调质红枣干燥机自动控制系统的设计与试验

弋晓康 ，陈　超，胡　灿 ，李传峰，吴文福

(1.塔里木大学 机械电气化工程学院， 新疆 阿拉尔　843300；2.新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室， 新疆 阿拉尔　843300；3.新疆阿拉尔质量技术监督局，新疆 阿拉尔　843300；4.吉林大学 生物与农业工程学院，长春　130022)



调质红枣干燥机自动控制系统的设计与试验

弋晓康1,2，陈超3，胡灿1,2，李传峰1,2，吴文福4

(1.塔里木大学 机械电气化工程学院， 新疆 阿拉尔843300；2.新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室， 新疆 阿拉尔843300；3.新疆阿拉尔质量技术监督局，新疆 阿拉尔843300；4.吉林大学 生物与农业工程学院，长春130022)

摘要：热风干燥是红枣干燥加工中应用最为广泛的干燥技术之一。在红枣热风干燥技术的研究方面，干燥设备的工艺优化、干燥室温、湿度等参数的稳定控制等方面仍有待优化与提升。为此，针对目前主要的热风干燥设备的特点，综合南疆红枣的加工特点，利用PLC控制技术与HMI在线控制技术，设计了一种调质红枣干燥机，对干燥机温度进行了多段控制，优化了温度控制系统。通过实验样机进行了干燥加热试验，测试了样机的各项性能指标。结果表明：调质干燥机预热阶段试性能良好，在目标温度为60℃时，预热时间为20min，预热效果良好；干燥机出口风温与干燥室内风温温差约为10℃，热风通道中的传热性能良好；风机电流输出稳定，调速性能良好。调质红枣干燥机进行300min加热试验表明：多段控制方式下，电加热器进行分段加热控制，使干燥室温度稳定在目标温度，获得了较优的控制效果。此研究可为南疆中小型红枣干果加工厂干燥设备的设计提供参考。

关键词：红枣；热风干燥；自动控制；调质

0引言

热风干燥是红枣干燥加工中应用最为广泛的干燥技术之一[1]，与其他各类干燥技术相比，其设备较简单、投资较少、干燥品质较好，热源供给方式稳定，具有相对成熟的控制技术。因此，热风干燥方式在红枣干燥工艺上得到了广泛应用。近年来，通过不断的工艺改进与热源供给技术创新，热风干燥方式耗能进一步减小，特别是在大型的红枣加工厂得到了生产应用，增强红枣热风干燥的效果。在红枣热风干燥设备的研究上，国外由于红枣的种植面积较少，对红枣热风干燥研究相关报道较少[2-4]。我国是红枣生产大国，在红枣干燥方面较早地应用了热风干燥方式，形成了一系列较成熟的热风干燥技术。王英瑞对套筒式的热风炉系统进行了优化设计，并对电价、换热量、工作时间等关键性因素进行了经济性评价，获得了经济性能与技术性能并重的热风控制系统[5]。窦星等对间接加热式热风循环干燥设备进行了优化设计，对热风型干燥设备安全高效运行进行了改进试验[6]。在企业的控制应用方面，新疆阿拉尔聚天红枣业公司引进了国外先进的RH-2型换热器，在热风干燥机运行上能减少1/4的热能；新疆阿拉尔大漠枣业公司对热风型干燥机进行结构改进，针对热源装置进行了热风循环利用，加速了热风干燥机的发展。

针对目前主要的热风干燥设备的特点，综合南疆红枣的加工特点，利用PLC控制技术与HMI在线控制技术，设计了一种调质红枣干燥机，对干燥机温度进行了多段控制，优化了温度控制系统，满足了红枣干燥工艺要求。同时，通过优化控制，进一步提高红枣干燥过程中的各参数稳定性，开发出更优的红枣干燥机，以满足大规模红枣加工的需求。

1调质红枣干燥机的总体设计思路

调质红枣干燥机的主要特点是：在干燥过程中待干燥的红枣能间歇循环运动，从而实现红枣的循环干燥，使干燥后的红枣物料含水率均匀；另外，此干燥机干燥工艺相对较简单，干燥品质高。调质红枣干燥机工作流程如图1所示。其采用曲柄摇杆机构完成干燥室内的红枣物料的铺放和输送，由转速为32.53r/min的小传送带和大传送带进行循环输送，直至红枣含水率达到干燥要求，通过滑动板将红枣排出。根据红枣干燥水分蒸发量的关系，确定滑动板电机动力经过减速器输出转速为38.21r/min。

根据干燥机的工作流程，设计完成的调质红枣干燥机拥有干燥室和热风通道，采用热风循环干燥，并能实现红枣的间歇循环输送和喂入，满足物料均匀干燥的需要。利用风机和加热器进行热风循环干燥，风机启动后，冷空气从加热器表层通过，带走加热器表层热能形成热风，经热风通道进入干燥室内部；热气流穿透红枣物料层后，再经干燥室出风口回到热风通道入口，形成热风循环。干燥室是红枣物料集中干燥的核心部件，红枣物料主要在干燥室内部完成脱水过程。整个干燥过程中，控制干燥室内部的温度、风速、干燥时间和相对湿度等工艺参数是保证红枣干燥后品质优良的关键环节。干燥室温度由热风装置进行控制与调节，干燥室湿度由加湿装置进行湿度控制。

图1　调质红枣干燥机工作流程图

2调质红枣干燥机的总体结构设计

调质红枣干燥机整机结构如图2所示。

1.摇杆机构　2.机架　3.输送装置　4.热风装置

最终设计出的调质红枣干燥机主要由喂入装置、循环输送装置、干燥室、循环管道、热风通道、热风装置和机架等构成。工作时，由热风装置形成的热风经热风通道通向干燥室底部，由干燥室底部入口进入干燥室，带走红枣的水分，再经干燥室出口的循环管道回到热风通道，整个过程构成一个循环系统，达到热能循环利用的目的。循环输送装置将红枣逐级推进并传送至干燥室内部，红枣铺放厚度由喂入口处的调节档板来控制，使红枣均匀平铺在滑板上，直至铺满整个干燥室。经过一定时间后，在滑板推动和输送带作用下红枣进行间歇循环干燥，从而保证红枣干燥的均匀性；当红枣达到设置的所需含水率时，循环干燥过程结束。

3干燥机智能测控系统的研究

根据干燥机的特点，可在热风通道内部安装组合型电加热器，在干燥室两端入口分别安装温度传感器，可对电加热器进行分段控制。为了实现温湿度信号的准确反馈，在调质红枣干燥机的干燥室内部、热风通道、干燥室入口与出口均设置了温湿度传感器的测点。

3.1　干燥机系统传感器测点的分布

结合调质红枣干燥机的结构，对干燥室内部进行传感器的布置，布置平面图如图3所示。干燥室入口1分别设有风速测点F01，温度测点T03，湿度测点M01；干燥室入口2分别设有风速测点F02，温度测点T04，湿度测点M01。在干燥室本体内部，分别在干燥室物料干燥处设有温度传感器T05、T06、T07测点，湿度传感器M02、M03、M04测点。

图3　干燥机内部传感器测点平面布置图

根据传感器的检测位置布置，设定各类测控仪表及控制单元的物理地址如表1所示。为提高温度控制的精度，保证温度控制系统的快速响应性，设置了多点温度检测，T01～T07为多段温度检测传感器，分别测定热风通道、入口、干燥室内部及出口温度。湿度控制包括排温与加湿系统的控制，M01～M04为湿度传感器检测装置。风速控制与干燥温度、干燥室空气相对湿度密切相关。因此，在风机出口、干燥室入口和出口设置风速仪F01～F03，标定不同区间的风速变化，将风速变化值反馈至PLC处理系统，PLC通过模糊PID调节与计算，输出给定风速值至变频器，变频器输出合适频率，确定风机的风速。

表1　各类测控仪表及控制单元的物理地址

3.2　干燥机系统的控制

干燥机的总体控制选用SIEMENS公司生产的 PLCS7-200，CPU224为控制核心，通过USB接口电路与上位机HMI人机界面进行连接；人机界面主要包括虚拟仪表、远程监测控制图表、报警和历史数据的存储记录等。S7-200PLC系统连接了干燥机各电气设备终端，包括电加热控制系统、风机变频控制系统、湿度控制系统及上料控制系统；干燥机内部的温度、湿度、风速各测点信号通过差压变送器进行信号放大后送至PLC的模拟量输入口AIW0至AIW10。干燥机自动化控制系统结构图如图4所示。

调质红枣干燥机自化控制系统核心部件选用PLCS7-200为控制核心，其CPU型号为224XP，主机基本单元自带16路数字输入信号、16路数字输出信号。结合传感器的测点布置，对模拟量模块进行扩展处理，扩展模块选用EM231，共形成12路模拟量输入，其地址为AIW0至AIW12；14路模拟量输出，其地址为AQW0至AQW14。硬件连接图如图5所示。图5中：数字量输入信号包括加湿控制信号、温度控制信号、风机信号、上料系统信号及故障信号等；数字量输出信号包括各系统的运行信号、控制输出信号、变频器调速信号及故障报警信号等；模拟量输入信号与输出信号包括各测点传感器的湿度信号、温度信号、风速信号的输入与数据显示等。传感器信号输入PLC内部后经程序比较及数据处理，向HMI传送状态信号，同时接收HMI的控制命令。

图4　干燥机自动化控制系统结构图

3.3　多段加热器的系统控制

根据干燥室风温控制模型，选用多段加热控制方案，将陶瓷型电加热器分成多段进行控制：第1段为KR1，第2段为KR2，第3段为KR3，具体的电气图如图6所示。图6中：变频器主要控制风机出口风速，风机速度由PLC控制给定，通过转速控制算法，给定风机转速变化量，同时变频系统对风速进行内部PID算法调节，达到风机风速稳定控制的目的；电加热器由3段陶瓷型电加热圈组成，KM1为总控制交流接触器，对整个加热器起通断作用，K1～K3、K4～K6继电器组成两组继电器，通断信号由PLC程序给定，可分别对任意一个单独的电加热圈组进行分段加热。PLC通过采集多段温度值，内部程序根据加热器控制传递函数计算出干燥机目标温度值，向加热器发出控制信号。当干燥机处于加速升温阶段时，KM1闭合，所有加热器模块投入加热，干燥室处于快速加热过程；当干燥室温度接近PLC程序计算温度时，K1～K3组继电器动作，电加热器KR3与KR2被短接而停止加热，由KR1保持低速加热；当干燥室温度达到PLC程序计算温度时，KM1断开，由加热器余热继续供干燥室达到实际的目标温度。

图5　PLC控制系统硬件连接图

图6　多段加热控制系统原理图

3.4　调质红枣干燥机的人机工作界面

目前，与其他同类产品相比较，PLC控制的人机系统在兼容性、稳定性与设计灵活性上更具有优越性，在工业控制上得到了广泛的应用。人机界面(Human Machine Interaction)简称HMI，是计算机与操作者之间进行信息交换、友好对话的工具。人机界面是实现控制系统与操作者之间信息传递的媒介，是自动控制最终实现智能化最重要的控制方式。基于PLC系统控制的红枣干燥机在线控制采用Siemens公司开发的小型人机界面LeviStudio7.52系统进行开发。LeviStudio7.52系统具有丰富的图形表达界面与控制手段，能更好地兼容PLC程序中的变量地址，具有较高的可应用性。调质红枣干燥机的人机界面包括控制主界面、热源控制界面、风机控制界面、干燥室工作界面及干燥室温度与湿度数据记录画面。

人机主界面是与各工作界面的主要连接画面，通过主画面可以任意切换到各个控制单元的状态画面。主界面主要有登陆口令、干燥机整体控制界面，能全面地反映出干燥机的工作状态。红枣热风干燥机实时控制系统主界面见图7所示。主界面以图形的形式向操作者展示，可以从主界面上看到加热器、风机、干燥室及上料皮带的运行状态；同时能通过主按键进行系统的启与停止等功能的操作，实现对每个分系统进行监控，通过图形界面的选择可以切换至各个分系统的工作界面。

图7　红枣热风干燥机人机系统主界面

人机的其他功能还包括对干燥室内部温度值与湿度值的数据反馈与数据记录等。界面同时设计有历史数据的显示面画，通过对干燥过程中各类数据的整理，数据以报表的形式输出，方便了解干燥过程中温湿度各数据的变化情况。

4干燥试验

4.1　试验材料与方法

调质红枣干燥机如图8所示。其它仪器设备包括：电子天平(CP3102型，奥豪斯仪器(上海)有限公司)，精密鼓风干燥箱(DHG-9125A型，上海和呈仪器制造有限公司)，数字式风速仪(AM-4201型，台湾路昌电子有限公司)，温湿度控制仪(XMT9007D型，余姚市长江温度仪表厂)，温湿度一体集成型传感器(SHT71型，瑞士盛思锐)。

图8　调质红枣干燥机

按试验要求设定干燥箱的温度，预热时间为30min；取出冰箱中保存完好，形状圆润的红枣，等待其温度达到室温时再进行干燥。干燥机测试试验按不同的温度控制模式分2组进行，总时间为300min。一组为电加热器多段控制模式下的干燥测试，另一组为未分段控制模式下的干燥测试。试验时，按不同时间段对干燥机各测点的温度及湿度值进行记录。

4.2　试验结果分析

1)整机性能测试。通过对样机进行红枣热风干燥试验，不同时间段干燥室内部的温、湿度数据记录如表2所示。表2中预热阶段的热风干燥试验结果表明：调质干燥机预热阶段试性能良好，在目标温度为60℃时，预热时间为20min，预热效果良好；干燥机出口风温与干燥室内风温温差约为10℃，热风通道中的传热性能良好；风机电流输出稳定，调速性能良好。

2)系统温度控制性能测试。通过对调质红枣干燥机进行300min加热，对比得到相同时间段内的干燥室内部温度变化，如图9所示。结果表明：与分段控制相比较，电加热器未分段控制方式下的温度变化较大，干燥室内部的最高温度波动达到5℃，主要体现在升温阶段与降温阶段温度值波动较大，不利于精确的干燥室温控制；多段控制方式下，电加热器进行分段加热控制，使干燥室温度稳定在目标温度，获得了较优的控制效果。

表2　调质红枣干燥机的试验结果

图9　不同控制方式下的电加热器性能对比

5结论

1)调质干燥机预热阶段试性能良好，在目标温度为60℃时，预热时间为20min，预热效果良好；干燥机出口风温与干燥室内风温温差约为10℃，热风通道中的传热性能良好；风机电流输出稳定，调速性能良好。

2)调质红枣干燥机进行300min加热试验表明：多段控制方式下，电加热器进行分段加热控制，使干燥室温度稳定在目标温度，获得了较优的控制效果。

3)调质干燥机整体性能稳定，设备移动方便，可为南疆中小型红枣干果加工厂提供干燥加工的思路。

参考文献：

[1]Doymaz I. An Experimental study on drying of green apples[J]. Drying Technology,2009, 27(3):478-485.

[2]Doymaz I. Air-drying characteristics of tomatoes[J]. Journal of Food Engineering, 2007, 78(4):1291-1297.

[3]张建军，王海霞，马永昌，等.辣椒热风干燥特性的研究[J].农业工程学报，2008,24(3):298-301.

[4]王瑞英．热风炉结构优化设计与分析[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006．

[5]窦星.间接加热式热风循环干燥设备及工艺的本质安全化改进研究[D].广州:华南理工大学，2013．

[6]张丽．红枣的射频热风联合干制技术研究[D]．杨凌：西北农林科技大学,2010．

[7]李润霞,刘庆龙,郑彩霞,等．红枣小烘房干制技术[J].陕西农业科学，2011(6):267-269．

[8]弋晓康，吴文福，崔何磊,等.红枣热风干燥特性的单因素试验研究[J].农机化研究，2012,34(10):148-151.

Design and Test on Conditioning the Jujube Dryer Automatic Control System

Yi Xiaokang1,2, Chen Chao3, Hu Can1,2, Li Chuanfeng1,2, Wu Wenfu4

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Tarim University, Alar 843300, China; 2.The Key Laboratory of Colleges & Universities under the Department of Education of Xinjiang, Alar 843300, China; 3.Agricultural Machinery Manufacturing Co. Ltd., Alar 843300, China; 4.College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130022,China)

Abstract：the hot air drying is red jujube dry processing one of the most widely used drying technology. In the study of red hot air drying technology, drying equipment in the process of optimization, the parameters such as drying at room temperature, humidity stability control remains to be optimized and ascend. In this paper, aiming at the main characteristics of hot air drying equipment, integrated processing characteristics of southern Xinjiang red jujube, using PLC control technology and HMI online control technology, we design a conditioning red jujube dryer, has carried on the multistage to dryer temperature control, temperature control system was optimized. Dry heating test,tested by experimental prototype of the technical specifications of the prototype,the results show that tempering drying machine preheating stage performance is good, the target temperature of 60℃, preheating time for 20 min, preheating effect is good.Dryer export wind temperature and wind in drying chamber sent about 10℃, the heat transfer performance is good in hot air channel; Stable output current, fan speed control performance is good. Conditioning heating test showed that red jujube dryer for 300minutes more control mode, the electric heater of segmented heating control with the drying chamber temperature stability in the target temperature, the optimal control effect were obtained. Research for the southern Xinjiang small and medium-sized red jujube fruit processing plants provide drying equipment design reference.

Key words：jujube； hot-air drying；automatic control；conditinoning

中图分类号：S226.6；S24

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0090-06

作者简介：弋晓康(1976-)，男，陕西华县人，副教授，硕士生导师，博士，(E-mail)yxkcn@163.com。通讯作者：吴文福(1965-)，男，兰州人，教授，博士生导师，(E-mail)wwfzlb@126.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(31560479，31260288)

收稿日期：2015-11-14