循環(huán)式谷物烘干機(jī)原理及電控方案設(shè)計(jì)

姜 巖，佟 童，韓長生，許才花

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院 佳木斯分院，黑龍江 佳木斯 154004)

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)完成糧食作物的收獲后，需要開展規(guī)范的糧食烘干工作才有利于糧食的長久貯存，傳統(tǒng)生產(chǎn)過程多采用自然晾曬的方式烘干糧食作物，盡管不需機(jī)械設(shè)備，但人力物力的負(fù)擔(dān)很大，且自然晾曬受到環(huán)境因素的限制，糧食的烘干質(zhì)量難以達(dá)到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不利于糧食的長久存儲(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國不同地區(qū)在糧食貯存過程因發(fā)霉、變質(zhì)所導(dǎo)致的平均糧食損失在10%～14%之間，這一過程造成的糧食浪費(fèi)遠(yuǎn)高于世界平均水平，這與糧食烘干質(zhì)量有直接關(guān)系。谷物烘干機(jī)是農(nóng)業(yè)機(jī)械化的重要產(chǎn)后設(shè)備，先進(jìn)的谷物烘干機(jī)利用機(jī)電控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大量糧食的自動(dòng)化烘干，且能夠更好地保證糧食烘干質(zhì)量，有利于糧食在最佳的含水率狀態(tài)下進(jìn)行貯存，能有效減少糧食變質(zhì)損失[1]。

1 循環(huán)式谷物烘干機(jī)的應(yīng)用特征

1.1 應(yīng)用價(jià)值

我國是人口大國，糧食的有效存儲(chǔ)意義重大。循環(huán)式谷物烘干機(jī)是糧食烘干處理的最常用機(jī)型，其分類十分廣泛，包括了水稻烘干機(jī)、豆類烘干機(jī)、小麥烘干機(jī)、玉米烘干機(jī)等多種類型，也包括能夠適應(yīng)多種不同類型糧食作物的綜合性烘干機(jī)產(chǎn)品。隨著我國糧食產(chǎn)量的逐漸增加，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的烘干機(jī)產(chǎn)品逐漸向大型化、高效化和自動(dòng)化方向發(fā)展，先進(jìn)的谷物烘干機(jī)產(chǎn)品為糧食的快速大批量烘干創(chuàng)造了有利條件，同時(shí)減少了糧食烘干過程所需的人力、物力、場地等負(fù)擔(dān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，利用谷物烘干機(jī)烘干的糧食作物，相對(duì)于傳統(tǒng)的烘干方式，損失率可降低約5%～9%，按照我國2020年糧食總產(chǎn)量66 949萬t計(jì)算，僅2020年即可減少糧食損失約3 347萬～6 025萬t，可為約6.6萬～12.0萬人提供1年的主食供給[2-3]。

1.2 結(jié)構(gòu)與原理

現(xiàn)階段，市場上銷售和使用的谷物烘干機(jī)種類較多，除采用熱風(fēng)技術(shù)的循環(huán)式谷物烘干機(jī)外，還包含遠(yuǎn)紅外谷物烘干機(jī)、微波谷物烘干機(jī)等。現(xiàn)階段，循環(huán)式谷物烘干機(jī)仍然是糧食烘干的主力機(jī)型，其技術(shù)先進(jìn)性對(duì)于我國糧食烘干的整體質(zhì)量影響很大。循環(huán)式谷物烘干機(jī)的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括了濕糧入口、均糧設(shè)備、輸送帶、出糧口、二次勻糧機(jī)構(gòu)、烘干倉庫、電控箱、風(fēng)機(jī)、熱源等結(jié)構(gòu)[4]。圖1僅為結(jié)構(gòu)組成的示意圖，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的循環(huán)式谷物烘干機(jī)在結(jié)構(gòu)上也會(huì)存在一定差異，例如烘干倉庫會(huì)根據(jù)地區(qū)糧食產(chǎn)量的不同而設(shè)計(jì)不同的體積、形狀和噸位，熱風(fēng)風(fēng)機(jī)與熱源的技術(shù)和形態(tài)也存在一定差異。對(duì)于大部分循環(huán)式谷物烘干機(jī)，會(huì)建立熱風(fēng)的專用循環(huán)路徑，通過熱風(fēng)的入口、風(fēng)向、風(fēng)力的控制適應(yīng)不同糧食種類、烘干倉庫結(jié)構(gòu)，達(dá)到最佳烘干效果，大部分烘干倉庫內(nèi)部設(shè)計(jì)有電控出風(fēng)口，并配套有排風(fēng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)潮濕空氣的快速排出，保持合理的倉內(nèi)濕度[5]。

1.濕糧入口；2.均糧設(shè)備；3.輸送帶；4.出糧口；5.二次勻糧機(jī)構(gòu)；6.烘干倉庫；7.電控箱；8.風(fēng)機(jī)；9.熱源

循環(huán)式谷物烘干機(jī)體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有顯著的機(jī)電控制特征，其能夠通過各個(gè)功能部件的配合自動(dòng)化完成糧食的烘干作業(yè)[6]。循環(huán)式谷物烘干機(jī)的主要工作流程如圖2所示。首先需要烘干的濕糧通過皮帶輸送機(jī)等提升設(shè)備送入進(jìn)料位置，并利用均糧機(jī)構(gòu)將糧食進(jìn)行均布，保持糧食的均勻供給。通常情況下，中大型谷物烘干機(jī)要經(jīng)過較長時(shí)間的濕糧輸送裝倉，并在濕糧進(jìn)入烘干倉之前利用絞龍等設(shè)備進(jìn)行再次均糧和輸送，當(dāng)烘干倉內(nèi)的糧食裝滿后，系統(tǒng)控制輸送機(jī)停止供糧，開始進(jìn)入正式烘干過程。

圖2 循環(huán)式谷物烘干機(jī)主要工作流程

在烘干過程中，糧食以不同形式與熱風(fēng)接觸，其被熱風(fēng)增溫并使內(nèi)部的水分逐漸散失。循環(huán)式谷物烘干機(jī)采用反復(fù)多次烘干的模式完成對(duì)糧食的烘干，即干燥的熱風(fēng)進(jìn)入烘干倉將糧食中的水分帶離，與濕度較大的熱風(fēng)一同離開干燥倉，使干燥倉內(nèi)保持良好的干燥環(huán)境，糧食在高溫和氣流的共同作用下實(shí)現(xiàn)快速的干燥，干燥效率通常為每小時(shí)降低濕度0.5%～1.5%。大部分谷物烘干機(jī)的烘干過程分為多個(gè)階段，每個(gè)烘干階段使糧食下降一定比例的含水率，每個(gè)烘干過程經(jīng)過調(diào)質(zhì)、烘干、緩蘇多個(gè)步驟。分多個(gè)階段進(jìn)行干燥的優(yōu)勢在于提高糧食的烘干品質(zhì)和烘干均勻性，避免一次性持續(xù)降低含水率造成糧食損傷或養(yǎng)分流失。

在谷物烘干的過程中，干燥倉內(nèi)部設(shè)置的濕度傳感器負(fù)責(zé)對(duì)烘干質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)糧食的含水率達(dá)到預(yù)設(shè)值范圍后，烘干過程結(jié)束，糧食在被冷卻后通過輸送裝置送離烘干倉，烘干過程結(jié)束。

2 電氣控制方案設(shè)計(jì)

隨著機(jī)電技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代化的谷物烘干機(jī)與可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)進(jìn)行廣泛結(jié)合，可編程控制器技術(shù)作為成熟的機(jī)電控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)谷物烘干過程的核心控制，并有利于完善烘干工藝與執(zhí)行狀態(tài)，最終提升整體的工作質(zhì)量。本文結(jié)合可編程控制器技術(shù)完善谷物烘干機(jī)的電氣控制方案，利用邏輯、定時(shí)、計(jì)數(shù)、計(jì)算等功能提高循環(huán)式谷物烘干機(jī)的工作能力。

2.1 總體方案

根據(jù)循環(huán)式谷物烘干機(jī)的技術(shù)特征與工作流程，其工藝上具有明顯的規(guī)律性和可控性，易于利用電氣控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)。對(duì)于總體控制過程，以PLC技術(shù)為核心，結(jié)合傳感器技術(shù)、電氣控制執(zhí)行裝置、人機(jī)交互設(shè)備、軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)谷物烘干機(jī)的總體控制體系(圖3)。以CPU為控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)谷物烘干機(jī)功能的控制、烘干質(zhì)量的檢測，并具備關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及后續(xù)升級(jí)等功能。

圖3 總體控制功能分布

2.2 軟件控制設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)決定了烘干邏輯的合理性，也是烘干機(jī)功能實(shí)現(xiàn)和工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)于烘干質(zhì)量和自動(dòng)化程度影響很大，循環(huán)式谷物烘干機(jī)的軟件控制流程如圖4所示。

圖4 軟件控制流程

2.3 烘干邏輯程序設(shè)計(jì)

烘干過程是谷物烘干機(jī)工作過程的最主要工序，從循環(huán)式谷物烘干機(jī)的烘干流程來看，主要采用分段式烘干的方式，使每次烘干降低一定量的含水率。本次設(shè)計(jì)的循環(huán)烘干方式也采用分段式，共分為兩種模式，分別為3級(jí)分段和4級(jí)分段，設(shè)計(jì)初始濕度對(duì)比值為W，當(dāng)測得糧食濕度大于W采用4級(jí)分段烘干，反之采用3級(jí)分段烘干。單次烘干的含水率降低程度采取浮動(dòng)方案，即由使用者根據(jù)不同的糧食種類或預(yù)期的干燥標(biāo)準(zhǔn)輸入相關(guān)數(shù)值，電控系統(tǒng)通過分析傳感器測得的含水率與預(yù)期干燥后的含水率取差后，再分4次或3次均勻烘干，烘干過程通過傳感器檢測烘干質(zhì)量，并對(duì)烘干方案進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。

3 結(jié)語

綜上所述，循環(huán)式谷物烘干機(jī)具有應(yīng)用范圍廣、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，易于與現(xiàn)代化的電氣控制技術(shù)及其他先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當(dāng)重視現(xiàn)階段的谷物烘干機(jī)產(chǎn)品向自動(dòng)化及智能化方向轉(zhuǎn)型，從而進(jìn)一步提升谷物烘干的整體質(zhì)量。