張華希，閆一哲，李和清，朱 偉，陳坤杰，劉德營(yíng)

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210031）

【研究意義】谷物農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)和加工中不可或缺的一步是對(duì)其干燥，是保證其能長(zhǎng)期安全儲(chǔ)存的一個(gè)極其重要的條件[1]。干燥是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜傳熱傳質(zhì)過程[2-3]。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提升，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)要求越來越高，干燥過程直接影響到產(chǎn)品的品質(zhì)[4-6]。與傳統(tǒng)的燃煤蒸汽烘干[7]及熱風(fēng)干燥[8]、紅外線干燥[9-10]等方法相比，熱泵干燥是一種具有能耗小、干燥效果好、適用范圍廣等特點(diǎn)的干燥方法。因此，熱泵干燥被相關(guān)學(xué)者們廣泛研究?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】白旭升等[11]研究了香菇干燥時(shí)，不同風(fēng)溫、風(fēng)速、裝載量及放置方式對(duì)其干燥品質(zhì)的影響，并建立了香菇熱泵干燥動(dòng)力學(xué)模型。趙丹丹等[12]根據(jù)枸杞熱風(fēng)干燥失水規(guī)律,設(shè)計(jì)了滿足干燥1 t 枸杞鮮果的熱泵干燥室,并對(duì)熱泵干燥室進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)熱泵干燥相對(duì)于燃煤干燥成本降低了19%。姬長(zhǎng)英等[13]研究熱泵干燥技術(shù)對(duì)干制辣椒品質(zhì)影響，在通過分階段控制熱風(fēng)溫度和改變鋪料的厚度進(jìn)行試驗(yàn)，改善工藝參數(shù)。單一熱泵具有干燥時(shí)間長(zhǎng)、效率低等缺點(diǎn)，組合干燥和聯(lián)合干燥是解決單一熱泵干燥的有效方法之一[14-15]。程慧等[16]將熱泵干燥技術(shù)和真空干燥相結(jié)合，降低了能耗，并且得到質(zhì)量好的干制蘑菇。李偉釗等[17]研發(fā)了一種熱管聯(lián)合多級(jí)串聯(lián)熱泵玉米干燥系統(tǒng)，對(duì)廢氣中的余熱進(jìn)行回收和廢氣中的雜質(zhì)進(jìn)行清潔處理，有效降低污染物的排放。徐建國(guó)等[18]在胡蘿卜干燥時(shí)，采用先低溫?zé)岜酶稍?，后熱風(fēng)干燥的聯(lián)合干燥技術(shù)進(jìn)行干燥試驗(yàn)，在大幅度縮短干燥時(shí)間的同時(shí)，獲得了高質(zhì)量的干燥產(chǎn)品。Ayca等[19]研究了熱風(fēng)干燥和微波-紅外聯(lián)合干燥對(duì)茄子干燥特性的影響，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合干燥的茄子比熱風(fēng)干燥的茄子具有更低的收縮率和更高的復(fù)水率，并且縮短了干燥時(shí)間。【本研究切入點(diǎn)】如何優(yōu)化熱泵的干燥與控制技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)問題，但由于干燥過程的復(fù)雜性，目前關(guān)于研究各類影響因素的理論模型依舊較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過熱泵式干燥機(jī)為載體，通過采集卡與工控機(jī)將反應(yīng)干燥過程的各數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與儲(chǔ)存，為后續(xù)干燥工藝的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1 熱泵干燥機(jī)系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

熱泵干燥機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由電器控制部分、空氣源熱泵機(jī)組和谷物干燥機(jī)等組成。其中，為滿足不同糧食的干燥溫度，以4 級(jí)聯(lián)合而成的空氣源熱泵作為熱源，主要包括壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器等器件。

圖1 熱泵干燥機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of heat pump dryer system

以5HXG-120型循環(huán)式谷物干燥機(jī)為機(jī)體，配合一臺(tái)由4組功率不同的熱泵機(jī)組構(gòu)成的熱泵系統(tǒng)作為熱源，通過改變熱泵機(jī)組的啟停組合調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度和制熱量。干燥機(jī)內(nèi)分可分為4 段，自上而下分別為緩蘇段、干燥段、冷卻段和排糧段。糧食經(jīng)入糧提升機(jī)提升至干燥機(jī)頂部，甩盤使糧食盡可能均勻地甩落分布在緩蘇段；糧食經(jīng)干燥段進(jìn)行熱風(fēng)干燥并且下落至干燥機(jī)的底部，再由輸送電機(jī)和提升機(jī)將其提升至干燥機(jī)頂部，進(jìn)行循環(huán)干燥。當(dāng)糧食水分儀檢測(cè)到谷物含水率達(dá)到目標(biāo)時(shí)，停止干燥，通過排糧輪將糧食排出。作業(yè)流程見圖2。

圖2 循環(huán)式谷物干燥機(jī)作業(yè)流程Fig.2 Operation flow chart of circulating grain dryer

1.2 主要硬件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)的硬件包括：工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、PLC、溫度傳感器、溫濕度傳感器、水分儀以及相應(yīng)的儀表等組成，執(zhí)行部分主要包括可編程控制器（PLC）及其他硬件外圍電路等，硬件框圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)Fig.3 System hardware block diagram

模擬量采集卡選用美國(guó)NI公司生產(chǎn)的PCI1716，其A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度為250 ks/s，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)熱風(fēng)溫濕度、環(huán)境溫濕度、廢氣溫濕度、糧食溫度傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過PCI總線傳輸至工控機(jī)，通過RS-485 串口通訊將水分測(cè)量?jī)x檢測(cè)的水分值以及多功能電表測(cè)量的電流、電壓和功率值數(shù)據(jù)傳輸至工控機(jī)。

控制模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣源熱泵壓縮機(jī)組及干燥機(jī)機(jī)體的控制，主要由開關(guān)電源、PLC、中間繼電器等組成。選用德國(guó)西門子S7-200 CPU224 PLC，其擁有較強(qiáng)的可靠性、穩(wěn)定性且適用于長(zhǎng)時(shí)間的干燥機(jī)工作環(huán)境與工作時(shí)間。工控機(jī)通過串口通訊向PLC 發(fā)出指令，控制熱泵空氣源壓縮機(jī)組及干燥機(jī)機(jī)體內(nèi)部電機(jī)的啟停狀態(tài)，進(jìn)而控制熱泵向干燥機(jī)機(jī)體輸送熱風(fēng)的溫度以及干燥機(jī)機(jī)體內(nèi)部電機(jī)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)干燥機(jī)的監(jiān)測(cè)和控制。

為便于系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)采用型號(hào)為IPC-610 的工控計(jì)算機(jī)，其具有多個(gè)應(yīng)用接口，系統(tǒng)穩(wěn)定且兼容性強(qiáng)。水分儀選用的是日本靜岡CETIIC 型水分儀，其擁有水分?jǐn)?shù)據(jù)顯示功能，方便讀取水分值，且精度較高。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用LabVIEW 圖形化編輯語言來完成數(shù)據(jù)采集與控制的設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)控制功能，軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、熱風(fēng)溫度控制以及目標(biāo)水分控制等。數(shù)據(jù)采集與顯示模塊不斷地實(shí)時(shí)采集各溫濕度傳感器、水分儀以及電子儀表數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存在XLS工作表格中，并且直觀地在人機(jī)界面上顯示曲線圖。系統(tǒng)能夠根據(jù)各個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)值，按照控制算法進(jìn)行實(shí)時(shí)的自動(dòng)控制，保證在整個(gè)過程中的烘干質(zhì)量。LabVIEW 系統(tǒng)界面見圖4。

圖4 系統(tǒng)界面Fig.4 System interface

2 系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)裝置與方法

采用江蘇天禹農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為5HXG-120 的干燥機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，熱源為空氣源熱泵。圖5 為干燥試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖。在試驗(yàn)過程中，系統(tǒng)自動(dòng)記錄干燥過程中的環(huán)境溫濕度、熱風(fēng)溫濕度、糧食溫度、實(shí)時(shí)谷物水分含量、電能損耗等參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)參照GB/T 6970—2007《糧食干燥機(jī)試驗(yàn)方法》。

圖5 干燥試驗(yàn)Fig.5 Field diagram of drying test

2.2 試驗(yàn)條件

干燥試驗(yàn)的對(duì)象為稻谷，試驗(yàn)初始條件見表1。

表1 試驗(yàn)初始條件Tab.1 Test initial conditions

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在目標(biāo)溫度為55 ℃的控制策略下，熱風(fēng)溫度與糧溫變化圖6，表2為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖6 糧溫與熱風(fēng)溫度變化曲線Fig.6 Variation curve of grain temperature and hot air temperature

從圖6 與表2可以看出，熱風(fēng)溫度在53.9～57.2 ℃，表明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制。整個(gè)干燥過程的平均降水速度為每小時(shí)0.69%，在干燥前期，由于谷物水分含量較高，因此糧溫升高時(shí)，降水速度較明顯，在干燥后期，由于谷物失水較多，谷物內(nèi)自由水分較少，因此干燥速率降低。整個(gè)干燥過程中，谷物水分值的變化符合糧食干燥的規(guī)律，達(dá)到了干燥的目的。

表2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Field test data

3 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了空氣源熱泵糧食干燥機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，在干燥過程中，對(duì)環(huán)境溫度、熱風(fēng)溫度、糧食溫度、電力儀表等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與儲(chǔ)存，并在人機(jī)交互界面上顯示，在發(fā)生故障時(shí)，能夠自動(dòng)檢測(cè)并報(bào)警。

（2）根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)，通過自動(dòng)控制程序，系統(tǒng)可以對(duì)干燥機(jī)及熱泵機(jī)組進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)空氣源熱泵糧食干燥機(jī)進(jìn)料、循環(huán)、干燥和排糧4個(gè)工藝過程。

（3）干燥后的谷物水分均勻，品質(zhì)較好。整個(gè)干燥過程共耗電472 度，按照用電價(jià)格為0.8 元/度計(jì)算，熱泵干燥成本為378 元/次。與燃煤熱風(fēng)爐相比，能夠大大節(jié)省成本。該系統(tǒng)為研究不同環(huán)境溫度下，熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)的溫度控制策略提供理論基礎(chǔ)。