糧食烘干塔智能預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)路徑研究

胡會(huì)南，李秀麗

（河南測(cè)繪職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系，河南 鄭州 451464）

種植戶在糧食收獲完畢后，需對(duì)糧食進(jìn)行干燥處理，將糧食中水分盡可能降低，以滿足糧食長(zhǎng)期貯存的需求。由于糧食種類不同，需要干燥處理的糧食數(shù)量大，因此，探究糧食烘干塔進(jìn)行糧食干燥處理極其重要。將智能化技術(shù)應(yīng)用在烘干塔優(yōu)化上，可以進(jìn)一步確保烘干塔質(zhì)量，完善烘干塔功能，實(shí)現(xiàn)智能化糧食烘干處理。智能預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)可以通過(guò)分析糧食干燥處理過(guò)程中糧食溫度變化、糧食出機(jī)水分、排糧電機(jī)轉(zhuǎn)速等與糧食烘干質(zhì)量之間的關(guān)系，結(jié)合BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建可以根據(jù)烘干塔工作狀態(tài)預(yù)測(cè)糧食烘干質(zhì)量的智能控制手段，以設(shè)計(jì)糧食烘干塔智能預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)。

1 糧食干燥技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)糧食機(jī)械干燥研究相對(duì)較晚，起源于20 世紀(jì)50 年代，最早的糧食干燥機(jī)為庫(kù)茲巴斯干燥機(jī)。雖然庫(kù)茲巴斯干燥機(jī)可以實(shí)現(xiàn)糧食干燥處理，但其生產(chǎn)效率低，大部分糧食很難在干燥處理后滿足貯存需求，依舊需要采用人工晾曬等處理方式，使糧食含水率明顯下降，最終滿足糧食存貯需求。最初應(yīng)用的糧食干燥機(jī)也多在庫(kù)茲巴斯干燥機(jī)基礎(chǔ)上，進(jìn)行仿造，短期內(nèi)達(dá)到提高糧食烘干效率的目的。早期干燥機(jī)進(jìn)行糧食處理成本較高，烘干塔建設(shè)成本也比較高，整個(gè)烘干塔在糧食處理上，對(duì)能源的消耗也比較大，整體烘干綜合效益較低，技術(shù)人員對(duì)烘干機(jī)的研究不斷深入，一直以提高烘干效率、降低烘干能耗、提高烘干品質(zhì)為研究重點(diǎn)。20 世紀(jì)60 年代后，對(duì)糧食干燥技術(shù)的研究進(jìn)一步深入，圓筒式烘干機(jī)等陸續(xù)出現(xiàn)。20 世紀(jì)70 年代糧食干燥技術(shù)取得新進(jìn)展。進(jìn)入21 世紀(jì)后，糧食生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展，糧食總產(chǎn)量不斷增加，糧食干燥處理量越來(lái)越大，促使糧食干燥技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。糧食干燥機(jī)型不斷豐富，由固定式直立糧食烘干塔逐漸發(fā)展為臥式圓桶型可移動(dòng)糧食烘干機(jī)。固定式糧食烘干塔已經(jīng)可以采用逆流、橫流、順流、混流等多種烘干形式。烘干塔運(yùn)行中，所用的能源越來(lái)越多樣，小型的烘干機(jī)械以燃油為主[1]。進(jìn)入2010 年之后，干燥設(shè)備行業(yè)發(fā)展迅速，一些智能化技術(shù)應(yīng)用于干燥設(shè)備設(shè)計(jì)與制造之中，進(jìn)一步提升了糧食烘干質(zhì)量。

2 糧食烘干塔種類及特點(diǎn)

2.1 橫流烘干

橫流烘干以立式作為主要烘干模式，大多數(shù)橫流烘干機(jī)主要為圓柱形的過(guò)濾孔洞或者方形塔過(guò)篩模式結(jié)構(gòu)，橫流烘干設(shè)備生產(chǎn)區(qū)域和廠家數(shù)量較多，該設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中普遍具有生產(chǎn)技術(shù)簡(jiǎn)單、安裝經(jīng)濟(jì)成本低以及生產(chǎn)質(zhì)量高等優(yōu)勢(shì)。由于糧食烘干塔智能預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)在生產(chǎn)和技術(shù)操作環(huán)節(jié)上，以大型立式設(shè)備為主要結(jié)構(gòu)，在烘干環(huán)節(jié)的能量消耗極大，糧食干燥水平低。相同烘干設(shè)備能夠烘干的糧食種類和數(shù)量受到約束和限制，并且烘干之后糧食生產(chǎn)品質(zhì)的損壞率不斷提升。同時(shí)，由于設(shè)備自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，烘干設(shè)備所使用的孔洞過(guò)篩需要經(jīng)常清理。

2.2 混流烘干

混流烘干技術(shù)主要指在糧食干燥處理上，通過(guò)排氣系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)糧食干燥處理。糧食干燥處理時(shí)，當(dāng)設(shè)備熱空氣由進(jìn)氣區(qū)域進(jìn)入烘干塔，分別向下、向上運(yùn)動(dòng)，后通過(guò)上下兩個(gè)角度盒排除，使得烘干塔內(nèi)部區(qū)域形成上下流動(dòng)的氣流，增強(qiáng)空氣流動(dòng)，加速糧食表面水分蒸發(fā)，通過(guò)混流方式實(shí)現(xiàn)糧食干燥處理。該種模式與其他烘干模式相比，送風(fēng)均勻，烘干充足，整體糧食干燥處理質(zhì)量較高。但由于混流烘干設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要交錯(cuò)分布多個(gè)排角狀區(qū)域，需要布置相應(yīng)的風(fēng)機(jī)儀器，增加了烘干塔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

2.3 逆流烘干

逆流烘干設(shè)備使用率相對(duì)較低，主要工作單元為逆流烘干設(shè)備，采用逆流冷卻技術(shù)，對(duì)經(jīng)過(guò)干燥處理的糧食進(jìn)行降溫，使得糧食在干燥處理后迅速降溫，便于之后存貯。

2.4 順流烘干

順流烘干技術(shù)即在糧食干燥處理時(shí)，烘干運(yùn)動(dòng)的方向與糧食運(yùn)動(dòng)的方向相同，設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)復(fù)雜的漏洞狀，設(shè)備內(nèi)部存在多個(gè)通風(fēng)管道，便于為糧食干燥處理區(qū)域提供熱空氣。在糧食干燥處理時(shí)，溫度高達(dá)150 ℃左右，因此糧食烘干效率高。順流烘干塔容量大，可以實(shí)現(xiàn)快速烘干，此類烘干塔是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的烘干塔形式。

3 糧食烘干塔智能預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

3.1 糧食干燥機(jī)機(jī)理及干燥處理過(guò)程分析

3.1.1 糧食干燥機(jī)機(jī)理

糧食烘干塔在糧食干燥處理上，主要借助物理水分蒸發(fā)原理，通過(guò)加速糧食周圍空氣流動(dòng)、提高糧食周圍環(huán)境溫度等，促使糧食表面水分轉(zhuǎn)移與蒸發(fā)，達(dá)到降低糧食表面含水率的目的，使得糧食可以滿足貯藏需求。在糧食烘干處理時(shí)，糧食表面在烘干作用下出現(xiàn)汽化，將糧食表面水分汽化擴(kuò)散到干燥介質(zhì)中，使得糧食表面水分向表面轉(zhuǎn)移，達(dá)到干燥糧食的目的。糧食干燥處理時(shí)，主要機(jī)理包括表面水分汽化、水分與物質(zhì)結(jié)合。1）表面水分汽化。糧食的干燥實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)高溫等處理，糧食整體溫度出現(xiàn)升高的情況，加快糧食表面水分蒸發(fā)，在糧食物質(zhì)表面形成大量水蒸氣[2]。隨烘干溫度不斷提升，糧食水分子運(yùn)動(dòng)速度隨之加快。糧食烘干塔運(yùn)作時(shí)，干燥物質(zhì)會(huì)在設(shè)備中不斷流動(dòng)，將糧食擴(kuò)散在空氣環(huán)境中的水分帶走，所以即使糧食本身溫度較低，只要糧食內(nèi)部所包含的水分明顯高于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，糧食的烘干流程就會(huì)持續(xù)開(kāi)展，直至水分達(dá)到平衡，設(shè)備將停止運(yùn)轉(zhuǎn)。2）水分與物質(zhì)結(jié)合。水分在糧食內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要以游離水狀態(tài)和結(jié)合水狀態(tài)兩種形式存在，游離水附著糧食表面結(jié)構(gòu)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，此種水分并不屬于糧食本身結(jié)構(gòu)，因此在烘干操作時(shí)，干燥處理難度不大。結(jié)合水分則主要指糧食內(nèi)部的水分，其相對(duì)穩(wěn)定，并處于糧食內(nèi)部，這部分水分處理難度很大。結(jié)合水屬于糧食本身的結(jié)構(gòu)之一，在烘干處理過(guò)程中，若溫度過(guò)高或者采用的烘干方式不同，則會(huì)對(duì)結(jié)合水造成破壞，使得糧食品質(zhì)有所下降，因此在糧食干燥處理時(shí)，需要注重該部分水分的適當(dāng)保護(hù)。

3.1.2 糧食干燥機(jī)干燥處理過(guò)程

糧食干燥整體過(guò)程通過(guò)加熱，使糧食中的水分物質(zhì)通過(guò)表面汽化之后，能夠被干燥的介質(zhì)物質(zhì)帶離糧食，實(shí)現(xiàn)糧食干燥處理。糧食烘干塔運(yùn)行，可以提高糧食烘干處理效率。1）預(yù)加熱。該階段能夠針對(duì)糧食進(jìn)行提前預(yù)熱處理，致使溫度大幅度提高，部分水分能夠在糧食表面進(jìn)行汽化處理，而隨著糧食自身溫度不斷升高，整個(gè)干燥速度和效率隨之加快[3]。2）速干階段。經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后，糧食水分均勻下降，此時(shí)的糧食干燥速度已經(jīng)達(dá)到了最大參數(shù)，在此環(huán)節(jié)上糧食溫度應(yīng)確保穩(wěn)定，有效調(diào)控干擾風(fēng)力溫度和干燥效率。3）降速干燥。使用糧食烘干塔進(jìn)行糧食干燥時(shí)，由于糧食經(jīng)過(guò)速干階段，所以糧食內(nèi)部水分大幅度縮小，水蒸氣基礎(chǔ)壓力減小，造成干燥速度降低，而降速干燥緩解則能夠不斷增加糧食溫度，減少糧食內(nèi)部所包含的水分。該階段糧食表面水分基本已經(jīng)蒸發(fā)完畢，為避免對(duì)糧食結(jié)合水造成破壞，需要降低干燥機(jī)器運(yùn)行速度，確保糧食干燥質(zhì)量。

3.2 糧食烘干過(guò)程——BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)

在糧食烘干塔智能預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)上，考量到糧食烘干的最終目標(biāo)為控制糧食出機(jī)時(shí)的水分，并需要確保糧食的品質(zhì)，使得糧食的品質(zhì)可以滿足貯存的要求。在糧食烘干控制上，將糧食塔烘干處理出機(jī)水分14%，誤差1%的參數(shù)要求輸入到系統(tǒng)之中，并要求系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)烘干塔工作狀態(tài)（入機(jī)溫度平均值、入機(jī)水分平均值等）。采用傳統(tǒng)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，三層結(jié)構(gòu)包括傳輸層、基礎(chǔ)層、處理層[4]?；A(chǔ)層主要為相關(guān)參數(shù)輸入，傳輸層則主要負(fù)責(zé)相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸，處理層負(fù)責(zé)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，根據(jù)分析結(jié)果決策，并將決策質(zhì)量通過(guò)傳輸層發(fā)送到基礎(chǔ)層，實(shí)現(xiàn)糧食烘干塔干燥處理控制。在輸入層，需要將糧食烘干處理相關(guān)數(shù)據(jù)信息包括排糧電機(jī)轉(zhuǎn)速、烘干熱風(fēng)溫度、糧食初始溫度、環(huán)境相對(duì)濕度等輸入，并將最終糧食烘干處理要求相關(guān)參數(shù)輸入（如出機(jī)水分14%）。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所用函數(shù)設(shè)計(jì)采用Sigmoid 型函數(shù)，模擬生物神經(jīng)元，實(shí)現(xiàn)非線性數(shù)據(jù)處理，增強(qiáng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射能力[5-6]。

3.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

糧食烘干塔智能預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，糧食溫度、濕度等數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包含糧食設(shè)備入機(jī)溫度、出機(jī)溫度、入機(jī)濕度以及出機(jī)濕度等方面，糧食入機(jī)、出機(jī)溫度在信息檢測(cè)上屬于常溫檢測(cè)模式，而烘干空氣檢測(cè)屬于高溫檢測(cè)。1）空氣溫度監(jiān)測(cè)。在糧食烘干塔智能預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)中，想要完成烘干熱空氣，則應(yīng)使用燃煤作為高溫燃燒的核心條件，確保其溫度適中，保證在80 ℃～200 ℃之間，確保熱力電阻能夠滿足數(shù)據(jù)測(cè)量要求。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障問(wèn)題，其烘干溫度則產(chǎn)生大幅度跳動(dòng)，為了防止產(chǎn)生超出數(shù)據(jù)測(cè)量情況，烘干空氣溫度在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中需要使用熱電偶作為信息檢測(cè)傳感主要模式。其中熱電偶主要由兩種不同成本材質(zhì)造成閉合電路，由于材質(zhì)不同，不同電子密度所產(chǎn)生電子擴(kuò)散，等待穩(wěn)定之后會(huì)產(chǎn)生應(yīng)有電勢(shì)。當(dāng)兩端溫度差距越大，電流則隨之提升，為此技術(shù)人員測(cè)試電動(dòng)趨勢(shì)之后才能夠了解基礎(chǔ)的溫度參數(shù)。從本質(zhì)上來(lái)看，熱力電偶是一種能量轉(zhuǎn)化設(shè)備，能夠?qū)崮苻D(zhuǎn)化為電能。熱電偶的技術(shù)優(yōu)勢(shì)十分明顯，因此熱電偶溫度測(cè)試范圍相對(duì)比較寬泛，其性能穩(wěn)定，丈量精準(zhǔn)程度極高，能夠保證熱電偶參數(shù)與被測(cè)試目標(biāo)直接接觸。2）糧食溫度監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)備進(jìn)行烘干操作過(guò)程中，由于糧食烘干塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)的約束和限制，糧食溫度檢測(cè)裝置和設(shè)備只能安裝在糧食烘干塔入糧口和出糧口兩個(gè)位置上。糧食入機(jī)溫度水平直接取決于室外環(huán)境和空氣溫度，比如東北地區(qū)冬季室外溫度最低能夠達(dá)到零下35 ℃左右，夏季最高溫度則大于35 ℃，而經(jīng)過(guò)冷卻處理之后，糧食在貯存區(qū)域時(shí)，應(yīng)該保證在標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍，以此滿足糧食溫度傳感系統(tǒng)對(duì)于糧食溫度測(cè)量需求[7]。由于溫度檢測(cè)裝置應(yīng)安裝和設(shè)置在控制室內(nèi)50 m 的室外，因此裝置設(shè)備應(yīng)使用鋰電池作為電源，為了防止電源電量過(guò)低造成電壓不穩(wěn)定，從而引起溫度失準(zhǔn)的情況，信息測(cè)量裝置應(yīng)使用型號(hào)為REF02 精密電源作為PT 溫度測(cè)量裝置，提供相對(duì)穩(wěn)定的5 V準(zhǔn)電壓。

3.4 通信層設(shè)計(jì)方案

在信息通信模塊設(shè)計(jì)實(shí)施過(guò)程中，無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)所使用的無(wú)線模塊相對(duì)穩(wěn)定。由于該無(wú)線模塊從本質(zhì)上來(lái)看是一款穩(wěn)定性高、功耗低的信息收發(fā)模塊，所以在不轉(zhuǎn)變客戶信息數(shù)據(jù)協(xié)議的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸功能[8]。由于信息通信模塊在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，普遍具有模塊尺寸小、靈敏程度高、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，使用TTL 連接端口，其設(shè)備接收靈敏程度達(dá)到-124 dBm，當(dāng)傳輸距離達(dá)到3 000 m且上限高度為2 m 時(shí)，設(shè)備需要積極調(diào)整，確保在無(wú)干擾情況下傳輸距離為4 000 m。在糧食濕度監(jiān)測(cè)上，使用STH75檢測(cè)模塊，該模塊內(nèi)部可以對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行初步處理，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)?？紤]到糧食濕度檢測(cè)模塊數(shù)字信號(hào)需求，對(duì)外輸出引腳采用單片機(jī)I/O口連接[9-10]。系統(tǒng)采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，選擇TTL433 無(wú)線模塊，無(wú)線透明數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，GFSK調(diào)制方式。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，糧食烘干塔智能預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)可以對(duì)糧食烘干塔糧食干燥處理進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，提高糧食干燥處理質(zhì)量。在智能預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)上可以充分結(jié)合烘干塔類型與特點(diǎn)，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等設(shè)計(jì)，完善預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)質(zhì)量，提高整體糧食烘干塔糧食干燥處理效率。