真空低溫連續(xù)干燥設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)方案簡(jiǎn)介

張克發(fā)

(鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司糧機(jī)研究室,河南 鄭州 450005)

真空低溫連續(xù)干燥設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)方案簡(jiǎn)介

張克發(fā)

(鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司糧機(jī)研究室,河南 鄭州 450005)

論述了真空低溫連續(xù)干燥設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和方案設(shè)計(jì)，對(duì)真空低溫連續(xù)干燥過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)和市場(chǎng)前景進(jìn)行了展望。

糧食；真空干燥;干燥塔;數(shù)據(jù)傳輸;組態(tài)軟件;顆粒物料;含水率

真空低溫連續(xù)干燥項(xiàng)目是國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃子課題之一，“農(nóng)業(yè)品現(xiàn)代物流技術(shù)研究開發(fā)與應(yīng)用”課題“糧庫(kù)物流裝備、糧食運(yùn)輸技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化示范”的前道生產(chǎn)工序。真空干燥有許多優(yōu)點(diǎn)：在低壓下干燥時(shí)氧含量低，能防止被干燥物料氧化變質(zhì)，可干燥易燃易爆的危險(xiǎn)品；可在低溫下使物料中的水分汽化，易于干燥熱敏性物料；能回收干燥物料中的貴重和有用的成分；能防止干燥物料中有毒有害物質(zhì)的排放，可成為環(huán)保類型的“綠色”干燥；真空干燥后糧食的破碎率、裂紋率大大降低。因此，真空低溫干燥設(shè)備為后續(xù)糧食在物流過(guò)程中降低破碎提供了技術(shù)支撐和保證，在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛。

真空低溫干燥設(shè)備由一套能抽水蒸汽的真空系統(tǒng)、冷凝水蒸汽的蒸汽冷凝系統(tǒng)、提供干燥所需熱量的供熱系統(tǒng)以及實(shí)現(xiàn)干燥作業(yè)的電氣控制系統(tǒng)組成。由于真空低溫干燥有許多優(yōu)點(diǎn)，一些熱敏性物料必須采用真空干燥設(shè)備。因此，真空低溫干燥設(shè)備的發(fā)展很有前途。

在糧食的干燥過(guò)程中，谷物水分的遷移蒸發(fā)是一個(gè)連續(xù)的微觀過(guò)程。對(duì)水分遷移、蒸發(fā)速度的控制需要調(diào)整工藝參數(shù)。連續(xù)穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝，是保證整個(gè)干燥生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定的基礎(chǔ)。需要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的溫度、糧食水分、流量、干燥塔塔內(nèi)的真空度、進(jìn)排料速度等參數(shù)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，并根據(jù)工藝要求，進(jìn)行邏輯處理，輸出要求的控制信號(hào)，控制供熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、進(jìn)排料系統(tǒng)等干燥塔的設(shè)備協(xié)調(diào)工作，達(dá)到穩(wěn)定的工藝參數(shù)，以保證生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定，生產(chǎn)出水分、品質(zhì)符合要求的物料。項(xiàng)目驗(yàn)證其采用的是操作按鈕、旋鈕加控制儀表的控制方式，人工干預(yù)工作量大，自動(dòng)化程度低，設(shè)備各參數(shù)的協(xié)調(diào)，需要通過(guò)人工調(diào)整，響應(yīng)速度慢，影響設(shè)備的工作性能的發(fā)揮，也不利于設(shè)備的工業(yè)化生產(chǎn)。

1 真空低溫連續(xù)干燥設(shè)備簡(jiǎn)介

真空低溫連續(xù)干燥設(shè)備工藝流程見圖1。干燥玉米產(chǎn)量為300 t/d,降水幅度10%。

真空低溫連續(xù)干燥設(shè)備由上料系統(tǒng)、真空干燥塔、卸料系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)六個(gè)部分組成。

真空系統(tǒng)由真空泵、真空壓力表、管道、傘狀氣口、冷凝水塔等幾個(gè)部分組成，主要作用是為干燥塔提供真空環(huán)境，降低糧食內(nèi)部水分的遷移溫度。

加熱系統(tǒng)由加熱鍋爐、溫度傳感器、熱水管道，以及回水管道組成，為設(shè)備提供40℃溫度環(huán)境。

上料系統(tǒng)由皮帶機(jī)、圓筒初清篩、提升機(jī)、緩沖倉(cāng)以及高氣密關(guān)風(fēng)器組成。

真空干燥塔是設(shè)備的核心設(shè)備，塔內(nèi)有真空管、加熱管、真空傳感器、溫度傳感器等，為糧食的低溫真空干燥提供滿足要求的大氣環(huán)境。物料緩慢地通過(guò)干燥塔，經(jīng)過(guò)1個(gè)預(yù)熱段、2個(gè)干燥段、2個(gè)緩蘇段后，物料內(nèi)的水分遷移，散發(fā)到空氣中，通過(guò)真空回路進(jìn)入冷卻塔，將水蒸汽變成水，排放出去。

減低水分后的物料，經(jīng)底部的排料輥、出料關(guān)風(fēng)器、緩沖倉(cāng)等設(shè)備將物料排放出去。

電器控制系統(tǒng)是給設(shè)備提供動(dòng)力，實(shí)時(shí)檢測(cè)水溫、真空度、料位等信息，根據(jù)工藝要求，協(xié)調(diào)各個(gè)設(shè)備的工作狀況，保證最終的干燥工藝要求，達(dá)到降低糧食水分的目的。本研究主要對(duì)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析。

圖1 真空低溫連續(xù)干燥設(shè)備工藝流程

2 真空低溫連續(xù)干燥過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析

真空低溫連續(xù)干燥生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)微觀過(guò)程，需要實(shí)時(shí)測(cè)量設(shè)備工作的各項(xiàng)相關(guān)參數(shù),如溫度、物料含水率、物料流量等，再根據(jù)工藝的要求設(shè)定參數(shù)，調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備工作參數(shù)，以保證最終產(chǎn)品含水率的要求。

控制系統(tǒng)選用了S7-300系列PLC作為控制系統(tǒng)邏輯執(zhí)行的核心，上位機(jī)作為人機(jī)交互界面。設(shè)備工作的參數(shù)，由操作人員根據(jù)生產(chǎn)的糧食的種類、水分要求，在上位機(jī)界面上輸入上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，將詳細(xì)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC，PLC根據(jù)設(shè)定的邏輯，控制真空泵、供熱系統(tǒng)、供料機(jī)構(gòu)、排料機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)工作，保證物料最終的加工要求。

全系統(tǒng)由在線檢測(cè)傳感器、信號(hào)輸送、邏輯控制器(PLC)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)裝置以及上位計(jì)算機(jī)組成。是一個(gè)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。其中水溫、空氣溫度、真空度的檢測(cè)均為連續(xù)參數(shù)的模擬量。選用了溫度傳感器和真空度傳感器，這些參量市場(chǎng)均有成熟的產(chǎn)品可以選用。物料流量、含水率的在線檢測(cè)均采用微波檢測(cè)傳感器。

3 干燥倉(cāng)干燥過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)方案設(shè)計(jì)

干燥倉(cāng)干燥過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 干燥倉(cāng)干燥過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)拓?fù)鋱D

3.1 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于真空低溫干燥設(shè)備體積大，又是在室外安裝，而上位計(jì)算機(jī)(PC)及主控制柜需要放置在室內(nèi)，傳感器輸出信號(hào)的輸送距離較遠(yuǎn)，需要防止信號(hào)的干擾和衰減。系統(tǒng)信號(hào)的傳輸采用了工業(yè)通信協(xié)議進(jìn)行傳輸，可以有效地提高信號(hào)的傳輸質(zhì)量。根據(jù)各類工業(yè)協(xié)議的應(yīng)用情況，本系統(tǒng)選用ModBUS通信協(xié)議作為信號(hào)的傳輸協(xié)議。

ModBUS通信協(xié)議是已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了的開放通信協(xié)議，應(yīng)用范圍廣，技術(shù)成熟，并且許多傳感器、檢測(cè)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)均支持該協(xié)議，傳感器、設(shè)備選型方便。

3.2 邏輯控制器(PLC)選型

真空低溫干燥塔共計(jì)有22個(gè)檢測(cè)和控制項(xiàng)目，其中輸入項(xiàng)16個(gè)，輸出項(xiàng)6個(gè)。在輸入輸出項(xiàng)目中，數(shù)字量有8個(gè)，模擬量有14個(gè)(輸入10個(gè)，輸出4個(gè))。模擬量與數(shù)字量共占15個(gè)字，屬于模擬量較多的中小型自動(dòng)化控制系統(tǒng),擬選用標(biāo)準(zhǔn)型S7-312CPU，外加模擬量和開關(guān)量擴(kuò)展模塊。上位計(jì)算機(jī)機(jī)安裝CP5611DP接口卡，與PLC通信，實(shí)現(xiàn)工況的實(shí)時(shí)監(jiān)控和人機(jī)交互。

3.3 組態(tài)軟件的選型

組態(tài)軟件選用西門子公司的Wincc，與西門子公司的PLC結(jié)合良好，且在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用范圍很廣，技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定，具有以下特點(diǎn)：

模塊化的結(jié)構(gòu)，由簡(jiǎn)單任務(wù)到復(fù)雜任務(wù)，可靈活裁剪。Wincc是一個(gè)模塊化的自動(dòng)化組件，既可以靈活的進(jìn)行擴(kuò)展，從簡(jiǎn)單的工程到復(fù)雜的多用戶應(yīng)用，又可以應(yīng)用到工業(yè)和機(jī)械制造工藝的多服務(wù)器分布式系統(tǒng)中。

眾多的選件和附加件擴(kuò)展了基本功能。已開發(fā)的應(yīng)用范圍廣泛的、不同的Wincc選件和附加件，均基于開放式編程接口，覆蓋了不同工業(yè)分支的需求。

強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)接口。Wincc提供了OLE、DDE、ActiveX、OPC服務(wù)器和客戶機(jī)等接口或控件，可以很方便的與其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)。

使用方便的腳本語(yǔ)言。支持C、VB等腳本語(yǔ)言。

提供所有主要PLC系統(tǒng)的通信通道。

集成到MES和ERP中，為MES和ERP提供管理數(shù)據(jù)。

特別是對(duì)SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)的支持，可以將生產(chǎn)數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，為分析生產(chǎn)過(guò)程，改進(jìn)生產(chǎn)，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提供了第一手資料。

4 干燥倉(cāng)干燥過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

低溫真空干燥塔控制系統(tǒng)，由在線檢測(cè)傳感器(溫度、真空度、水分在線監(jiān)測(cè)儀、轉(zhuǎn)速等)、數(shù)據(jù)傳輸、邏輯控制器(PLC)、監(jiān)控機(jī)(PC)及組態(tài)軟件組成，是一套工藝參數(shù)檢測(cè)→邏輯處理→輸出控制信號(hào)→執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作→改變?cè)O(shè)備工藝參數(shù)→工藝參數(shù)檢測(cè)→邏輯處理→……不斷循環(huán)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，也是一套模擬量較多的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和先進(jìn)技術(shù)如下：

(1)顆粒物料含水率的在線檢測(cè)屬于比較前端的科技，市場(chǎng)產(chǎn)品少，生產(chǎn)廠家也少，同時(shí)傳感器性能的穩(wěn)定性、測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，是系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)。本系統(tǒng)選用DF-MMAI型微波在線水分檢測(cè)儀。

(2)顆粒物料流量的在線檢測(cè)也是系統(tǒng)內(nèi)比較前沿的技術(shù),是影響系統(tǒng)生產(chǎn)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。本系統(tǒng)選用了MONITOR SFI微波固體流量計(jì)。

(3)輸出機(jī)構(gòu)中熱水流量的連續(xù)控制，雖然市場(chǎng)上有比例閥、電控節(jié)流閥等產(chǎn)品，但性能參數(shù)能否滿足系統(tǒng)要求，也是系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)。

真空低溫連續(xù)干燥設(shè)備控制系統(tǒng)，可帶動(dòng)大型真空低溫連續(xù)干燥設(shè)備控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化，提高大型干燥設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化水平。

真空低溫連續(xù)干燥設(shè)備目前已在鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司完成了20 t/d玉米真空低溫干燥中試生產(chǎn)性相關(guān)試驗(yàn)，實(shí)測(cè)產(chǎn)量20.3 t/h，降水幅度10%，單位熱耗低于5 000 kJ/kg，破碎率0.16%，裂紋增加率6%，比熱風(fēng)干燥節(jié)能28.6%，達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)。并依托吉林德惠新良國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)建立了300 t/d玉米真空低溫連續(xù)干燥生產(chǎn)線，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：原糧水分31.8%，日處理220.12 t，降水幅度17.5%，單位能耗≤5 000 kJ/kg，與熱風(fēng)干燥相比節(jié)能≥20%，應(yīng)用效果良好，進(jìn)入了設(shè)備性能完善和市場(chǎng)推廣應(yīng)用階段。

[1] 科技部，國(guó)家糧食局，國(guó)家糧食儲(chǔ)備局鄭州科學(xué)研究設(shè)計(jì)院.“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃子課題驗(yàn)收資料匯編[G].

[2] 王華中.監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)及其應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,2010.

[3] 西門子(中國(guó))有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán).深入淺出西門子S7-300 PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[4] 甑立東.西門子WinCC V7基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

(責(zé)任編輯：趙琳琳)

2016-08-28；

2017-02-19

張克發(fā)(1969-)，男，工程師，主要從事工業(yè)自動(dòng)化、柔性加工生產(chǎn)線等方面的研究。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.03.005

TS210.3;TP271+.6

B

1003-6202(2017)03-0016-03