基于LabVIEW的紅棗干燥機控制系統(tǒng)的設計

劉立果，張學軍，劉超山，鄢金山，史增錄，辛倩倩

(1.新疆農業(yè)大學 機械交通學院，烏魯木齊 830052；2. 新疆農業(yè)工程裝備創(chuàng)新設計實驗室重點實驗室，烏魯木齊 830052；3.貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025)

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基于LabVIEW的紅棗干燥機控制系統(tǒng)的設計

劉立果1，張學軍2，劉超山3，鄢金山2，史增錄2，辛倩倩1

(1.新疆農業(yè)大學 機械交通學院，烏魯木齊 830052；2. 新疆農業(yè)工程裝備創(chuàng)新設計實驗室重點實驗室，烏魯木齊 830052；3.貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025)

為了解決現(xiàn)有紅棗干燥機自動化程度低、勞動強度高和不能很好地滿足紅棗干燥工藝需要的問題，通過對國內外自動化控制系統(tǒng)的研究和借鑒，設計了基于LabVIEW的紅棗干燥機的控制系統(tǒng)。同時，設計了LabVIEW控制系統(tǒng)的前面板和程序框圖，完成了外部硬件電路的設計。試驗表明：該LabVIEW控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)鼓風機和物料提升機的啟動和停止，3路溫度的采集、分析、顯示和對加熱管的控制，3路濕度的采集、分析、顯示和對排濕閥門的控制，2路風速的采集和顯示，以及6個進/出風通道按照設定的時間間隔實現(xiàn)5種工作模式的切換。

紅棗干燥機；干燥工藝；硬件電路；LabVIEW控制系統(tǒng)

0 引言

目前，新疆棗樹種植面積達到43.5萬hm2，產量為120萬t[1]。為了滿足紅棗高品質干燥的需要，新疆農業(yè)大學機械交通學院和食品科學學院于2014年共同研制了分腔層流式紅棗干燥機。經過試驗，該紅棗干燥機可以滿足紅棗干燥的需要，但也存在一定的不足。紅棗干燥機的控制系統(tǒng)是采用傳統(tǒng)的按鈕、繼電器和溫控儀表進行控制的，自動化程度相對較低，溫度、濕度和風速采集和控制的精度相對較低；而且其6個進/出風通道的啟閉不能實現(xiàn)自動控制，需要人工定時進行啟閉，勞動強度大。

紅棗是熱敏性水果，干燥時的熱風溫度和濕度對紅棗的干燥品質有很大的影響[2-4]。因此，要對干燥時的溫度和濕度進行精確的控制。通過對國內外自動化控制系統(tǒng)的研究和借鑒，設計了基于LabVIEW的紅棗干燥機的控制系統(tǒng)。LabVIEW具有控制精度高、顯示界面友好，編程和調試方便等特點，在國內外得到了廣泛的應用[5-8]。該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了溫度、濕度和風速的精確采集和控制，實現(xiàn)了6個進/出風通道按照5種工作模式進行定時循環(huán)切換。

1 紅棗干燥機的總體結構與工作原理

1.1 總體結構

分腔層流式紅棗干燥機的總體結構如圖1所示。

1.主進風通道 2.加熱箱 3.回風裝置 4.回風管 5.下進風通道 6.下進風通道閥門 7.電動推桿 8.中進風通道 9.中進風通道閥門 10.上進風通道 11.上進風通道閥門 12.干燥箱 13.進料口 14.物料提升裝置 15.排濕裝置 16.主出風通道 17.上出風通道閥門 18.上出風通道 19.中出風通道閥門 20.中出風通道 21.下出風通道閥門 22.下出風通道 23.出料轉動桿 24.出料口閥門

1.2 工作原理

通過物料提升裝置將紅棗由干燥機的進料口放入干燥箱內，啟動鼓風機，冷空氣進入加熱箱，熱交換后進入主進風通道，熱風由開啟的某一個或多個進風通道進入干燥箱內，從紅棗層中穿過由開啟的某一個或多個出風通道進入主出風通道。若熱風的濕度低于設定的濕度的上限值則回風裝置上的回風閥門在電動推桿的作用下保持開啟；排濕裝置上的排濕門在大氣壓和彈簧的作用下緊閉，熱風在干燥機內循環(huán)。若熱風的濕度高于或等于設定濕度的上限值則回風裝置上的回風閥門在電動推桿的作用下關閉；排濕裝置上的排濕門在內部壓力的作用下克服彈簧拉力開啟，高濕度熱風排出干燥機。當干燥箱內的濕度下降到低于設定的濕度下限值時，回風裝置上的回風閥門開啟，熱風再次進行循環(huán)。排濕門的啟閉一直受到回風閥門的控制。

2 LabVIEW控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

利用LabVIEW進行控制系統(tǒng)的前面板和程序框圖的設計所能實現(xiàn)的功能如下：

1)鼓風機和物料提升機的啟動和停止。

2)自動完成對分腔層流式紅棗干燥機上、中、下3個干燥腔內溫度和濕度的采集。

3)顯示出每個干燥腔內的溫度和濕度的數(shù)值，并顯示出3個干燥腔內平均溫度和濕度的波形圖、實測值，及歷史溫度和濕度的平均值、最大值和最小值。

4)分析對比干燥機內實測溫度的平均值和提前設定的溫度的下限值和上限值的大小關系。若實測溫度比設定的下限溫度還小，則第4組和第5組加熱管保持加熱狀態(tài)；若實測溫度比設定溫度的上限值還高，則第4組和第5組加熱管停止加熱。若實測溫度在設定溫度的上限值和下限值之間，則第4組和第5組加熱管保持原來的狀態(tài)。也可以根據(jù)需要使第4組和第5組加熱管中的某一組單獨啟閉，其余加熱管是保障基本供熱需求的，根據(jù)實際情況可人工全部開啟或部分開啟。

5)分析對比干燥機內實測濕度的平均值和提前設定濕度的下限值和上限值的大小關系。若實測平均濕度比設定的下限濕度還小則排濕閥門處于關閉狀態(tài)。若實測平均濕度比設定的上限濕度還高則排濕閥門開啟，進行排濕。若實測濕度在設定濕度的上限和下限之間則排濕閥保持原來的狀態(tài)。

6)兩路風速采集的采集和顯示。

7)實現(xiàn)3個進風通道和3個出風通道按照設定的時間間隔在5種工作模式中循環(huán)切換，其中工作模式1為默認模式，如表1所示。

表1 進/出風通道啟閉的5種工作模式

“+”表示通道開啟，“-”表示通道關閉。

表1中，功能(1)和功能(3)的實現(xiàn)較常見，這里僅對其余功能的實現(xiàn)方法進行介紹。

3 硬件電路的設計

硬件電路主要包括計算機、NI USB6001數(shù)據(jù)采集卡、小型固態(tài)繼電器模塊、固態(tài)繼電器、小型繼電器、PT100熱電阻溫度傳感器和濕敏電阻濕度傳感器等，如圖2所示。其工作原理：NI USB6001采集卡將采集到的溫度、濕度和風速信號傳輸給計算機，由LabVIEW程序進行分析，分析后的結果再傳輸給采集卡，采集卡輸出控制信號控制各種繼電器，繼電器控制相關執(zhí)行元件動作。

圖2 硬件電路電氣原理圖

4 LabVIEW前面板和程序框圖的設計

4.1 LabVIEW前面板的總體結構

前面板中的控件分為輸入控件和顯示控件。輸入控件包括開始采集按鈕、退出按鈕5組加熱管的啟閉按鈕、數(shù)據(jù)保存間隔(min)設置框、溫度和濕度的上限值和下限值設置框，以及模式變換間隔設置框，如圖3所示。顯示控件包括運行時間顯示框，實測平均溫度、濕度和風速的波形圖表和顯示框，溫度、濕度和風速的最大值、最小值和平均值顯示框，上腔、中腔和下腔溫度顯示計和濕度顯示計，進/出風風速顯示表盤，5組加熱管的運行狀態(tài)指示燈，6個進/出風道啟閉的指示燈，鼓風機和物料提升機啟閉指示燈，排濕指示燈。

圖3 LabVIEW控制系統(tǒng)的前面板

4.2 三路溫度采集和對加熱管控制的實現(xiàn)

溫度采集和控制的程序框圖主要包括1個While循環(huán)程序結構、3路模擬量輸入通道、2個邏輯分析結構及4路數(shù)字量輸出通道，如圖4所示。3路模擬量輸入通道用于采集由3個PT100熱電阻傳感器輸出的模擬電壓信號(0～10V對應的溫度為0～150℃)。兩個邏輯分析結構包括溫度的實測值與設定溫度的上、下限值的對比分析結構及歷史溫度數(shù)據(jù)的最大值、最小值和平均值的分析結構。4路數(shù)字量輸出通道用于將分析后的結果傳輸?shù)讲杉ǖ妮敵龆?，實現(xiàn)對加熱管的控制。輸入控件和顯示控件均為在上述前面板上所提到的控件。

圖4 溫度采集和控制的程序框圖

4.3 三路濕度采集和對回風閥門控制的實現(xiàn)

濕度采集和控制的任務要求與溫度采集和控制的任務要求很相似，所以其程序框圖的結構也相似。濕度采集和控制的程序框圖主要包括1個While循環(huán)程序結構、3路模擬量輸入通道、2個邏輯分析結構及4路數(shù)字量輸出通道，如圖5所示。3路模擬量輸入通道用于采集由3個濕敏電阻傳感器輸出的模擬電壓信號(電壓0～3V對應的相對濕度為0～100%)。兩個邏輯分析結構包括濕度的實測值與設定濕度的上、下限值的對比分析結構，以及歷史濕度數(shù)據(jù)的最大值、最小值和平均值的分析結構。4路數(shù)字量輸出通道用于將分析后的結果傳輸?shù)讲杉ǖ妮敵龆耍瑢崿F(xiàn)對回風閥門的控制。輸入控件和顯示控件均為在上述前面板上所提到的控件。

圖5 濕度采集和控制的程序框圖

4.5 進/出風通道5種工作模式定時切換的實現(xiàn)

由圖6可以看出：該程序框圖包含1個While循環(huán)結構和2個條件循環(huán)結構。在設計分腔層流式紅棗干燥機的LabVIEW控制系統(tǒng)時，將模擬量采樣的“DAQmx定時(采樣時鐘)”的采樣速率統(tǒng)一設置為20，即1s采樣20次；進/出風通道的啟閉模式需要根據(jù)設定的時間間隔進行切換。首先將定時時間間隔(min)乘以采樣速率20，再乘以60，其結果就表示在這一時間間隔(min)內循環(huán)采樣的次數(shù)；然后，用While循環(huán)的循環(huán)次數(shù)“i”除以“設定時間間隔內循環(huán)采樣的次數(shù)”，若余數(shù)為0則表示從程序開始運行到現(xiàn)在恰好經過了整數(shù)個設定時間間隔。

圖6 進/出風通道啟閉的程序框圖

While循環(huán)內有兩個條件循環(huán)結構，外部的條件循環(huán)結構的選擇器標簽有“真”和“假”兩個。當While循環(huán)的循環(huán)次數(shù)“i”除以“設定時間間隔內循環(huán)采樣的次數(shù)”余數(shù)為0時，使進/出風通道進行模式轉換；當余數(shù)不為0時，保持原來的模式繼續(xù)工作。內部的條件循環(huán)結構的選擇器標簽有0、1、2、3、4，標簽值0、1、2、3、4分別對應著進/出風通道的5種工作模式。利用While循環(huán)的循環(huán)次數(shù)“i”除以“設定時間間隔內循環(huán)采樣的次數(shù)”得到的商再除以5得到的余數(shù)作為標簽值選擇的條件。因為任何整數(shù)除以5得到的余數(shù)都在0～4之間，恰好對應著5種工作模式，如圖7所示。

圖7 5種工作模式的程序框圖

5 LabVIEW控制系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗

經過試驗，干燥機的各部分可以在LabVIEW控制系統(tǒng)的控制下協(xié)調的工作，如圖8所示。其可以對溫度、濕度和風速實現(xiàn)精確地采集和控制，可以提供溫度和風速均勻的熱風。干燥機的熱風循環(huán)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，回風閥門能按照設定的濕度要求進行啟閉。

圖8 控制系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗

6 結論

紅棗熱風干燥品質的好壞與干燥工藝密不可分，干燥工藝過程的實現(xiàn)要依靠精確的自動化控制系統(tǒng)。本文利用LabVIEW設計了分腔層流式紅棗干燥機的控制系統(tǒng)。其顯示界面友好，工作可靠，實現(xiàn)了對干燥機各部分的精確控制。

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Red Jujube Dryer Control System Design Based on LabVIEW

Liu Liguo1，Zhang Xuejun2，Liu Chaoshan3，Yan Jinshan2，Shi Zhenglu2，Xin Qianqian1

In order to solve the low automatic degree to existing red jujube dryer, high labor intensity, and not well meet the needs of red jujube drying process, based on the research and reference of the automatic control system at home and abroad, design the red jujube dryer control system based on LabVIEW. Design the front panel and program diagram of the LabVIEW control system, completed the external hardware circuit design. Through the experiments, the LabVIEW control system can realize the blower and material hoist start and stop, three road temperature acquisition, analysis, display and control of the heating tube, three road humidity acquisition, analysis, display and control of the humidity discharging valve, two road wind speed acquisition and display, six into/out of the wind channel realize five kinds of working mode switching according to the time interval of setting.

red jujube dryer; drying process; hardware circuit; LabVIEW control system

2016-04-06

新疆自治區(qū)“十二五”科技重大專項(201130102-4)

劉立果(1988-),男，山東濟寧人，碩士研究生，(E-mail)liuliguo0415@126.com。

張學軍(1966-)，男，烏魯木齊人，博士，教授，碩士生導師，(E-mail)zhxjau@sina.com。

S226.6

A

1003-188X(2017)05-0264-05