密封式隧道型电烘炉的分区结构与温控技术*

林若波林荣才

（1.揭阳职业技术学院2.广东丰盛食品机械有限公司）

密封式隧道型电烘炉的分区结构与温控技术*

林若波1林荣才2

（1.揭阳职业技术学院2.广东丰盛食品机械有限公司）

针对传统敞开式隧道炉的不足，提出一种密封式隧道型电烘炉的分区结构，采用分区隔热加热技术，实现分区温度精准控制；通过密封式热风循环系统，提高温度控制稳定性，并达到节能效果；最后提出一种变速积分PID算法，解决温度滞后的非线性问题，实现快速控温。测试结果表明：密封式隧道炉比传统隧道炉控温稳定速度更快，温度波动更小，范围控制在±1ºC，达到精准控温效果。

密封式；隧道型；分区结构；变速积分

0 引言

烘烤是饼干生产成型必不可少重要工艺，而温度控制是直接关系到饼干成型质量的关键技术，是饼干生产成型装备的核心问题之一。烘烤工艺常采用隧道炉加热方式，隧道炉的温度控制与回风量控制对降低成本、高效节能有着重要的意义。关于温度控制技术，国内外学者做了大量有益的研究，主要集中在控制算法与新型炉具结构设计上。Sanchez(2007)基于变频技术，研究一种节能模糊PID算法[1]；孟文雅(2010)采用灰色预测与神经网络控制相结合的方法对隧道窑系统进行控制，很好地解决隧道窑系统的温度滞后问题[2]；Li等(2013)研究一种级联模糊算法（C-Fuzzy-PID），较好实现高速热风隧道的温度节能控制[3]。结构设计方面，文献[4]报道一种新型隧道炉结构，在进料口、出料口设置弯形挡热板，一定程度提高加热段的保温能力；林若波等(2014)突破传统敞开式结构设计的弱点，设计一种密封式隧道型链网回镗装置，减少非工作段链网的热量损失，达到节能效果[5]。本文在此基础上，进一步阐述其分区结构特点，采用分区隔热加热技术，基于热风循环系统，采用变速积分PID算法，并通过PLC控制，解决温度滞后的非线性问题，实现温度的精准控制[6-8]。

1 密封式隧道炉的分区结构设计

传统隧道炉采用敞开式结构，仅包括内框架、外框架、底架和顶架组成的电烘炉，内框架四周与底架、外框架和顶架间铺设保温材料组成烘烤空间。这种电烘炉没有热风循环系统，在排除废气的同时带走大量热量，使电烘炉效率低下。改进后的密封式隧道炉分区结构模型包括炉体、电热管、输送平台和循环热风装置，如图1所示。炉体分设4个区域，即一区、二区、三区和四区，每个区域中设置有排气装置和电热管，且每个区域间均由隔板和隔热装置隔开。热风循环装置由回风管道和热风管组成，通过把四区的热风循环到一、二、三区，以提高热效率。保温装置中使用保温材料，可有效减少区域间的热传导，减少由温差引起的对流传热，上下的两个开口可让链网在炉膛中正常运动。分区结构能有效提高隧道炉的热效率及各分区间温度控制的精度，提高产品质量，使烘烤食品色泽更均匀。

图1 密封式隧道炉分区结构模型

2 密封式隧道炉的分区温度控制

基于分区隔热加热的隧道炉总体控制结构包括PLC控制模块、温控模块和回风控制模块，如图2所示。PLC控制模块实现对温控模块、回风控制模块的控制；温控模块实现不同分区温度的调节控制；回风控制模块实现热风循环系统的回风量控制等功能。

图2 基于分区隔热加热的隧道炉总体控制结构图

2.1 分区隔热加热的温度控制

为实现不同分区温度的调节控制，图3给出基于分区隔热加热的隧道炉温控模块原理图。该模块主要包括：控制面板、继电器、温度传感器、电热管、电源和变频器等。PLC控制模块选用信捷XC3-14T-C，温度传感器选用瑞利威尔JWB/C型温度变送器。温度传感器实现温度反馈调节功能，将烤炉内的实际温度信息反馈给PLC；继电器通过PLC的控制实现对电热管的开关控制；PLC则根据其反馈信息发出相应的数据请求。每个分区均通过自身加热和热风循环调节，并通过隔热板进行隔热，实现各个分区温度的精准控制。

图3 隧道炉温控模块原理图

2.2 热风循环系统的回风量控制

为突破传统敞开式结构设计的弱点，本文除了采用密封式隧道型电烘炉链网回镗结构设计，提高热能利用效率之外[5]，还构建了隧道炉的热风循环系统。基于分区隔热加热的隧道炉回风量控制模块图如图4所示，主要包括：第一温度传感器、第二温度传感器、鼓风机和可控流量阀等。其中第一温度传感器实现温度反馈调节功能，将烤炉内的实际温度信息反馈给PLC。第二温度传感器实现温度反馈调节功能，将热风循环管内的实际温度信息反馈给PLC，同时PLC将第一温度传感器反馈的炉内实际温度与其进行比较，经过处理后，根据实际需要，控制可控流量阀的流量与流速，从而实现高效节能的目的。鼓风机则实现加速热风循环功能，促进热风的循环利用，达到温度控制平稳的目的。

图4 隧道炉回风量控制模块图

3 分区温度变速积分PID控制仿真与实现

3.1 变速积分PID理论模型

隧道式电烘炉的整个温度控制，简化为对4个分区特定点的温度定值控制，即将电烘炉分成4个区，每1区选择1个测温点作为温度控制点。电烘炉是典型的一阶惯性延时对象，其控制模型为

传统PID过程控制可以有效解决线性定常问题，但对于生产中大滞后、大时间常数的非线性复杂工业控制对象，很难获得精确的数学模型[9]。本文采用变速积分PID可较好地解决这个问题，其基本思想是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应，偏差越大，积分越慢，反之则越快。

设积分系数f是e(k)的函数，e(k)增大时，f减小，反之增大。变速积分PID表达式为

系数f与偏差当前值|e(k)|的关系可设为

3.2 变速积分PID仿真与测试

设仿真的采样时间为2 s，延迟时间为4个采样时间，即8 s，被控对象可离散化为

PID整定参数设为kp=0.5，ki=0.05，kd=0.0，A=40，B=60，假定输入设定温度为T1=100ºC，常规PID和变速积分PID仿真的输出温度曲线如图5所示。

图5 常规PID和变速积分PID仿真图

从温度仿真的暂态过程看出：常规PID达到稳定约需90s，变速积分PID仅需75s。可见，采用变速积分能有效减小温度控制的滞后时间。

为评估密封式隧道炉的分区温控效果，对广东某食品有限公司的DKDRF 100型电烤炉进行测试。现场测试结果表明：4个分区温度很快达到稳定，且比传统隧道炉波动小，波动范围控制在±1ºC，测试现场温控图如图6所示。

图6 4个分区的温度控制状态图

4 结论

1)提出一种密封式隧道型分区结构设计，采用分区隔热加热技术，有效提高隧道炉的热效率，实现分区温度的精准控制。

2)提出一种密封式热风循环系统，通过PLC实现回风量控制，提高温度控制稳定性，并达到节能效果。

3)提出一种变速积分PID算法，解决温度滞后的非线性问题，实现快速控温。

4)通过测试密封式隧道炉的分区温控效果，结果表明：密封式隧道炉比传统隧道炉控温稳定速度更快，温度波动更小，范围控制在±1ºC，达到精准控温效果。

[1]Sanchez Edgar N,Becerra Hectorm,Velez Carlos M. Combiningfuzzy,PIDandregulationcontrolforan autonomousmini-helicopter[J].InformationSciences, 2007(177):1999-2022.

[2]孟文雅.基于灰色预测的神经网络PID在隧道窑控制中的研究[D].沈阳:东北大学,2010.

[3]Li Yunhua,Cai Chaozhi,Lee Kok-Meng,et al.A novel cascadetemperaturecontrolsystemforahigh-speed heat-airflow wind tunnel[J].IEEE-ASME Transaction on Mechatronics,2013,18(4):1310-1319.

[4]张宗报.一种隧道炉:中国,CN201010182417.6[P].2010-09-22.

[5]林若波,林荣才,刘桂雄.密封式隧道型电烘炉链网回镗结构设计[J].机床与液压,2014,42(13):109-112.

[6]林荣才,杨转正,林娥卿,等.一种基于分区隔热加热的饼干电烤炉控制设备:中国,CN201320487815.8[P].2014-01-08.

[7]林荣才,杨转正,林娥卿,等.一种具有分区加热隔热的饼干电烤炉:中国,CN201320487363.3[P].2014-01-08.

[8]林荣才,杨转正,林娥卿,等.一种饼干电烤炉循环热风系统:中国,CN201320488470.8[P].2014-01-08.

[9]滕立国,桂卫华.智能PID在隧道式电烘炉上的应用[J].微计算机信息,2007,23(9-1):93-94,101.

Partition Structure and Temperature Control Technology of Seal-Style Tunnel Electric Oven

Lin Ruobo1Lin Rongcai2
(1.JieyangVocational and Technical College2.Guangdong Fengsheng Machinery Co.,Ltd.)

Aiming at the existing problems of the traditional open type tunnel oven,the partition structure of seal-style tunnel electric oven is developed,which uses the partition heat insulation technology to realize accurate control of the temperature of zone, improve temperature control stability and energy saving by means of seal-style heated air circulation system.The paper proposes a gearshift integral PID algorithm to solve the problem of temperature hysteresis nonlinear and achieve rapid temperature control.The test results show that the steady speed of seal-style tunnel oven is faster than traditional tunnel oven with small-fluctuation temperature of±1ºC control scope.

Seal-Style;Tunnel;Partition Structure;Variable Speed Integral

林若波，1974年生，硕士，教授，主要研究方向：机电一体化技术。E-mail:linruobo@126.com

揭阳市产业技术研究与开发资金计划项目（201409）