基于LabVIEW的红枣干燥机控制系统的设计

刘立果，张学军，刘超山，鄢金山，史增录，辛倩倩

(1.新疆农业大学 机械交通学院，乌鲁木齐 830052；2. 新疆农业工程装备创新设计实验室重点实验室，乌鲁木齐 830052；3.贵州大学 机械工程学院，贵阳 550025)



基于LabVIEW的红枣干燥机控制系统的设计

刘立果1，张学军2，刘超山3，鄢金山2，史增录2，辛倩倩1

(1.新疆农业大学 机械交通学院，乌鲁木齐 830052；2. 新疆农业工程装备创新设计实验室重点实验室，乌鲁木齐 830052；3.贵州大学 机械工程学院，贵阳 550025)

为了解决现有红枣干燥机自动化程度低、劳动强度高和不能很好地满足红枣干燥工艺需要的问题，通过对国内外自动化控制系统的研究和借鉴，设计了基于LabVIEW的红枣干燥机的控制系统。同时，设计了LabVIEW控制系统的前面板和程序框图，完成了外部硬件电路的设计。试验表明：该LabVIEW控制系统可以实现鼓风机和物料提升机的启动和停止，3路温度的采集、分析、显示和对加热管的控制，3路湿度的采集、分析、显示和对排湿阀门的控制，2路风速的采集和显示，以及6个进/出风通道按照设定的时间间隔实现5种工作模式的切换。

红枣干燥机；干燥工艺；硬件电路；LabVIEW控制系统

0 引言

目前，新疆枣树种植面积达到43.5万hm2，产量为120万t[1]。为了满足红枣高品质干燥的需要，新疆农业大学机械交通学院和食品科学学院于2014年共同研制了分腔层流式红枣干燥机。经过试验，该红枣干燥机可以满足红枣干燥的需要，但也存在一定的不足。红枣干燥机的控制系统是采用传统的按钮、继电器和温控仪表进行控制的，自动化程度相对较低，温度、湿度和风速采集和控制的精度相对较低；而且其6个进/出风通道的启闭不能实现自动控制，需要人工定时进行启闭，劳动强度大。

红枣是热敏性水果，干燥时的热风温度和湿度对红枣的干燥品质有很大的影响[2-4]。因此，要对干燥时的温度和湿度进行精确的控制。通过对国内外自动化控制系统的研究和借鉴，设计了基于LabVIEW的红枣干燥机的控制系统。LabVIEW具有控制精度高、显示界面友好，编程和调试方便等特点，在国内外得到了广泛的应用[5-8]。该控制系统实现了温度、湿度和风速的精确采集和控制，实现了6个进/出风通道按照5种工作模式进行定时循环切换。

1 红枣干燥机的总体结构与工作原理

1.1 总体结构

分腔层流式红枣干燥机的总体结构如图1所示。

1.主进风通道 2.加热箱 3.回风装置 4.回风管 5.下进风通道 6.下进风通道阀门 7.电动推杆 8.中进风通道 9.中进风通道阀门 10.上进风通道 11.上进风通道阀门 12.干燥箱 13.进料口 14.物料提升装置 15.排湿装置 16.主出风通道 17.上出风通道阀门 18.上出风通道 19.中出风通道阀门 20.中出风通道 21.下出风通道阀门 22.下出风通道 23.出料转动杆 24.出料口阀门

1.2 工作原理

通过物料提升装置将红枣由干燥机的进料口放入干燥箱内，启动鼓风机，冷空气进入加热箱，热交换后进入主进风通道，热风由开启的某一个或多个进风通道进入干燥箱内，从红枣层中穿过由开启的某一个或多个出风通道进入主出风通道。若热风的湿度低于设定的湿度的上限值则回风装置上的回风阀门在电动推杆的作用下保持开启；排湿装置上的排湿门在大气压和弹簧的作用下紧闭，热风在干燥机内循环。若热风的湿度高于或等于设定湿度的上限值则回风装置上的回风阀门在电动推杆的作用下关闭；排湿装置上的排湿门在内部压力的作用下克服弹簧拉力开启，高湿度热风排出干燥机。当干燥箱内的湿度下降到低于设定的湿度下限值时，回风装置上的回风阀门开启，热风再次进行循环。排湿门的启闭一直受到回风阀门的控制。

2 LabVIEW控制系统实现的功能

利用LabVIEW进行控制系统的前面板和程序框图的设计所能实现的功能如下：

1)鼓风机和物料提升机的启动和停止。

2)自动完成对分腔层流式红枣干燥机上、中、下3个干燥腔内温度和湿度的采集。

3)显示出每个干燥腔内的温度和湿度的数值，并显示出3个干燥腔内平均温度和湿度的波形图、实测值，及历史温度和湿度的平均值、最大值和最小值。

4)分析对比干燥机内实测温度的平均值和提前设定的温度的下限值和上限值的大小关系。若实测温度比设定的下限温度还小，则第4组和第5组加热管保持加热状态；若实测温度比设定温度的上限值还高，则第4组和第5组加热管停止加热。若实测温度在设定温度的上限值和下限值之间，则第4组和第5组加热管保持原来的状态。也可以根据需要使第4组和第5组加热管中的某一组单独启闭，其余加热管是保障基本供热需求的，根据实际情况可人工全部开启或部分开启。

5)分析对比干燥机内实测湿度的平均值和提前设定湿度的下限值和上限值的大小关系。若实测平均湿度比设定的下限湿度还小则排湿阀门处于关闭状态。若实测平均湿度比设定的上限湿度还高则排湿阀门开启，进行排湿。若实测湿度在设定湿度的上限和下限之间则排湿阀保持原来的状态。

6)两路风速采集的采集和显示。

7)实现3个进风通道和3个出风通道按照设定的时间间隔在5种工作模式中循环切换，其中工作模式1为默认模式，如表1所示。

表1 进/出风通道启闭的5种工作模式

“+”表示通道开启，“-”表示通道关闭。

表1中，功能(1)和功能(3)的实现较常见，这里仅对其余功能的实现方法进行介绍。

3 硬件电路的设计

硬件电路主要包括计算机、NI USB6001数据采集卡、小型固态继电器模块、固态继电器、小型继电器、PT100热电阻温度传感器和湿敏电阻湿度传感器等，如图2所示。其工作原理：NI USB6001采集卡将采集到的温度、湿度和风速信号传输给计算机，由LabVIEW程序进行分析，分析后的结果再传输给采集卡，采集卡输出控制信号控制各种继电器，继电器控制相关执行元件动作。

图2 硬件电路电气原理图

4 LabVIEW前面板和程序框图的设计

4.1 LabVIEW前面板的总体结构

前面板中的控件分为输入控件和显示控件。输入控件包括开始采集按钮、退出按钮5组加热管的启闭按钮、数据保存间隔(min)设置框、温度和湿度的上限值和下限值设置框，以及模式变换间隔设置框，如图3所示。显示控件包括运行时间显示框，实测平均温度、湿度和风速的波形图表和显示框，温度、湿度和风速的最大值、最小值和平均值显示框，上腔、中腔和下腔温度显示计和湿度显示计，进/出风风速显示表盘，5组加热管的运行状态指示灯，6个进/出风道启闭的指示灯，鼓风机和物料提升机启闭指示灯，排湿指示灯。

图3 LabVIEW控制系统的前面板

4.2 三路温度采集和对加热管控制的实现

温度采集和控制的程序框图主要包括1个While循环程序结构、3路模拟量输入通道、2个逻辑分析结构及4路数字量输出通道，如图4所示。3路模拟量输入通道用于采集由3个PT100热电阻传感器输出的模拟电压信号(0～10V对应的温度为0～150℃)。两个逻辑分析结构包括温度的实测值与设定温度的上、下限值的对比分析结构及历史温度数据的最大值、最小值和平均值的分析结构。4路数字量输出通道用于将分析后的结果传输到采集卡的输出端，实现对加热管的控制。输入控件和显示控件均为在上述前面板上所提到的控件。

图4 温度采集和控制的程序框图

4.3 三路湿度采集和对回风阀门控制的实现

湿度采集和控制的任务要求与温度采集和控制的任务要求很相似，所以其程序框图的结构也相似。湿度采集和控制的程序框图主要包括1个While循环程序结构、3路模拟量输入通道、2个逻辑分析结构及4路数字量输出通道，如图5所示。3路模拟量输入通道用于采集由3个湿敏电阻传感器输出的模拟电压信号(电压0～3V对应的相对湿度为0～100%)。两个逻辑分析结构包括湿度的实测值与设定湿度的上、下限值的对比分析结构，以及历史湿度数据的最大值、最小值和平均值的分析结构。4路数字量输出通道用于将分析后的结果传输到采集卡的输出端，实现对回风阀门的控制。输入控件和显示控件均为在上述前面板上所提到的控件。

图5 湿度采集和控制的程序框图

4.5 进/出风通道5种工作模式定时切换的实现

由图6可以看出：该程序框图包含1个While循环结构和2个条件循环结构。在设计分腔层流式红枣干燥机的LabVIEW控制系统时，将模拟量采样的“DAQmx定时(采样时钟)”的采样速率统一设置为20，即1s采样20次；进/出风通道的启闭模式需要根据设定的时间间隔进行切换。首先将定时时间间隔(min)乘以采样速率20，再乘以60，其结果就表示在这一时间间隔(min)内循环采样的次数；然后，用While循环的循环次数“i”除以“设定时间间隔内循环采样的次数”，若余数为0则表示从程序开始运行到现在恰好经过了整数个设定时间间隔。

图6 进/出风通道启闭的程序框图

While循环内有两个条件循环结构，外部的条件循环结构的选择器标签有“真”和“假”两个。当While循环的循环次数“i”除以“设定时间间隔内循环采样的次数”余数为0时，使进/出风通道进行模式转换；当余数不为0时，保持原来的模式继续工作。内部的条件循环结构的选择器标签有0、1、2、3、4，标签值0、1、2、3、4分别对应着进/出风通道的5种工作模式。利用While循环的循环次数“i”除以“设定时间间隔内循环采样的次数”得到的商再除以5得到的余数作为标签值选择的条件。因为任何整数除以5得到的余数都在0～4之间，恰好对应着5种工作模式，如图7所示。

图7 5种工作模式的程序框图

5 LabVIEW控制系统的现场试验

经过试验，干燥机的各部分可以在LabVIEW控制系统的控制下协调的工作，如图8所示。其可以对温度、湿度和风速实现精确地采集和控制，可以提供温度和风速均匀的热风。干燥机的热风循环系统工作稳定，回风阀门能按照设定的湿度要求进行启闭。

图8 控制系统的现场试验

6 结论

红枣热风干燥品质的好坏与干燥工艺密不可分，干燥工艺过程的实现要依靠精确的自动化控制系统。本文利用LabVIEW设计了分腔层流式红枣干燥机的控制系统。其显示界面友好，工作可靠，实现了对干燥机各部分的精确控制。

[1] 刘运超,余国新,陈文博.新疆红枣种植规模对产量的滞后影响研究[J].中国农业资源与区划,2014(3):66-70.

[2] 刘新英,胡灿,王建平,等.红枣热风干燥机械湿度自控系统的设计与实现[J]. 农机化研究,2015,37(2):107-111.

[3] 李焕荣,徐晓伟,许淼.干制方式对红枣部分营养成分和香气成分的影响[J].食品科学,2008(10):330-333.

[4] 闫忠心,鲁周民,刘坤,等.干制条件对红枣香气品质的影响[J].农业工程学报,2011(1):389-392.

[5] 吴成东.LabVIEW 虚拟仪器程序设计及应用[M].北京：人民邮电出版社,2008.

[6] 岂兴明，周建兴.矫津毅LabVIEW8.2中文版入门与典型实例[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[7] 高鸿飞.基于总重检测的粮食循环干燥水分在线测控系统的研究[D].长春：吉林大学,2014.

[8] 莫小锦.基于无线传感网络的智能会所温湿度监控系统[D].南京：南京理工大学,2012.

Red Jujube Dryer Control System Design Based on LabVIEW

Liu Liguo1，Zhang Xuejun2，Liu Chaoshan3，Yan Jinshan2，Shi Zhenglu2，Xin Qianqian1

In order to solve the low automatic degree to existing red jujube dryer, high labor intensity, and not well meet the needs of red jujube drying process, based on the research and reference of the automatic control system at home and abroad, design the red jujube dryer control system based on LabVIEW. Design the front panel and program diagram of the LabVIEW control system, completed the external hardware circuit design. Through the experiments, the LabVIEW control system can realize the blower and material hoist start and stop, three road temperature acquisition, analysis, display and control of the heating tube, three road humidity acquisition, analysis, display and control of the humidity discharging valve, two road wind speed acquisition and display, six into/out of the wind channel realize five kinds of working mode switching according to the time interval of setting.

red jujube dryer; drying process; hardware circuit; LabVIEW control system

2016-04-06

新疆自治区“十二五”科技重大专项(201130102-4)

刘立果(1988-),男，山东济宁人，硕士研究生，(E-mail)liuliguo0415@126.com。

张学军(1966-)，男，乌鲁木齐人，博士，教授，硕士生导师，(E-mail)zhxjau@sina.com。

S226.6

A

1003-188X(2017)05-0264-05