张立辉，李春良，王立光

(吉林建筑大学，吉林 长春　130118)



连续谷物干燥机测控系统的设计

张立辉，李春良，王立光

(吉林建筑大学，吉林 长春130118)

【目的】 解决现有的连续谷物干燥机自动化程度低、能耗大、在线测谷物水分困难等问题.【方法】 结合玉米干燥的特点，设计了在连续干燥机上采用高低料位质电双参数变速测控的方法；开发了测控新方法的控制系统，融合了LabVIEW软件技术，并进行了干燥测控系统试验.【结果】 系统的自动化程度较高，实现了质量参数法和电参数法交替在线测量水分.【结论】 在整个玉米干燥过程中，热风温度自动控制在140～160 ℃，干燥机出口的玉米平均水分为14.7%；平均单位耗热量为5 100 kJ/kg H2O，远低于行业标准(8 000 kJ/kg H2O).

谷物干燥；质电双参数；水分检测；LabVIEW

干燥是谷物收获后加工储藏的一个重要环节，干燥过程对谷物品质有很大的影响.配置合理的干燥工艺和参数、智能化的控制技术是提高谷物干燥后品质的重要手段[1].

干燥过程中影响控制系统的控制效果和准确性的因素很多，其中谷物水分在线检测的精度和稳定性对控制系统影响较大.国内外学者对粮食水分在线检测和传感技术，进行了大量研究，但有关水分检测的精度和稳定性方面的研究不能满足实际生产的要求.现有的连续谷物干燥机的自动化程度不高，致使干燥后的谷物品质很难保证，同时干燥过程能耗大[2].

本研究采用虚拟仪器技术开发了一套连续式谷物干燥机自动检测与智能控制系统，采用高低料位质电双参数的方法在线测量水分，测得谷物水分更贴近谷物的实际水分，根据在线测得谷物水分与目标水分进行比较，实现排粮变速控制，从而实现干燥控制过程的自动控制.

1　系统总体设计

根据连续谷物干燥的特点，系统采用了高低料位质电双参数变速测控新方法.选取玉米为干燥对象，具体的设计思路为采用质量法和电容法(适合测量玉米水分)双参数融合在线测量谷物水分；质电双参数法使用称重传感器测量谷物的实时质量，加上高低料位传感器和激光传感器配合，在高低料位时刻，排粮也停止，高低料位时刻用质量法在线测量水分；实现质量法与电容法交替测量水分；控制系统根据实时采集到的谷物出机水分，结合目标水分，实时调节排粮速度，实现不同阶段变速控制[3-4].总体设计方案如图1所示.

2　测控系统硬件构成

测控系统组成如图2所示.系统由主机(工业控制计算机)、PLC、称重传感器、环境和尾气温湿度传感器、温度传感器、电容式在线水分仪、激光测距传感器、高低料位传感器、控制执行器及相应的仪表等组成；执行部分主要包括PLC、排粮变频器以及其他有关控制电路等.

控制主机与温度测控仪表、水分仪、控制执行器等之间的数据交换通过RS232/RS485转换模块I-7520串行通讯数据总线进行，一方面主机从温度测控仪表、称重传感器、电容水分传感器等获取干燥机的测量数据，另一方面主机向PLC、排粮变频器、温度测控仪表、水分传感器等执行机构发出控制命令，进行相应的干燥控制[5-6].

图1　测控系统设计方案Fig.1　Measurement and control system design

图2　测控系统组成框图Fig.2　Composition block diagram of the control system

图3所示为连续谷物干燥机测控系统传感器布置图.包括炉温(T1)、热风温度传感器(T2、T7)、粮食温度传感器(T3、T4、T5)、尾气温度传感器(T6)、电容式水分仪(M1、M2)、高低料位传感器(L1、L2)、称重传感器(W1、W2、W3、W4).控制器PLC、激光测距传感器、排粮变频器及环境、尾气湿度传感器在布置图中没有画出.上述传感器可根据干燥机实际情况增加或者减少.

图3　测控系统传感器布置图Fig.3　Sensors layout of the control system

3　系统软件设计

3.1测控系统工作模式

测控系统采用了高低料位质电双参数变速测控新方法.干燥塔上分别布置了电容式水分仪、称重传感器、温度传感器、激光测距传感器及高低料位传感器等，实时都将相关数据送至计算机.计算机根据这些相关干燥参数信息建立一个干燥机工作的数据模型，然后根据相关传感器的读数变化情况自动调整最优化的排粮速度以适应当前的情况.收集一个流程的干燥数据是指从开始烘干到谷物出机水分与目标水分接近这一段时间的参数数据[7].测控系统的工作模式如图4所示.

当谷物入机水分变化时，系统通过电容传感器及时检测到其水分值，并反复分析运算后对变频器发出改变转速和何时改变转速的时间指令，当其他因素变化时也是同样的调控道理.能及时发现影响因素的变化并适时调整，这样就能很好地保证出料谷物的水分值均匀一致.

图4　测控系统工作模式Fig.4　Control system mode

3.2测控系统数据采集平台

系统软件采用LabVIEW图形化编程语言来完成测控系统采集平台的设计[8-9].数据采集界面如图5所示.

在干燥控制期间，计算机不断地监控烘干塔的运行状况.系统不单独参照出机的水分.当计算机监测到谷物入机水分有较大提高时，在一段时间后，尽管谷物出机水分没有提高，系统仍会降低排粮转速而使塔中的高水分粮有一个合适的烘后水分[10-11].控制原则为一定时间内的出机谷物水分平均值尽量接近设定目标值.

图5　系统数据采集平台Fig.5　System data acquisition platform

4　干燥机测控系统试验研究

4.1试验装置和方法

本次现场试验使用神阳5HSZ/L/30系列连续谷物干燥机，干燥机的热源为煤炉.

试验过程中利用连续式干燥机计算机自动控制系统自动记录干燥过程的热风温度、粮温、粮食实时总质量和激光测距等参数，同时要人工记录消耗燃煤的质量和每隔半小时采集出机口的玉米样本，用烘箱法对所采样本进行水分检测，对系统计算的玉米水分和实测的玉米水分进行对比，结合干燥实际，由控制系统进行干燥作业调节，保持干燥作业稳定状态[4].

4.2试验条件

干燥试验的对象为玉米，表1列出了连续干燥试验开始前一些参数的初始条件.

4.3试验结果与分析

4.3.1实测干燥机出口玉米水分与系统指示玉米水分的对比实测采样出机口玉米水分由实验室烘干法测出；系统指示玉米水分是指在谷物干燥过程中由高低料位质电双参数法检测并计算得到的谷物实时水分.

表1　试验初始条件Tab.1　Initial test conditions

图6为高低料位质电双参数法测量干燥玉米水分与实测出机口玉米水分对比图.从数据上观察，质电双参数法测量的玉米水分要高于实测出机口玉米水分；因为质电双参数法测量连续干燥玉米的平均水分，应该要高于排粮口的玉米的水分.用质电双参数法测量连续式干燥谷物的水分具有可行性，我们再通过优化算法，使质电双参数法测量连续干燥谷物的水分更接近于出口谷物的水分，或者建立出机口的谷物水分与平均水分的关系.

图6　系统指示玉米水分与实测出机口玉米水分的对比图Fig.6　System indicates grain moisture and outlet grain moisturer comparison chart

4.3.2热风温度与粮温的对比本次试验用的连续干燥机有两个干燥段，我们在两个干燥段和储留部里都布置了测温传感器.图7为连续干燥下的热风温度和粮温变化曲线，在整个干燥过程中，热风温度在140～160 ℃波动，热风温度控制效果较好，为干燥提供了稳定的热源；两个干燥段的粮温都在50 ℃左右波动，粮温平稳，有利于干燥后的玉米的品质保持.

4.3.3热风温度与尾气温度的对比图8为连续干燥下的热风温度和尾气温度的变化曲线，在整个干燥过程中，尾气温度在30 ℃左右波动，与热风温度之间温度差大，说明热量的损失不大.

4.3.4出机玉米水分与排粮转速的对比连续干燥机要求出机口的玉米水分一次作业达到安全水分值，因此在干燥作业开始的前期，我们要通过调节排粮变频器控制干燥机的排粮速度，寻找干燥作业的稳定状态，即保证出口玉米水分接近目标水分.由图9玉米水分和排粮转速的数据曲线来看，在整个干燥过程中，排粮转速快，出机口的玉米水分高；本次试验排粮变频器在8～10 Hz调整，玉米的出机水分达到安全水分.

图7　粮温和热风温度曲线图Fig.7　Curves of grain temperature and hot air temperature

图8　热风温度和尾气温度曲线图Fig.8　Curves of hot air temperature and exhaust gas temperature

图9　出机玉米水分和排粮转速的曲线图Fig.9　Curves of outlet grain moistures and drive speed

4.3.5干燥单位耗热量单位耗热量是粮食干燥机试验的重要指标之一，是节约干燥成本和节能的参考依据.试验用的连续干燥机的热源是煤炉，本次试验用的连续谷物干燥机干燥玉米平均单位耗热量为5 100 kJ/kg H2O，低于国家规定的行业标准.

5　结论

本试验对连续干燥测控系统的新方法进行了研究，并设计了测控系统，同时对连续谷物干燥机的热风温度、粮温、尾气温度、高低料位质电双参数法计算玉米水分、实测玉米水分、排粮速度及干燥机单位耗热量等试验数据进行了科学的对比分析，试验结果表明，利用高低料位质电双参数法检测连续干燥谷物水分具有可行性，测控系统运行比较稳定可靠，能耗较低，谷物的干燥品质较好，达到了生产应用的要求.

[1]韩峰,吴文福，朱航．粮食干燥过程控制现状及发展趋势[J]．中国粮油学报，2009，24(5):150-153

[2]顾冰,赵学工,郑刚，等．稻谷干燥智能控制系统的研究[J]．粮食流通技术，2007(3):31-35

[3]吴文福,韩峰，张亚秋，等.一种连续式谷物干燥过程水分在线检测方法:中国：CN103808591A[P].2014-05-21

[4]张立辉.谷物干燥过程模拟及测控新方法的研究[D].长春：吉林大学,2014

[5]李长友,曹艳明.谷物循环干燥机控制系统硬件设计[J].农业机械学报,2003,33(6):86-88

[6]Liu Q,Bakker-Arkema F W.Automatic control of crossflow grain dryers,Part1:Development of a process model[J].Journal of Agricultural Engineering Research,2001,80(1):81-86

[7]张吉礼,陆亚俊,刘辉，等.谷物干燥过程参数在线检测与智能预测控制[J].农业机械学报,2003,34(2):50-53

[8]齐玉斌,李国昉,陈立东，等.基于虚拟仪器的谷物干燥智能控制器[J].粮食与饲料工业,2008(8):12-16

[9]费强,赵武云,张大龙,等.基于LabVIEW的微孔钻削刀具信号监测系统的设计[J].甘肃农业大学学报,2013,48(6):149-153

[10]杨乐平，李海涛，赵勇，等．LabVIEW高级程序设计[M]．北京：清华大学出版社，2003

[11]刘君华．基于LabVIEW的虚拟仪器设计[M]．北京：电子工业出版社，2003

(责任编辑赵晓倩)

Design for the control system of continuous grain dryer

ZHANG Li-hui，LI Chun-liang，WANG Li-guang

(Jilin Jianzhu University,Changchun 130118,China)

【Objective】 The design was aimed to solve the problems in continuous grain dryer including low automation degree,high energy consumption and poor online-grain-moisture-detection accuracy.【Method】 Combined with the characteristics of corn drying,a new variable control method of combining high and low material level and mass-electron two-parameter was designed in continuous drying,the control system was developed integrating the software technology of LabVIEW and the test of the drying control system was carried out.【Result】 The system had a high degree of automation,realizing the online alternative moisture measurement between the mass parameter method and the electric parameter method.【Conclusion】 In the drying process of the corn,hot air temperature was controlled within the scope of 140～160 ℃,the average corn moisture of dryer outlet was 14.7%,average unit energy consumption was 5 100 kJ/kg H2O,which is far below the industry standard(8 000 kJ/kg H2O).

grain drying;mass and electron two-parameter;moisture detecting;LabVIEW

张立辉(1975-)，男，副教授，博士，研究方向为智能控制.E-mail:dzzlh163@163.com

住房和城乡建设部科研项目(2014-K1-066)；吉林省教育厅“十二五”科技项目(2015265).

2016-03-07；

2016-05-17

S 226.6

A

1003-4315(2016)04-0145-05