多物料广兼容网带式干燥机智能控制系统设计.pdf

|四川农业与农机/2023年5期|我国果蔬生产加工规模位居世界首位，果蔬产业是仅次于粮食产业的第二大农业支柱产业1。刚收获的果蔬农产品水分含量高、易损伤、难储藏。农产品干燥可解决上述问题，但果蔬农产品品种多样，其大小、形状均不同，入机干燥的含水量差异非常大，再加上目前常用的网带式干燥机智能化程度低，不能检测机体内干燥温度、湿度和热风风速的变化2，从而导致农产品干燥品质差。本文研究网带式干燥机控制系统软件和硬件的设计，以期提升干燥过程的智能化控制水平，降低果蔬农产品产后干燥加工的损失。1农产品的干燥特性对于刚收获的以果蔬为代表的高湿农产品，可以看作是绝对干物料、液态水、气态水的组成。干燥介质可以看作由干空气和水蒸气组合而成，农产品在干燥介质中自发进行水分迁移过程，直至农产品物料表面的水蒸气压力等于干燥介质中的水蒸气分压，农产品干燥的过程到达平衡含水率，从而结束干燥。在热风的温度、湿度、风速和农产品接触方式保持不变的条件下，干燥可以分为预热、等速、降速三个过程。预热阶段，高湿农产品在热风的作用下温度上升，热源提供的热量大部分用于提升农产品的温度，少部分热量用于农产品的水分蒸发。当物料温度升高至干燥介质湿球温度时，物料温度保持不变，单位时间内物料的脱水量将保持不变，即物料的干燥速率没有改变，此过程为等速阶段。农产品物料中的水分含量减少到介质水分含量时，其表面上的水蒸汽分压就会降低，农产品表面与干燥介质的水蒸气分压力差降低，从而农产品的平均干燥速率减慢，农产品的温度逐渐上升，干燥过程进入降速干燥阶段。2网带式干燥机控制系统硬件设计2.1网带式干燥机结构特征本文以5GDC-IV80型网带式果蔬干燥机作为研究对象。该网带式干燥机由干燥箱、网带传动系统、送风管、排湿管、热泵、回风口、送风机、上料斗、均料器、混风室、风室隔板、新风管、回风管、送风室、排料传动系统组成3。网带式果蔬干燥机三维结构示意图，如图1所示。2.2干燥控制系统硬件设计设计的果蔬农产品干燥控制系统包括PLC主控制器、HMI、传感器、供热热泵、变频器、排湿风机、网带电机、循环风机、风阀、上下料光电开关、安全报警系统等部件组成，该控制系统的框架结构如图2所示。设计的控制系统输入端具有各种传感器采集干燥过程中的信息，如：环境温度、环境湿度、干燥介质温度、干燥介质湿度、干燥介质热风风速以及检测物料位置光电开关信号。系统的输出部件包括各热泵、循环风机、排湿风机、网带电机的控制和安全警报系统等组成。多物料广兼容网带式干燥机智能控制系统设计*张环1，2董霖1，3李平2王爽2曾高升2谭果21.西华大学现代农业装备研究院，四川成都2.西华大学机械工程学院，四川成都3.四川省现代农业装备工程技术研究中心，四川成都摘要：果蔬产后干燥是农产品加工的关键环节。目前，大多采用网带式干燥机，其具有干燥时间短、操作简单的特点，但可加工品种单一，不能自动检测机体内干燥温度、湿度和热风风速。为实现网带式干燥机的一机多用、控制智能、节能环保、产品优质的农产品干燥目标，本文以5GDC-IV80型网带式果蔬干燥机为研究对象，基于三菱PLC开发了一套网带式果蔬干燥机智能控制系统，提升目前网带式果蔬干燥机控制系统的多物料、广兼容、低能耗、高智能的特性。关键词：果蔬农产品干燥；网带式干燥机；智能控制系统；PLC；模糊PID*基金项目：四川省科技厅项目（2023YFG0049，2022YFG0065）；四川省现代农业装备工程技术研究中心课题(XDNY2021-003)。作者简介：张环（1998年-），硕士。研究方向：智能农业装备研究。E-mail：。通讯作者：董霖（1973年-），教授，硕士生导师。研究方向：现代农业装备与智能农机研究。E-mail：。1.干燥箱 2.排湿管 3.网带 4.上料斗 5.均料器 6.排料传送带7.回风管 8.热泵 9.风室隔板 10.热风口 11.网带传送系统图 15GDC-IV80型网带式果蔬干燥机总体结构图22设计试验|四川农业与农机/2023年5期|2.3主要元器件选型果蔬干燥工作环境复杂多变，故选用的控制器需具备较好的稳定性和抗干扰能力，综合以上因素，主控制器选用三菱FX2N-48MT晶体管型PLC。果蔬农产品干燥温度的采集需要用到 PT100 温度传感器输入模块。选用 FX2N-4AD-TC温度采集特殊模块，该模块将4路模拟量输入信号转化为12位的数字量信号，并将这个信号值输入到 PLC缓冲存储器中，可以同时采集4路温度模拟量。干燥过程环境中的湿度模拟量采集选用FX2N-4AD模块，该模块为模拟量输入模块，有CH1CH4四个通道，每个通道都可以进行A/D转换。干燥控制系统中的热风风速模拟量采集通过风速传感器与Modbus RTU通讯协议连接进行数据传送和处理。选用FX2N-485-BD通讯板对主控制器与传感器设备进行RS485通讯，将箱内的热风风速数据传送给RS485总线。网带传送电机转速的控制，采用FX2N-4DA模拟量输出模块，该模块把PLC中的数字量转换为模拟量，将12位数字量转化成4路模拟量输出，输出的模拟量信号传送给变频器，从而实现电机的变频调速。干燥箱内热风温度调节通过控制热泵压缩机的转速达到变温设置要求，热泵压缩机转速的控制同样通过FX2N-4DA模拟量输出模块控制变频器实现。主控制器和扩展模块主要性能参数如表1所示。3网带式干燥机模糊PID结构设计果蔬农产品干燥是一个具有非线性、滞后性、多干扰和时变性的过程4-9。此外，由于网带转速运行状态的变化、农产品物料含水率不同、外界温湿度的变化以及热泵工作状态的不稳定，使得传统PID控制难以实现对滞后性、多干扰的干燥过程进行稳定控制。模糊PID将模糊控制与常规PID控制方法相结合，形成专门用于温度等大滞后系统模糊PID控制的方法，使用在滞后性、多干扰的控制系统中，具有更好的鲁棒性。因此，在 PLC 控制器中选用模糊PID控制算法可达到更好的控制效果，并且相较于其他控制理论，在PLC控制算法编程上更容易应用和实现。模糊PID控制器分为一维、二维、三维模糊控制结构，针对本文的干燥热风温度控制选用二维模糊控制结构，其控制效果较好。本文热风温度控制系统的设计思想是通过对干燥箱内热风温度测量结果与设定的目标热风温度进行对比，将热风温度误差e和热风温度误差速变化率ec作为模糊控制器的输入变量，将经模糊推理运算得到的修正量Kp、Ki、Kd作为输出结果。将运算得到的三个修正量参数带入模糊PID控制器参数计算表达式，计算出整定后的常规 PID 控制器参数 Kp、Ki、Kd，此时就完成了对常规PID控制参数Kp、Ki、Kd的整定工作。本文设计的模糊PID控制器，通过温度传感器反馈干燥箱内热风温度的变化，PLC控制器发出指令实时调整热泵压缩机工作状态，从而稳定地、快速地控制干燥热风温度，保证农产品干燥品质，提高干燥机控制性能。热风温度控制模糊PID控制器结构如图3所示。4网带式干燥机控制系统软件设计4.1控制系统软件程序设计总框架本 文 使 用 三 菱 FX2N系 列 PLC 作 为 主 控 制 器，GXWorks软件设计主程序，程序设计语言采用简洁易懂的梯图 2控制系统结构图参数类别尺寸（mmmmmm）重量（kg）功耗（W）输入电压（V）I/O模块扩展输入输出IO点数主控制器PLCFX2N-48MT18290870.8530.0 WAC 220 V8个24/24温度采集模块FX2N-4AD-TC4390870.33.8 WDC 24 V-4/0模拟量输入模块FX2N-4AD4390870.33.8WDC 24 V-4/0模拟量输出模块FX2N-4DA4390870.33.8 WDC 24 V-0/4表 1主控制器和扩展模块主要性能参数图 3热风温度控制模糊PID控制器结构图23|四川农业与农机/2023年5期|形图，并采用模块化的设计思路，程序设计包括温度程序采集模块、湿度程序采集模块、风速程序采集模块、循环风机控制程序设计模块以及热泵供热控制程序设计模块。控制柜触摸屏界面设计采用昆仑通态TPC7062Ti触摸屏，并搭配MCGSE组态软件进行操作界面的编程。网带式干燥机控制系统软件设计总框架如图4所示。4.2PLC传感器数据采集控制程序设计PLC的工作方式是按顺序对程序进行扫描，即从左到右、从上到下地扫描每一条指令10。扫描所有用户程序过后，如温度采集程序、湿度采集程序、风速采集程序、各运动部件控制程序等，PLC将这些程序信息输入到映像寄存器中进行数据的运算，并将映像寄存器中的信息内容传输到寄存输出状态的输出锁存器中，最终驱动各执行机构。本文的5GDC-IV80型网带式果蔬干燥机工作控制系统程序设计流程如图5所示。4.2.1温度程序采集模块温度模块需要采集环境温度、网带上层温度、网带中间温度、网带下层温度。其中，干燥箱内温度变化直接影响果蔬农产品干燥品质，箱内热风温度的精确检测非常重要。传输网带上中下每层的温度不同，故需要将每层检测的热风温度求平均值以反映真实的干燥温度，将求得的平均温度值作为调节热风温度的反馈信息，实现干燥过程温度的闭环控制。4.2.2湿度程序采集模块干燥过程湿度的采集选用FX2N-4AD模块，湿度传感器FG6010A将采集的湿度模拟量信号由该模块转换成数字量信号传输给PLC控制单元，并通过触摸屏显示环境湿度和干燥箱内湿度。4.2.3风速程序采集模块热风风速信息采集通过模拟量数据采集模块 BSR-AD20B与风速传感器连接，模拟量采集模块RS485接口与FX2N-485-BD 通讯板连接，实现风速传感器与 PLC 进行RS485通讯，通讯协议采用Modus RTU。模拟量数据采集模块与PLC进行RS485通讯的关键是设置通讯格式以及设置数据发送和接收的参数，风速传感器采集通讯程序设计如图6所示，热风温度模糊PID控制算法程序设计如图7所示。图 4控制系统软件设计总框架图图 5干燥机工作程序流程图图 6风速传感器采集通讯程序流程图24设计试验|四川农业与农机/2023年5期|4.3干燥机热泵温度控制程序模块通过温度传感器采集值实时传送给PLC，同预设温度值进行比较，通过模糊PID控制程序计算出控制变频器输出频率从而控制热泵压缩机转速达到热风温度控制要求。4.4触摸屏界面设计本设计触摸屏采用昆仑通态TPC7062Ti触摸屏，网带式干燥机控制系统人机交互界面设计采用MCGSE组态软件。主控制界面内容主要是对干燥过程中传感器采集到的实时数据进行监控和显示，界面左侧分别显示干燥温湿度、环境温湿度以及风速，左下方按钮用于设备一键启动、自动模式切换和紧急停止，界面右侧两个曲线图用于实时显示干燥过程温湿度的变化情况，右下方按键用于控制界面跳转和干燥热风温度异常报警提醒。如图8所示。参数设定控制界面主要用于热泵温度模糊PID控制参数初始值的设定、目标温湿度值设定和热风风速设定等。参数设定控制界面窗口如图9所示。5结语针对目前网带式果蔬干燥机控制系统存在的问题分析，以 5GDC-IV80 型网带式果蔬干燥机作为研究控制对象，结合果蔬农产品干燥过程理论，基于模糊PID控制算法和在线监控技术，对网带式干燥机控制系统硬件和软件设计，并塔建电气控制柜和模糊PID控制算法模型对干燥机控制系统进行调试和改进，最终开发出一套果蔬农产品干燥智能控制系统。本文设计的模糊PID控制器在三菱PLC中的PID控制器基础上进行了优化，其控制精度、响应速度和稳定性得到了明显的提升，其控制模型体现出模糊PID控制器的优越性。本文设计的网带式果蔬干燥机控制系统经试验调试后，可以投入多物料广兼容的农产品干燥生产使用。参考文献：1张慜,徐艳阳,孙金才.国内外果蔬联合干燥技术的研究进展J.无锡轻工大学学报(食品与生物技术),2003(06):103-106.2崔国华,赵学工,周钢霞,等.粮食烘干机智能控制系统的研究与开发J.干燥技术与设备,2004(03):34-38.3何光赞,林仁斌,张云祥,高胜,李英.农产品热泵除湿网带式干燥机P.四川省：CN211782575U,2020-10-27.4李淑国.玫瑰花空气能热泵干燥系统的设计及试验D.昆明理工大学,2018.5南新元,陈志军,程志江.基于模糊PID控制的电锅炉温度过程控制系统J.自动化仪表,2008(05):5-8.6陈运宜.中央空调监控系统中应用智能控制技术研究J.无线互联科技,2016(12):99-100.7乔冠.基于自适应温度控制的智能咖啡烘焙系统研究D.杭州电子科技大学,2020.8王国杰.海带太阳能-热泵干燥自适应控制系统研究D.大连海洋大学,2022.9张静峰.基于PLC的热泵干燥控制系统设计与研究D.烟台大学,2022.10郭一达,郝玉凤,贾云飞,柴金宝.基于模糊PID的高速转台转速控制算法研究J.测试技术学报,2018,32(05):400-404.图 7热风温度模糊PID控制算法程序设计流程图图 8主控制界面窗口图 9参数设定控制界面窗口25