糠壳炉控制系统的设计

2018-09-14马林森胡佳

湖北农业科学 2018年12期

马林森胡佳

摘要：糠壳炉主要用于米厂烘干系统，为烘干机提供稳定的热源。介绍了糠壳炉控制系统的总体框架、各个模块和工作流程。上位机采用C#基于VS2008开发环境进行设计，下位机基于MD88模块进行控制和状态监测，并采用热电偶和温度传感器对炉温和水温进行实时检测。控制方式包括手动控制和自动控制两种，自动控制下能够实现无人值守，系统稳定可靠。

关键词：糠壳炉；上位机；自动控制；无人值守

中图分类号：TP273+.5 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）12-0106-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.12.028

Abstract： Bran shell furnace is mainly used in drying system of rice factory. It provides stable heat source for the drying system. This paper has introduced the overall frame，module and workflow of the control system of bran shell furnace. The upper computer software is designed based on the VS2008 development environment. The lower computer is based on the MD88 module for control and state monitoring，and the thermocouple and temperature sensor are used for real-time detection of the furnace temperature and water temperature. Control methods include manual control and automatic control. Automatic control can achieve unattended. This system is stable and reliable.

Key words： bran shell furnace； upper computer； automatic control； unattended

炉子作为米厂烘干系统的热源供给系统，在烘干过程中承担着非常重要的角色。传统的炉子自动化程度不高，大多靠手动去控制，并根据人工经验去判断燃烧情况。这样就会造成人工成本增加，并且人工判断有时会出现失误，造成不必要的损失。传统炉子大多采用煤作为燃料供给，而米厂在稻谷处理的过程中会产生大量的稻壳，这些稻壳正好可以用来作为燃料，能够节省原料成本。糠壳炉为米厂烘干系统提供热源，并采用智能化的控制方法，为米厂节省了大量的人工和燃料成本。

该系统采用MD88模块作为控制单元下位机，采用标准的Modbus协议。检测炉温和水温采用热电偶和温度传感器。控制引风机和下料口振动电机采用变频器，能够很好地调节风量及下料频率。上位机采用C#开发，开发环境基于VS2008，数据库系统采用SQLserver2008。上位机能够实现参数设定、状态监测、数据读取和保存、设备控制、故障报警等功能，集过程控制和科学管理于一体，具有可靠性高、控制性能优越等特点，得到操作人员的认可。

1 总体设计及功能概要

糠壳炉控制系统包括上位机控制软件、MD88模块、传感器感知模块、变频控制模块。通过各个模块的分工和配合，实现对整个系统的控制。

1.1 上位机控制软件

上位机控制软件采用C#开发，软件设计简单、易操作。在界面上能够对各个设备进行单个控制和监测，这些设备包括水泵、关风器、引风机、鼓风机、点火器和振动电机。控制软件能够对各个传感器进行实时检测，检测数据包括进水口温度、出水口温度和烟道温度。在进行自动控制前，要先对相关参数进行设置，设置的参数包括点火器关闭温度、点火器重新开启温度、振动电机开启温度、开始减料温度、振动电机启动频率、最大进料频率、引风机启动频率、引风机过渡频率、引风机稳定频率。软件还具有一键点火和一键关火功能，一键点火后，系统进入自动控制程序，无需人工干预。软件还具备报警功能，当设备发生故障或出现其他异常时，软件会报警并自动关闭系统。

1.2 MD88模块

MD88模块上面与上位机连接，接收上位机的命令，下面与各个设备连接，对各个设备发送命令并接收反馈信息。MD88模块采用标准的Modbus通信协议，能够接受上位机的指令，输出口外接继电器，然后再和设备连接。MD88模块连接的设备包括水泵、关风器、鼓风机和点火器。

1.3 传感器感知模块

传感器感知模塊包括进水口温度传感器、出水口温度传感器、烟道温度传感器和数据采集模块。出水口温度和烟道温度是糠壳炉控制系统中最重要的两个参考数据，上位机软件会根据检测到的出水口温度和烟道温度，改变输出的引风机频率和振动电机频率。数据采集模块将采集到的模拟信号转换为数字信号，并与上位机保持通信。

1.4 变频器控制模块

变频器控制模块包括引风机、振动电机和两台变频器，变频器直接和上位机进行通信。通过变频器能够对引风机和振动电机进行无间隔连续性地调节。引风机一方面通过往炉体吹入大量空气助燃，另一方面将炉体内的稻壳吹散使稻壳更充分地燃烧，风量过大稻壳燃烧充分，但是炉体大量热量也会被带走，风量过小就会导致稻壳燃烧不充分。振动电机控制着稻壳的下料速度，在自动控制过程中，不同阶段会设定不同的振动频率。

2 系统自动控制流程

在系统开启过程中，首先打开关风器、鼓风机和点火器，约10 s后，打开引风机，引风机变频器频率设定为起始频率，当炉温达到振动电机开启温度，振动电机启动，同时设定振动电机频率为启动频率，并设定引风机变频器频率为过渡频率。当炉温达到260 ℃，关闭点火器，当炉温上升到300 ℃，开启水泵。当炉温达到400 ℃，设定引风机变频器频率为稳定频率。

随着炉温上升，出水口温度也在上升，系统不断地检测并判断炉温和出水口温度。当出水口温度大于88 ℃并且烟道温度小于800 ℃，振动电机变频器频率减1，若出水口温度继续上升至92 ℃，振动电机变频器频率再减1，若出水口温度达到94 ℃，关闭振动电机和引风机。当炉温达到800 ℃并且出水口温度大于88 ℃，振动电机变频器频率减2，炉温若继续上升至850 ℃，关闭振动电机和引风机。

在燃烧过程中，若是炉温和水温同时降低，当炉温在重新点火温度和800 ℃间，并且出水口温度在88 ℃以下，振动电机变频器频率会被恢复为起始频率，同时系统会检测振动电机和引风机是否被关闭，若被关闭再重新启动。若是炉温继续下降，当温度降到点火器重新开启温度（默认为200 ℃），振動电机变频器频率加1。

在系统关闭过程中，首先关闭点火器和振动电机，然后设定引风机变频器频率为50 Hz，当炉温低于120 ℃时，关闭引风机、鼓风机、关风器和水泵。

3 糠壳炉控制系统的硬件设计

硬件系统在整个系统中起着非常关键的作用，良好的硬件设计将为整个系统的顺利开发和后续控制功能的拓展奠定基础。糠壳炉控制系统的硬件设计包括设备控制及监测系统的设计、变频器控制系统的设计、传感器采集系统的设计、电路保护系统的设计等，糠壳炉控制系统的硬件组成如图1所示。主要用到的硬件设备包括工业控制计算机、MD88模块、继电器、数据采集模块、热电偶、温度传感器、变频器、水泵、点火器、鼓风机、引风机、关风器、振动电机等。

3.1 A/D转换模块及传感器系统

该系统选用的数据采集模块为JTA108RM型号的8通道数据采集模块，输入信号为4～20 mA，通信方式采用485通信，采用Modbus通信协议。进水口和出水口传感器选用同样的型号KEENYODA传感器，能够测量的水温范围是0～200 ℃，将测量的温度信号转换为4～20 mA的电流信号。采用的热电偶为铠装热电偶，测量范围时-200～1 300 ℃，用于测量炉体内的温度。

3.2 MD88模块控制系统

MD88模块采用12 V供电，8通道开关量输出，并且有输入寄存器，可以将设备的当前状态反馈回来。MD88控制系统还配合继电器进行控制，每一路输出都连接一个继电器，然后再连接设备。通信协议采用标准的Modbus协议，写寄存器请求和读寄存器请求协议格式分别如表1和表2所示。

3.3 变频器

该系统变频器选用JF1000G系列高性能矢量型变频器，该款变频器输出频率在0～600 Hz范围内，控制方式采用无PG矢量控制、V/F控制，速度控制精度在正负0.5%。频率设定方式有4种：数字设定、模拟量设定、串行通信设定和PID设定。变频器和上位机采用485通信，通信协议采用Modbus协议。

4 糠壳炉控制系统的软件设计

上位机软件设计是整个控制系统的关键所在，所有的控制算法和操作都在上位机软件完成。软件控制方式有两种：手动控制和自动控制。手动控制可以对各个设备进行单独操作，自动控制是一键点火后，所有操作都由软件自己完成。上位机软件设计分为参数设置、串口设计、设备控制设计、数据采集设计、自动控制设计和故障报警设计，如图2所示。

4.1 串口设计

该软件是在Visual Studio 2008环境下开发设计的，该开发环境有自带的串口控件SerialPort，该软件是基于SerialPort控件与下位机进行通信的。串口所要配置的参数包括串口号、波特率、校验位、数据位、停止位。

该软件总共用4个串口与设备进行通信，其中水泵、关风器等设备采用串口一，热电偶、温度传感器等采用串口二，引风机采用串口三，振动电机采用串口四。

串口自检功能是为了方便操作人员识别串口设计的，当点击串口自检按钮，进入串口检测环节，系统将每个设备对应的串口号检测出来，操作人员再手动设置。

4.2 故障报警设计

系统在运行过程中，如果出现设备故障或传感器数据异常，会发出报警信号并进入关火流程，烟道温度或水温过高，也会发出报警信号并进入关火流程。在运行过程中的任何环节出现异常，都会发出报警信号并进入关火流程。报警信息如表3所示。

5 小结

糠壳炉控制系统的设计充分考虑了米厂的实际需求，不仅能够对各个设备状态和数据参数进行监测和处理，还能够自动调节炉温，大大降低了人工成本。该系统还具备故障报警功能，提高了系统的安全可靠性。上位机界面简单易操作，整个系统稳定可靠。

参考文献：

[1] 刘国光.基于模糊算法的自适应温度控制器[J].仪器仪表用户，2002（2）：8-10.

[2] 于长官.自动控制技术及应用[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007.

[3] WATSON K，NAGEL C. C#入门经典[M].北京：清华大学出版社，2006.