張立輝+魏立明+李春良

摘要：根據(jù)循環(huán)谷物干燥的特點，提出循環(huán)干燥采用質(zhì)電雙參數(shù)等速變溫的測控新方法，質(zhì)量參數(shù)和電參數(shù)融合在線測量水分含量，實現(xiàn)等速變溫控制；開發(fā)測控系統(tǒng)并進行干燥測控系統(tǒng)試驗；用上位機軟件中的LabVIEW技術(shù)開發(fā)實時進行數(shù)據(jù)顯示。實際應用結(jié)果表明，能實時準確控制干燥的水稻水分，實現(xiàn)干燥自動控制，保證谷物的干燥品質(zhì)。

關鍵詞：谷物；循環(huán)干燥；測控系統(tǒng)；質(zhì)電雙參數(shù)；水分檢測；LabVIEW

中圖分類號：S226.6 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）01-0211-03

發(fā)展糧食烘干產(chǎn)業(yè)、加速糧食生產(chǎn)全程機械化、最大限度地減少儲糧損失，是確保豐產(chǎn)豐收、穩(wěn)定糧食總量的重要途徑，也直接影響糧食的等級、加工質(zhì)量和食用品質(zhì)，從而影響到糧農(nóng)和糧食流通企業(yè)的經(jīng)濟效益、人們的生活質(zhì)量以及糧農(nóng)糧商的生產(chǎn)經(jīng)營積極性[1]。這就要求不斷改進谷物干燥工藝，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高干燥過程的智能化水平，開發(fā)抗干擾、穩(wěn)定的精確控制系統(tǒng)，從而改善谷物干燥后的品質(zhì)，降低谷物的損失，同時也提高干燥效率，降低成本，進一步擴大糧食的工業(yè)應用。本研究采用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)了一套循環(huán)式谷物干燥機自動檢測與智能控制系統(tǒng)，采用質(zhì)電融合的方法在線測量水分含量，測得谷物水分含量更貼近谷物的實際水分含量，并將在線測得谷物水分含量與目標水分含量進行比較，通過PLC等控制執(zhí)行機構(gòu)改變循環(huán)干燥過程的運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)干燥控制過程的自動控制。

1 系統(tǒng)總體設計

根據(jù)循環(huán)谷物干燥的特點，采用質(zhì)電雙參數(shù)水分含量在線測量與等速變溫控制相結(jié)合的測控新方法，將干燥的對象選為水稻，采用質(zhì)量法和電阻法（適合測量水稻水分含量）融合在線測量谷物水分含量；質(zhì)量法使用稱重傳感器測量谷物的實時質(zhì)量，根據(jù)干燥過程谷物的干物質(zhì)質(zhì)量不變的原則計算谷物實時水分含量?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)實時采集到谷物水分含量，結(jié)合目標水分含量實時調(diào)節(jié)熱風溫度，實現(xiàn)不同階段等速變溫降水控制[2]?？傮w設計方案如圖1所示。

2 測控系統(tǒng)硬件構(gòu)成

測控系統(tǒng)由主機（工業(yè)控制計算機）、PLC、稱重傳感器、環(huán)境和尾氣溫濕度傳感器、溫度傳感器、電阻式在線水分儀、控制執(zhí)行器及相應的儀表等組成（圖2），執(zhí)行部分主要包括可編程控制器及其他硬件外圍電路等[3]?？刂浦鳈C與溫度測控儀表、水分儀、控制執(zhí)行器等之間的數(shù)據(jù)交換通過RS232/RS485轉(zhuǎn)換模塊I-7520串行通信數(shù)據(jù)總線進行，一方面主機從溫度測控儀表、稱重傳感器、電阻水分傳感器等獲取干燥機參數(shù)的測量數(shù)據(jù)，另一方面主機向PLC、溫度測控儀表、水分傳感器等發(fā)出控制調(diào)節(jié)命令，進行相應的干燥控制。

循環(huán)谷物干燥機測控系統(tǒng)傳感器及執(zhí)行器包括熱風溫度傳感器、糧食溫度傳感器、電阻式水分儀、高料位傳感器、稱重傳感器、控制器PLC及環(huán)境、尾氣溫濕度傳感器。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 測控系統(tǒng)工作模式

測控系統(tǒng)采用質(zhì)電雙參數(shù)在線水分含量測量與等速變溫控制技術(shù)，干燥塔上分別布置電阻式水分儀、稱重傳感器及溫度傳感器等，實時檢測相關參數(shù)數(shù)據(jù)并傳送給計算機。計算機根據(jù)這些相關干燥參數(shù)信息建立一個干燥機工作的數(shù)據(jù)模型，然后根據(jù)烘干過程相關傳感器的讀數(shù)變化情況自動調(diào)整熱風溫度，實現(xiàn)等速干燥[4]。測控系統(tǒng)的工作模式如圖3所示。

3.2 測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集平臺

系統(tǒng)軟件采用LabVIEW圖形化編程語言來完成數(shù)據(jù)采集平臺的設計。軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設計，系統(tǒng)的工作軟件由干燥模型控制系統(tǒng)、熱風溫度檢測與控制、糧食溫度檢測、糧食水分檢測與校正、目標水分控制等模塊組成。其具體組成為系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集與顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲與處理模塊以及系統(tǒng)控制模塊。通過系統(tǒng)初始化模塊對控制系統(tǒng)各個儀表參數(shù)及控制參數(shù)進行設定和修改；數(shù)據(jù)采集與顯示模塊實時采集各個儀表傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并實時顯示在工作界面上；數(shù)據(jù)存儲與處理模塊將采集到的數(shù)據(jù)進行存儲，同時將采集的數(shù)據(jù)繪制成曲線圖顯示在工作界面上，根據(jù)各個時刻的數(shù)據(jù)值，系統(tǒng)控制模塊按照模型控制算法進行實時自動控制[4]。數(shù)據(jù)采集界面如圖4所示。

4 干燥機測控系統(tǒng)試驗

4.1 試驗裝置與方法

用12 t干燥容量的循環(huán)干燥機進行現(xiàn)場試驗，熱源為燃油爐。在試驗過程中利用循環(huán)干燥機自動控制系統(tǒng)自動記錄干燥過程的熱風溫度、糧溫、糧食實時總質(zhì)量和實時水稻水分含量等參數(shù)，同時人工記錄消耗柴油的質(zhì)量和每隔0.5 h采集干燥塔里的水稻樣本，用烘箱法對所采樣本進行水分含量的檢測，對系統(tǒng)計算的水稻水分含量和實測的水稻水分含量進行對比，結(jié)合干燥實際，對控制系統(tǒng)進行校正和循環(huán)速度的控制。

4.2 試驗條件

干燥試驗的對象為水稻，表1列出了循環(huán)干燥試驗開始前的一些參數(shù)的初始條件。

4.3 結(jié)果與分析

4.3.1 實測谷物水分含量與系統(tǒng)指示谷物水分含量的對比分析 系統(tǒng)指示谷物水分含量是指在谷物干燥過程中由質(zhì)電法檢測并計算得到的谷物實時水分含量；實測谷物水分含量由實驗室對采樣的樣品用烘干法測出，烘干法把谷物放到烘箱中進行烘干，利用烘干前與烘干后的質(zhì)量差與干物質(zhì)之比求出采樣谷物的水分含量。由圖5可知，質(zhì)電法所測的系統(tǒng)指示谷物水分含量比實測谷物水分含量偏高些，因為質(zhì)電法測得的是干燥谷物的平均水分含量，但2種方法測得干燥谷物的水分含量趨勢基本一致。

4.3.2 實測谷物水分含量、系統(tǒng)指示谷物水分含量和谷物實時質(zhì)量的對比分析 谷物的實時質(zhì)量指在干燥過程中干燥機內(nèi)谷物的總質(zhì)量， 由安裝在干燥機底部的稱重傳感器測量所得。由圖6可知，質(zhì)量參數(shù)法計算的谷物水分含量隨著谷物質(zhì)量的減少基本呈線性趨勢，和烘干法實測的谷物水分含量偏差不大，2種類型的干燥塔曲線趨勢基本一致?；究勺C實質(zhì)量參數(shù)法在線測得的干燥谷物水分含量方法的有效性，精度和穩(wěn)定度都要優(yōu)于其他電測法，但要求干燥機的設備不能存在漏糧現(xiàn)象。

4.3.3 實測谷物水分含量、系統(tǒng)指示谷物水分含量和干燥熱風溫度的對比分析 干燥機的熱源由燃油爐提供。為了穩(wěn)定干燥的熱風溫度，控制系統(tǒng)設計了熱風溫度上限設定的功能，自動控制干燥熱風溫度。從圖7可知，12 t的干燥塔的熱風溫度基本在50～60 ℃之間調(diào)整；熱風溫度對質(zhì)電法測量谷物水分含量沒有明顯的影響，即熱風溫度的變化對質(zhì)電法測量的水分含量沒有干擾，不用進行溫度補償，可見質(zhì)電法在這面存在優(yōu)越性。

4.3.4 谷物降水率和谷物溫度的對比分析 谷物顆粒表面上有橫向裂紋，通稱為爆腰，爆腰米粒占采樣米粒的比例稱為爆腰率。爆腰使水稻子粒強度降低，加工時容易被折斷，產(chǎn)生碎米，使出米率降低，這是不經(jīng)濟的。因此，爆腰率是鑒定水稻工藝品質(zhì)的重要指標之一，在干燥水稻時要控制干燥速度（降水速率1.5%/h以下），防止水稻爆腰。

從圖8可知，12 t干燥機的整個干燥過程平均降水速率為0.83%/h。干燥中期當谷物溫度達到35 ℃左右時，降水速率明顯提高；干燥后期由于水稻糙米顆粒失水較多，顆粒體積縮小，顆粒水分擴散和蒸發(fā)的通道變得更窄，谷物剩余水分穿過皮層的阻力更大；此外，谷物顆粒內(nèi)的自由水分不多了，這時機械結(jié)合水分蒸發(fā)需要更多的熱量，蒸發(fā)速率也變得更慢，所以干燥后期的降水率慢。

4.3.5 干燥單位耗熱量分析 單位耗熱量是糧食干燥機試驗的重要指標之一，是節(jié)約干燥成本和節(jié)能的參考依據(jù)。糧食干燥是一個很復雜的作業(yè)過程，影響干燥的因素很多，干燥作業(yè)條件多變，其中的影響因素有熱介質(zhì)參數(shù)（如熱風溫度、熱風風量和熱風濕度）、糧食參數(shù)（如谷物類別、谷物水分和糧食溫度）、環(huán)境條件（如環(huán)境溫度和環(huán)境濕度）、干燥工藝（如順流干燥、逆流干燥、橫流干燥、混流干燥）以及干燥機的結(jié)構(gòu)參數(shù)，這些因素都會影響干燥機單位耗熱量的數(shù)值。12 t 塔的單位耗熱量基本在2 000～5 800 kJ/kg區(qū)間波動，單位耗熱量平均值3 863 kJ/kg，低于國家規(guī)定的行業(yè)標準。

5 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，質(zhì)量法和電測法融合在線測量谷物水分含量更為精確，與目標水分含量更接近，更能準確實現(xiàn)等速變溫控制。循環(huán)谷物干燥機測控系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運行可靠，自動控制系統(tǒng)工作良好。水分檢測精度和穩(wěn)定性都很好，干燥后谷物水分均勻，爆腰率低于國家標準，谷物品質(zhì)好，干燥機的能耗低。

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