太阳能—热泵联合烘干亳菊智能控制系统的设计与实现

吕洪善，蒋 伟，孙式运

(亳州职业技术学院 智能工程系,安徽 亳州 236800)

亳菊产于安徽亳州，与滁菊、杭菊和贡菊称为四大药菊，是药用价值极高的菊科植物[1]。亳菊在储存前要进行干燥处理，传统的干燥方法采用阴干法，时间太长也容易返潮。也有采用硫磺熏蒸法，或先蒸制杀青在烘干或晒干的，这些方法会引起菊花药材内在品质的变化。经研究试验测试得出，阴干处理亳菊有效成分含量最高，但时间较长，也无法满足大量药材快速干燥的要求。现在较普遍的加工方法为直接采花后烘干，而采用烘干技术温度控制在70℃时，亳菊的有效成分含量最高[2]。

烘干技术是当前国际上活跃的研究领域之一，而物料的烘干是一个巨大的耗能过程。因此，目前该领域内的热点课题主要集中于两点，提高质量、降低能耗和绿色环保。本文主要研究的内容是：将太阳能集热器和空气能热泵技术有机的结合在一起，设计出一款基于MCGS+PLC监控的智能型恒温太阳能—热泵联合亳菊烘干系统，这种设计不但可以达到节能减排，而且易于保证烘干工艺稳定性的要求，又不存在环境污染问题。

太阳能作为一种用之不竭的洁净的能源,把它作为烘干设备的能量来源，对降低能耗具有重大的意义。由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及天气条件等随机因素的影响，所以，它又是极不稳定的。空气能热泵不受环境影响，不受阴、雨、雪等恶劣天气和冬季夜晚的影响，一年四季可用。缺点为由于空气能是分散能源，制热速度慢，热效率不是很高。如果将它们两个合理的结合在一起使用，烘干时间与单独采用太阳能烘干相比缩短了20%左右，节能效率在70%左右[3]。本系统基于亳州地区的气候变化，对实际工程进行分析和测试，并对该工程系统的节能优化控制进行深入研究，为亳州地区的工程应用提供实际依据。

1 系统设计方案与工作原理

1.1 系统的方案设计

太阳能—热泵联合的亳菊烘干智能控制系统主要由供热系统、储热系统、烘干系统、监控系统四大部分组成，系统方案设计如图1所示。供热系统由太阳能和热泵机组并行提供热量，系统优先采集太阳能热量，当太阳能温度达不到预设温度时，再由热泵机组供热。这样可以弥补太阳能因特殊情况供热不足的缺陷。热泵机组采用空气源热泵机，其产热量是耗电量的2～4倍甚至更高，是一种高效节能的热源。储热系统主要作用是把太阳能和空气源热泵提供的热量吸收储存起来为烘干房供热。烘干系统主要由烘干室和散热片组成。监控系统主要通过MCGS组态控制技术利用嵌入式一体化触摸屏对太阳能出水温度、保温水箱温度和干燥室温度的监视，并对PLC进行控制。根据不同温度传感器反馈回的测试数值，利用PLC的PID控制功能控制不同电磁阀的开关，达到烘干室的温度智能控制。

图1 系统方案设计

1.2 系统工作原理

太阳能—热泵联合的亳菊烘干智能控制系统工作原理：亳菊采收回来后，将亳菊装在烘烤盘内，放入烘干室。当太阳能温度高于烘干室设定值时(系统设置2℃)，开启太阳能循环泵，太阳能给循环水箱供热。随着循环箱体内温度升高，当循环箱内的温度高于烘干箱设定温度时，连接循环箱与烘干箱的电磁阀打开，将被加热的水给烘干室散热片供热。当烘干室内温度高于设定值时，太阳能循环泵与循环水箱停止对烘干室供热工作，烘干室处于恒温状态。在此期间，若太阳能温度低于设定值，则太阳能加热系统关闭，系统自动开启热泵系统，由热泵系统给循环水箱供热，其原理与太阳能供热相同。最后当烘干室内菊花干制完成一个完整周期时，所有系统关闭。此时可以将干燥好的菊花从烘干室内取出。系统在初始供热时，为了加快提升循环箱的温度控制，可以手动控制让太阳能和热泵系统同时供热。系统流程图如图2所示。

图2 控制系统流程图

2 主要硬件设计

2.1 烘干室的设计

烘干室材料采用保温性较好材料，没有特殊要求。空间可根据个人的需要进行设置，考虑普通用户的使用，此处采用4900mm×3000mm×2000mm的尺寸。烘干架可采用两种方式，一是固定式货架，把菊花放在盘中放置上面；二是采用推车式，把菊花放在物料车上推进烘干室。为了使室内温度均衡，把散热片尽量分布均匀，条件好的可以每个货架都安装上散热片。烘干室上方要留有排气孔，以便工作中的排湿。在排气孔进气口安装湿度传感器，当湿度达到预设值时及时关掉排气孔，防止过多的热量散出。

根据叶花类中药材特性和烘干要求，设计按排湿量2Kg/h计算，典型气候参数如表1所示：

表1 典型气候参数

根据供热量公式[4]

(1)

将上表中各物理量代入式(1)计算得：烘干室需要的供热量QJ为4641(kJ/h)。

2.2 太阳能集热板的计算

现在市场上常用的太阳能集热板主要有平板式、真空管式、热管式等几种类型，由于平板式具有安装、维护方便等优点，系统采用平板式集热器。

根据太阳能集热器采光面积公式。[4]

(2)

式(2)中，Ac—集热器总面积，m2；r—热损失系数，r的值取1.6；

QJ—集热器单位小时供能量，根据式(1)的计算QJ的取值4641(kJ/h)；I—年平均太阳辐照量，亳州地区取值2174kJ/(m2·h)；η—集热器的集热效率，η的值取0.45。将各参数的值代入(2)式得：Ac=7.59m2。一般单块面积是2m2，因此本设计选用4块集热板。

2.3 热泵机组的计算

本系统设计是太阳能和热泵联合供热，系统中又采用了保温循环水箱，这样可以使烘干室的温度和设定温度的差值不会太大。热泵机组在系统中的作用在太阳能供热不能满足烘干室温度要求时，或者需要快速升高循环箱温度时工作。为了保证系统能够稳定运行，空气能热泵选型时按照其单独供热运行设计。根据热泵制热公式。[5]

(3)

2.4 循环水箱容积的计算

循环水箱在系统中主要作用是储存热能，其体积大小决定了储存能力的多少，在系统中，它要承担太阳能集热器和热泵供热，因此，在选择循环水箱的时候要考虑这两个方面的因素。根据太阳能集热器储热水箱容积计算公式[6]:

V=qrjdAc

(4)

式中：qrjd—太阳能集热器单位面积日产热水量(L),一般取值在30～70；Ac—集热器采光面积，按(1)式计算取8m2，将数代入(4)式计算范围得V范围为(240～560)L。

对于热泵系统，储热水箱容积应满足下式[7]：

(5)

式中：k2—安全系数，数值为1.05～1.10，此处取k2=1.08；C—4.18kJ/(kg·℃);ρ—水的密度取1000kg/m3；tmax—热泵最高温度，根据热泵性能，这里取85℃；tmin—热泵最低温度，根据功能需要，这里取45℃；Qj—系统总热量，按(1)式计算，取1289W；T按(3)式说明取15小时，各值代入(5)式计算的V=450L，综合太阳能集热器的特点及安全因素等，设计循环水箱的容积为V=580L。储水量可在(450～560)L之间可调。

3 自动监控系统设计

本方案设计有三大部分，第一部分是输入模块，由温度传感器、水位传感器和流量传感器等组成；第二部分是控制模块，采用TPC7062K触摸屏作为系统的监控，通过对输入各模块的实时状态监控，并根据PLC程序设定的参数与所监测数据比较，控制PLC自动控制相关设备工作；第三部分是输出模块，主要是根据PLC的控制指令完成不同的工作，并对异常工作设有声光报警以保证系统的可靠性。系统设计如图3所示。

3.1 监控部分设计

利用MCGS组态控制技术对太阳能出水温度、循环水箱温度和干燥室温度的监视，并对PLC进行控制。控制系统的上位机界面分为三个界面：系统监控界面、实时数据监控界面和历史数据监控界面。

图3 监控系统设计

系统监控界面如图4所示。此界面主要包含系统的启动、系统停止、太阳能运行、热泵机组运行启动按钮和指灯示、循环箱水位控制、温度传感器的工作显示与设置、循环泵的工作情况、烘干室工作情况、热泵手动启动开关等部分的工作情况监控。通过系统监控界面，可以直接的实时的看到各部分的工作运行情况，可以及时对系统进行调整。

图4 系统控制界面

实时数据报表是实时的将当前时间的数据变量按一定报告格式(用户组态)显示和打印，实时数据报表可以通过MCGS系统的实时表格构件来显示实时数据报表[8]。本系统的实时数据监控界面如图5所示。此界面主要显示太阳能温度、循环箱温度、烘干室温度和设定温度的实时数值和实时曲线的变化情况，能够让我们及时了解各个部分的温度变化情况。为了更好地与实际效果相符，在此界面加入了温度仿真增减按钮。

图5 实时数据监控界面

对系统的分析除了需要实时的数据外，有时还需要一些历史数据，MCGS系统本身就具有历史数据存储功能。系统的历史数据监控界面如图6所示。此界面主要显示太阳能温度、循环箱温度、烘干室温度和设定温度的历史数据数值和历史数据变化情况，能够让我们对以前的各部分温度变化情况参考分析。

图6 历史数据监控界面

3.2 PLC的程序设计

系统设计采用三菱FX3UPLC作为控制系统核心，利用PLC的可靠性高，抗干扰能力强，编程方便，易于使用等特点，使系统更有广阔的发展前景。

3.2.1 太阳能供热控制。

(1)太阳能的温度大于循环水箱2℃时由太阳能单独供热。

(2)太阳能的温度大于设定温度并且设定温度大于循环水箱温度时由太阳能单独供热。其控制梯形图如图7所示。

图7 太阳能供热控制梯形图

3.2.2 热泵机组供热控制。

(1)太阳能的温度低于循环水箱温度2℃时由热泵机组单独供热。

(2)水箱温度低于设定温度并且太阳能的温度也低于循环水箱温度时由热泵机组单独供热。

(3)不管什么情况下可以手动直接利用热泵机组供热。其控制梯形图如图8所示。

图8 热泵机组供热控制梯形图

3.2.3 干燥室温度控制。

(1)当干燥室的温度小于设定温度时，由循环水箱连续供热。

(2)当干燥室的温度大于设定温度2℃以上时，关闭循环水箱供热阀门，直到干燥室温度降到设定值时再次供热。其控制梯形图如图9所示。

图9 干燥室温度控制梯形图

4 系统测试

系统启动后，根据亳菊烘干要求的温度来设定烘干室的烘干温度。在各种供热方式中，为了节省能源，如果太阳能的温度高于循环箱的温度时，首先先由太阳能供热，提升循环箱的温度。如果太阳能的温度低于循环箱温度，则有热泵机组供热。下面是系统各部分不同工作状态下的运行情况。

工作状态一：设定温度值高于烘干室温度，并且烘干室温度高于循环箱温度。这时烘干室供热阀TV3关闭，系统加热方式有三种。第一种是为了快速提循环箱温度由太阳能和热泵机组两个系统同时加热。第二种太阳能温度低于循环水箱温度，由热泵机组供热，热泵供热阀VT2打开。第三种太阳能的温度高于循环箱的温度，则由太阳能单独供热，太阳能供热阀VT1打开。

工作状态二：设定温度值高于烘干室温度，循环箱温度高于烘干室温度，这时烘干室供热阀TV3打开。这时也分两种情况，一是太阳能温度低于循环箱温度，由热泵组供热；二是太阳能温度高于循环箱温度，由太阳能供热。

工作状态三：设定温度等于或低于烘干箱温度，系统加热方式有三种。第一种是循环箱温度等于或大于设定温度且温差不超过2℃时，由太阳能或热泵组供热，太阳能供热阀VT1或热泵组供热阀VT2和烘干室供热阀TV3都打开；第二种是循环箱的温度高于设定温度2℃时，太阳能供热阀VT1和热泵组供热阀VT2都关闭，停止对循环箱供热。第三种是烘干室温度等于或大于设定温度2℃时，烘干室供热阀TV3关闭。

假设设定亳菊烘干温度为70℃，系统启动后，在几种不同温度测试的工作情况如表2所示。

表2 系统测试记录表

注：电磁阀和热泵组参数为“0”表示关闭，为“1”表示打开。电磁阀TV1为太阳能供热阀，电磁阀TV2为热泵供热阀，电磁阀TV3为烘干室供热阀。

5 结论

本设计监控系统利用MCGS组态控制技术通过嵌入式一体化触摸屏TPC对PLC的控制实现对整个系统的的实时监测和控制，并利用PLC的强大控制功能，达到对亳菊烘干技术的智能化控制。通过多次实际模拟使用和测试，系统的稳定性和可靠性基本上能达到理想的效果。采用太阳能—热泵联合烘干技术，相比其它的烘干方法大大的缩短了烘干时间，保护了中药的药性，而且更节能环保。设备除了对亳菊烘干外，也可以用于对其它中药材的烘干，发展前景广阔。