多物料廣兼容網(wǎng)帶式干燥機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計＊

張環(huán) 董霖 李平 王爽 曾高升 譚果

1.西華大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究院，四川成都

2.西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都

3.四川省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，四川成都

我國果蔬生產(chǎn)加工規(guī)模位居世界首位，果蔬產(chǎn)業(yè)是僅次于糧食產(chǎn)業(yè)的第二大農(nóng)業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)[1]。剛收獲的果蔬農(nóng)產(chǎn)品水分含量高、易損傷、難儲藏。農(nóng)產(chǎn)品干燥可解決上述問題，但果蔬農(nóng)產(chǎn)品品種多樣，其大小、形狀均不同，入機(jī)干燥的含水量差異非常大，再加上目前常用的網(wǎng)帶式干燥機(jī)智能化程度低，不能檢測機(jī)體內(nèi)干燥溫度、濕度和熱風(fēng)風(fēng)速的變化[2]，從而導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品干燥品質(zhì)差。本文研究網(wǎng)帶式干燥機(jī)控制系統(tǒng)軟件和硬件的設(shè)計，以期提升干燥過程的智能化控制水平，降低果蔬農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后干燥加工的損失。

1 農(nóng)產(chǎn)品的干燥特性

對于剛收獲的以果蔬為代表的高濕農(nóng)產(chǎn)品，可以看作是絕對干物料、液態(tài)水、氣態(tài)水的組成。干燥介質(zhì)可以看作由干空氣和水蒸氣組合而成，農(nóng)產(chǎn)品在干燥介質(zhì)中自發(fā)進(jìn)行水分遷移過程，直至農(nóng)產(chǎn)品物料表面的水蒸氣壓力等于干燥介質(zhì)中的水蒸氣分壓，農(nóng)產(chǎn)品干燥的過程到達(dá)平衡含水率，從而結(jié)束干燥。

在熱風(fēng)的溫度、濕度、風(fēng)速和農(nóng)產(chǎn)品接觸方式保持不變的條件下，干燥可以分為預(yù)熱、等速、降速三個過程。預(yù)熱階段，高濕農(nóng)產(chǎn)品在熱風(fēng)的作用下溫度上升，熱源提供的熱量大部分用于提升農(nóng)產(chǎn)品的溫度，少部分熱量用于農(nóng)產(chǎn)品的水分蒸發(fā)。當(dāng)物料溫度升高至干燥介質(zhì)濕球溫度時，物料溫度保持不變，單位時間內(nèi)物料的脫水量將保持不變，即物料的干燥速率沒有改變，此過程為等速階段。農(nóng)產(chǎn)品物料中的水分含量減少到介質(zhì)水分含量時，其表面上的水蒸汽分壓就會降低，農(nóng)產(chǎn)品表面與干燥介質(zhì)的水蒸氣分壓力差降低，從而農(nóng)產(chǎn)品的平均干燥速率減慢，農(nóng)產(chǎn)品的溫度逐漸上升，干燥過程進(jìn)入降速干燥階段。

2 網(wǎng)帶式干燥機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 網(wǎng)帶式干燥機(jī)結(jié)構(gòu)特征

本文以5GDC-IV80 型網(wǎng)帶式果蔬干燥機(jī)作為研究對象。該網(wǎng)帶式干燥機(jī)由干燥箱、網(wǎng)帶傳動系統(tǒng)、送風(fēng)管、排濕管、熱泵、回風(fēng)口、送風(fēng)機(jī)、上料斗、均料器、混風(fēng)室、風(fēng)室隔板、新風(fēng)管、回風(fēng)管、送風(fēng)室、排料傳動系統(tǒng)組成[3]。網(wǎng)帶式果蔬干燥機(jī)三維結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 5GDC-IV80型網(wǎng)帶式果蔬干燥機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 干燥控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

設(shè)計的果蔬農(nóng)產(chǎn)品干燥控制系統(tǒng)包括PLC 主控制器、HMI、傳感器、供熱熱泵、變頻器、排濕風(fēng)機(jī)、網(wǎng)帶電機(jī)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥、上下料光電開關(guān)、安全報警系統(tǒng)等部件組成，該控制系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計的控制系統(tǒng)輸入端具有各種傳感器采集干燥過程中的信息，如：環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、干燥介質(zhì)溫度、干燥介質(zhì)濕度、干燥介質(zhì)熱風(fēng)風(fēng)速以及檢測物料位置光電開關(guān)信號。系統(tǒng)的輸出部件包括各熱泵、循環(huán)風(fēng)機(jī)、排濕風(fēng)機(jī)、網(wǎng)帶電機(jī)的控制和安全警報系統(tǒng)等組成。

2.3 主要元器件選型

果蔬干燥工作環(huán)境復(fù)雜多變，故選用的控制器需具備較好的穩(wěn)定性和抗干擾能力，綜合以上因素，主控制器選用三菱FX2N-48MT 晶體管型PLC。果蔬農(nóng)產(chǎn)品干燥溫度的采集需要用到PT100 溫度傳感器輸入模塊。選用FX2N-4AD-TC溫度采集特殊模塊，該模塊將4路模擬量輸入信號轉(zhuǎn)化為12 位的數(shù)字量信號，并將這個信號值輸入到PLC緩沖存儲器中，可以同時采集4路溫度模擬量。干燥過程環(huán)境中的濕度模擬量采集選用FX2N-4AD模塊，該模塊為模擬量輸入模塊，有CH1～CH4 四個通道，每個通道都可以進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。干燥控制系統(tǒng)中的熱風(fēng)風(fēng)速模擬量采集通過風(fēng)速傳感器與Modbus RTU 通訊協(xié)議連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和處理。選用FX2N-485-BD 通訊板對主控制器與傳感器設(shè)備進(jìn)行RS485 通訊，將箱內(nèi)的熱風(fēng)風(fēng)速數(shù)據(jù)傳送給RS485 總線。網(wǎng)帶傳送電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，采用FX2N-4DA 模擬量輸出模塊，該模塊把PLC 中的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，將12 位數(shù)字量轉(zhuǎn)化成4 路模擬量輸出，輸出的模擬量信號傳送給變頻器，從而實現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速。干燥箱內(nèi)熱風(fēng)溫度調(diào)節(jié)通過控制熱泵壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到變溫設(shè)置要求，熱泵壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的控制同樣通過FX2N-4DA 模擬量輸出模塊控制變頻器實現(xiàn)。主控制器和擴(kuò)展模塊主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 主控制器和擴(kuò)展模塊主要性能參數(shù)

3 網(wǎng)帶式干燥機(jī)模糊PID結(jié)構(gòu)設(shè)計

果蔬農(nóng)產(chǎn)品干燥是一個具有非線性、滯后性、多干擾和時變性的過程[4-9]。此外，由于網(wǎng)帶轉(zhuǎn)速運行狀態(tài)的變化、農(nóng)產(chǎn)品物料含水率不同、外界溫濕度的變化以及熱泵工作狀態(tài)的不穩(wěn)定，使得傳統(tǒng)PID 控制難以實現(xiàn)對滯后性、多干擾的干燥過程進(jìn)行穩(wěn)定控制。模糊PID 將模糊控制與常規(guī)PID 控制方法相結(jié)合，形成專門用于溫度等大滯后系統(tǒng)模糊PID 控制的方法，使用在滯后性、多干擾的控制系統(tǒng)中，具有更好的魯棒性。因此，在PLC 控制器中選用模糊PID 控制算法可達(dá)到更好的控制效果，并且相較于其他控制理論，在PLC控制算法編程上更容易應(yīng)用和實現(xiàn)。

模糊PID 控制器分為一維、二維、三維模糊控制結(jié)構(gòu)，針對本文的干燥熱風(fēng)溫度控制選用二維模糊控制結(jié)構(gòu)，其控制效果較好。本文熱風(fēng)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計思想是通過對干燥箱內(nèi)熱風(fēng)溫度測量結(jié)果與設(shè)定的目標(biāo)熱風(fēng)溫度進(jìn)行對比，將熱風(fēng)溫度誤差e和熱風(fēng)溫度誤差速變化率ec作為模糊控制器的輸入變量，將經(jīng)模糊推理運算得到的修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd作為輸出結(jié)果。將運算得到的三個修正量參數(shù)帶入模糊PID 控制器參數(shù)計算表達(dá)式，計算出整定后的常規(guī)PID 控制器參數(shù)Kp、Ki、Kd，此時就完成了對常規(guī)PID 控制參數(shù)Kp、Ki、Kd的整定工作。本文設(shè)計的模糊PID控制器，通過溫度傳感器反饋干燥箱內(nèi)熱風(fēng)溫度的變化，PLC 控制器發(fā)出指令實時調(diào)整熱泵壓縮機(jī)工作狀態(tài)，從而穩(wěn)定地、快速地控制干燥熱風(fēng)溫度，保證農(nóng)產(chǎn)品干燥品質(zhì)，提高干燥機(jī)控制性能。熱風(fēng)溫度控制模糊PID 控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 熱風(fēng)溫度控制模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖

4 網(wǎng)帶式干燥機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計總框架

本文使用三菱FX2N系列PLC 作為主控制器，GX Works 軟件設(shè)計主程序，程序設(shè)計語言采用簡潔易懂的梯形圖，并采用模塊化的設(shè)計思路，程序設(shè)計包括溫度程序采集模塊、濕度程序采集模塊、風(fēng)速程序采集模塊、循環(huán)風(fēng)機(jī)控制程序設(shè)計模塊以及熱泵供熱控制程序設(shè)計模塊?？刂乒裼|摸屏界面設(shè)計采用昆侖通態(tài)TPC7062Ti觸摸屏，并搭配MCGSE 組態(tài)軟件進(jìn)行操作界面的編程。網(wǎng)帶式干燥機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計總框架如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計總框架圖

4.2 PLC傳感器數(shù)據(jù)采集控制程序設(shè)計

PLC 的工作方式是按順序?qū)Τ绦蜻M(jìn)行掃描，即從左到右、從上到下地掃描每一條指令[10]。掃描所有用戶程序過后，如溫度采集程序、濕度采集程序、風(fēng)速采集程序、各運動部件控制程序等，PLC 將這些程序信息輸入到映像寄存器中進(jìn)行數(shù)據(jù)的運算，并將映像寄存器中的信息內(nèi)容傳輸?shù)郊拇孑敵鰻顟B(tài)的輸出鎖存器中，最終驅(qū)動各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本文的5GDC-IV80 型網(wǎng)帶式果蔬干燥機(jī)工作控制系統(tǒng)程序設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 干燥機(jī)工作程序流程圖

4.2.1 溫度程序采集模塊

溫度模塊需要采集環(huán)境溫度、網(wǎng)帶上層溫度、網(wǎng)帶中間溫度、網(wǎng)帶下層溫度。其中，干燥箱內(nèi)溫度變化直接影響果蔬農(nóng)產(chǎn)品干燥品質(zhì)，箱內(nèi)熱風(fēng)溫度的精確檢測非常重要。傳輸網(wǎng)帶上中下每層的溫度不同，故需要將每層檢測的熱風(fēng)溫度求平均值以反映真實的干燥溫度，將求得的平均溫度值作為調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度的反饋信息，實現(xiàn)干燥過程溫度的閉環(huán)控制。

4.2.2 濕度程序采集模塊

干燥過程濕度的采集選用FX2N-4AD 模塊，濕度傳感器FG6010A 將采集的濕度模擬量信號由該模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號傳輸給PLC 控制單元，并通過觸摸屏顯示環(huán)境濕度和干燥箱內(nèi)濕度。

4.2.3 風(fēng)速程序采集模塊

熱風(fēng)風(fēng)速信息采集通過模擬量數(shù)據(jù)采集模塊BSRAD20B與風(fēng)速傳感器連接，模擬量采集模塊RS485接口與FX2N-485-BD 通訊板連接，實現(xiàn)風(fēng)速傳感器與PLC 進(jìn)行RS485 通訊，通訊協(xié)議采用Modus RTU。模擬量數(shù)據(jù)采集模塊與PLC進(jìn)行RS485通訊的關(guān)鍵是設(shè)置通訊格式以及設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的參數(shù)，風(fēng)速傳感器采集通訊程序設(shè)計如圖6所示，熱風(fēng)溫度模糊PID控制算法程序設(shè)計如圖7所示。

圖6 風(fēng)速傳感器采集通訊程序流程圖

圖7 熱風(fēng)溫度模糊PID控制算法程序設(shè)計流程圖

4.3 干燥機(jī)熱泵溫度控制程序模塊

通過溫度傳感器采集值實時傳送給PLC，同預(yù)設(shè)溫度值進(jìn)行比較，通過模糊PID 控制程序計算出控制變頻器輸出頻率從而控制熱泵壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到熱風(fēng)溫度控制要求。

4.4 觸摸屏界面設(shè)計

本設(shè)計觸摸屏采用昆侖通態(tài)TPC7062Ti觸摸屏，網(wǎng)帶式干燥機(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面設(shè)計采用MCGSE組態(tài)軟件。

主控制界面內(nèi)容主要是對干燥過程中傳感器采集到的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和顯示，界面左側(cè)分別顯示干燥溫濕度、環(huán)境溫濕度以及風(fēng)速，左下方按鈕用于設(shè)備一鍵啟動、自動模式切換和緊急停止，界面右側(cè)兩個曲線圖用于實時顯示干燥過程溫濕度的變化情況，右下方按鍵用于控制界面跳轉(zhuǎn)和干燥熱風(fēng)溫度異常報警提醒。如圖8所示。

圖8 主控制界面窗口

參數(shù)設(shè)定控制界面主要用于熱泵溫度模糊PID 控制參數(shù)初始值的設(shè)定、目標(biāo)溫濕度值設(shè)定和熱風(fēng)風(fēng)速設(shè)定等。參數(shù)設(shè)定控制界面窗口如圖9所示。

圖9 參數(shù)設(shè)定控制界面窗口

5 結(jié)語

針對目前網(wǎng)帶式果蔬干燥機(jī)控制系統(tǒng)存在的問題分析，以5GDC-IV80 型網(wǎng)帶式果蔬干燥機(jī)作為研究控制對象，結(jié)合果蔬農(nóng)產(chǎn)品干燥過程理論，基于模糊PID 控制算法和在線監(jiān)控技術(shù)，對網(wǎng)帶式干燥機(jī)控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計，并塔建電氣控制柜和模糊PID 控制算法模型對干燥機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和改進(jìn)，最終開發(fā)出一套果蔬農(nóng)產(chǎn)品干燥智能控制系統(tǒng)。

本文設(shè)計的模糊PID 控制器在三菱PLC 中的PID 控制器基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，其控制精度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性得到了明顯的提升，其控制模型體現(xiàn)出模糊PID 控制器的優(yōu)越性。本文設(shè)計的網(wǎng)帶式果蔬干燥機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)試驗調(diào)試后，可以投入多物料廣兼容的農(nóng)產(chǎn)品干燥生產(chǎn)使用。