太陽能—熱泵聯(lián)合烘干亳菊智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂洪善，蔣 偉，孫式運(yùn)

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能工程系,安徽 亳州 236800)

亳菊產(chǎn)于安徽亳州，與滁菊、杭菊和貢菊稱為四大藥菊，是藥用價(jià)值極高的菊科植物[1]。亳菊在儲(chǔ)存前要進(jìn)行干燥處理，傳統(tǒng)的干燥方法采用陰干法，時(shí)間太長也容易返潮。也有采用硫磺熏蒸法，或先蒸制殺青在烘干或曬干的，這些方法會(huì)引起菊花藥材內(nèi)在品質(zhì)的變化。經(jīng)研究試驗(yàn)測(cè)試得出，陰干處理亳菊有效成分含量最高，但時(shí)間較長，也無法滿足大量藥材快速干燥的要求?，F(xiàn)在較普遍的加工方法為直接采花后烘干，而采用烘干技術(shù)溫度控制在70℃時(shí)，亳菊的有效成分含量最高[2]。

烘干技術(shù)是當(dāng)前國際上活躍的研究領(lǐng)域之一，而物料的烘干是一個(gè)巨大的耗能過程。因此，目前該領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)課題主要集中于兩點(diǎn)，提高質(zhì)量、降低能耗和綠色環(huán)保。本文主要研究的內(nèi)容是：將太陽能集熱器和空氣能熱泵技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)出一款基于MCGS+PLC監(jiān)控的智能型恒溫太陽能—熱泵聯(lián)合亳菊烘干系統(tǒng)，這種設(shè)計(jì)不但可以達(dá)到節(jié)能減排，而且易于保證烘干工藝穩(wěn)定性的要求，又不存在環(huán)境污染問題。

太陽能作為一種用之不竭的潔凈的能源,把它作為烘干設(shè)備的能量來源，對(duì)降低能耗具有重大的意義。由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以及天氣條件等隨機(jī)因素的影響，所以，它又是極不穩(wěn)定的。空氣能熱泵不受環(huán)境影響，不受陰、雨、雪等惡劣天氣和冬季夜晚的影響，一年四季可用。缺點(diǎn)為由于空氣能是分散能源，制熱速度慢，熱效率不是很高。如果將它們兩個(gè)合理的結(jié)合在一起使用，烘干時(shí)間與單獨(dú)采用太陽能烘干相比縮短了20%左右，節(jié)能效率在70%左右[3]。本系統(tǒng)基于亳州地區(qū)的氣候變化，對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行分析和測(cè)試，并對(duì)該工程系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化控制進(jìn)行深入研究，為亳州地區(qū)的工程應(yīng)用提供實(shí)際依據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與工作原理

1.1 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

太陽能—熱泵聯(lián)合的亳菊烘干智能控制系統(tǒng)主要由供熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)四大部分組成，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示。供熱系統(tǒng)由太陽能和熱泵機(jī)組并行提供熱量，系統(tǒng)優(yōu)先采集太陽能熱量，當(dāng)太陽能溫度達(dá)不到預(yù)設(shè)溫度時(shí)，再由熱泵機(jī)組供熱。這樣可以彌補(bǔ)太陽能因特殊情況供熱不足的缺陷。熱泵機(jī)組采用空氣源熱泵機(jī)，其產(chǎn)熱量是耗電量的2～4倍甚至更高，是一種高效節(jié)能的熱源。儲(chǔ)熱系統(tǒng)主要作用是把太陽能和空氣源熱泵提供的熱量吸收儲(chǔ)存起來為烘干房供熱。烘干系統(tǒng)主要由烘干室和散熱片組成。監(jiān)控系統(tǒng)主要通過MCGS組態(tài)控制技術(shù)利用嵌入式一體化觸摸屏對(duì)太陽能出水溫度、保溫水箱溫度和干燥室溫度的監(jiān)視，并對(duì)PLC進(jìn)行控制。根據(jù)不同溫度傳感器反饋回的測(cè)試數(shù)值，利用PLC的PID控制功能控制不同電磁閥的開關(guān)，達(dá)到烘干室的溫度智能控制。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.2 系統(tǒng)工作原理

太陽能—熱泵聯(lián)合的亳菊烘干智能控制系統(tǒng)工作原理：亳菊采收回來后，將亳菊裝在烘烤盤內(nèi)，放入烘干室。當(dāng)太陽能溫度高于烘干室設(shè)定值時(shí)(系統(tǒng)設(shè)置2℃)，開啟太陽能循環(huán)泵，太陽能給循環(huán)水箱供熱。隨著循環(huán)箱體內(nèi)溫度升高，當(dāng)循環(huán)箱內(nèi)的溫度高于烘干箱設(shè)定溫度時(shí)，連接循環(huán)箱與烘干箱的電磁閥打開，將被加熱的水給烘干室散熱片供熱。當(dāng)烘干室內(nèi)溫度高于設(shè)定值時(shí)，太陽能循環(huán)泵與循環(huán)水箱停止對(duì)烘干室供熱工作，烘干室處于恒溫狀態(tài)。在此期間，若太陽能溫度低于設(shè)定值，則太陽能加熱系統(tǒng)關(guān)閉，系統(tǒng)自動(dòng)開啟熱泵系統(tǒng)，由熱泵系統(tǒng)給循環(huán)水箱供熱，其原理與太陽能供熱相同。最后當(dāng)烘干室內(nèi)菊花干制完成一個(gè)完整周期時(shí)，所有系統(tǒng)關(guān)閉。此時(shí)可以將干燥好的菊花從烘干室內(nèi)取出。系統(tǒng)在初始供熱時(shí)，為了加快提升循環(huán)箱的溫度控制，可以手動(dòng)控制讓太陽能和熱泵系統(tǒng)同時(shí)供熱。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)流程圖

2 主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 烘干室的設(shè)計(jì)

烘干室材料采用保溫性較好材料，沒有特殊要求?？臻g可根據(jù)個(gè)人的需要進(jìn)行設(shè)置，考慮普通用戶的使用，此處采用4900mm×3000mm×2000mm的尺寸。烘干架可采用兩種方式，一是固定式貨架，把菊花放在盤中放置上面；二是采用推車式，把菊花放在物料車上推進(jìn)烘干室。為了使室內(nèi)溫度均衡，把散熱片盡量分布均勻，條件好的可以每個(gè)貨架都安裝上散熱片。烘干室上方要留有排氣孔，以便工作中的排濕。在排氣孔進(jìn)氣口安裝濕度傳感器，當(dāng)濕度達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)及時(shí)關(guān)掉排氣孔，防止過多的熱量散出。

根據(jù)葉花類中藥材特性和烘干要求，設(shè)計(jì)按排濕量2Kg/h計(jì)算，典型氣候參數(shù)如表1所示：

表1 典型氣候參數(shù)

根據(jù)供熱量公式[4]

(1)

將上表中各物理量代入式(1)計(jì)算得：烘干室需要的供熱量QJ為4641(kJ/h)。

2.2 太陽能集熱板的計(jì)算

現(xiàn)在市場(chǎng)上常用的太陽能集熱板主要有平板式、真空管式、熱管式等幾種類型，由于平板式具有安裝、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)采用平板式集熱器。

根據(jù)太陽能集熱器采光面積公式。[4]

(2)

式(2)中，Ac—集熱器總面積，m2；r—熱損失系數(shù)，r的值取1.6；

QJ—集熱器單位小時(shí)供能量，根據(jù)式(1)的計(jì)算QJ的取值4641(kJ/h)；I—年平均太陽輻照量，亳州地區(qū)取值2174kJ/(m2·h)；η—集熱器的集熱效率，η的值取0.45。將各參數(shù)的值代入(2)式得：Ac=7.59m2。一般單塊面積是2m2，因此本設(shè)計(jì)選用4塊集熱板。

2.3 熱泵機(jī)組的計(jì)算

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是太陽能和熱泵聯(lián)合供熱，系統(tǒng)中又采用了保溫循環(huán)水箱，這樣可以使烘干室的溫度和設(shè)定溫度的差值不會(huì)太大。熱泵機(jī)組在系統(tǒng)中的作用在太陽能供熱不能滿足烘干室溫度要求時(shí)，或者需要快速升高循環(huán)箱溫度時(shí)工作。為了保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，空氣能熱泵選型時(shí)按照其單獨(dú)供熱運(yùn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)熱泵制熱公式。[5]

(3)

2.4 循環(huán)水箱容積的計(jì)算

循環(huán)水箱在系統(tǒng)中主要作用是儲(chǔ)存熱能，其體積大小決定了儲(chǔ)存能力的多少，在系統(tǒng)中，它要承擔(dān)太陽能集熱器和熱泵供熱，因此，在選擇循環(huán)水箱的時(shí)候要考慮這兩個(gè)方面的因素。根據(jù)太陽能集熱器儲(chǔ)熱水箱容積計(jì)算公式[6]:

V=qrjdAc

(4)

式中：qrjd—太陽能集熱器單位面積日產(chǎn)熱水量(L),一般取值在30～70；Ac—集熱器采光面積，按(1)式計(jì)算取8m2，將數(shù)代入(4)式計(jì)算范圍得V范圍為(240～560)L。

對(duì)于熱泵系統(tǒng)，儲(chǔ)熱水箱容積應(yīng)滿足下式[7]：

(5)

式中：k2—安全系數(shù)，數(shù)值為1.05～1.10，此處取k2=1.08；C—4.18kJ/(kg·℃);ρ—水的密度取1000kg/m3；tmax—熱泵最高溫度，根據(jù)熱泵性能，這里取85℃；tmin—熱泵最低溫度，根據(jù)功能需要，這里取45℃；Qj—系統(tǒng)總熱量，按(1)式計(jì)算，取1289W；T按(3)式說明取15小時(shí)，各值代入(5)式計(jì)算的V=450L，綜合太陽能集熱器的特點(diǎn)及安全因素等，設(shè)計(jì)循環(huán)水箱的容積為V=580L。儲(chǔ)水量可在(450～560)L之間可調(diào)。

3 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本方案設(shè)計(jì)有三大部分，第一部分是輸入模塊，由溫度傳感器、水位傳感器和流量傳感器等組成；第二部分是控制模塊，采用TPC7062K觸摸屏作為系統(tǒng)的監(jiān)控，通過對(duì)輸入各模塊的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控，并根據(jù)PLC程序設(shè)定的參數(shù)與所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較，控制PLC自動(dòng)控制相關(guān)設(shè)備工作；第三部分是輸出模塊，主要是根據(jù)PLC的控制指令完成不同的工作，并對(duì)異常工作設(shè)有聲光報(bào)警以保證系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。

3.1 監(jiān)控部分設(shè)計(jì)

利用MCGS組態(tài)控制技術(shù)對(duì)太陽能出水溫度、循環(huán)水箱溫度和干燥室溫度的監(jiān)視，并對(duì)PLC進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)的上位機(jī)界面分為三個(gè)界面：系統(tǒng)監(jiān)控界面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控界面和歷史數(shù)據(jù)監(jiān)控界面。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖4所示。此界面主要包含系統(tǒng)的啟動(dòng)、系統(tǒng)停止、太陽能運(yùn)行、熱泵機(jī)組運(yùn)行啟動(dòng)按鈕和指燈示、循環(huán)箱水位控制、溫度傳感器的工作顯示與設(shè)置、循環(huán)泵的工作情況、烘干室工作情況、熱泵手動(dòng)啟動(dòng)開關(guān)等部分的工作情況監(jiān)控。通過系統(tǒng)監(jiān)控界面，可以直接的實(shí)時(shí)的看到各部分的工作運(yùn)行情況，可以及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

圖4 系統(tǒng)控制界面

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表是實(shí)時(shí)的將當(dāng)前時(shí)間的數(shù)據(jù)變量按一定報(bào)告格式(用戶組態(tài))顯示和打印，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表可以通過MCGS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)表格構(gòu)件來顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表[8]。本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控界面如圖5所示。此界面主要顯示太陽能溫度、循環(huán)箱溫度、烘干室溫度和設(shè)定溫度的實(shí)時(shí)數(shù)值和實(shí)時(shí)曲線的變化情況，能夠讓我們及時(shí)了解各個(gè)部分的溫度變化情況。為了更好地與實(shí)際效果相符，在此界面加入了溫度仿真增減按鈕。

圖5 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

對(duì)系統(tǒng)的分析除了需要實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)外，有時(shí)還需要一些歷史數(shù)據(jù)，MCGS系統(tǒng)本身就具有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)監(jiān)控界面如圖6所示。此界面主要顯示太陽能溫度、循環(huán)箱溫度、烘干室溫度和設(shè)定溫度的歷史數(shù)據(jù)數(shù)值和歷史數(shù)據(jù)變化情況，能夠讓我們對(duì)以前的各部分溫度變化情況參考分析。

圖6 歷史數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

3.2 PLC的程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用三菱FX3UPLC作為控制系統(tǒng)核心，利用PLC的可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，編程方便，易于使用等特點(diǎn)，使系統(tǒng)更有廣闊的發(fā)展前景。

3.2.1 太陽能供熱控制。

(1)太陽能的溫度大于循環(huán)水箱2℃時(shí)由太陽能單獨(dú)供熱。

(2)太陽能的溫度大于設(shè)定溫度并且設(shè)定溫度大于循環(huán)水箱溫度時(shí)由太陽能單獨(dú)供熱。其控制梯形圖如圖7所示。

圖7 太陽能供熱控制梯形圖

3.2.2 熱泵機(jī)組供熱控制。

(1)太陽能的溫度低于循環(huán)水箱溫度2℃時(shí)由熱泵機(jī)組單獨(dú)供熱。

(2)水箱溫度低于設(shè)定溫度并且太陽能的溫度也低于循環(huán)水箱溫度時(shí)由熱泵機(jī)組單獨(dú)供熱。

(3)不管什么情況下可以手動(dòng)直接利用熱泵機(jī)組供熱。其控制梯形圖如圖8所示。

圖8 熱泵機(jī)組供熱控制梯形圖

3.2.3 干燥室溫度控制。

(1)當(dāng)干燥室的溫度小于設(shè)定溫度時(shí)，由循環(huán)水箱連續(xù)供熱。

(2)當(dāng)干燥室的溫度大于設(shè)定溫度2℃以上時(shí)，關(guān)閉循環(huán)水箱供熱閥門，直到干燥室溫度降到設(shè)定值時(shí)再次供熱。其控制梯形圖如圖9所示。

圖9 干燥室溫度控制梯形圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)啟動(dòng)后，根據(jù)亳菊烘干要求的溫度來設(shè)定烘干室的烘干溫度。在各種供熱方式中，為了節(jié)省能源，如果太陽能的溫度高于循環(huán)箱的溫度時(shí)，首先先由太陽能供熱，提升循環(huán)箱的溫度。如果太陽能的溫度低于循環(huán)箱溫度，則有熱泵機(jī)組供熱。下面是系統(tǒng)各部分不同工作狀態(tài)下的運(yùn)行情況。

工作狀態(tài)一：設(shè)定溫度值高于烘干室溫度，并且烘干室溫度高于循環(huán)箱溫度。這時(shí)烘干室供熱閥TV3關(guān)閉，系統(tǒng)加熱方式有三種。第一種是為了快速提循環(huán)箱溫度由太陽能和熱泵機(jī)組兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)加熱。第二種太陽能溫度低于循環(huán)水箱溫度，由熱泵機(jī)組供熱，熱泵供熱閥VT2打開。第三種太陽能的溫度高于循環(huán)箱的溫度，則由太陽能單獨(dú)供熱，太陽能供熱閥VT1打開。

工作狀態(tài)二：設(shè)定溫度值高于烘干室溫度，循環(huán)箱溫度高于烘干室溫度，這時(shí)烘干室供熱閥TV3打開。這時(shí)也分兩種情況，一是太陽能溫度低于循環(huán)箱溫度，由熱泵組供熱；二是太陽能溫度高于循環(huán)箱溫度，由太陽能供熱。

工作狀態(tài)三：設(shè)定溫度等于或低于烘干箱溫度，系統(tǒng)加熱方式有三種。第一種是循環(huán)箱溫度等于或大于設(shè)定溫度且溫差不超過2℃時(shí)，由太陽能或熱泵組供熱，太陽能供熱閥VT1或熱泵組供熱閥VT2和烘干室供熱閥TV3都打開；第二種是循環(huán)箱的溫度高于設(shè)定溫度2℃時(shí)，太陽能供熱閥VT1和熱泵組供熱閥VT2都關(guān)閉，停止對(duì)循環(huán)箱供熱。第三種是烘干室溫度等于或大于設(shè)定溫度2℃時(shí)，烘干室供熱閥TV3關(guān)閉。

假設(shè)設(shè)定亳菊烘干溫度為70℃，系統(tǒng)啟動(dòng)后，在幾種不同溫度測(cè)試的工作情況如表2所示。

表2 系統(tǒng)測(cè)試記錄表

注：電磁閥和熱泵組參數(shù)為“0”表示關(guān)閉，為“1”表示打開。電磁閥TV1為太陽能供熱閥，電磁閥TV2為熱泵供熱閥，電磁閥TV3為烘干室供熱閥。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)利用MCGS組態(tài)控制技術(shù)通過嵌入式一體化觸摸屏TPC對(duì)PLC的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，并利用PLC的強(qiáng)大控制功能，達(dá)到對(duì)亳菊烘干技術(shù)的智能化控制。通過多次實(shí)際模擬使用和測(cè)試，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性基本上能達(dá)到理想的效果。采用太陽能—熱泵聯(lián)合烘干技術(shù)，相比其它的烘干方法大大的縮短了烘干時(shí)間，保護(hù)了中藥的藥性，而且更節(jié)能環(huán)保。設(shè)備除了對(duì)亳菊烘干外，也可以用于對(duì)其它中藥材的烘干，發(fā)展前景廣闊。