呂洪善，蔣 偉，孫式運(yùn)

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能工程系,安徽 亳州 236800)

亳菊產(chǎn)于安徽亳州，與滁菊、杭菊和貢菊稱為四大藥菊，是藥用價值極高的菊科植物[1]。亳菊在儲存前要進(jìn)行干燥處理，傳統(tǒng)的干燥方法采用陰干法，時間太長也容易返潮。也有采用硫磺熏蒸法，或先蒸制殺青在烘干或曬干的，這些方法會引起菊花藥材內(nèi)在品質(zhì)的變化。經(jīng)研究試驗(yàn)測試得出，陰干處理亳菊有效成分含量最高，但時間較長，也無法滿足大量藥材快速干燥的要求。現(xiàn)在較普遍的加工方法為直接采花后烘干，而采用烘干技術(shù)溫度控制在70℃時，亳菊的有效成分含量最高[2]。

烘干技術(shù)是當(dāng)前國際上活躍的研究領(lǐng)域之一，而物料的烘干是一個巨大的耗能過程。因此，目前該領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)課題主要集中于兩點(diǎn)，提高質(zhì)量、降低能耗和綠色環(huán)保。本文主要研究的內(nèi)容是：將太陽能集熱器和空氣能熱泵技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起，設(shè)計出一款基于MCGS+PLC監(jiān)控的智能型恒溫太陽能—熱泵聯(lián)合亳菊烘干系統(tǒng)，這種設(shè)計不但可以達(dá)到節(jié)能減排，而且易于保證烘干工藝穩(wěn)定性的要求，又不存在環(huán)境污染問題。

太陽能作為一種用之不竭的潔凈的能源,把它作為烘干設(shè)備的能量來源，對降低能耗具有重大的意義。由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以及天氣條件等隨機(jī)因素的影響，所以，它又是極不穩(wěn)定的?？諝饽軣岜貌皇墉h(huán)境影響，不受陰、雨、雪等惡劣天氣和冬季夜晚的影響，一年四季可用。缺點(diǎn)為由于空氣能是分散能源，制熱速度慢，熱效率不是很高。如果將它們兩個合理的結(jié)合在一起使用，烘干時間與單獨(dú)采用太陽能烘干相比縮短了20%左右，節(jié)能效率在70%左右[3]。本系統(tǒng)基于亳州地區(qū)的氣候變化，對實(shí)際工程進(jìn)行分析和測試，并對該工程系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化控制進(jìn)行深入研究，為亳州地區(qū)的工程應(yīng)用提供實(shí)際依據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案與工作原理

1.1 系統(tǒng)的方案設(shè)計

太陽能—熱泵聯(lián)合的亳菊烘干智能控制系統(tǒng)主要由供熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)四大部分組成，系統(tǒng)方案設(shè)計如圖1所示。供熱系統(tǒng)由太陽能和熱泵機(jī)組并行提供熱量，系統(tǒng)優(yōu)先采集太陽能熱量，當(dāng)太陽能溫度達(dá)不到預(yù)設(shè)溫度時，再由熱泵機(jī)組供熱。這樣可以彌補(bǔ)太陽能因特殊情況供熱不足的缺陷。熱泵機(jī)組采用空氣源熱泵機(jī)，其產(chǎn)熱量是耗電量的2～4倍甚至更高，是一種高效節(jié)能的熱源。儲熱系統(tǒng)主要作用是把太陽能和空氣源熱泵提供的熱量吸收儲存起來為烘干房供熱。烘干系統(tǒng)主要由烘干室和散熱片組成。監(jiān)控系統(tǒng)主要通過MCGS組態(tài)控制技術(shù)利用嵌入式一體化觸摸屏對太陽能出水溫度、保溫水箱溫度和干燥室溫度的監(jiān)視，并對PLC進(jìn)行控制。根據(jù)不同溫度傳感器反饋回的測試數(shù)值，利用PLC的PID控制功能控制不同電磁閥的開關(guān)，達(dá)到烘干室的溫度智能控制。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.2 系統(tǒng)工作原理

太陽能—熱泵聯(lián)合的亳菊烘干智能控制系統(tǒng)工作原理：亳菊采收回來后，將亳菊裝在烘烤盤內(nèi)，放入烘干室。當(dāng)太陽能溫度高于烘干室設(shè)定值時(系統(tǒng)設(shè)置2℃)，開啟太陽能循環(huán)泵，太陽能給循環(huán)水箱供熱。隨著循環(huán)箱體內(nèi)溫度升高，當(dāng)循環(huán)箱內(nèi)的溫度高于烘干箱設(shè)定溫度時，連接循環(huán)箱與烘干箱的電磁閥打開，將被加熱的水給烘干室散熱片供熱。當(dāng)烘干室內(nèi)溫度高于設(shè)定值時，太陽能循環(huán)泵與循環(huán)水箱停止對烘干室供熱工作，烘干室處于恒溫狀態(tài)。在此期間，若太陽能溫度低于設(shè)定值，則太陽能加熱系統(tǒng)關(guān)閉，系統(tǒng)自動開啟熱泵系統(tǒng)，由熱泵系統(tǒng)給循環(huán)水箱供熱，其原理與太陽能供熱相同。最后當(dāng)烘干室內(nèi)菊花干制完成一個完整周期時，所有系統(tǒng)關(guān)閉。此時可以將干燥好的菊花從烘干室內(nèi)取出。系統(tǒng)在初始供熱時，為了加快提升循環(huán)箱的溫度控制，可以手動控制讓太陽能和熱泵系統(tǒng)同時供熱。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)流程圖

2 主要硬件設(shè)計

2.1 烘干室的設(shè)計

烘干室材料采用保溫性較好材料，沒有特殊要求?？臻g可根據(jù)個人的需要進(jìn)行設(shè)置，考慮普通用戶的使用，此處采用4900mm×3000mm×2000mm的尺寸。烘干架可采用兩種方式，一是固定式貨架，把菊花放在盤中放置上面；二是采用推車式，把菊花放在物料車上推進(jìn)烘干室。為了使室內(nèi)溫度均衡，把散熱片盡量分布均勻，條件好的可以每個貨架都安裝上散熱片。烘干室上方要留有排氣孔，以便工作中的排濕。在排氣孔進(jìn)氣口安裝濕度傳感器，當(dāng)濕度達(dá)到預(yù)設(shè)值時及時關(guān)掉排氣孔，防止過多的熱量散出。

根據(jù)葉花類中藥材特性和烘干要求，設(shè)計按排濕量2Kg/h計算，典型氣候參數(shù)如表1所示：

表1 典型氣候參數(shù)

根據(jù)供熱量公式[4]

(1)

將上表中各物理量代入式(1)計算得：烘干室需要的供熱量QJ為4641(kJ/h)。

2.2 太陽能集熱板的計算

現(xiàn)在市場上常用的太陽能集熱板主要有平板式、真空管式、熱管式等幾種類型，由于平板式具有安裝、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)采用平板式集熱器。

根據(jù)太陽能集熱器采光面積公式。[4]

(2)

式(2)中，Ac—集熱器總面積，m2；r—熱損失系數(shù)，r的值取1.6；

QJ—集熱器單位小時供能量，根據(jù)式(1)的計算QJ的取值4641(kJ/h)；I—年平均太陽輻照量，亳州地區(qū)取值2174kJ/(m2·h)；η—集熱器的集熱效率，η的值取0.45。將各參數(shù)的值代入(2)式得：Ac=7.59m2。一般單塊面積是2m2，因此本設(shè)計選用4塊集熱板。

2.3 熱泵機(jī)組的計算

本系統(tǒng)設(shè)計是太陽能和熱泵聯(lián)合供熱，系統(tǒng)中又采用了保溫循環(huán)水箱，這樣可以使烘干室的溫度和設(shè)定溫度的差值不會太大。熱泵機(jī)組在系統(tǒng)中的作用在太陽能供熱不能滿足烘干室溫度要求時，或者需要快速升高循環(huán)箱溫度時工作。為了保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，空氣能熱泵選型時按照其單獨(dú)供熱運(yùn)行設(shè)計。根據(jù)熱泵制熱公式。[5]

(3)

2.4 循環(huán)水箱容積的計算

循環(huán)水箱在系統(tǒng)中主要作用是儲存熱能，其體積大小決定了儲存能力的多少，在系統(tǒng)中，它要承擔(dān)太陽能集熱器和熱泵供熱，因此，在選擇循環(huán)水箱的時候要考慮這兩個方面的因素。根據(jù)太陽能集熱器儲熱水箱容積計算公式[6]:

V=qrjdAc

(4)

式中：qrjd—太陽能集熱器單位面積日產(chǎn)熱水量(L),一般取值在30～70；Ac—集熱器采光面積，按(1)式計算取8m2，將數(shù)代入(4)式計算范圍得V范圍為(240～560)L。

對于熱泵系統(tǒng)，儲熱水箱容積應(yīng)滿足下式[7]：

(5)

式中：k2—安全系數(shù)，數(shù)值為1.05～1.10，此處取k2=1.08；C—4.18kJ/(kg·℃);ρ—水的密度取1000kg/m3；tmax—熱泵最高溫度，根據(jù)熱泵性能，這里取85℃；tmin—熱泵最低溫度，根據(jù)功能需要，這里取45℃；Qj—系統(tǒng)總熱量，按(1)式計算，取1289W；T按(3)式說明取15小時，各值代入(5)式計算的V=450L，綜合太陽能集熱器的特點(diǎn)及安全因素等，設(shè)計循環(huán)水箱的容積為V=580L。儲水量可在(450～560)L之間可調(diào)。

3 自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

本方案設(shè)計有三大部分，第一部分是輸入模塊，由溫度傳感器、水位傳感器和流量傳感器等組成；第二部分是控制模塊，采用TPC7062K觸摸屏作為系統(tǒng)的監(jiān)控，通過對輸入各模塊的實(shí)時狀態(tài)監(jiān)控，并根據(jù)PLC程序設(shè)定的參數(shù)與所監(jiān)測數(shù)據(jù)比較，控制PLC自動控制相關(guān)設(shè)備工作；第三部分是輸出模塊，主要是根據(jù)PLC的控制指令完成不同的工作，并對異常工作設(shè)有聲光報警以保證系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)設(shè)計如圖3所示。

3.1 監(jiān)控部分設(shè)計

利用MCGS組態(tài)控制技術(shù)對太陽能出水溫度、循環(huán)水箱溫度和干燥室溫度的監(jiān)視，并對PLC進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)的上位機(jī)界面分為三個界面：系統(tǒng)監(jiān)控界面、實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控界面和歷史數(shù)據(jù)監(jiān)控界面。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖4所示。此界面主要包含系統(tǒng)的啟動、系統(tǒng)停止、太陽能運(yùn)行、熱泵機(jī)組運(yùn)行啟動按鈕和指燈示、循環(huán)箱水位控制、溫度傳感器的工作顯示與設(shè)置、循環(huán)泵的工作情況、烘干室工作情況、熱泵手動啟動開關(guān)等部分的工作情況監(jiān)控。通過系統(tǒng)監(jiān)控界面，可以直接的實(shí)時的看到各部分的工作運(yùn)行情況，可以及時對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

圖4 系統(tǒng)控制界面

實(shí)時數(shù)據(jù)報表是實(shí)時的將當(dāng)前時間的數(shù)據(jù)變量按一定報告格式(用戶組態(tài))顯示和打印，實(shí)時數(shù)據(jù)報表可以通過MCGS系統(tǒng)的實(shí)時表格構(gòu)件來顯示實(shí)時數(shù)據(jù)報表[8]。本系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控界面如圖5所示。此界面主要顯示太陽能溫度、循環(huán)箱溫度、烘干室溫度和設(shè)定溫度的實(shí)時數(shù)值和實(shí)時曲線的變化情況，能夠讓我們及時了解各個部分的溫度變化情況。為了更好地與實(shí)際效果相符，在此界面加入了溫度仿真增減按鈕。

圖5 實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

對系統(tǒng)的分析除了需要實(shí)時的數(shù)據(jù)外，有時還需要一些歷史數(shù)據(jù)，MCGS系統(tǒng)本身就具有歷史數(shù)據(jù)存儲功能。系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)監(jiān)控界面如圖6所示。此界面主要顯示太陽能溫度、循環(huán)箱溫度、烘干室溫度和設(shè)定溫度的歷史數(shù)據(jù)數(shù)值和歷史數(shù)據(jù)變化情況，能夠讓我們對以前的各部分溫度變化情況參考分析。

圖6 歷史數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

3.2 PLC的程序設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計采用三菱FX3UPLC作為控制系統(tǒng)核心，利用PLC的可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，編程方便，易于使用等特點(diǎn)，使系統(tǒng)更有廣闊的發(fā)展前景。

3.2.1 太陽能供熱控制。

(1)太陽能的溫度大于循環(huán)水箱2℃時由太陽能單獨(dú)供熱。

(2)太陽能的溫度大于設(shè)定溫度并且設(shè)定溫度大于循環(huán)水箱溫度時由太陽能單獨(dú)供熱。其控制梯形圖如圖7所示。

圖7 太陽能供熱控制梯形圖

3.2.2 熱泵機(jī)組供熱控制。

(1)太陽能的溫度低于循環(huán)水箱溫度2℃時由熱泵機(jī)組單獨(dú)供熱。

(2)水箱溫度低于設(shè)定溫度并且太陽能的溫度也低于循環(huán)水箱溫度時由熱泵機(jī)組單獨(dú)供熱。

(3)不管什么情況下可以手動直接利用熱泵機(jī)組供熱。其控制梯形圖如圖8所示。

圖8 熱泵機(jī)組供熱控制梯形圖

3.2.3 干燥室溫度控制。

(1)當(dāng)干燥室的溫度小于設(shè)定溫度時，由循環(huán)水箱連續(xù)供熱。

(2)當(dāng)干燥室的溫度大于設(shè)定溫度2℃以上時，關(guān)閉循環(huán)水箱供熱閥門，直到干燥室溫度降到設(shè)定值時再次供熱。其控制梯形圖如圖9所示。

圖9 干燥室溫度控制梯形圖

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)啟動后，根據(jù)亳菊烘干要求的溫度來設(shè)定烘干室的烘干溫度。在各種供熱方式中，為了節(jié)省能源，如果太陽能的溫度高于循環(huán)箱的溫度時，首先先由太陽能供熱，提升循環(huán)箱的溫度。如果太陽能的溫度低于循環(huán)箱溫度，則有熱泵機(jī)組供熱。下面是系統(tǒng)各部分不同工作狀態(tài)下的運(yùn)行情況。

工作狀態(tài)一：設(shè)定溫度值高于烘干室溫度，并且烘干室溫度高于循環(huán)箱溫度。這時烘干室供熱閥TV3關(guān)閉，系統(tǒng)加熱方式有三種。第一種是為了快速提循環(huán)箱溫度由太陽能和熱泵機(jī)組兩個系統(tǒng)同時加熱。第二種太陽能溫度低于循環(huán)水箱溫度，由熱泵機(jī)組供熱，熱泵供熱閥VT2打開。第三種太陽能的溫度高于循環(huán)箱的溫度，則由太陽能單獨(dú)供熱，太陽能供熱閥VT1打開。

工作狀態(tài)二：設(shè)定溫度值高于烘干室溫度，循環(huán)箱溫度高于烘干室溫度，這時烘干室供熱閥TV3打開。這時也分兩種情況，一是太陽能溫度低于循環(huán)箱溫度，由熱泵組供熱；二是太陽能溫度高于循環(huán)箱溫度，由太陽能供熱。

工作狀態(tài)三：設(shè)定溫度等于或低于烘干箱溫度，系統(tǒng)加熱方式有三種。第一種是循環(huán)箱溫度等于或大于設(shè)定溫度且溫差不超過2℃時，由太陽能或熱泵組供熱，太陽能供熱閥VT1或熱泵組供熱閥VT2和烘干室供熱閥TV3都打開；第二種是循環(huán)箱的溫度高于設(shè)定溫度2℃時，太陽能供熱閥VT1和熱泵組供熱閥VT2都關(guān)閉，停止對循環(huán)箱供熱。第三種是烘干室溫度等于或大于設(shè)定溫度2℃時，烘干室供熱閥TV3關(guān)閉。

假設(shè)設(shè)定亳菊烘干溫度為70℃，系統(tǒng)啟動后，在幾種不同溫度測試的工作情況如表2所示。

表2 系統(tǒng)測試記錄表

注：電磁閥和熱泵組參數(shù)為“0”表示關(guān)閉，為“1”表示打開。電磁閥TV1為太陽能供熱閥，電磁閥TV2為熱泵供熱閥，電磁閥TV3為烘干室供熱閥。

5 結(jié)論

本設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)利用MCGS組態(tài)控制技術(shù)通過嵌入式一體化觸摸屏TPC對PLC的控制實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的的實(shí)時監(jiān)測和控制，并利用PLC的強(qiáng)大控制功能，達(dá)到對亳菊烘干技術(shù)的智能化控制。通過多次實(shí)際模擬使用和測試，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性基本上能達(dá)到理想的效果。采用太陽能—熱泵聯(lián)合烘干技術(shù)，相比其它的烘干方法大大的縮短了烘干時間，保護(hù)了中藥的藥性，而且更節(jié)能環(huán)保。設(shè)備除了對亳菊烘干外，也可以用于對其它中藥材的烘干，發(fā)展前景廣闊。