多物料广兼容网带式干燥机智能控制系统设计.pdf
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1、|四川农业与农机/2023年5期|我国果蔬生产加工规模位居世界首位,果蔬产业是仅次于粮食产业的第二大农业支柱产业1。刚收获的果蔬农产品水分含量高、易损伤、难储藏。农产品干燥可解决上述问题,但果蔬农产品品种多样,其大小、形状均不同,入机干燥的含水量差异非常大,再加上目前常用的网带式干燥机智能化程度低,不能检测机体内干燥温度、湿度和热风风速的变化2,从而导致农产品干燥品质差。本文研究网带式干燥机控制系统软件和硬件的设计,以期提升干燥过程的智能化控制水平,降低果蔬农产品产后干燥加工的损失。1农产品的干燥特性对于刚收获的以果蔬为代表的高湿农产品,可以看作是绝对干物料、液态水、气态水的组成。干燥介质可以
2、看作由干空气和水蒸气组合而成,农产品在干燥介质中自发进行水分迁移过程,直至农产品物料表面的水蒸气压力等于干燥介质中的水蒸气分压,农产品干燥的过程到达平衡含水率,从而结束干燥。在热风的温度、湿度、风速和农产品接触方式保持不变的条件下,干燥可以分为预热、等速、降速三个过程。预热阶段,高湿农产品在热风的作用下温度上升,热源提供的热量大部分用于提升农产品的温度,少部分热量用于农产品的水分蒸发。当物料温度升高至干燥介质湿球温度时,物料温度保持不变,单位时间内物料的脱水量将保持不变,即物料的干燥速率没有改变,此过程为等速阶段。农产品物料中的水分含量减少到介质水分含量时,其表面上的水蒸汽分压就会降低,农产品
3、表面与干燥介质的水蒸气分压力差降低,从而农产品的平均干燥速率减慢,农产品的温度逐渐上升,干燥过程进入降速干燥阶段。2网带式干燥机控制系统硬件设计2.1网带式干燥机结构特征本文以5GDC-IV80型网带式果蔬干燥机作为研究对象。该网带式干燥机由干燥箱、网带传动系统、送风管、排湿管、热泵、回风口、送风机、上料斗、均料器、混风室、风室隔板、新风管、回风管、送风室、排料传动系统组成3。网带式果蔬干燥机三维结构示意图,如图1所示。2.2干燥控制系统硬件设计设计的果蔬农产品干燥控制系统包括PLC主控制器、HMI、传感器、供热热泵、变频器、排湿风机、网带电机、循环风机、风阀、上下料光电开关、安全报警系统等部
4、件组成,该控制系统的框架结构如图2所示。设计的控制系统输入端具有各种传感器采集干燥过程中的信息,如:环境温度、环境湿度、干燥介质温度、干燥介质湿度、干燥介质热风风速以及检测物料位置光电开关信号。系统的输出部件包括各热泵、循环风机、排湿风机、网带电机的控制和安全警报系统等组成。多物料广兼容网带式干燥机智能控制系统设计*张环1,2董霖1,3李平2王爽2曾高升2谭果21.西华大学现代农业装备研究院,四川成都2.西华大学机械工程学院,四川成都3.四川省现代农业装备工程技术研究中心,四川成都摘要:果蔬产后干燥是农产品加工的关键环节。目前,大多采用网带式干燥机,其具有干燥时间短、操作简单的特点,但可加工品
5、种单一,不能自动检测机体内干燥温度、湿度和热风风速。为实现网带式干燥机的一机多用、控制智能、节能环保、产品优质的农产品干燥目标,本文以5GDC-IV80型网带式果蔬干燥机为研究对象,基于三菱PLC开发了一套网带式果蔬干燥机智能控制系统,提升目前网带式果蔬干燥机控制系统的多物料、广兼容、低能耗、高智能的特性。关键词:果蔬农产品干燥;网带式干燥机;智能控制系统;PLC;模糊PID*基金项目:四川省科技厅项目(2023YFG0049,2022YFG0065);四川省现代农业装备工程技术研究中心课题(XDNY2021-003)。作者简介:张环(1998年-),硕士。研究方向:智能农业装备研究。E-ma
6、il:。通讯作者:董霖(1973年-),教授,硕士生导师。研究方向:现代农业装备与智能农机研究。E-mail:。1.干燥箱 2.排湿管 3.网带 4.上料斗 5.均料器 6.排料传送带7.回风管 8.热泵 9.风室隔板 10.热风口 11.网带传送系统图 15GDC-IV80型网带式果蔬干燥机总体结构图22设计试验|四川农业与农机/2023年5期|2.3主要元器件选型果蔬干燥工作环境复杂多变,故选用的控制器需具备较好的稳定性和抗干扰能力,综合以上因素,主控制器选用三菱FX2N-48MT晶体管型PLC。果蔬农产品干燥温度的采集需要用到 PT100 温度传感器输入模块。选用 FX2N-4AD-TC
7、温度采集特殊模块,该模块将4路模拟量输入信号转化为12位的数字量信号,并将这个信号值输入到 PLC缓冲存储器中,可以同时采集4路温度模拟量。干燥过程环境中的湿度模拟量采集选用FX2N-4AD模块,该模块为模拟量输入模块,有CH1CH4四个通道,每个通道都可以进行A/D转换。干燥控制系统中的热风风速模拟量采集通过风速传感器与Modbus RTU通讯协议连接进行数据传送和处理。选用FX2N-485-BD通讯板对主控制器与传感器设备进行RS485通讯,将箱内的热风风速数据传送给RS485总线。网带传送电机转速的控制,采用FX2N-4DA模拟量输出模块,该模块把PLC中的数字量转换为模拟量,将12位数
8、字量转化成4路模拟量输出,输出的模拟量信号传送给变频器,从而实现电机的变频调速。干燥箱内热风温度调节通过控制热泵压缩机的转速达到变温设置要求,热泵压缩机转速的控制同样通过FX2N-4DA模拟量输出模块控制变频器实现。主控制器和扩展模块主要性能参数如表1所示。3网带式干燥机模糊PID结构设计果蔬农产品干燥是一个具有非线性、滞后性、多干扰和时变性的过程4-9。此外,由于网带转速运行状态的变化、农产品物料含水率不同、外界温湿度的变化以及热泵工作状态的不稳定,使得传统PID控制难以实现对滞后性、多干扰的干燥过程进行稳定控制。模糊PID将模糊控制与常规PID控制方法相结合,形成专门用于温度等大滞后系统模
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