種子干燥單元模塊化智能控制設(shè)計(jì)

摘要：目前，隨著電子信息技術(shù)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)快速發(fā)展，可編程控制器（PLC）在生活生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的種子干燥環(huán)節(jié)中，起到至關(guān)重要的作用，逐漸成為現(xiàn)代自動(dòng)化控制系統(tǒng)的重要組成部分。提高種子干燥機(jī)的工作效率是保證種子科研院所培育高質(zhì)量種子所需的重要保障。在干燥領(lǐng)域可通過模塊化進(jìn)行種子干燥提高工作效率，因此本文介紹一種由可編程控制器（PLC）、觸摸屏、執(zhí)行器、傳感器配合使用，實(shí)現(xiàn)種子干燥的設(shè)備自動(dòng)控制方案?？刂品桨傅膽?yīng)用對(duì)干燥領(lǐng)域的發(fā)展和農(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)代化進(jìn)程的發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：可編程控制器（PLC）；種子干燥；模塊化

種子是有生命體征的有機(jī)體，會(huì)呼吸，能新陳代謝，有生長(zhǎng)和死亡的過程[1]。水分是種子生存的必需品，但在種子貯存時(shí)含水量過高也會(huì)破壞其安全貯存環(huán)境。谷物干燥是指利用熱能將谷物中的水分或其他溶劑去除的過程，最終收獲固體成品的技術(shù)[2]。培育優(yōu)質(zhì)的種子是我國固定面積糧食產(chǎn)量高的重要保障。種子科研機(jī)構(gòu)通常需要多品種種子一起培育種植，進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，如果多機(jī)器干燥需輪流檢查，耗費(fèi)精力。本文所述的種子干燥單元模塊通過組合可以使多個(gè)品種的種子共用熱源、分室干燥，既節(jié)省熱源又提高效率。

1 種子干燥機(jī)控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，種子干燥技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于玉米、大豆、水稻等糧食作物，干燥環(huán)節(jié)對(duì)于種子的質(zhì)量有著密切的影響。從20世紀(jì)80年代開始，我國引進(jìn)外國的種子干燥技術(shù)，研究其設(shè)備的精髓，去除其弊端，設(shè)計(jì)出適合我國農(nóng)業(yè)的種子干燥機(jī)。目前我國已經(jīng)先后成立了幾十家種子干燥機(jī)企業(yè)。其中代表企業(yè)有酒泉奧凱種子機(jī)械股份有限公司、江蘇十方農(nóng)業(yè)設(shè)備有限公司、安徽辰宇機(jī)械科技有限公司等。從國外來看，丹麥、美國等國家的種子干燥技術(shù)相對(duì)先進(jìn)。目前種子干燥技術(shù)逐漸向智能化、高效化、便捷化方向發(fā)展[3]。

2 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 控制系統(tǒng)主要功能

種子干燥單元控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）種

子干燥單元執(zhí)行機(jī)構(gòu)由觸摸屏控制；（2）種子干燥結(jié)束自動(dòng)停機(jī)；（3）種子干燥單元風(fēng)機(jī)過熱時(shí)具有報(bào)警功能；（4）在惡劣環(huán)境下保證生產(chǎn)能力[4]。

2.2 控制系統(tǒng)的組成

以5HDM-50設(shè)備為例，自動(dòng)控制系統(tǒng)采用昆侖通態(tài)觸摸屏（TPC7032KT）作為上位機(jī)，可編程邏輯控制器DVP12SE11R（PLC）作為信號(hào)傳遞系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集模塊（DVP-04AD-S）讀取溫濕度傳感器（RS-WS-120-2）采集的設(shè)備內(nèi)部溫濕度的信息。

2.3 種子干燥單元主要參數(shù)

以5HDM-50設(shè)備為例，種子干燥單元需要達(dá)到的指標(biāo)如表1所示。

3 硬件的選型

3.1 硬件選型的要求

種子烘干機(jī)的硬件選型直接影響設(shè)備的經(jīng)濟(jì)成本、工作年限、傳輸效率。因此選型需要結(jié)合經(jīng)濟(jì)、壽命、效率等多方面因素進(jìn)行選擇。

3.2 硬件型號(hào)選擇

觸摸屏選擇昆侖通態(tài)觸摸屏（TPC7032KT）帶有RS485標(biāo)準(zhǔn)和LAN作為通信接口；可編程控制器（PLC）選擇臺(tái)灣臺(tái)達(dá)公司的DVP12SE11R，有3個(gè)開關(guān)量的輸入和8個(gè)開關(guān)量的輸出，因需要控制的部件較多，需擴(kuò)展一個(gè)開關(guān)量輸出模塊DVP08SN11R；設(shè)備內(nèi)部溫濕度傳感器RS-WS-120-2輸出量為4-20ma型故選擇DVP-04AD-S為配套數(shù)據(jù)采集模塊[5]。

4 雙向通風(fēng)工作原理

干燥倉是整臺(tái)設(shè)備的核心，進(jìn)風(fēng)口處有上下兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口，出風(fēng)口處有上下兩出風(fēng)口，進(jìn)出風(fēng)口呈上下對(duì)稱排布，通過對(duì)進(jìn)出口風(fēng)門的開啟和關(guān)閉，可以改變熱風(fēng)在設(shè)備內(nèi)部的走向。雙向干燥可以提高降水速率，保證干燥均勻。風(fēng)門及風(fēng)向如圖1所示。

4.1 風(fēng)門狀態(tài)設(shè)置

在傳統(tǒng)操作模式中，各風(fēng)門需手動(dòng)進(jìn)行開啟或關(guān)閉，開啟或關(guān)閉前還需關(guān)閉風(fēng)機(jī)或減小風(fēng)量，耗費(fèi)人員精力，為此可利用可編程控制器（PLC）控制設(shè)備，進(jìn)出風(fēng)口用執(zhí)行元器件代替人力操作。

正常全自動(dòng)狀態(tài)下僅需要設(shè)置各風(fēng)門固定的開始和關(guān)閉時(shí)間即可完成，但是本設(shè)備包含手動(dòng)操作，在手動(dòng)操作下改變各風(fēng)門狀態(tài)后，自動(dòng)狀態(tài)根據(jù)簡(jiǎn)單的設(shè)置開啟關(guān)閉無法完成各風(fēng)門在干燥時(shí)的開閉操作，因此需要在編程過程中設(shè)置各風(fēng)門狀態(tài)，在手/自動(dòng)狀態(tài)下改變風(fēng)門狀態(tài)時(shí)，程序內(nèi)可以一同改變。在自動(dòng)干燥狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)開啟前應(yīng)檢測(cè)各風(fēng)門狀態(tài)，風(fēng)門狀態(tài)錯(cuò)誤的，先改變其狀態(tài)，所有風(fēng)門狀態(tài)正確后開始干燥。

在圖1中①～④代表風(fēng)門，A、B代表風(fēng)向，A、B進(jìn)風(fēng)口處連接風(fēng)機(jī)，負(fù)壓吸入熱風(fēng)，正壓推入干燥室。①、③風(fēng)門開啟，②、④風(fēng)門關(guān)閉，熱風(fēng)由A風(fēng)向流動(dòng)；②、④風(fēng)門開啟，①、③風(fēng)門關(guān)閉，熱風(fēng)由B風(fēng)向流動(dòng)。

啟動(dòng)時(shí)，S20置位，利用M33的一次脈沖，檢測(cè)當(dāng)前各風(fēng)門當(dāng)前狀態(tài)。以①號(hào)風(fēng)門為例，開啟狀態(tài)為置位，關(guān)閉狀態(tài)為復(fù)位，自動(dòng)程序內(nèi)運(yùn)行時(shí)，①號(hào)風(fēng)門先開啟，如果①號(hào)風(fēng)門為關(guān)閉狀態(tài)，則M33信號(hào)脈沖一次后，M100線圈自鎖，Y20為風(fēng)門執(zhí)行器開啟信號(hào)，M100線圈自鎖后①號(hào)風(fēng)門開始開啟；M1013時(shí)鐘脈沖為1s脈沖，計(jì)數(shù)器C10為①號(hào)風(fēng)門全部開啟時(shí)間，M1013上升沿脈沖次數(shù)達(dá)到計(jì)數(shù)器C10觸發(fā)條件后，

①號(hào)風(fēng)門開啟，狀態(tài)變?yōu)橹梦?。③?hào)風(fēng)門與①號(hào)風(fēng)門原理一致。

以②號(hào)風(fēng)門為例，開啟狀態(tài)為置位，關(guān)閉狀態(tài)為復(fù)位，自動(dòng)程序內(nèi)運(yùn)行時(shí)，②號(hào)風(fēng)門先關(guān)閉，如果②號(hào)風(fēng)門為開啟狀態(tài)，則M33信號(hào)脈沖一次后，M106線圈自鎖，Y23為②號(hào)風(fēng)門執(zhí)行器關(guān)閉信號(hào)，M106線圈自鎖后②號(hào)風(fēng)門開始關(guān)閉；M1013時(shí)鐘脈沖為1s脈沖，計(jì)數(shù)器C11為②號(hào)風(fēng)門全部關(guān)閉時(shí)間，M1013上升沿脈沖次數(shù)達(dá)到計(jì)數(shù)器C11觸發(fā)條件后，②號(hào)風(fēng)門關(guān)閉，狀態(tài)變?yōu)閺?fù)位，④號(hào)風(fēng)門與②號(hào)風(fēng)門原理一致。各風(fēng)門狀態(tài)正確后，置位S21，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，開始干燥。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào)如圖2所示，①號(hào)風(fēng)門狀態(tài)設(shè)置如圖3所示，②號(hào)風(fēng)門狀態(tài)設(shè)置如圖4所示。

4.2 風(fēng)門保護(hù)設(shè)置

風(fēng)門運(yùn)行利用脈沖信號(hào)（M1013）計(jì)次運(yùn)行，將當(dāng)前運(yùn)行次數(shù)利用運(yùn)行監(jiān)視常開接點(diǎn)（M1000）實(shí)時(shí)傳入寄存器寄存，風(fēng)門運(yùn)行時(shí)遇到特殊狀況時(shí)，如停電等，風(fēng)門停止運(yùn)行，再次運(yùn)行時(shí)利用正向運(yùn)行脈沖一次（M1002），將寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)數(shù)器內(nèi)，完成剩余風(fēng)門開閉動(dòng)作。

4.3 自動(dòng)變換風(fēng)向設(shè)置

自動(dòng)換向干燥時(shí)間可以根據(jù)干燥需求在觸摸屏上手動(dòng)輸入，輸入換向時(shí)間后，依據(jù)輸入數(shù)據(jù)固定時(shí)間換向一次。

以A風(fēng)向換B風(fēng)向?yàn)槔?，A風(fēng)向狀態(tài)為①、③風(fēng)門開啟，②、④風(fēng)門關(guān)閉。換向計(jì)時(shí)為在自動(dòng)狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)中，①、③風(fēng)門開啟，②、④風(fēng)門關(guān)閉，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)設(shè)定時(shí)間達(dá)到后，首先會(huì)向風(fēng)機(jī)發(fā)射停止信號(hào)，風(fēng)機(jī)完全停止后，其次會(huì)向各風(fēng)門發(fā)射檢測(cè)當(dāng)前風(fēng)門狀態(tài)信號(hào)，并將檢測(cè)信號(hào)置位，檢測(cè)信號(hào)程序可以以圖3、圖4為例，檢測(cè)信號(hào)到達(dá)各風(fēng)門后換向開始，①、③風(fēng)門關(guān)閉，②、④風(fēng)門開啟。風(fēng)機(jī)再次啟動(dòng)信號(hào)為，檢測(cè)信號(hào)置位，①、③風(fēng)門為復(fù)位，②、④風(fēng)門為置位，風(fēng)機(jī)再次啟動(dòng)，并復(fù)位檢測(cè)信號(hào)，A風(fēng)向變換為B風(fēng)向。B風(fēng)向變換為A風(fēng)向同理。換向后風(fēng)機(jī)啟動(dòng)程序圖可以以圖2為例。

5 干燥程序結(jié)束

5.1 濕度差結(jié)束

在設(shè)備內(nèi)部上下兩出風(fēng)口處安有溫濕度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)部溫濕度。上下兩傳感器濕度差在設(shè)定濕度差范圍內(nèi)即可停機(jī)，但開始干燥環(huán)節(jié)上下部濕度會(huì)趨于一致，因此在程序內(nèi)設(shè)置上下濕度差保持在設(shè)定濕度差內(nèi)半個(gè)小時(shí)方可停機(jī)。

程序內(nèi)部編寫可利用減法（DSUBR）做上下部濕度差（該差值有正負(fù)之分），觸摸屏設(shè)定濕度差值乘以-1，記錄設(shè)置濕度差的正負(fù)值，比較（DZCP）上下部濕度差值。若上下部濕度差值長(zhǎng)時(shí)間保持在設(shè)定濕度差正負(fù)值范圍內(nèi)，向風(fēng)機(jī)發(fā)射停止信號(hào)，風(fēng)機(jī)停止，烘干結(jié)束。

5.2 總時(shí)間結(jié)束

在干燥過程中為避免熱源失效等各種意外情況，需設(shè)總停機(jī)時(shí)間，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行達(dá)到總時(shí)間后，風(fēng)機(jī)會(huì)停止運(yùn)行，不受濕度差等各種外界因素影響。

程序內(nèi)部編寫：風(fēng)機(jī)啟動(dòng)開始計(jì)時(shí)，利用計(jì)時(shí)器（TMR）及計(jì)數(shù)器（CNT），每60s計(jì)數(shù)一次，風(fēng)向換向、風(fēng)機(jī)停止不計(jì)時(shí)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定烘干總時(shí)間，向風(fēng)機(jī)發(fā)射停止信號(hào)，越過當(dāng)前風(fēng)門運(yùn)行狀態(tài)及風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，程序終止。

5.3 手動(dòng)結(jié)束

無緊急情況需要停機(jī)時(shí)，按動(dòng)“急?！卑粹o會(huì)損傷各電器元部件，因此在觸摸屏運(yùn)行界面設(shè)置“停止”按鈕，停止當(dāng)前風(fēng)門和風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

6 觸摸屏顯示及設(shè)計(jì)

觸摸屏組態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)先確定開機(jī)時(shí)界面，即主窗口，該界面應(yīng)簡(jiǎn)單明了，清楚顯示各執(zhí)行元器件狀態(tài)，其余操作單元窗口縮小化放入主界面內(nèi)。以5HDM-50設(shè)備觸摸屏為例，主界面左側(cè)上方設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)位按鈕，左側(cè)中間設(shè)計(jì)手/自動(dòng)狀態(tài)，以當(dāng)前狀態(tài)覆蓋另一種狀態(tài)顯示，左側(cè)下方設(shè)計(jì)一個(gè)啟動(dòng)和一個(gè)停止按鈕，中間部分為時(shí)間信息，設(shè)計(jì)有干燥總時(shí)間、換向時(shí)間、上下部濕度差及設(shè)定濕度差，各執(zhí)行元器件狀態(tài)顯示在主界面最右側(cè)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，觸摸屏風(fēng)機(jī)位置圖標(biāo)旋轉(zhuǎn)，各風(fēng)門狀態(tài)改變時(shí)，觸摸屏風(fēng)門形狀隨之改變。自動(dòng)控制界面設(shè)計(jì)如圖5所示。手動(dòng)控制界面左側(cè)清楚標(biāo)注出風(fēng)門序號(hào)，風(fēng)門旁設(shè)計(jì)開啟按鈕和關(guān)閉按鈕，開啟按鈕和關(guān)閉按鈕旁分別設(shè)計(jì)一個(gè)狀態(tài)顯示指示燈，顯示當(dāng)前風(fēng)門是開啟狀態(tài)還是關(guān)閉狀態(tài)；風(fēng)機(jī)開啟按鈕和關(guān)閉按鈕與風(fēng)門設(shè)計(jì)位置區(qū)分開，單獨(dú)放置3K6zZ2UmUTj7nwba6+hhLw==，風(fēng)機(jī)狀態(tài)顯示指示燈設(shè)計(jì)為風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)指示燈閃爍，風(fēng)機(jī)停止時(shí)指示燈常滅。在手動(dòng)控制界面左下角設(shè)計(jì)主窗口縮小化和歷史數(shù)據(jù)，手動(dòng)控制界面設(shè)計(jì)如圖6所示[6]。

7 結(jié)論

目前我國干燥小批量種子的干燥機(jī)存在控制系統(tǒng)粗放，自動(dòng)化水平偏低等問題，嚴(yán)重限制了小批量種子干燥機(jī)的干燥效率。本設(shè)計(jì)以可編程控制器（PLC）為核心控制技術(shù)，通過觸摸屏實(shí)時(shí)顯示和自動(dòng)控制，闡述了種子干燥機(jī)風(fēng)門狀態(tài)設(shè)置方式及檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化水平提高途徑，同時(shí)針對(duì)觸摸屏界面設(shè)計(jì)方針提出了建議。設(shè)計(jì)在5HDM-50設(shè)備中已得到應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期控制效果。

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