粮食烘干塔智能预测控制系统软件开发路径研究

2023-01-03胡会南李秀丽

南方农机 2022年13期

胡会南，李秀丽

（河南测绘职业学院计算机工程系，河南郑州 451464）

种植户在粮食收获完毕后，需对粮食进行干燥处理，将粮食中水分尽可能降低，以满足粮食长期贮存的需求。由于粮食种类不同，需要干燥处理的粮食数量大，因此，探究粮食烘干塔进行粮食干燥处理极其重要。将智能化技术应用在烘干塔优化上，可以进一步确保烘干塔质量，完善烘干塔功能，实现智能化粮食烘干处理。智能预测控制系统软件开发可以通过分析粮食干燥处理过程中粮食温度变化、粮食出机水分、排粮电机转速等与粮食烘干质量之间的关系，结合BP 神经网络技术，构建可以根据烘干塔工作状态预测粮食烘干质量的智能控制手段，以设计粮食烘干塔智能预测控制系统。

1 粮食干燥技术发展现状

我国粮食机械干燥研究相对较晚，起源于20 世纪50 年代，最早的粮食干燥机为库兹巴斯干燥机。虽然库兹巴斯干燥机可以实现粮食干燥处理，但其生产效率低，大部分粮食很难在干燥处理后满足贮存需求，依旧需要采用人工晾晒等处理方式，使粮食含水率明显下降，最终满足粮食存贮需求。最初应用的粮食干燥机也多在库兹巴斯干燥机基础上，进行仿造，短期内达到提高粮食烘干效率的目的。早期干燥机进行粮食处理成本较高，烘干塔建设成本也比较高，整个烘干塔在粮食处理上，对能源的消耗也比较大，整体烘干综合效益较低，技术人员对烘干机的研究不断深入，一直以提高烘干效率、降低烘干能耗、提高烘干品质为研究重点。20 世纪60 年代后，对粮食干燥技术的研究进一步深入，圆筒式烘干机等陆续出现。20 世纪70 年代粮食干燥技术取得新进展。进入21 世纪后，粮食生产技术不断发展，粮食总产量不断增加，粮食干燥处理量越来越大，促使粮食干燥技术进一步发展。粮食干燥机型不断丰富，由固定式直立粮食烘干塔逐渐发展为卧式圆桶型可移动粮食烘干机。固定式粮食烘干塔已经可以采用逆流、横流、顺流、混流等多种烘干形式。烘干塔运行中，所用的能源越来越多样，小型的烘干机械以燃油为主[1]。进入2010 年之后，干燥设备行业发展迅速，一些智能化技术应用于干燥设备设计与制造之中，进一步提升了粮食烘干质量。

2 粮食烘干塔种类及特点

2.1 横流烘干

横流烘干以立式作为主要烘干模式，大多数横流烘干机主要为圆柱形的过滤孔洞或者方形塔过筛模式结构，横流烘干设备生产区域和厂家数量较多，该设备生产过程中普遍具有生产技术简单、安装经济成本低以及生产质量高等优势。由于粮食烘干塔智能预测控制系统在生产和技术操作环节上，以大型立式设备为主要结构，在烘干环节的能量消耗极大，粮食干燥水平低。相同烘干设备能够烘干的粮食种类和数量受到约束和限制，并且烘干之后粮食生产品质的损坏率不断提升。同时，由于设备自身结构特点，烘干设备所使用的孔洞过筛需要经常清理。

2.2 混流烘干

混流烘干技术主要指在粮食干燥处理上，通过排气系统、进气系统实现粮食干燥处理。粮食干燥处理时，当设备热空气由进气区域进入烘干塔，分别向下、向上运动，后通过上下两个角度盒排除，使得烘干塔内部区域形成上下流动的气流，增强空气流动，加速粮食表面水分蒸发，通过混流方式实现粮食干燥处理。该种模式与其他烘干模式相比，送风均匀，烘干充足，整体粮食干燥处理质量较高。但由于混流烘干设备内部结构需要交错分布多个排角状区域，需要布置相应的风机仪器，增加了烘干塔结构的复杂性。

2.3 逆流烘干

逆流烘干设备使用率相对较低，主要工作单元为逆流烘干设备，采用逆流冷却技术，对经过干燥处理的粮食进行降温，使得粮食在干燥处理后迅速降温，便于之后存贮。

2.4 顺流烘干

顺流烘干技术即在粮食干燥处理时，烘干运动的方向与粮食运动的方向相同，设备内部结构呈现复杂的漏洞状，设备内部存在多个通风管道，便于为粮食干燥处理区域提供热空气。在粮食干燥处理时，温度高达150 ℃左右，因此粮食烘干效率高。顺流烘干塔容量大，可以实现快速烘干，此类烘干塔是当前应用最为广泛的烘干塔形式。

3 粮食烘干塔智能预测控制系统软件开发

3.1 粮食干燥机机理及干燥处理过程分析

3.1.1 粮食干燥机机理

粮食烘干塔在粮食干燥处理上，主要借助物理水分蒸发原理，通过加速粮食周围空气流动、提高粮食周围环境温度等，促使粮食表面水分转移与蒸发，达到降低粮食表面含水率的目的，使得粮食可以满足贮藏需求。在粮食烘干处理时，粮食表面在烘干作用下出现汽化，将粮食表面水分汽化扩散到干燥介质中，使得粮食表面水分向表面转移，达到干燥粮食的目的。粮食干燥处理时，主要机理包括表面水分汽化、水分与物质结合。1）表面水分汽化。粮食的干燥实施过程中，通过高温等处理，粮食整体温度出现升高的情况，加快粮食表面水分蒸发，在粮食物质表面形成大量水蒸气[2]。随烘干温度不断提升，粮食水分子运动速度随之加快。粮食烘干塔运作时，干燥物质会在设备中不断流动，将粮食扩散在空气环境中的水分带走，所以即使粮食本身温度较低，只要粮食内部所包含的水分明显高于标准要求时，粮食的烘干流程就会持续开展，直至水分达到平衡，设备将停止运转。2）水分与物质结合。水分在粮食内部结构主要以游离水状态和结合水状态两种形式存在，游离水附着粮食表面结构与内部结构，此种水分并不属于粮食本身结构，因此在烘干操作时，干燥处理难度不大。结合水分则主要指粮食内部的水分，其相对稳定，并处于粮食内部，这部分水分处理难度很大。结合水属于粮食本身的结构之一，在烘干处理过程中，若温度过高或者采用的烘干方式不同，则会对结合水造成破坏，使得粮食品质有所下降，因此在粮食干燥处理时，需要注重该部分水分的适当保护。

3.1.2 粮食干燥机干燥处理过程

粮食干燥整体过程通过加热，使粮食中的水分物质通过表面汽化之后，能够被干燥的介质物质带离粮食，实现粮食干燥处理。粮食烘干塔运行，可以提高粮食烘干处理效率。1）预加热。该阶段能够针对粮食进行提前预热处理，致使温度大幅度提高，部分水分能够在粮食表面进行汽化处理，而随着粮食自身温度不断升高，整个干燥速度和效率随之加快[3]。2）速干阶段。经过预处理之后，粮食水分均匀下降，此时的粮食干燥速度已经达到了最大参数，在此环节上粮食温度应确保稳定，有效调控干扰风力温度和干燥效率。3）降速干燥。使用粮食烘干塔进行粮食干燥时，由于粮食经过速干阶段，所以粮食内部水分大幅度缩小，水蒸气基础压力减小，造成干燥速度降低，而降速干燥缓解则能够不断增加粮食温度，减少粮食内部所包含的水分。该阶段粮食表面水分基本已经蒸发完毕，为避免对粮食结合水造成破坏，需要降低干燥机器运行速度，确保粮食干燥质量。

3.2 粮食烘干过程——BP神经网络模型设计

在粮食烘干塔智能预测控制系统软件开发上，考量到粮食烘干的最终目标为控制粮食出机时的水分，并需要确保粮食的品质，使得粮食的品质可以满足贮存的要求。在粮食烘干控制上，将粮食塔烘干处理出机水分14%，误差1%的参数要求输入到系统之中，并要求系统可以动态监测烘干塔工作状态（入机温度平均值、入机水分平均值等）。采用传统BP 神经网络结构，三层结构包括传输层、基础层、处理层[4]。基础层主要为相关参数输入，传输层则主要负责相关数据传输，处理层负责相关数据分析，根据分析结果决策，并将决策质量通过传输层发送到基础层，实现粮食烘干塔干燥处理控制。在输入层，需要将粮食烘干处理相关数据信息包括排粮电机转速、烘干热风温度、粮食初始温度、环境相对湿度等输入，并将最终粮食烘干处理要求相关参数输入（如出机水分14%）。BP 神经网络所用函数设计采用Sigmoid 型函数，模拟生物神经元，实现非线性数据处理，增强神经网络的非线性映射能力[5-6]。

3.3 数据监测设计

粮食烘干塔智能预测控制系统在电路结构设计上，粮食温度、湿度等数据监测系统主要包含粮食设备入机温度、出机温度、入机湿度以及出机湿度等方面，粮食入机、出机温度在信息检测上属于常温检测模式，而烘干空气检测属于高温检测。1）空气温度监测。在粮食烘干塔智能预测控制系统中，想要完成烘干热空气，则应使用燃煤作为高温燃烧的核心条件，确保其温度适中，保证在80 ℃～200 ℃之间，确保热力电阻能够满足数据测量要求。如果系统出现故障问题，其烘干温度则产生大幅度跳动，为了防止产生超出数据测量情况，烘干空气温度在实际检测过程中需要使用热电偶作为信息检测传感主要模式。其中热电偶主要由两种不同成本材质造成闭合电路，由于材质不同，不同电子密度所产生电子扩散，等待稳定之后会产生应有电势。当两端温度差距越大，电流则随之提升，为此技术人员测试电动趋势之后才能够了解基础的温度参数。从本质上来看，热力电偶是一种能量转化设备，能够将热能转化为电能。热电偶的技术优势十分明显，因此热电偶温度测试范围相对比较宽泛，其性能稳定，丈量精准程度极高，能够保证热电偶参数与被测试目标直接接触。2）粮食温度监测设计。整个设备进行烘干操作过程中，由于粮食烘干塔内部结构的约束和限制，粮食温度检测装置和设备只能安装在粮食烘干塔入粮口和出粮口两个位置上。粮食入机温度水平直接取决于室外环境和空气温度，比如东北地区冬季室外温度最低能够达到零下35 ℃左右，夏季最高温度则大于35 ℃，而经过冷却处理之后，粮食在贮存区域时，应该保证在标准温度范围，以此满足粮食温度传感系统对于粮食温度测量需求[7]。由于温度检测装置应安装和设置在控制室内50 m 的室外，因此装置设备应使用锂电池作为电源，为了防止电源电量过低造成电压不稳定，从而引起温度失准的情况，信息测量装置应使用型号为REF02 精密电源作为PT 温度测量装置，提供相对稳定的5 V准电压。

3.4 通信层设计方案

在信息通信模块设计实施过程中，无线数据收发所使用的无线模块相对稳定。由于该无线模块从本质上来看是一款稳定性高、功耗低的信息收发模块，所以在不转变客户信息数据协议的同时，实现无线传输功能[8]。由于信息通信模块在运转过程中，普遍具有模块尺寸小、灵敏程度高、传输距离远等特点，使用TTL 连接端口，其设备接收灵敏程度达到-124 dBm，当传输距离达到3 000 m且上限高度为2 m 时，设备需要积极调整，确保在无干扰情况下传输距离为4 000 m。在粮食湿度监测上，使用STH75检测模块，该模块内部可以对传感器信号进行初步处理，将其转化为数字信号。考虑到粮食湿度检测模块数字信号需求，对外输出引脚采用单片机I/O口连接[9-10]。系统采用无线数据传输，选择TTL433 无线模块，无线透明数据收发模块，GFSK调制方式。