张克发

(郑州飞机装备有限责任公司粮机研究室,河南 郑州 450005)

真空低温连续干燥设备自动控制系统方案简介

张克发

(郑州飞机装备有限责任公司粮机研究室,河南 郑州 450005)

论述了真空低温连续干燥设备自动控制系统的系统架构和方案设计，对真空低温连续干燥过程自动控制系统进行了分析，并对其关键技术和市场前景进行了展望。

粮食；真空干燥;干燥塔;数据传输;组态软件;颗粒物料;含水率

真空低温连续干燥项目是国家“十一五”科技支撑计划子课题之一，“农业品现代物流技术研究开发与应用”课题“粮库物流装备、粮食运输技术研究及产业化示范”的前道生产工序。真空干燥有许多优点：在低压下干燥时氧含量低，能防止被干燥物料氧化变质，可干燥易燃易爆的危险品；可在低温下使物料中的水分汽化，易于干燥热敏性物料；能回收干燥物料中的贵重和有用的成分；能防止干燥物料中有毒有害物质的排放，可成为环保类型的“绿色”干燥；真空干燥后粮食的破碎率、裂纹率大大降低。因此，真空低温干燥设备为后续粮食在物流过程中降低破碎提供了技术支撑和保证，在其他领域的应用也日益广泛。

真空低温干燥设备由一套能抽水蒸汽的真空系统、冷凝水蒸汽的蒸汽冷凝系统、提供干燥所需热量的供热系统以及实现干燥作业的电气控制系统组成。由于真空低温干燥有许多优点，一些热敏性物料必须采用真空干燥设备。因此，真空低温干燥设备的发展很有前途。

在粮食的干燥过程中，谷物水分的迁移蒸发是一个连续的微观过程。对水分迁移、蒸发速度的控制需要调整工艺参数。连续稳定的生产工艺，是保证整个干燥生产过程稳定的基础。需要对生产过程的温度、粮食水分、流量、干燥塔塔内的真空度、进排料速度等参数在线实时检测，并根据工艺要求，进行逻辑处理，输出要求的控制信号，控制供热系统、真空系统、进排料系统等干燥塔的设备协调工作，达到稳定的工艺参数，以保证生产过程的稳定，生产出水分、品质符合要求的物料。项目验证其采用的是操作按钮、旋钮加控制仪表的控制方式，人工干预工作量大，自动化程度低，设备各参数的协调，需要通过人工调整，响应速度慢，影响设备的工作性能的发挥，也不利于设备的工业化生产。

1 真空低温连续干燥设备简介

真空低温连续干燥设备工艺流程见图1。干燥玉米产量为300 t/d,降水幅度10%。

真空低温连续干燥设备由上料系统、真空干燥塔、卸料系统、真空系统、加热系统、电气控制系统六个部分组成。

真空系统由真空泵、真空压力表、管道、伞状气口、冷凝水塔等几个部分组成，主要作用是为干燥塔提供真空环境，降低粮食内部水分的迁移温度。

加热系统由加热锅炉、温度传感器、热水管道，以及回水管道组成，为设备提供40℃温度环境。

上料系统由皮带机、圆筒初清筛、提升机、缓冲仓以及高气密关风器组成。

真空干燥塔是设备的核心设备，塔内有真空管、加热管、真空传感器、温度传感器等，为粮食的低温真空干燥提供满足要求的大气环境。物料缓慢地通过干燥塔，经过1个预热段、2个干燥段、2个缓苏段后，物料内的水分迁移，散发到空气中，通过真空回路进入冷却塔，将水蒸汽变成水，排放出去。

减低水分后的物料，经底部的排料辊、出料关风器、缓冲仓等设备将物料排放出去。

电器控制系统是给设备提供动力，实时检测水温、真空度、料位等信息，根据工艺要求，协调各个设备的工作状况，保证最终的干燥工艺要求，达到降低粮食水分的目的。本研究主要对电气控制系统进行了设计和分析。

图1 真空低温连续干燥设备工艺流程

2 真空低温连续干燥过程自动控制系统的分析

真空低温连续干燥生产过程是一个微观过程，需要实时测量设备工作的各项相关参数,如温度、物料含水率、物料流量等，再根据工艺的要求设定参数，调整系统内的设备工作参数，以保证最终产品含水率的要求。

控制系统选用了S7-300系列PLC作为控制系统逻辑执行的核心，上位机作为人机交互界面。设备工作的参数，由操作人员根据生产的粮食的种类、水分要求，在上位机界面上输入上位机，上位机进行数据处理后，将详细的生产数据传输到PLC，PLC根据设定的逻辑，控制真空泵、供热系统、供料机构、排料机构协调工作，保证物料最终的加工要求。

全系统由在线检测传感器、信号输送、逻辑控制器(PLC)、设备驱动装置以及上位计算机组成。是一个闭环自动控制系统。其中水温、空气温度、真空度的检测均为连续参数的模拟量。选用了温度传感器和真空度传感器，这些参量市场均有成熟的产品可以选用。物料流量、含水率的在线检测均采用微波检测传感器。

3 干燥仓干燥过程自动控制系统架构方案设计

干燥仓干燥过程自动控制系统架构拓扑图如图2所示。

图2 干燥仓干燥过程自动控制系统架构拓扑图

3.1 数据传输系统的设计

由于真空低温干燥设备体积大，又是在室外安装，而上位计算机(PC)及主控制柜需要放置在室内，传感器输出信号的输送距离较远，需要防止信号的干扰和衰减。系统信号的传输采用了工业通信协议进行传输，可以有效地提高信号的传输质量。根据各类工业协议的应用情况，本系统选用ModBUS通信协议作为信号的传输协议。

ModBUS通信协议是已经标准化了的开放通信协议，应用范围广，技术成熟，并且许多传感器、检测仪表、执行机构均支持该协议，传感器、设备选型方便。

3.2 逻辑控制器(PLC)选型

真空低温干燥塔共计有22个检测和控制项目，其中输入项16个，输出项6个。在输入输出项目中，数字量有8个，模拟量有14个(输入10个，输出4个)。模拟量与数字量共占15个字，属于模拟量较多的中小型自动化控制系统,拟选用标准型S7-312CPU，外加模拟量和开关量扩展模块。上位计算机机安装CP5611DP接口卡，与PLC通信，实现工况的实时监控和人机交互。

3.3 组态软件的选型

组态软件选用西门子公司的Wincc，与西门子公司的PLC结合良好，且在行业内应用范围很广，技术成熟，性能稳定，具有以下特点：

模块化的结构，由简单任务到复杂任务，可灵活裁剪。Wincc是一个模块化的自动化组件，既可以灵活的进行扩展，从简单的工程到复杂的多用户应用，又可以应用到工业和机械制造工艺的多服务器分布式系统中。

众多的选件和附加件扩展了基本功能。已开发的应用范围广泛的、不同的Wincc选件和附加件，均基于开放式编程接口，覆盖了不同工业分支的需求。

强大的标准接口。Wincc提供了OLE、DDE、ActiveX、OPC服务器和客户机等接口或控件，可以很方便的与其他应用程序交换数据。

使用方便的脚本语言。支持C、VB等脚本语言。

提供所有主要PLC系统的通信通道。

集成到MES和ERP中，为MES和ERP提供管理数据。

特别是对SQLServer数据库的支持，可以将生产数据保存到数据库内，为分析生产过程，改进生产，提高产品的质量，提供了第一手资料。

4 干燥仓干燥过程自动控制系统关键技术分析

低温真空干燥塔控制系统，由在线检测传感器(温度、真空度、水分在线监测仪、转速等)、数据传输、逻辑控制器(PLC)、监控机(PC)及组态软件组成，是一套工艺参数检测→逻辑处理→输出控制信号→执行机构动作→改变设备工艺参数→工艺参数检测→逻辑处理→……不断循环的闭环控制系统，也是一套模拟量较多的自动化控制系统。系统关键技术和先进技术如下：

(1)颗粒物料含水率的在线检测属于比较前端的科技，市场产品少，生产厂家也少，同时传感器性能的稳定性、测量数据的准确度，是系统的技术难点。本系统选用DF-MMAI型微波在线水分检测仪。

(2)颗粒物料流量的在线检测也是系统内比较前沿的技术,是影响系统生产性能的关键指标。本系统选用了MONITOR SFI微波固体流量计。

(3)输出机构中热水流量的连续控制，虽然市场上有比例阀、电控节流阀等产品，但性能参数能否满足系统要求，也是系统的技术难点。

真空低温连续干燥设备控制系统，可带动大型真空低温连续干燥设备控制系统的国产化，提高大型干燥设备的国产化水平。

真空低温连续干燥设备目前已在郑州飞机装备有限责任公司完成了20 t/d玉米真空低温干燥中试生产性相关试验，实测产量20.3 t/h，降水幅度10%，单位热耗低于5 000 kJ/kg，破碎率0.16%，裂纹增加率6%，比热风干燥节能28.6%，达到了预期指标。并依托吉林德惠新良国家粮食储备库建立了300 t/d玉米真空低温连续干燥生产线，实测数据：原粮水分31.8%，日处理220.12 t，降水幅度17.5%，单位能耗≤5 000 kJ/kg，与热风干燥相比节能≥20%，应用效果良好，进入了设备性能完善和市场推广应用阶段。

[1] 科技部，国家粮食局，国家粮食储备局郑州科学研究设计院.“十一五”国家科技支撑计划子课题验收资料汇编[G].

[2] 王华中.监控与数据采集(SCADA)系统及其应用[M]. 北京：电子工业出版社,2010.

[3] 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7-300 PLC[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[4] 甑立东.西门子WinCC V7基础与应用[M].北京：机械工业出版社,2011.

(责任编辑：赵琳琳)

2016-08-28；

2017-02-19

张克发(1969-)，男，工程师，主要从事工业自动化、柔性加工生产线等方面的研究。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.03.005

TS210.3;TP271+.6

B

1003-6202(2017)03-0016-03