基于PLC 與組態(tài)的智能糧食烘干機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

江 晨，周發(fā)發(fā)，王宏旗，汪婷婷，陶麗萍

（無錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無錫 214028）

中國是農(nóng)業(yè)大國，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中國每年由于糧食霉變而造成的糧食損耗高達(dá)334.5 億kg，如果按一人一天一斤糧食來算，這些糧食可讓全江蘇7 000 多萬人吃三年。糧食霉變問題已使國家糧食安全受到嚴(yán)重威脅。2023 年中央一號(hào)文件提出，只有把牢糧食安全主動(dòng)權(quán)，才能把穩(wěn)強(qiáng)國復(fù)興主動(dòng)權(quán)，依靠自己力量端牢中國飯碗。糧食減損，降低霉變刻不容緩。

糧食干燥是解決糧食霉變的有效方法，筆者調(diào)研了17 家中小型農(nóng)場(chǎng)，收回有效問卷113 份，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的糧食干燥方式主要是人工晾曬和機(jī)器烘干，人工晾曬大約占37%。而這兩種干燥方式都有著顯著缺陷。人工晾曬存在干燥成本高、極易受到天氣制約、糧食損耗量大等問題。而機(jī)器烘干對(duì)于操作人員有著一定的技術(shù)門檻，并且存在溫度和模式單一，無法實(shí)時(shí)檢測(cè)水分等問題。針對(duì)以上痛點(diǎn)，本文采用高度集成的“三合一”模塊，運(yùn)用PLC 和人機(jī)交互觸摸屏進(jìn)行自適應(yīng)控制。優(yōu)化烘干流程，采用自制高精度水分儀和變頻烘干技術(shù)，根據(jù)不同糧食所含水分多少，自動(dòng)匹配最佳烘干溫度，不僅降低能耗，還使得不同種類糧食在烘干后達(dá)到最佳含水量，提高糧食質(zhì)量，減少糧食損耗。

1 系統(tǒng)硬件組成

糧食烘干機(jī)主要由風(fēng)機(jī)、提升機(jī)、上絞龍、下絞龍、撥糧機(jī)和甩盤機(jī)、溫度傳感器、滿糧傳感器、水分儀等構(gòu)成硬件系統(tǒng)[1]。核心部分采用“三合一”智能模塊作為控制器，包含PLC、人機(jī)交互、遠(yuǎn)程控制模塊，節(jié)約了空間。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

M1 風(fēng)機(jī)電機(jī)采用三相異步電動(dòng)機(jī)，由變頻器進(jìn)行調(diào)速控制，電機(jī)啟動(dòng)加速時(shí)間為1 s、減速時(shí)間為0.5 s。M2 提升機(jī)電機(jī)采用三相異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)僅需單向正轉(zhuǎn)運(yùn)行[2]。M3 上絞龍電機(jī)和M4 下絞龍電機(jī)均采用三相異步電動(dòng)機(jī)。M5 甩盤電機(jī)采用三相異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)運(yùn)行方向?yàn)檎D(zhuǎn)運(yùn)行。M6撥糧機(jī)電機(jī)采用三相減速電機(jī)，減速比為1∶25。

2 系統(tǒng)控制程序流程圖

系統(tǒng)上電后，觸摸屏界面開始運(yùn)行，首先進(jìn)入系統(tǒng)的歡迎界面，在歡迎界面中可以選擇烘干機(jī)的工作模式，分別為手動(dòng)調(diào)試模式和自動(dòng)運(yùn)行模式。在手動(dòng)模式中可對(duì)任何一部電機(jī)進(jìn)行逐一調(diào)試[3]。手動(dòng)模式的設(shè)計(jì)是為了方便調(diào)試單臺(tái)電機(jī)所設(shè)立的，因?yàn)槊颗_(tái)電機(jī)運(yùn)行方式和安裝所在的機(jī)構(gòu)位置不同，在硬件調(diào)試的時(shí)候，需要先對(duì)電機(jī)進(jìn)行逐一調(diào)試，才能保證在之后的自動(dòng)模式下電機(jī)運(yùn)行正常。操作點(diǎn)擊觸摸屏上對(duì)應(yīng)的電機(jī)按鈕，即可啟動(dòng)調(diào)試電機(jī)，再次點(diǎn)擊按鈕停止調(diào)試，再切換至下一臺(tái)電機(jī)調(diào)試。如果調(diào)試過程中熱繼電器過載，則發(fā)出報(bào)警并緊急停機(jī)，直至故障解除方可再次進(jìn)行調(diào)試。系統(tǒng)手動(dòng)模式的工作流程圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)手動(dòng)模式工作流程圖

自動(dòng)模式是本系統(tǒng)的核心，在自動(dòng)模式中，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試建立常見谷物實(shí)際含水量和烘干溫度的數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建PLC 程序算法，根據(jù)谷物的種類、實(shí)際含水量確定最佳烘干溫度進(jìn)行自適應(yīng)變頻控制。

進(jìn)入自動(dòng)模式后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，將內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)初始化，根據(jù)選擇的谷物類型，由PLC 將所選要烘干谷物的含水量標(biāo)準(zhǔn)值由串口傳送給水分儀，并進(jìn)行進(jìn)糧流程，進(jìn)糧流程結(jié)束后，由PLC 發(fā)送指令進(jìn)行干燥前的水分檢測(cè)并和設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果，進(jìn)入不同溫度的變頻干燥流程，啟動(dòng)甩盤電機(jī)-上絞龍電機(jī)-提升機(jī)-下絞龍電機(jī)-撥糧機(jī)-風(fēng)機(jī)，在此流程中糧食在糧塔主機(jī)內(nèi)流動(dòng)循環(huán)進(jìn)行干燥處理。水分儀進(jìn)行測(cè)量糧食達(dá)到設(shè)定需要的水分時(shí)，發(fā)送指令反饋給PLC，此時(shí)系統(tǒng)停止。待完全停止后可以進(jìn)行放糧流程運(yùn)行：順序間隔時(shí)間啟動(dòng)甩盤電機(jī)-撥糧機(jī)-下絞龍電機(jī)-提升機(jī)，打開儲(chǔ)糧口糧食即可排出烘干機(jī)內(nèi)部，待糧食全部排出后，電機(jī)相反順序停止。系統(tǒng)自動(dòng)模式的工作流程圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)自動(dòng)模式工作流程圖

3 觸摸屏組態(tài)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用FStudio 組態(tài)軟件進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計(jì)，為了兼顧操作控制的便捷性與直觀性，在用戶界面設(shè)置了手動(dòng)調(diào)試界面、自動(dòng)模式界面、電機(jī)運(yùn)行監(jiān)控界面與警報(bào)履歷界面[4]。其中，在重點(diǎn)的自動(dòng)模式下，還設(shè)置有自動(dòng)模式運(yùn)行界面、干燥監(jiān)控界面和電機(jī)運(yùn)行設(shè)置界面。

為了方便用戶使用，在自動(dòng)模式界面設(shè)計(jì)好各個(gè)流程下電機(jī)的啟停順序（見圖4），為避免用戶操作失誤以及防止程序啟動(dòng)邏輯沖突，當(dāng)按下自動(dòng)按鈕時(shí)，手動(dòng)調(diào)試按鈕右上角均有禁止操作標(biāo)識(shí)，此狀態(tài)下用戶操作無效，需要再次點(diǎn)擊自動(dòng)按鈕取消自動(dòng)模式后方可切換運(yùn)行模式。在其中一個(gè)流程運(yùn)行時(shí)也設(shè)計(jì)了相關(guān)的操作保護(hù)，極大地降低了程序上重復(fù)運(yùn)行的沖突。每個(gè)流程運(yùn)行時(shí)在右上角都能實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度和自行設(shè)置報(bào)警溫度和停機(jī)溫度，根據(jù)設(shè)置最佳糧食烘干的溫度來減少烘干過程中溫度過高對(duì)糧食出現(xiàn)爆腰的問題。

圖4 觸摸屏自動(dòng)模式運(yùn)行界面

圖5 為電機(jī)啟動(dòng)與停止的間隔時(shí)間與水分儀設(shè)定烘干糧食類型，在本界面中用戶可以自由設(shè)定啟動(dòng)與停止時(shí)間，可以根據(jù)不同的糧食類型設(shè)置需要達(dá)到的水分要求。

圖5 電機(jī)運(yùn)行設(shè)置與水分儀設(shè)定界面

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展的今天，遠(yuǎn)程控制技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于智能設(shè)備監(jiān)控中[5]。本系統(tǒng)采用上海繁易公司的FBox 遠(yuǎn)程模塊，該模塊可以對(duì)干燥過程中的各項(xiàng)參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)控、控制模式進(jìn)行選擇、報(bào)警監(jiān)控提示進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，且可以在手機(jī)APP 或PC 端查看和修改參數(shù)，極大地方便了客戶和廠商的使用和對(duì)設(shè)備的信息獲取。遠(yuǎn)程控制界面見圖6。

圖6 遠(yuǎn)程控制界面

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC、人機(jī)交互、遠(yuǎn)程控制的高精度自適應(yīng)智能糧食烘干機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)在不同的烘干階段，根據(jù)谷物的種類和實(shí)際含水量自動(dòng)匹配烘干溫度，使糧食達(dá)到最佳含水量，大幅度提升糧食品質(zhì)，減少了糧食霉變損耗[6]。不僅適用于中小型農(nóng)場(chǎng)的糧食烘干，而且適用于傳統(tǒng)烘干機(jī)的智能改造，具有較高的推廣價(jià)值。