烘烤温湿度综合控制仪的研究

李世军

（开封大学 电子电气工程学院，开封 475000）

农副产品的烘干是收获的重要和增值环节。全国各地根据传统传承、农副产品干燥特性建造有多种烧煤的烘干房，统称烤房。这类烤房都是燃煤烘烤，燃煤污染大，操作者劳动强度也大。随着我国环保要求的提高，新能源无污染烘烤在全国范围内蓬勃开展。近年来，空气源热泵烤房、生物质热能烤房（用生物质颗粒燃烧机替代燃煤热源）得到了广泛应用。

对于燃煤烘干，温湿度控制技术及其应用已经硕果累累[1-6]，但是由于没有解决自动加煤问题，真正意义上的自动控制尚未实现。无疑，对空气源热泵烤房、生物质热能烤房的控制必须达到能够无人值守，不仅使烘干节能环保，还要使工作人员从繁琐的加煤劳动中解放出来，降低劳动强度，创造更大价值。虽然不同的加热方式，其控制输出形式及特性有所不同（空气源热泵烤房有多组热泵机组交替工作和变频控制等形式，前者根据烤房内温湿度需要使热泵机组交替或一同工作，后者根据烤房内温湿度需要通过改变压缩机电源工作频率达到控制目标），但控制量都是烤房内的温湿度，其采集方式相同，排湿方式类似，其他执行装置也类似。因此，研究开发能够自动控制燃煤烤房、空气源热泵烤房、生物质热能烤房的温湿度综合控制仪是可行的，且具有广泛的推广价值。

1 设计方案与技术指标

1.1 输入与输出

1.1.1 输入

该系统的输入信号为烤房内的干球温度和湿球温度信号。为了便于观察烤房内的温差并作为系统备用，系统使用2组传感器组件，一组是主控传感器组件，另一组是辅控传感器组件。每组传感器组件都有2个DS18B20温度传感器，其中一个检测干球温度，另一个由渗入水壶中的纱布包裹用于检测湿球温度。DS18B20是数字温度传感器，其测量温度范围为-55～125℃，精度为0.5℃，完全能满足烘干领域的使用要求。

1.1.2 输出

为了满足不同类型烤房的输出需求，对燃煤烤房、空气源热泵烤房和生物质热能烤房的输出通道进行整合，规划3组AC 220 V输出通道和2组DC 12 V输出通道。输出通道定义见表1。

表1 输出通道定义Tab.1 Output channel definition

对于空气源热泵烤房，一般是2个热泵机组组合使用，合理控制热泵机组的运行与停止是供热控制的核心；控制仪对热泵机组仅提供启、停控制信号，热泵机组内部的配电系统独立于烤房控制系统；热泵烤房的排湿系统除循环风机外，还有补风门、排湿门、回风门和冷风门，补风门、排湿门、回风门是分步协调动作一致的[7]，所以可用一组信号进行控制，冷风门只有开和关2种状态，有排湿就关闭（使除湿后的热空气进入烤房），无排湿就打开。（免蒸发器出来的冷风进入烤房）

对于生物质热能烤房，循环风机和排湿的工作方式与其他形式的烤房是相同的，燃烧风量随送料量的变化而变化，燃烧风量不足时生物质燃料燃烧不充分，风量过大会将未燃尽的生物质燃料吹出生物质燃烧机炉膛[8]；送料量随温度的要求而变化，升温时需要增大进料量，稳温时需要减小进料量；为保证温度、送料、风量三者统一协调，把送料量和燃烧风机风量由小到大分成10档，以利于温度变化的需要。从控制角度考虑，生物质烤房的燃烧风机需要多种速度，燃煤烤房的助燃风机、热泵烤房的热泵是燃烧风机控制的特例；生物质烤房的除渣是定时除渣，控制信号与热泵烤房的冷风门性质相同。

1.2 主要技术指标

综合控制仪的主要技术指标如下：

有效测控范围 20～80℃；

显示分辨率 0.1℃；

测量精度 0.5℃；

控制精度 ±1℃；

使用电源 AC 220（1±10%）V/50 Hz。

2 控制原理

当前大部分烤房的加热室和烘干室是分离的，加热室的热量通过循环风机的热风进入烘干室实现烘干。烘干室干球温度和湿球温度相应的滞后和非线性比较严重，难以建立数学模型，而采用模糊控制较适合。模糊控制是一种自动控制，以模糊数学、模糊语言和模糊逻辑为理论基础。模糊控制系统是一种具有闭环结构的数字控制系统[9]。

设Et为烤房内的干球温度的温度偏差，Et=Tt-T，其中，Tt为目标温度（升温时为按升温速率设定的计算值，稳温时是设定的稳温温度）；T为测得干球温度。Et′为温度偏差随时间的变化率。

将Et分为4个模糊子集。设定温度回差值为δ，则4个子集及其对应的偏差取值范围分别为

B（大），δ≤（Tt-T）；

M（中），0≤（Tt-T）＜δ；

S（小），-δ＜（Tt-T）＜0；

N（负），（Tt-T）＜-δ。

将Et′分为3个模糊子集，3个子集及其对应偏差变化量的取值范围分别为

P（正），（Tn-Tn-1）＞0；

Z（零），（Tn-Tn-1）=0；

N（负），（Tn-Tn-1）＜0。

其中，Tn为本次采样测得的干球温度；Tn-1为上次采样测得的干球温度。

设Ct为加热输出，对于热泵烤房，将其分为4个模糊子集，即PB（2组热泵开）、PM（1组热泵开）、PS（保持）、0（2 组热泵停）；对于生物质热能烤房，将其分为3个模糊子集，即B′（风量和进料加档）、M′（风量和进料保持）、S′（风量和进料减档）。热泵烤房和生物质烤房干球温度模糊控制规则分别见表2，表3。

表2 热泵烤房干球温度模糊控制规则Tab.2 Fuzzy control rule of dry bulb temperature in heat pump barn

表3 生物质烤房干球温度模糊控制规则Tab.3 Fuzzy control rule of dry bulb temperature in biomass barn

设Em为烤房内的湿球温度偏差，Em=M-M0，其中，M0为稳温湿球温度；M为测得湿球温度。Em′为偏差随时间的变化率。将Em分为3个模糊子集，即B1（大）、M1（中）、S1（小）。 其对应偏差取值范围分别为（M-M0）≤0，0＜（M-M0）＜δ，（M-M0）≥δ，其中 δ为设定的回差值。将Em′分为3个模糊子集，即P（正）、Z（零）、N（负）。其对应偏差变化量的取值范围分别为（Mn-Mn-1）＞0，（Mn-Mn-1）=0，（Mn-Mn-1）＜0，其中，Mn为本次采样测得的湿球温度；Mn-1为上次采样测得的湿球温度。

设Ch为排湿输出，将其分为5个模糊子集：

GK（补风门、排湿门全关，回风门全开）；

KB（补风口、排湿门开一步，回风门关一步）；

BC（补风门、排湿门、回风门保持）；

GB（补风口、排湿门关一步，回风门开一步）；

KG（补风口、排湿门全开，回风门全关）。

烤房湿球温度模糊控制规则见表4。

表4 烤房湿球温度模糊控制规则Tab.4 Fuzzy control rule of wet bulb temperature in roast barn

3 仪器构成

3.1 硬件系统

所研制的综合温湿度控制仪中，以PIC18f46k80单片机为核心构成仪器的硬件系统，这是集温湿度采集与处理、显示操作、自动控制为一体的闭环控制系统。系统硬件构成如图1所示。

图1 系统结构Fig.1 System structure

PIC18f46k80是工业控制中最常用的芯片之一，具有片内3.3 V稳压器，运行速度高达64 MHz，有64 kb片上闪存程序存储器，3.6kb的通用寄存器，I/O接口多达35个，可在线编程，完全能满足系统要求。

外存储器用于存储烘烤工艺参数和记录烘烤历史数据等，外存储器芯片采用24C256，除能够存储4条工艺曲线参数外，还能存储10×150组数据，故通过显示操作模块可查询历史记录。

控制选择模块用以人工选择控制方式，2组传感器组件可选任一组为主控传感器；循环风机、热泵可选择继电器输出控制或变频输出控制；报警形式可选择语音报警或蜂鸣报警等。

输出控制模块包含3路AC 220 V继电器输出（6个继电器）和2路DC 12 V全桥驱动输出；使用TA8428K全桥驱动器，能够控制正、反转、停止和制动，输出平均电流 1.5 A（峰值 3.0 A），具有热关断和短路保护功能，且理论寿命无穷大，彻底解决了继电器的机械寿命无法满足风门使用寿命问题。

开关电源模块为系统提供5 V和12 V直流电源，电源防雷等级达到4 kV，通过电流互感器和电压互感器将循环风机的工作电压和电流传给CPU，稳压采用开关电源芯片LM2576S-5.0和 LM2576S-12，防雷效果良好，电源性能稳定。

系统时钟模块采用DS1302时钟芯片，配以0.47 F电容形成掉电支持，一般在调试后校对一次时钟即可。通讯模块采用RS485接口，支持Modbus协议，用于集中控制或网络控制。

3.2 软件系统

软件系统由循环风机电流和电压采集模块、显示操作模块、干湿温度采集处理模块、参数设置模块、干球温度控制模块和湿球温度控制模块、报警模块组成。其主程序流程如图2所示。

图2 主程序流程Fig.2 Main program flow chart

循环风机可以人工开启，也可以自动控制，循环风机开启后系统自动获取其工作电流和三相电压，并根据获取的工作电流自动设置循环风机电机的保护电流。

为了避免单次采样毛刺造成执行部件误动作，提高系统控制的可靠性，干湿温度采集处理模块以连续10次采样为样本进行处理，去掉1个最大值和1个最小值，以平均值作为本次采样结果用以显示、存储。

干湿温度控制模块由燃煤烤房温湿度控制模块、热泵烤房温湿度控制模块和生物质烤房温湿度控制模块组成，根据供热方式实施相应的控制。干湿温度控制模块实现对烘干过程干湿温度自动检测、控制和超限报警等。系统按设定时间间隔不断比较得出干湿温度偏差 Et，Em及其变化率 Et′，Em′，然后从模糊控制表中查找对应的控制对象，驱动加热或排湿。

报警保护模块把实测参数与目标参数比较，实施报警保护：当实际温度在目标温度±1℃范围以外时，系统语音温度超限报警；当电源缺相时，语音报警并停止运行；当供电电压不在额定电压±20 V以内时，系统语音电压超限报警并实施保护，当系统电压正常时自动恢复正常运行；当循环风机的工作电流大于等于其保护电流时，系统语音电流超限报警，并实施保护（停止循环风机运行）。

4 结语

温湿度综合控制仪研制成功后，于2017年7月～11月在四川凉山州、广元市和贵州毕节3个地区各投放了20台，在烟叶烘烤、茶籽烘烤方面进行长时间的运行试用，取得良好效果。该控制仪应用于烤烟的热泵烤房，干球温度实际控制精度在目标干球温度±0.7℃以内，湿球温度实际控制精度在目标湿球温度±0.5℃以内；应用于烤烟的生物质热源烤房，干球温度实际控制精度在目标干球温度±0.8℃以内，湿球温度实际控制精度在目标湿球温度±0.5℃以内；与单独控制生物质热源方法对比，配风、供料更加科学合理，平均每烤能节省生物质颗粒燃料80～100 kg。

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[9] 潘新民，王燕芳．微型计算机控制技术[M]．北京：电子工业出版社，2003：329-334．■