摘? 要：文章分析了微波干燥原理及特性，設(shè)計(jì)了一套基于PLC和觸摸屏等設(shè)備構(gòu)成的自動(dòng)控溫干燥箱。利用PLC編寫程序?qū)崿F(xiàn)PID控制PWM輸出和SSR輸出，通過(guò)控制磁控管的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)溫度恒定控制;利用變頻器對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和設(shè)置，觸摸屏監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程中微波干燥箱內(nèi)的溫度和濕度。該設(shè)備操作簡(jiǎn)單，控制方便，自動(dòng)化程度高，具備一定的推廣及應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：微波干燥箱;PLC;觸摸屏;PID控溫

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）09-0026-04

Design and Research of Microwave Drying Oven Based on PLC Control

ZHU Xuefei

（Xinjiang Shihezi Vocational Technical College，Shihezi? 832000，China）

Abstract：This paper analyzes the principle and characteristics of microwave drying，and designs an automatic temperature control drying oven based on PLC and touch screen. The PID control PWM output and SSR output are realized by PLC programming，the temperature constant control is realized by controlling the switch state of the magnetron;the system parameters are adjusted and set by the frequency converter，and the temperature and humidity in the microwave drying box are monitored by the touch screen during the production process. The equipment is easy to operate，easy to control，high degree of automation，and has certain promotion and application value.

Keywords：microwave drying oven;PLC;touch screen;PID temperature control

0? 引? 言

新鮮水果和蔬菜的含水量大都超過(guò)90%，在采摘、運(yùn)輸、銷售過(guò)程中稍處理不當(dāng)便會(huì)腐爛。腌制、熏制等加工方法可以讓農(nóng)產(chǎn)品長(zhǎng)期貯存，但會(huì)導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)損失嚴(yán)重且不利于健康。經(jīng)脫水的干制果蔬食品綠色健康、易于保存運(yùn)輸且能調(diào)節(jié)淡旺季供需矛盾，因此干燥是一項(xiàng)重要的農(nóng)產(chǎn)品、食品加工技術(shù)。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械、電氣控制技術(shù)快速發(fā)展，進(jìn)一步研究開發(fā)節(jié)能型的干燥工藝技術(shù)和裝備及自動(dòng)化控制系統(tǒng)將會(huì)成為今后重點(diǎn)研究和發(fā)展的方向。依托石河子職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)測(cè)控實(shí)驗(yàn)室，筆者進(jìn)行了探索和試驗(yàn)。從結(jié)果來(lái)看，PLC控制的微波干燥箱能夠?qū)崿F(xiàn)溫度控制，降低人工成本，提高生產(chǎn)效率，具備一定的實(shí)用價(jià)值。

1? 微波干燥原理與特點(diǎn)

微波是一種頻率范圍在300 MHz～300 GHz之間、方向和大小會(huì)隨著時(shí)間的推移作周期性變化的電磁波。微波加熱是利用介質(zhì)損耗原理進(jìn)行的，干燥過(guò)程中，水分子極易吸收微波，導(dǎo)致水的介質(zhì)損耗因數(shù)比干物質(zhì)大得多。物料中的極性分子吸收微波，并隨外電磁場(chǎng)的變化進(jìn)行極性運(yùn)動(dòng)，同時(shí)以與微波頻率相同的速度進(jìn)行摩擦碰撞，隨后產(chǎn)生熱能，達(dá)到加熱或者熟化效果[1]。

在農(nóng)產(chǎn)品鮮果中，其極性分子為水分子。在微波作用下，鮮果中的水分會(huì)大量吸收微波能，并產(chǎn)生摩擦碰撞變成熱能，鮮果中的水升溫和蒸發(fā)同時(shí)進(jìn)行。由于水分蒸發(fā)冷卻，內(nèi)層溫度高于表層溫度，以至于內(nèi)部快速形成的蒸汽產(chǎn)生壓力梯度，從而產(chǎn)生“泵”效應(yīng)，驅(qū)使鮮果內(nèi)部的水分流向表面，進(jìn)一步加快鮮果微波干燥的速度[2]。

與常規(guī)干燥技術(shù)相比，微波干燥技術(shù)干燥速度快、效率高，采用微波干燥技術(shù)作業(yè)時(shí)，熱量產(chǎn)生于鮮果內(nèi)部，在特定的微波功率、微波密度和強(qiáng)度下，短時(shí)間內(nèi)即能達(dá)到干燥效果，比熱風(fēng)、紅外等方式干燥速度快4～10倍;微波干制的鮮果品相好，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)破壞少，微波干燥過(guò)程中，加熱均勻，鮮果表面由于蒸發(fā)冷卻，溫度略低于內(nèi)層溫度，因而能保證干制好的果體形狀均勻，果面潔凈，顏色鮮紅，有光澤;工藝先進(jìn)，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)控制，通過(guò)控制磁控管輸出功率，即可控制干燥生產(chǎn)過(guò)程，控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，降低了人工成本;微波除了熱效應(yīng)外還具有殺菌作用，微波可以穿透食物內(nèi)部，能在較短時(shí)間和較低溫段達(dá)到消毒殺菌效果。實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)2～3分鐘的微波加熱，可殺死大部分物料中的細(xì)菌，并能保證食品中的營(yíng)養(yǎng)成分和風(fēng)味[2]。

2? 微波干燥箱總體設(shè)計(jì)

微波干燥箱是由電源箱、微波發(fā)生器、微波干燥倉(cāng)、傳送帶、控制臺(tái)、傳送電機(jī)、排濕換氣裝置、機(jī)架、微波抑制系統(tǒng)等組成。

微波系統(tǒng)主要包括微波發(fā)生器、散熱裝置和能量輸裝置。微波發(fā)生器由6個(gè)磁控管組成。磁控管是一種用來(lái)產(chǎn)生微波能的電真空器件，此次使用到的磁控管頻率為2450 MHz，功率900 W，每秒能產(chǎn)生約24億次振蕩。微波系統(tǒng)是干燥箱的熱源，通過(guò)波導(dǎo)裝置與干燥倉(cāng)連通。

干燥倉(cāng)是存放鮮果并實(shí)現(xiàn)干燥作業(yè)的空間，由鍍鋅白鐵皮制成。呈長(zhǎng)方體，長(zhǎng)200 cm，寬120 cm，高120 cm。正面有艙門，可通過(guò)把手打開艙門出入物料。艙門中間設(shè)有小窗，可觀測(cè)倉(cāng)內(nèi)工作情況。干燥倉(cāng)上方與能量傳到裝置相連，接收磁控管發(fā)出的能量，用于干燥物料。左右兩側(cè)與微波抑制器相連，防止微波能量泄露，確保安全生產(chǎn)。

鮮果干燥過(guò)程中，大量水分從果體蒸發(fā)，干燥倉(cāng)內(nèi)空氣變得濕熱，鮮果干燥速度變慢。此時(shí)需要打開排濕換氣裝置，把濕熱空氣排出干燥倉(cāng)，從外界引入干燥空氣，以保持鮮果內(nèi)部與外界空氣的溫度差，保證鮮果干燥速度。排濕換氣裝置由抽濕電機(jī)和排氣管道構(gòu)成。抽濕電機(jī)安裝在室外，類似家用空調(diào)的外機(jī)，用排氣管道與干燥倉(cāng)相連，當(dāng)傳感器檢測(cè)到干燥倉(cāng)內(nèi)空氣濕度達(dá)到上限，PLC控制抽濕電機(jī)開始工作，完成空氣交換。

微波是一種輻射源，若其泄漏會(huì)對(duì)操作人員造成傷害。為防止微波能量泄漏導(dǎo)致輻射危害、保證微波加熱設(shè)備運(yùn)行的安全性，在干燥倉(cāng)兩側(cè)設(shè)有抑制裝置，在干燥倉(cāng)內(nèi)每隔一段上下都安裝有不銹鋼抑制片，在微波干燥倉(cāng)泄漏出來(lái)的微波能被不銹鋼抑制片反射回倉(cāng)內(nèi)。并在每個(gè)排氣扇的外側(cè)都安裝了多孔的金屬防護(hù)罩，最大限度減小微波泄露，確保微波漏能指標(biāo)符合安全標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)在微波干燥腔上部采用旋轉(zhuǎn)拋物面的設(shè)計(jì)使微波射線的絕大部分垂直向下，也減少了絕大部分微波的泄露。檢修維護(hù)倉(cāng)門的設(shè)計(jì)是在設(shè)備排故或停機(jī)清掃時(shí)使用、設(shè)備運(yùn)行時(shí)嚴(yán)禁開啟。此處安裝有限位開關(guān)，在微波干燥設(shè)備運(yùn)行時(shí)，如果有異常情況，設(shè)備立即停止，磁控管停止工作，控制系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

為了減少違規(guī)操作帶來(lái)的損失，在微波干燥箱上安裝智能儀表和聲光報(bào)警器，當(dāng)某些參數(shù)超過(guò)設(shè)定值，能夠及時(shí)提示報(bào)警，盡快檢修以降低損失。

3? 微波干燥箱系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

3.1? 系統(tǒng)啟動(dòng)初始化控制方案設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是本研究設(shè)計(jì)的微波干燥箱行為決策和執(zhí)行運(yùn)動(dòng)的核心處理單元。首先通過(guò)觸摸屏根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品的品種、采摘時(shí)間、含水率等設(shè)定干燥倉(cāng)溫度、濕度參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值和傳送帶速度標(biāo)準(zhǔn)值。隨后點(diǎn)擊觸摸屏，啟動(dòng)傳送帶電機(jī)、微波磁控管、送風(fēng)電機(jī)及抽濕電機(jī)，通過(guò)PLC和變頻器控制加熱裝置和各電機(jī)工作狀態(tài)，鮮果隨傳送帶送入干燥倉(cāng)，開始干燥作業(yè)。溫、濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)干燥倉(cāng)內(nèi)部參數(shù)，送入PLC，開啟PID控制，至此系統(tǒng)啟動(dòng)初始化結(jié)束。

3.2? 設(shè)備通訊

本研究采用觸摸屏（HMI）作為上位機(jī)與可編程控制器（PLC）組成主從式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。PLC作為微波干燥控制系統(tǒng)的底層分散控制器，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程軟件Micro-WIN編寫程序，通過(guò)模擬量模塊EM AM06來(lái)采集溫度信號(hào)?；谝蕴W(wǎng)的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.3? 控制器選型

常用的系統(tǒng)控制模塊有單片機(jī)控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)及工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)控制系統(tǒng)價(jià)格低廉，但是開發(fā)周期長(zhǎng)，后期運(yùn)行成本高;工控機(jī)系統(tǒng)功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性好，但是性價(jià)比不高;PLC控制系統(tǒng)性能價(jià)格比高，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)并且系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試更方便，因此選用PLC作為微波干燥箱的系統(tǒng)控制器。

結(jié)合控制系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景，本文選擇西門子公司的S7-200 SMART系列PLC作為控制器，該系列PLC配備西門子專用高速處理器芯片，基本指令執(zhí)行時(shí)間可達(dá)0.15 μs，在同級(jí)別小型PLC中遙遙領(lǐng)先。CPU模塊通過(guò)以太網(wǎng)接口可方便地與其他PLC模塊、HMI、計(jì)算機(jī)組網(wǎng)通訊，支持8路PID功能，可進(jìn)行自動(dòng)/手動(dòng)切換及PID整定，配以方便易用的向?qū)гO(shè)置功能，快速實(shí)現(xiàn)設(shè)備調(diào)速、控溫等功能。SMART系列PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不但能降低用戶使用成本，而且可以通過(guò)相應(yīng)模塊的擴(kuò)展為后續(xù)系統(tǒng)的開發(fā)升級(jí)留有足夠的空間[3]。

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)選擇兩臺(tái)不同輸出類型的PLC，分別是S7-200 SMART CPU ST30（下文簡(jiǎn)稱ST30）和S7-200 SMART CPU SR40（下文簡(jiǎn)稱SR40）。這是因?yàn)槔^電器輸出可以帶交直流負(fù)載，但是由于繼電器本身的輸出特性決定了它不能高頻輸出，且繼電器通斷的壽命一般在10萬(wàn)次左右，不適合頻繁通斷的場(chǎng)合;而晶體管型PLC適合高頻輸出，但是只能帶低壓直流負(fù)載。所以選擇SR40控制變頻器和三相異步電機(jī)，選擇ST30控制PWM（脈沖寬度調(diào)制）和固態(tài)繼電器輸出。

人機(jī)界面（HMI）是人與機(jī)器進(jìn)行信息交流的場(chǎng)所，使用觸摸屏，監(jiān)控人員可以修改系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定以滿足不同工藝的需求，也可以從觸摸屏上直觀地了解設(shè)備的工作狀態(tài)和系統(tǒng)的運(yùn)行情況，還可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視，并顯示報(bào)警信息。觸摸屏選擇昆侖通態(tài)TPC7062Ti，該觸摸屏采用嵌入式一體化設(shè)計(jì)，高亮度TFT液晶顯示，分辨率高達(dá)800×480。選用ARM結(jié)構(gòu)的低功耗CPU，主頻達(dá)到400 MHz，性能良好。該型號(hào)觸摸屏性價(jià)比高，支持U盤備份、恢復(fù)，操作更快捷、更方便;并且支持RJ45以太網(wǎng)通訊接口，與PLC組網(wǎng)通訊非常方便，能夠滿足微波干燥箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

3.4? 電氣原理圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制電路接線電路如圖2所示。SR40作為主站結(jié)合變頻器控制物料輸送帶，結(jié)合交流接觸器控制送風(fēng)電機(jī)和抽濕電機(jī);ST30作為從站，實(shí)現(xiàn)PID控制PWM輸出和固態(tài)繼電器輸出，以控制磁控管的開閉，保持溫度恒定控制。系統(tǒng)控制電路接線圖如圖3所示。

3.5? 控制策略的選擇

從控制原理來(lái)講說(shuō)，人們希望控制的輸出量保持在設(shè)定的數(shù)值，通常會(huì)使用開環(huán)或閉環(huán)控制。如果系統(tǒng)的輸入量與控制量之間關(guān)系穩(wěn)定，干擾比較小可采用開環(huán)控制;當(dāng)被控對(duì)象受干擾的影響，其實(shí)現(xiàn)狀態(tài)與期望狀態(tài)出現(xiàn)偏差時(shí)，通常選用閉環(huán)控制。

PID控制廣泛應(yīng)用于溫控、水泵、伺服閥、運(yùn)控等行業(yè)，是一種典型的閉環(huán)控制，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)整方便。能夠在不獲取被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的情況下，得到比較滿意的效果。S7-200 SMART系列PLC可以控制8個(gè)PID回路，控制器根據(jù)設(shè)定值與被控對(duì)象的實(shí)際值計(jì)算偏差，通過(guò)PID算法計(jì)算出控制器的輸出量，推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)去影響被控對(duì)象的變化。

在S7-200 SMART系列PLC中的PID功能是通過(guò)PID指令功能塊實(shí)現(xiàn)。按照采樣時(shí)間周期執(zhí)行PID功能塊，按照PID運(yùn)算規(guī)律，根據(jù)當(dāng)時(shí)的給定、反饋、比例積分微分?jǐn)?shù)據(jù)，計(jì)算出控制量。西門子S7-200 SMART系列的編程軟件STEP 7-Micro/WIN SMART提供了PID指令向?qū)?，以方便地完成這些轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)化處理，除此之外，PID指令同時(shí)也會(huì)被自動(dòng)調(diào)用。

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，上位機(jī)設(shè)定溫度值發(fā)送至PLC，由PLC控制觸發(fā)模塊，觸發(fā)模塊控制固態(tài)繼電器導(dǎo)通，磁控管得電開始工作，干燥倉(cāng)內(nèi)溫度上升。熱電阻PT-100為溫度檢測(cè)元件，測(cè)量并經(jīng)溫度變送器給出為單極性電壓模擬量，變送器將此信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)傳輸至PLC的模擬量輸入模塊，經(jīng)過(guò)PLC處理后作為溫度過(guò)程變量PV;將其與溫度設(shè)定值SV二者的差值進(jìn)行PID運(yùn)算，得到溫度偏差值EV;PID調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差值EV運(yùn)算輸出，輸出值是送至加熱器磁控管的PWM信號(hào)，其允許變化范圍為最大值的0%～100%;通過(guò)控制固態(tài)繼電器的開關(guān)狀態(tài)，調(diào)整磁控管的功率，實(shí)現(xiàn)溫度的恒定控制，如圖4所示[4]。

PID溫度控制模塊的PLC梯形圖如圖5所示。首先對(duì)PID初始化參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，分別對(duì)給定量、增益、采樣時(shí)間、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)進(jìn)行設(shè)置。其中給定量50為工程量，PID需要0.0到1.0的實(shí)數(shù)，因此50除以總量程500，將其轉(zhuǎn)化為0.0～1.0的實(shí)數(shù)。此外，在尋找合適的增益和積分時(shí)間常數(shù)時(shí)，先給增益賦一個(gè)較小的值，給積分常數(shù)一個(gè)較大的值，保證不會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào)，經(jīng)過(guò)一點(diǎn)點(diǎn)嘗試，最后找到最佳參數(shù)。微分時(shí)間通常設(shè)置為0[5]。

4? 結(jié)? 論

本研究利用現(xiàn)代電氣控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于PLC控制的微波干燥箱，溫度控制精度達(dá)到±1 ℃。新疆地區(qū)盛產(chǎn)的辣椒、葡萄和紅棗等農(nóng)產(chǎn)品長(zhǎng)期以來(lái)都是采取自然晾曬的原始干燥技術(shù)，本研究對(duì)我區(qū)農(nóng)產(chǎn)品干燥規(guī)模化、自動(dòng)化有一定的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李曉蓉，陳章友，吳正嫻.微波技術(shù) [M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[2] 葛新鋒，劉存祥.金銀花環(huán)形微波干燥裝置的設(shè)計(jì)與研究 [J].食品科技，2010，35（1）：116-119.

[3] 陳忠平，侯玉寶，李燕.西門子S7-200 PLC從入門到精通（雙色版） [M].北京：中國(guó)電力出版社，2015.

[4] 雷威，李彥明，凌曉，等.基于PWM的相變熱管溫度分段控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].測(cè)控技術(shù)，2014，33（8）：72-74+79.

[5] 韓相爭(zhēng).西門子S7-200 SMART PLC編程技巧與案例 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017：208-218.

作者簡(jiǎn)介：朱學(xué)飛（1984.12—），男，漢族，新疆石河子人，講師，碩士，研究方向：電氣自動(dòng)化。