要途徑，也直接影響糧食的等級、加工質量和食用品質，從而影響到糧農(nóng)和糧食流通企業(yè)的經(jīng)濟效益、人們的生活質量以及糧農(nóng)糧商的生產(chǎn)經(jīng)營積極性[1]。這就要求不斷改進谷物干燥工藝，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高干燥過程的智能化水平，開發(fā)抗干擾、穩(wěn)定的精確控制系統(tǒng)，從而改善谷物干燥后的品質，降低谷物的損失，同時也提高干燥效率，降低成本，進一步擴大糧食的工業(yè)應用。本研究采用虛擬儀器技術開發(fā)了一套循環(huán)式谷物干燥機自動檢測與智能控制系統(tǒng)，采用質電融合的方法在線測量水分含量，測得谷物水分含量更貼近谷物的實際水分含量，并將在線測得谷物水分含量與目標水分含量進行比較，通過PLC等控制執(zhí)行機構改變循環(huán)干燥過程的運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)干燥控制過程的自動控制。

1 系統(tǒng)總體設計

根據(jù)循環(huán)谷物干燥的特點，采用質電雙參數(shù)水分含量在線測量與等速變溫控制相結合的測控新方法，將干燥的對象選為水稻，采用質量法和電阻法（適合測量水稻水分含量）融合在線測量谷物水分含量；質量法使用稱重傳感器測量谷物的實時質量，根據(jù)干燥過程谷物的干物質質量不變的原則計算谷物實時水分含量?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)實時采集到谷物水分含量，結合目標水分含量實時調節(jié)熱風溫度，實現(xiàn)不同階段等速變溫降水控制[2]?？傮w設計方案如圖1所示。

2 測控系統(tǒng)硬件構成

測控系統(tǒng)由主機（工業(yè)控制計算機）、PLC、稱重傳感器、環(huán)境和尾氣溫濕度傳感器、溫度傳感器、電阻式在線水分儀、控制執(zhí)行器及相應的儀表等組成（圖2），執(zhí)行部分主要包括可編程控制器及其他硬件外圍電路等[3]?？刂浦鳈C與溫度測控儀表、水分儀、控制執(zhí)行器等之間的數(shù)據(jù)交換通過RS232/RS485轉換模塊I-7520串行通信數(shù)據(jù)總線進行，一方面主機從溫度測控儀表、稱重傳感器、電阻水分傳感器等獲取干燥機參數(shù)的測量數(shù)據(jù)，另一方面主機向PLC、溫度測控儀表、水分傳感器等發(fā)出控制調節(jié)命令，進行相應的干燥控制。

循環(huán)谷物干燥機測控系統(tǒng)傳感器及執(zhí)行器包括熱風溫度傳感器、糧食溫度傳感器、電阻式水分儀、高料位傳感器、稱重傳感器、控制器PLC及環(huán)境、尾氣溫濕度傳感器。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 測控系統(tǒng)工作模式

測控系統(tǒng)采用質電雙參數(shù)在線水分含量測量與等速變溫控制技術，干燥塔上分別布置電阻式水分儀、稱重傳感器及溫度傳感器等，實時檢測相關參數(shù)數(shù)據(jù)并傳送給計算機。計算機根據(jù)這些相關干燥參數(shù)信息建立一個干燥機工作的數(shù)據(jù)模型，然后根據(jù)烘干過程相關傳感器的讀數(shù)變化情況自動調整熱風溫度，實現(xiàn)等速干燥[4]。測控系統(tǒng)的工作模式如圖3所示。

3.2 測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集平臺

系統(tǒng)軟件采用LabVIEW圖形化編程語言來完成數(shù)據(jù)采集平臺的設計。軟件采用模塊化結構設計，系統(tǒng)的工作軟件由干燥模型控制系統(tǒng)、熱風溫度檢測與控制、糧食溫度檢測、糧食水分檢測與校正、目標水分控制等模塊組成。其具體組成為系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集與顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲與處理模塊以及系統(tǒng)控制模塊。通過系統(tǒng)初始化模塊對控制系統(tǒng)各個儀表參數(shù)及控制參數(shù)進行設定和修改；數(shù)據(jù)采集與顯示模塊實時采集各個儀表傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并實時顯示在工作界面上；數(shù)據(jù)存儲與處理模塊將采集到的數(shù)據(jù)進行存儲，同時將采集的數(shù)據(jù)繪制成曲線圖顯示在工作界面上，根據(jù)各個時刻的數(shù)據(jù)值，系統(tǒng)控制模塊按照模型控制算法進行實時自動控制[4]。數(shù)據(jù)采集界面如圖4所示。

4 干燥機測控系統(tǒng)試驗

4.1 試驗裝置與方法

用12 t干燥容量的循環(huán)干燥機進行現(xiàn)場試驗，熱源為燃油爐。在試驗過程中利用循環(huán)干燥機自動控制系統(tǒng)自動記錄干燥過程的熱風溫度、糧溫、糧食實時總質量和實時水稻水分含量等參數(shù)，同時人工記錄消耗柴油的質量和每隔0.5 h采集干燥塔里的水稻樣本，用烘箱法對所采樣本進行水分含量的檢測，對系統(tǒng)計算的水稻水分含量和實測的水稻水分含量進行對比，結合干燥實際，對控制系統(tǒng)進行校正和循環(huán)速度的控制。

4.2 試驗條件

干燥試驗的對象為水稻，表1列出了循環(huán)干燥試驗開始前的一些參數(shù)的初始條件。

4.3 結果與分析

4.3.1 實測谷物水分含量與系統(tǒng)指示谷物水分含量的對比分析 系統(tǒng)指示谷物水分含量是指在谷物干燥過程中由質電法檢測并計算得到的谷物實時水分含量；實測谷物水分含量由實驗室對采樣的樣品用烘干法測出，烘干法把谷物放到烘箱中進行烘干，利用烘干前與烘干后的質量差與干物質之比求出采樣谷物的水分含量。由圖5可知，質電法所測的系統(tǒng)指示谷物水分含量比實測谷物水分含量偏高些，因為質電法測得的是干燥谷物的平均水分含量，但2種方法測得干燥谷物的水分含量趨勢基本一致。

4.3.2 實測谷物水分含量、系統(tǒng)指示谷物水分含量和谷物實時質量的對比分析 谷物的實時質量指在干燥過程中干燥機內(nèi)谷物的總質量， 由安裝在干燥機底部的稱重傳感器測量所得。由圖6可知，質量參數(shù)法計算的谷物水分含量隨著谷物質量的減少基本呈線性趨勢，和烘干法實測的谷物水分含量偏差不大，2種類型的干燥塔曲線趨勢基本一致?；究勺C實質量參數(shù)法在線測得的干燥谷物水分含量方法的有效性，精度和穩(wěn)定度都要優(yōu)于其他電測法，但要求干燥機的設備不能存在漏糧現(xiàn)象。

4.3.3 實測谷物水分含量、系統(tǒng)指示谷物水分含量和干燥熱風溫度的對比分析 干燥機的熱源由燃油爐提供。為了穩(wěn)定干燥的熱風溫度，控制系統(tǒng)設計了熱風溫度上限設定的功能，自動控制干燥熱風溫度。從圖7可知，12 t的干燥塔的熱風溫度基本在50～60 ℃之間調整；熱風溫度對質電法測量谷物水分含量沒有明顯的影響，即熱風溫度的變化對質電法測量的水分含量沒有干擾，不用進行溫度補償，可見質電法在這面存在優(yōu)越性。

4.3.4 谷物降水率和谷物溫度的對比分析 谷物顆粒表面上有橫向裂紋，通稱為爆腰，爆腰米粒占采樣米粒的比例稱為爆腰率。爆腰使水稻子粒強度降低，加工時容易被折斷，產(chǎn)生碎米，使出米率降低，這是不經(jīng)濟的。因此，爆腰率是鑒定水稻工藝品質的重要指標之一，在干燥水稻時要控制干燥速度（降水速率1.5%/h以下），防止水稻爆腰。

從圖8可知，12 t干燥機的整個干燥過程平均降水速率為0.83%/h。干燥中期當谷物溫度達到35 ℃左右時，降水速率明顯提高；干燥后期由于水稻糙米顆粒失水較多，顆粒體積縮小，顆粒水分擴散和蒸發(fā)的通道變得更窄，谷物剩余水分穿過皮層的阻力更大；此外，谷物顆粒內(nèi)的自由水分不多了，這時機械結合水分蒸發(fā)需要更多的熱量，蒸發(fā)速率也變得更慢，所以干燥后期的降水率慢。

4.3.5 干燥單位耗熱量分析 單位耗熱量是糧食干燥機試驗的重要指標之一，是節(jié)約干燥成本和節(jié)能的參考依據(jù)。糧食干燥是一個很復雜的作業(yè)過程，影響干燥的因素很多，干燥作業(yè)條件多變，其中的影響因素有熱介質參數(shù)（如熱風溫度、熱風風量和熱風濕度）、糧食參數(shù)（如谷物類別、谷物水分和糧食溫度）、環(huán)境條件（如環(huán)境溫度和環(huán)境濕度）、干燥工藝（如順流干燥、逆流干燥、橫流干燥、混流干燥）以及干燥機的結構參數(shù)，這些因素都會影響干燥機單位耗熱量的數(shù)值。12 t 塔的單位耗熱量基本在2 000～5 800 kJ/kg區(qū)間波動，單位耗熱量平均值3 863 kJ/kg，低于國家規(guī)定的行業(yè)標準。

5 結論

試驗結果表明，質量法和電測法融合在線測量谷物水分含量更為精確，與目標水分含量更接近，更能準確實現(xiàn)等速變溫控制。循環(huán)谷物干燥機測控系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運行可靠，自動控制系統(tǒng)工作良好。水分檢測精度和穩(wěn)定性都很好，干燥后谷物水分均勻，爆腰率低于國家標準，谷物品質好，干燥機的能耗低。

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