麦冬全自动烘干机的设计

李晓晓　何云勇　彭亮　袁影　杨涛

摘 要：传统的麦冬加工方式对气候环境和劳动者要求高，现无专业的麦冬全自动烘干机。在对烘干机的工作原理进行分析之后确定了烘干机技术要求与主要结构参数，并对烘干机结构进行了设计和样机试制，最后基于C/S网络体系架构协议，实现了对麦冬烘干设备电气控制和远程监控。烘干试验说明了麦冬全自动烘干机的效果，并为农业设备物联网集群组网的开发提供了参考。

关键词：麦冬;全自动烘干机;远程监控;物联网集群

中图分类号：S225.5 文献标识码：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20201015015

引言

麦冬属百合科沿街草属药用植物，具有养阴、生津、润肺、止咳、清心除烦等功效，是名贵中药材，市场需求量较大[1]，但每年麦冬的收获季节为春雨季，麦冬难以烘干到位。麦冬的传统烘干方式大体分为2种，药商大户及合作社基本以煤炭烘干，煤炭烘干会使麦冬含硫产生毒性;而小农户则以日晒、闷堆的方式进行烘干，容易受到天气影响、效率低下。而且煤炭烘干法会使麦冬烘干温度无法精准保持在同一温度，温度易过热变化，导致麦冬霉变、腐烂速度加快，使麦冬药性受到严重影响[2]。麦冬目前的加工方式对气候环境和劳动者经验要求高、能耗高、周期长、劳动力需求大，制约着麦冬产业的发展，而烘干机的出现大大提升了传统烘干方式能效。刘怀海、王继焕[3]将模糊控制算法应用于谷物烘干机温度控制系统，设计的智能模糊控制器具有稳态精度高、超调量小等优点;马保聪等[4]研发出多级连续滚筒式粮食烘干机，能够使热冷风能够与粮食充分接触，热交换快，水分布均匀度低，还可以对排湿除尘装置强制操控，有益于快速地排出农作物中的湿气与灰尘，然而由于此滚筒式粮食烘干机对于温度和湿度的控制参数精度还有很大进步空间，所以在日后的生产中对于这一烘干机的自动化程度还需进一步设计改良;马小丽[5]根据谷物靠自重的作用，在烘干机内自上而下流动，热介质则由热风机进入进气管的多级顺流间歇式烘干工艺设计了5H-40新型玉米烘干机，具有热风炉效率高、烘干过程玉米破碎率小以及对粮食无污染等优点。近些年来，从政府的大力扶持农业机械到国内高校和企业纷纷加入烘干机的开发、研究以及生产中，都传达了国家振兴烘干加工行业的讯息。

1 麦冬烘干机工作原理与技术参数

1.1 烘干机工作原理

根据麦冬烘干工艺以及设计要求，设计的麦冬烘干机采用整体闭式箱体结构，内部采用多层带式传动，结合了传统的密封箱式和传送带式烘干机特点，节能效果好，空间结构紧凑。麦冬烘干机主要由送料架、传送带装置、提升机构、加热系统和揉搓机构5大部分组成，烘干系统利用PLC的控制方式，动力来源为三相电机。在麦冬烘干过程中，送料架安装在烘干机的左面，加热系统安装在烘干机的侧面，提升机构安装在烘干机的右面，揉搓机构安装在烘干机的顶部。除了送料架，传送带装置、提升机构、加热系统和揉搓机构的外部都采用了隔热板隔热，可以降低热量散发和消除外表面发热对工作人员的烫伤隐患。工作时，利用送料机将新鲜带须的麦冬投入传送带装置，麦冬在传送带装置内部循环运转，麦冬在传送带内由下至上传送是通过提升机构实现的;加热系统连接在整个传送带装置的一个侧面，通过鼓风机将电阻丝的产热送入传送带装置，麦冬在传送带装置循环传动烘干后，通过提升机构进入揉搓装置，揉搓装置对烘干的麦冬揉搓去须，去须完成后又通过传送带装置送入出料口。麦冬烘干机的整体机构如图1所示。

麦冬烘干机中，送料架、传送带装置、提升机构、加热系统和揉搓机构所有的动力来源都由电机提供。送料架连接送料电机;传送带装置内部的传送电机I的输出轴通过齿轮传动、带动第1传送带逆时针和第2传送带顺时针运动，第1传送带又通过链传动使第3传送带做逆时针运动，传送电机II直接驱动第4传送带运动;提升机构通过提升电机做顺时针运动;揉搓机构连接揉搓电机，揉搓机构的进料口处有1块电动推杆控制的挡板，挡板的开合控制着烘干后的麦冬是否进入揉搓机构;加热系统则控制加热管的加热量和鼓风机工作时间。

1.2 烘干机技术要求与主要结构参数

设计的麦冬烘干机以四川省三台市麦冬作为烘干对象，同时要求兼顾其它类似农特产品烘干能力，具体技术要求包括运用连续式作业方式，麦冬的烘干率为1000kg·d-1;烘干设备要具备易操作、简维修和占地面积小的特点;烘干设备以循环利用电阻热风实现能源节约;烘干设备要排出潜在威胁因素，設计合理科学的观察窗口;烘干设备要标有明确安全标识以警示提醒使用者;烘干设备的所有参数设计和模拟试验等要满足国家标准和行规。

麦冬烘干机的主要技术指标和主要结构参数如表1所示。

2 麦冬烘干机结构设计

2.1 麦冬烘干机关键零部件结构设计

麦冬连续烘干机主要由送料架、传送带装置、提升机构、加热系统和揉搓机构等部件构成。

2.1.1 送料架

送料架用于将要烘干的麦冬送入烘干机内部，采用的是传送带运送方式，将传送带架在支撑架上提高传送高度，送料传送带的最高处对着烘干机的进料口。送料架的支撑架下方安装有万向轮，送料完成后可以将送料架移开。送料架的三维结构图如图2所示。

2.1.2 传送带装置

为实现从上到下逐层传送烘干麦冬，需要为该传送系统选择一个动力源，本文采用的动力源为三相电机，用以带动轴和齿轮。具体传动过程，通过链条让三相电机输出的功率传递给主动轮，随后从动轮会跟随主动轮发生运动，从而完成整个传动过程，同时麦冬的传输方向和受热面积也会随着上述过程发生变化。该装置对麦冬进行烘干的优点，麦冬可以受到立体烘干，即麦冬受热更加全面和均匀，总体来看烘干效果好;烘干设备结构简单便于运输和维修;该设备的占地面积小。烘干机箱体中的传送带装置主要由4条传送带组成，其中第1传送带逆时针运动，与第2传送带的运行方向相反，与第3传送带的运行方向相同，目的是能够让麦冬全面受热，有利于麦冬烘干，上层网带上的麦冬可以在传送过程中掉落到下层网带，从而可以近似地看作麦冬发生了翻动。传送带装置见图3。

2.1.3 提升机构

传统的带式烘干机主要的弊端就是占用空间大，而水平传送带无法多层空间利用，为实现空间循环利用，通过提升机构完成麦冬在烘干机底部的第4传送带上传送到顶部的第1传送带上，内侧半圆形的提升结构可以有效将内部麦冬提升。提升机构的三维机构如图4所示。

2.1.4 加热系统

目前市场上常用的加热方式是加热管，利用鼓风机将热风吹送入烘干机内，吹风方式是在烘干机箱体的底部将热风吹入，而在最高处设置通风口，可以使热风从低到高加热，循环利用热量，但这样的效果是热量在最高处的通风口排出，热量损失较大。加热系统的三维结构如图5所示。本文设计的吹风方式是将把整个烘干机箱体的侧面作为进风口，充分扩大热风接触面积，这样升温较快。加热系统的排风口设置在提升机构的最左上端，使烘出的水蒸气从这里排出。而在烘干机箱体的顶部设置有连接鼓风机箱的管道，使得热风吹出后又从烘干机顶部鼓风机箱进入循环使用，充分利用热能。

2.1.5 揉搓机构

当麦冬烘干后，需要对麦冬揉搓去须，传统的麦冬烘干和去须都是分开进行，本文设计的烘干机将烘干和揉搓去须二者集成，当麦冬烘干后直接进入揉搓机构，揉搓机构揉搓去须后直接出料。双桶式揉搓机揉搓效率更高，揉搓机的上方设置有挡板，当麦冬未烘干时，揉搓机上方的挡板处于闭合状态，麦冬无法进入揉搓机，当麦冬烘干后，揉搓机上方的挡板会打开，烘干的麦冬就会进入揉搓机进行揉搓去须。图6为揉搓机构的三维结构图。

2.2 麦冬烘干机整机建模与样机试制

利用三维建模软件CATIA对麦冬烘干机进行三维建模，完成的麦冬烘干机三维结构如图7所示，图7中麦冬烘干机三维模型分别是其正面和背面。麦冬烘干机三维模型设计完成后，对模型进行运动仿真和干涉分析，分析无误后进行麦冬烘干机样机试制，图8为试制完成的麦冬烘干机样机。

3 麦冬烘干远程监控系统设计与烘干试验

3.1 麦冬烘干远程监控系统设计

麦冬烘干远程监控系统的总体思路是在麦冬烘干机旁部署1台PC（又称上位机），负责获取和控制PLC数据并与用户的移动终端通信。移动终端管理界面是1个C/S结构的系统，上位机作为服务器，移动终端作为客户端[6]。用户携带移动终端连接网络后，发起连接即可通过上位机监控麦冬烘干机的运行状态。在麦冬烘干设备监控系统中，控制软件有2个，分别是计算机上的应用程序，负责发送指令并接收由PLC传递来的实时数据;移动终端上的Android程序，与计算机上的应用程序通过TCP/IP的形式连接，发送指令并接收由应用程序传递来的实时数据，从而间接控制PLC的直接流程。为了在与PLC通信的过程中能够在上位机界面上实时显示出数据，采用Microsoft Visual Studio 2013软件工具和C++语言来编写计算机应用程序。此外，在设计编辑远程移动控制端的相关程序时采用了Android-Studio-Bundle软件工具，将计算机应用程序通信过程中产生的数据实时显示在移动终端上。根据麦冬烘干机控制系统的工作原理，由设备监控模块、网络数据传输模块和设备控制模块共同构成了麦冬烘干远程监控系统。麦冬烘干监控系统功能如图9所示。

由于系统的软件有2个，分别为上位机和远程终端，因此系统的测试环境主要分为硬件环境与软件环境。其中，硬件环境包括工业电脑1台、支持Android 7.0环境的手机1台、无线路由器1台、西门子S7-200 Smart PLC1台。搭建完成以上软硬件环境，并将PLC、上位机、移动终端相关的网络线缆连接完毕后，打开上位机软件，移动终端软件，西门子PLC状态监控模拟器STEP 7 SMART V2.2进行系统测试。图10为麦冬烘干上位机系统工作界面，图11为麦冬烘干设备监控系统移动终端界面。

3.2 麦冬全自动烘干机试验分析

试验对象为四川省三台市采挖的新鲜麦冬，新鲜麦冬从送料架进入，再通过提升机构、传送带装置、加热系统和揉搓机构的综合作用，烘干揉搓好的干麦冬从出料口流出。图12（a）为采挖的新鲜麦冬，图12（b）为烘干揉搓后的干麦冬。

4 结论

麦冬烘干对保证麦冬的品质、便于包装和贮藏具有重要的作用和意义，采用程序变温的方式烘干效果最好。结构上，麦冬烘干机采用整体闭式箱体，内部采用多层带式传动，结合了传统的密封箱式和传送带式烘干机特点，节能效果好，空間结构紧凑;控制系统方面，利用PLC对烘干机进行控制，通过传感器对烘干机控制系统的温度和湿度进行检测;并完成了麦冬烘干远程监控系统的上位机和移动终端设计，实现了麦冬全自动烘干机的物联网设备集成。

参考文献

[1] 刘翠翠，杨涛，马京晶，等.基于PCA-SVM的麦冬叶部病害识别系统[J].中国农机化学报，2019，40（08）：132-136.

[2]王玉霞.麦冬药材质量评价及道地性初步研究[D].北京：北京协和医学院，2014.

[3]刘怀海，王继焕.模糊控制在谷物烘干机温控系统中的应用[J].粮食加工，2009，34（02）：38-40.

[4]马保聪，田相克，庄少林.多级连续滚筒式粮食烘干机的研发[J].科技视界，2016（17）：76-77.

[5]马小丽.5H-40新型玉米烘干机的研制[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2017，35（01）：57-58.

[6]李光辉，周小波，曾文明，等.智能泵站PLC远程控制系统设计[J].中国农机化学报，2018，39（07）：78-83.

（责任编辑 周康）

收稿日期：2020-08-27

基金项目：成都农业科技职业学院院级孵化项目“多功能微型电动农业无人车关键技术研究”（项目编号20ZR108）

作者简介：李晓晓（1987-），硕士，实验师。研究方向：机械机构设计与传感器应用;通讯作者杨涛（1991-），男，硕士。研究方向：农业工程与信息化和机器视觉技术。