籽棉烘干自动化控制系统设计

2014-03-21郭文松廖结安陈晓川

塔里木大学学报 2014年4期

郭文松张宏廖结安陈晓川，2*

(1 塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔 843300)(2 东华大学机械工程学院，上海 201620)

新疆棉区属于大陆性干早气候，每年11月以后，温度骤降，相对湿度增高，空气中水份饱和，棉花的吸湿性造成回潮率增高，弹性降低，加工过程中如不进行烘干容易导致棉结，索丝增多，影响加工速度和加工质量。为提高棉花加工质量，保证棉花加工企业的经济效益，近几年的新建、改建和扩建的棉花加工生产线上，广泛采用了籽棉烘干技术[1]。特别是在机采棉的清理加工部分，烘干核心问题就是对轧籽棉回潮量的调控，试验证实，籽棉回潮率在6. 5%～8%范围内对轧花最有利，此时不仅能耗低、产量高，而且产品质量也较好。

目前、新疆棉花加工生产中存在的烘干温度以人工控制为主、自动化程度低、籽棉烘干不均匀、能源浪费等问题[2]，本文设计了一种机采籽棉烘干自动化控制系统，使其可以依据实时在线检测到的籽棉回潮率而自动调整烘干机的工作参数，从而消除机采籽棉因回潮率不均匀而引起的皮棉加工品级下降问题。

1 籽棉控制系统构成

为了保证籽棉回潮率在轧花前控制在6. 8%～8%范围。本控制系统利用PID控制策略实现回潮率值的恒值控制，同时为了更准确的控制烘干温度，本文采用热电偶检测烘干温度，形成负反馈控制。控制系统框图如图1所示。

图1 籽棉烘干自动化控制系统结构框图

2 控制系统主要模块选型和设计

2.1 控制器的选择

本控制系统根据输入、输出点数和所需要实现的功能，选择西门子S7-200PLC，由于本系统主要是完成模拟信号的采集和控制，因此本控制器配备EM235模块， EM235模块具有4个模拟量的输入和1个模拟量的输出，可以满足本控制系统的需求。

本文的PID(比例，微分，积分)控制器主要由PLC内部的PID控制模块完成，PID调节器的传递函数由式(1)所示

式(1)

其中Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。三个系数的确定决定着控制系统稳态特性和动态特性，本文利用仿真试验，利用试凑法来确定PID各参数[3，4]。所谓试凑法是指通过Matlab仿真运行, 观察系统对典型输入(单位阶跃输入) 作用的响应曲线, 根据各参数的控制作用, 反复调节试凑, 直到满意为止。最终本控制系统设置为Kp为1. 4，Ki为0. 5，Kd为0. 2。

2.2 热电偶选型

热电偶是广泛应用于工业和科研中的温度传感器，它测温的基本原理是热电效应。如图2所示，把两种不同的导体(或半导体)A和B连接成闭合回路，当两接点1和2温度不同时，如T>T0，则回路中就会产生热电势EAB(T>T0)。导体A和B叫做热电极，两热电极A和B的组合成为热电偶，在两个接点中，接点1是将两电极焊在一起，测温时将它放入被测对象中感受被测温度，故称之为测量端；接点2处于环境之中，要求温度恒定，故称之为参考端。

图2 热电偶结构图

图3所示为本系统选择的热电偶，WZP，Pt100型热电偶，检测精度最高，测量范围为-200 ℃～500 ℃，允许偏差为Δt ℃，±(0. 15+0. 002|t|),精度等级为A级。固定螺纹 M27×2，保护管316 L，长度450 mm，插入深度300 mm。保护管具有良好的耐腐蚀性。

图3 Pt100型热电偶

2.3 热电偶变送器选择

热电偶变送器，由基准源、冷端补偿、放大单元、线性化处理、V/I转换、断偶处理、反接保护、限流保护等电路单元组成。它是将热电偶产生的热电势经冷端补偿放大后，再由线性电路消除热电势与温度的非线性误差，最后放大转换为4～20 mA电流输出信号，热电偶变送器的接线图如图4所示。

图4 热电偶变送器接线图

本设计选择的温度变送器：型号：SBWZ，分度号：PT100，工作电源：DC24 V，输出：4～20 MA(极限是28 MA)。精度：0. 2%，冷端补偿：0～50 ℃±1 ℃，调整方式：电位器；负载能力：0～250 Ω，环境温度：-20～80 ℃，环境湿度：﹤85%RH。

Pt100的量程为：-200度500度，温度变送器把这个转化为标准信号后对应的 4 mA就是200度， 20 mA就是500度，通过确认变送器输的电流大小就可以知道当前的温度值。

2.4 回潮率检测电路设计

籽棉回潮率的检测，利用籽棉回潮率值发生变化时，会导致平行板电容的电容值发生变化的原理。通过检测电容值的变化去测量回潮率值，其检测电路如图5所示[5，6]。

图5 回潮率检测电路

电容检测电路采用交流激励式电容/电压转换，该电路测量精度高、速度快且抗杂散电容能力强。电容检测电路主要包括正弦激励信号发生器，电容/电压转换电路、放大电路和有限制检测电路。ICL8038是一款多功能波形发生器集成电路芯片，具有结构简单，使用灵活、方便等优点。AD620是一款低功耗、高精度仪表放大器，具有良好的交直流特性，只需外接一个电阻就可调节增益，其增益范围为1～1 000。AD637是一款高精度的有效值/直流转换器，具有工作频带宽、稳定时间短、外接元件少等优点。

2.5 晶闸管交流调功器

晶闸管交流调功器适用于电阻负载(功率因数等于1)，如镍铬、铁铬铝、镍铁电阻丝、钨钼丝，碳化硅棒、远红外电热板等电热元件。本设计选用的晶闸管交流调功器主要是用远红外电热板。利用PLC输出的模拟量信号去控制远红外电板输出功率，可以实现信号之间的线性放大。

本设计选择Kt16P 系列单相晶闸管调功器 / 调压器，相数：单相，频率： 50 Hz ，控制输入信号：4～20 mA,输入阻抗： 120 Ω ，触发方式：移相调压型和变周期过零功型，调节输出范围： 0～100% ，采样周期控制输入信号：10次/每秒，额定电流：100 A 。其接线简图如图6所示

图6 晶闸管交流调功器接线简图

2.6 远红外辐射籽棉烘干装置

目前籽棉烘干主要包括：采用电热炉、燃气、燃煤、燃油，远红外等方法。由于电热炉、燃煤的方法加热具有大滞后，大惯性的特点，因此并不太适合于自动化控制，而燃气、燃煤则成本较高。

因此，本设计主要控制远红外辐射籽棉烘干装置的输出功率，从而来控制籽棉烘干过程。采用远红外加热的方法对籽棉进行烘干，远红外加热与传统加热方法相比，具有加热速度快、产品质量好、设备占地面积小、生产费用低和加热效率高等优点[7]。它代替电能加热，其节电效率非常显著，一般可节电30%左右，个别场合甚至可达到60%～70%。

远红外辐射加热器是把电能或其它形式的能量转化为辐射能的器件，是红外加热系统中的关键部件。红外辐射加热器主要由两部分组成，即热源和辐射基体。本设计热源是由电热丝通电产生，辐射基体选择乳白石英。乳白石英红外加热器的光谱发热率ελ在4～8 um和11～15 um波段内高达0. 92，正好是绝大多数高分子有机物和水的主要吸收带[8]，非常适合于籽棉的烘干。