油茶籽干燥機自控系統(tǒng)的設(shè)計

呂文兵，邢宏根，宋 濤，2，鄧 陽

（1.湖北大學知行學院 機械與自動化學院，武漢 430011；2.武漢大學 動力與機械學院，武漢 430072；3.武漢國興宏大機械有限公司，武漢 430407）

0 引言

油茶籽干燥機是一種網(wǎng)帶式干燥機［1-3］。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，基于控制理論的糧食干燥過程自動化已經(jīng)是農(nóng)業(yè)機械自動化發(fā)展的必然趨勢［4-7］。

新鮮油茶籽的干燥質(zhì)量直接影響出油率和后續(xù)加工工序，而干燥機可保證其殘留水分符合要求［8-9］。傳統(tǒng)干燥機需要人工監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，對人員素質(zhì)和設(shè)備穩(wěn)定性都有著較高的要求［10］。自控系統(tǒng)的開發(fā)對提高人力效率和保障設(shè)備安全都起著重要的作用。在總結(jié)油茶籽干燥機設(shè)備使用經(jīng)驗后，發(fā)現(xiàn)干燥機自控系統(tǒng)存在以下方面問題：一是在某些情況下干燥機轉(zhuǎn)軸停轉(zhuǎn)而進料設(shè)備不停轉(zhuǎn)，干燥機物料“只進不出”，造成設(shè)備損壞；二是干燥機通過軸驅(qū)動，主動軸和被動軸通過鏈條連接來帶動網(wǎng)帶轉(zhuǎn)動，在設(shè)備長期工作中易出現(xiàn)傳動鏈條張緊不足，使鏈條脫離鏈輪齒的情況，進而導致物料傳輸受阻，引發(fā)設(shè)備故障；三是干燥機的工作溫度不滿足穩(wěn)定控制在80 ℃左右的要求［11］。

針對上述3個問題，設(shè)計一套基于Python語言的油茶籽干燥機的自控系統(tǒng)。通過工控機控制各個模塊，自控系統(tǒng)實現(xiàn)對干燥機關(guān)鍵軸的轉(zhuǎn)速監(jiān)測、張緊輪的位移監(jiān)測和機器內(nèi)部溫度的閉環(huán)調(diào)控。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)由工控機、轉(zhuǎn)速監(jiān)測模塊、張緊輪位移監(jiān)測模塊和溫度控制模塊組成，如圖1所示。轉(zhuǎn)速監(jiān)測模塊監(jiān)測干燥機5根主動軸的轉(zhuǎn)動情況，轉(zhuǎn)速低于閾值則由工控機控制轉(zhuǎn)速報警器發(fā)出警報，同時在工控機屏幕顯示對應(yīng)的故障轉(zhuǎn)軸。位移監(jiān)測模塊監(jiān)測10個張緊裝置的位移情況，位移超出設(shè)定數(shù)值則判定為松動，由工控機控制位移報警器發(fā)出警報，同時在工控機屏幕顯示對應(yīng)的松動張緊裝置。溫度控制模塊包含在干燥機內(nèi)部3個位置放置的溫度傳感器，溫度傳感器獲取溫度數(shù)值，通過控制器輸出電流控制蒸汽閥開關(guān)大小，實現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制，使得溫度穩(wěn)定在80 ℃左右，溫度傳感器的數(shù)值同時傳輸給工控機，并在顯示屏顯示。

圖1 自控系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of automatic control system

如圖2所示，油茶籽從干燥機頂層的送料口進入到最上層的傳送帶，隨著傳送帶在干燥機內(nèi)部向右緩慢傳送。油茶籽到達傳送帶右端時掉入到下一層，并隨著傳送帶向左緩慢傳送。最終，油茶籽經(jīng)過5層的烘干處理后運出干燥機。

圖2 干燥機結(jié)構(gòu)及傳感器位置圖Fig.2 Diagram of dryer structure and sensor position

1.2 控制原理

1.2.1 工控機控制原理

基于工控機Windows操作系統(tǒng)，利用Python開發(fā)系統(tǒng)控制程序，工控機通過USB接口與傳感器連接。通過獲取傳感器數(shù)據(jù)，自控系統(tǒng)設(shè)定控制算法，依據(jù)算法結(jié)果控制報警器的工作以及在界面顯示數(shù)據(jù)。

1.2.2 溫度控制原理

溫度控制部分由電源、空氣開關(guān)、溫控儀表、交流接觸器、蒸汽閥和溫度傳感器組成。溫度傳感器與溫控儀表相連并由其供電。溫度傳感器實時測量干燥機內(nèi)腔溫度，并將溫度轉(zhuǎn)換為對應(yīng)數(shù)值，輸出到溫控儀表中。空氣開關(guān)用于電路保護。交流接觸器將從溫控儀表處接收到的電信號轉(zhuǎn)換為開關(guān)量信號。高、低溫蒸汽分別由高、低溫蒸汽閥進入干燥機內(nèi)部以實現(xiàn)加熱。低溫蒸汽閥一直處于開啟狀態(tài)。高溫蒸汽閥、交流接觸器的開關(guān)和220 V電源組成串聯(lián)回路。高溫蒸汽閥通電時，高溫蒸汽閥內(nèi)部的執(zhí)行機構(gòu)使開關(guān)打開。高溫蒸汽閥開關(guān)在干燥機溫度超過最大溫度值時關(guān)閉，降低烘干溫度；在低于最小溫度值時開啟，升高烘干溫度。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 工控機模塊

如圖3所示，工控機模塊使用i3處理器、4G內(nèi)存、128G硬盤、觸摸屏、Win10操作系統(tǒng)，并可擴展10個USB接口。工控機與各模塊通過USB轉(zhuǎn)RS485接口連接。工控機的控制程序用Python編寫［12］，程序邏輯清晰，編程效率高。

圖3 工控機模塊示意圖Fig.3 Schematic diagram of industrial computer module

圖4 張緊裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Schematic diagram of tension device structure

2.2 轉(zhuǎn)速監(jiān)測模塊

轉(zhuǎn)速監(jiān)測模塊由5個高精度轉(zhuǎn)速傳感器組成。速度傳感器通過銷孔連接到5根主動軸，測量主動軸的轉(zhuǎn)速，用于監(jiān)測轉(zhuǎn)速過低的異常狀況以便及時停機，避免傳動帶因各處速度不一致，導致被撕裂。由于干燥機正常工作時轉(zhuǎn)速很低（約0.1～0.3 r/min），對傳感器的線性度、精度和穩(wěn)定性要求很高。選用傳感器的線性度為0.1%、角度精度為±0.01°、角度穩(wěn)定性為±0.01°、數(shù)據(jù)接口為RS485接口。工控機接收轉(zhuǎn)速傳感器信號，由控制程序讀取數(shù)據(jù)后判定轉(zhuǎn)軸狀態(tài)，并在工控機屏幕上顯示結(jié)果。由于轉(zhuǎn)速傳感器的精度高，為了防止由于振動等原因?qū)е碌男盘柛蓴_，轉(zhuǎn)速監(jiān)測模塊設(shè)定的閾值為0.05 r/min，低于閾值則判定為停轉(zhuǎn)?？刂瞥绦蚺卸ㄞD(zhuǎn)軸停轉(zhuǎn)后，向轉(zhuǎn)速報警器傳輸特定指令，使報警器發(fā)出警報，程序界面顯示對應(yīng)停轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸號。油茶籽堆放在網(wǎng)帶上并被輸送到干燥機內(nèi)部烘干，而傳送帶所需驅(qū)動功率大且烘干時間長，因此在干燥機兩端共安裝2個電機帶動5根主動軸（主動軸與電機通過傳動鏈條相連）以驅(qū)動網(wǎng)帶，并在主動軸對側(cè)安裝5個從動軸。

在干燥機啟動期間，若有1臺電機出現(xiàn)動力故障，則會導致傳送帶被拉裂，從而造成設(shè)備損壞，引發(fā)生產(chǎn)停產(chǎn)，導致重大經(jīng)濟損失。因此，識別電機動力故障并及時停機維護修理可以保護設(shè)備并挽回經(jīng)濟損失。5個轉(zhuǎn)速傳感器檢測端分別與5個主動軸相連，轉(zhuǎn)速傳感器的另一端通過數(shù)據(jù)線與工控機相連，每根數(shù)據(jù)線由5根信號線組成。速度傳感器實時檢測5個電機主動軸的轉(zhuǎn)速，并在任意一個轉(zhuǎn)速傳感器監(jiān)測到的轉(zhuǎn)速過低時啟動報警。

在實際生產(chǎn)中，速度傳感器存在USB接口松脫或信號線接線松脫問題。為了避免此類問題，在速度傳感器串口或接線故障發(fā)生時，干燥機電機速度自控程序顯示故障狀態(tài)，但不觸發(fā)報警裝置。

2.3 位移監(jiān)測模塊

位移監(jiān)測模塊由10個位移傳感器（接近開關(guān)）組成，用于預警軸松脫狀況。干燥機張緊裝置安裝在主、從動軸處。位移傳感器固定在機架上，其接近開關(guān)與張緊裝置的螺栓桿左側(cè)保留10 mm間隙。選用的位移傳感器靈敏度高，金屬感應(yīng)、檢測距離為10 mm。如果張緊裝置位移超過5 mm，螺栓桿頭的位置接近信號被位移傳感器檢測到，由開關(guān)量繼電器轉(zhuǎn)RS485標準信號后傳輸?shù)焦た貦C接口。工控機接收1個位移傳感器信號后，使位移報警器發(fā)出警報，同時在程序界面顯示對應(yīng)報警的張緊裝置。

2.4 溫度控制模塊

溫度控制模塊由3個USB溫度傳感器、1個繼電控制器、1個tply溫控儀表、1個PT100熱電溫度傳感器和2個高、低溫蒸汽閥等組成。溫度傳感器測溫范圍為-55～+125 ℃，精度為±0.5 ℃。蒸汽閥開關(guān)由電流大小控制。PT100熱電阻的測溫范圍為-50～+200 ℃，精度為±0.15 ℃。

80 ℃的干燥溫度可保證新鮮油茶籽達到殘留水分要求。干燥機要求內(nèi)部各處溫度在（80±5）℃，而較少的溫度檢測點難以保證溫度均勻性，因此溫度控制精度設(shè)置為±0.5 ℃。當干燥機內(nèi)部溫度低于79.5 ℃時，溫控儀表輸出24 V高電平到交流接觸器，交流接觸器常開開關(guān)閉合，高溫蒸汽閥得電，高溫蒸汽進入干燥機；當溫度高于80.5 ℃時，溫控儀表輸出0 V低電平，高溫蒸汽停止進入干燥機。

3 油茶籽干燥機自控系統(tǒng)程序設(shè)計

3.1 干燥機自控系統(tǒng)程序概述

干燥機自控系統(tǒng)的軟件包括Win 7操作系統(tǒng)和PyCharm的程序。利用Pyinstaller模塊、程序圖標圖片和Python編程代碼，生成“干燥機自控程序”的可執(zhí)行文件，軟件程序界面如圖5所示。

圖5 干燥機自控程序界面圖Fig.5 Diagram of dryer automatic control program interface

3.2 干燥機溫度自控程序

干燥機自控程序在圖形界面上顯示采樣點溫度，其調(diào)用3個溫度傳感器。工控機對溫度傳感器發(fā)出指令，溫度傳感器接收指令并返回字符串，程序?qū)ψ址M行“utf-8”解碼，提取信息得到溫度值，3處采樣點的溫度值分別顯示在采樣點下方的輸入框中，顯示精度達到0.01 ℃。

3.3 干燥機主動軸轉(zhuǎn)速監(jiān)測程序

主動軸轉(zhuǎn)速監(jiān)測程序流程如圖6所示。

圖6 干燥機主動軸轉(zhuǎn)速監(jiān)測程序流程圖Fig.6 Flow chart of dryer driving shaft speed monitoring program

干燥機自控程序在圖形界面上顯示轉(zhuǎn)軸運行狀態(tài)、電機串口狀態(tài)和主動軸轉(zhuǎn)速狀態(tài)，同時添加報警解除和啟動按鈕。電機速度自控程序調(diào)用5個速度傳感器和1個報警燈。工控機對速度傳感器發(fā)出指令，速度傳感器接收指令并返回數(shù)值，程序?qū)υ摂?shù)值轉(zhuǎn)換處理得到速度值，并根據(jù)反饋情況判斷電機串口故障、轉(zhuǎn)速過低情況。若電機運行不正常，則根據(jù)故障情況將轉(zhuǎn)速傳感器的地址編號分別顯示在“電機串口故障”或“串口正常但停轉(zhuǎn)的電機”右邊的輸入框中。

3.4 位移傳感器監(jiān)測系統(tǒng)

位移傳感器監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測10個張緊裝置的松動情況，10個位移傳感器在系統(tǒng)軟件中被分別編號為D01-D10。若某一個或者幾個位移傳感器檢測到接近信號，軟件界面對應(yīng)編號的信號指示變紅，同時控制報警器發(fā)出警報，直到手動消除報警或者接近信號消失。啟動位移控制系統(tǒng)程序，打開端口，即可利用位移傳感器的霍爾效應(yīng)檢測微小位移變化。

4 結(jié)語

設(shè)計開發(fā)一套集成溫度控制、位移控制、轉(zhuǎn)軸速度檢測和報警顯示的油茶籽干燥機自控系統(tǒng)。利用溫度傳感器檢測到的數(shù)據(jù)控制高溫蒸汽閥的啟閉，并將溫度值顯示在工控屏上，實際溫度被控制在（80±0.5）℃。利用位移傳感器檢測到螺栓位移變化并報警提醒轉(zhuǎn)軸松脫，在螺栓位移超過5 mm時，提醒緊固螺栓，干燥機設(shè)備得到保護。利用速度傳感器測量電機軸轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速低于0.05 r/min時停機報警，干燥機網(wǎng)帶避免被損壞。干燥機主動軸轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)對接線錯誤或松脫等具有良好的容錯性，現(xiàn)場維護方便，且不干擾生產(chǎn)?，F(xiàn)場應(yīng)用效果良好，提升了油茶籽干燥機設(shè)備智能化、自動化程度，解決了干燥機設(shè)備監(jiān)測缺乏和維護效果不佳的問題。