基于PLC 与组态的智能粮食烘干机控制系统设计*

2023-10-21周发发王宏旗汪婷婷陶丽萍

科技创新与生产力 2023年9期

江晨，周发发，王宏旗，汪婷婷，陶丽萍

（无锡科技职业学院，江苏无锡 214028）

中国是农业大国，据统计，目前中国每年由于粮食霉变而造成的粮食损耗高达334.5 亿kg，如果按一人一天一斤粮食来算，这些粮食可让全江苏7 000 多万人吃三年。粮食霉变问题已使国家粮食安全受到严重威胁。2023 年中央一号文件提出，只有把牢粮食安全主动权，才能把稳强国复兴主动权，依靠自己力量端牢中国饭碗。粮食减损，降低霉变刻不容缓。

粮食干燥是解决粮食霉变的有效方法，笔者调研了17 家中小型农场，收回有效问卷113 份，调研发现，现有的粮食干燥方式主要是人工晾晒和机器烘干，人工晾晒大约占37%。而这两种干燥方式都有着显著缺陷。人工晾晒存在干燥成本高、极易受到天气制约、粮食损耗量大等问题。而机器烘干对于操作人员有着一定的技术门槛，并且存在温度和模式单一，无法实时检测水分等问题。针对以上痛点，本文采用高度集成的“三合一”模块，运用PLC 和人机交互触摸屏进行自适应控制。优化烘干流程，采用自制高精度水分仪和变频烘干技术，根据不同粮食所含水分多少，自动匹配最佳烘干温度，不仅降低能耗，还使得不同种类粮食在烘干后达到最佳含水量，提高粮食质量，减少粮食损耗。

1 系统硬件组成

粮食烘干机主要由风机、提升机、上绞龙、下绞龙、拨粮机和甩盘机、温度传感器、满粮传感器、水分仪等构成硬件系统[1]。核心部分采用“三合一”智能模块作为控制器，包含PLC、人机交互、远程控制模块，节约了空间。系统硬件结构见图1。

图1 系统硬件结构图

M1 风机电机采用三相异步电动机，由变频器进行调速控制，电机启动加速时间为1 s、减速时间为0.5 s。M2 提升机电机采用三相异步电动机，电机仅需单向正转运行[2]。M3 上绞龙电机和M4 下绞龙电机均采用三相异步电动机。M5 甩盘电机采用三相异步电动机，电机运行方向为正转运行。M6拨粮机电机采用三相减速电机，减速比为1∶25。

2 系统控制程序流程图

系统上电后，触摸屏界面开始运行，首先进入系统的欢迎界面，在欢迎界面中可以选择烘干机的工作模式，分别为手动调试模式和自动运行模式。在手动模式中可对任何一部电机进行逐一调试[3]。手动模式的设计是为了方便调试单台电机所设立的，因为每台电机运行方式和安装所在的机构位置不同，在硬件调试的时候，需要先对电机进行逐一调试，才能保证在之后的自动模式下电机运行正常。操作点击触摸屏上对应的电机按钮，即可启动调试电机，再次点击按钮停止调试，再切换至下一台电机调试。如果调试过程中热继电器过载，则发出报警并紧急停机，直至故障解除方可再次进行调试。系统手动模式的工作流程图见图2。

图2 系统手动模式工作流程图

自动模式是本系统的核心，在自动模式中，根据大量实验测试建立常见谷物实际含水量和烘干温度的数据库，构建PLC 程序算法，根据谷物的种类、实际含水量确定最佳烘干温度进行自适应变频控制。

进入自动模式后，首先进行系统初始化，将内部寄存器数据初始化，根据选择的谷物类型，由PLC 将所选要烘干谷物的含水量标准值由串口传送给水分仪，并进行进粮流程，进粮流程结束后，由PLC 发送指令进行干燥前的水分检测并和设置的标准值进行对比，根据对比结果，进入不同温度的变频干燥流程，启动甩盘电机-上绞龙电机-提升机-下绞龙电机-拨粮机-风机，在此流程中粮食在粮塔主机内流动循环进行干燥处理。水分仪进行测量粮食达到设定需要的水分时，发送指令反馈给PLC，此时系统停止。待完全停止后可以进行放粮流程运行：顺序间隔时间启动甩盘电机-拨粮机-下绞龙电机-提升机，打开储粮口粮食即可排出烘干机内部，待粮食全部排出后，电机相反顺序停止。系统自动模式的工作流程图见图3。

图3 系统自动模式工作流程图

3 触摸屏组态设计

本系统采用FStudio 组态软件进行人机界面设计，为了兼顾操作控制的便捷性与直观性，在用户界面设置了手动调试界面、自动模式界面、电机运行监控界面与警报履历界面[4]。其中，在重点的自动模式下，还设置有自动模式运行界面、干燥监控界面和电机运行设置界面。

为了方便用户使用，在自动模式界面设计好各个流程下电机的启停顺序（见图4），为避免用户操作失误以及防止程序启动逻辑冲突，当按下自动按钮时，手动调试按钮右上角均有禁止操作标识，此状态下用户操作无效，需要再次点击自动按钮取消自动模式后方可切换运行模式。在其中一个流程运行时也设计了相关的操作保护，极大地降低了程序上重复运行的冲突。每个流程运行时在右上角都能实时监控风机的进风温度和自行设置报警温度和停机温度，根据设置最佳粮食烘干的温度来减少烘干过程中温度过高对粮食出现爆腰的问题。

图4 触摸屏自动模式运行界面

图5 为电机启动与停止的间隔时间与水分仪设定烘干粮食类型，在本界面中用户可以自由设定启动与停止时间，可以根据不同的粮食类型设置需要达到的水分要求。

图5 电机运行设置与水分仪设定界面

4 远程监控设计

在物联网技术高速发展的今天，远程控制技术被广泛地应用于智能设备监控中[5]。本系统采用上海繁易公司的FBox 远程模块，该模块可以对干燥过程中的各项参数等进行监控、控制模式进行选择、报警监控提示进行实时查看，且可以在手机APP 或PC 端查看和修改参数，极大地方便了客户和厂商的使用和对设备的信息获取。远程控制界面见图6。