1、引言
水稻是我國年產(chǎn)量較大的主要種植作物之一，由于在豐收季節(jié)很多地方恰逢雨季，不能及時靠陽光對谷物進(jìn)行晾曬，致使稻谷霉變發(fā)芽，每年的損失都很大。因此高質(zhì)量、高品質(zhì)、低能耗的稻谷
烘干機(jī)的研制就成了我國農(nóng)機(jī)科研工作者的重要課題。
在水稻干燥過程中，初始含水率、干燥時間以及熱風(fēng)溫度是影響稻谷干燥后品質(zhì)的主要因素。其中，初始含水率是水稻自身的一個重要參數(shù)。干燥時間直接受排糧電機(jī)影響；排糧電機(jī)轉(zhuǎn)速快，水稻在干燥塔停留的時間短，干燥時間就短；排糧電機(jī)轉(zhuǎn)速慢，水稻在干燥塔停留的時間長，干燥時間也相應(yīng)延長。熱風(fēng)溫度的選取至關(guān)重要，不同的干燥工藝選取的干燥溫度不一樣，可能致使烘干后稻谷的爆腰率不同、品質(zhì)不等，所消耗的熱量也不一樣。本文即從熱風(fēng)溫度的角度，對先高溫后低溫干燥工藝進(jìn)行改進(jìn)，提出了新型變溫干燥工藝，并運(yùn)用PLC技術(shù)設(shè)計了稻谷烘干機(jī)的控制系統(tǒng)。
2、稻谷烘干機(jī)控制系統(tǒng)干燥工藝
下面以四個干燥段的稻谷烘干機(jī)為例，對其干燥工藝進(jìn)行研究。
2.1先高溫后低溫干燥工藝
這一干燥工藝來源于美國，它是將稻谷放在一個90℃~120℃的高溫干燥系統(tǒng)下干燥，使稻谷水分迅速下降，達(dá)到～定值時，將其送往低溫通風(fēng)干燥倉干燥。這時的低溫通風(fēng)通常用環(huán)境空氣或稍高于環(huán)境溫度幾度的低濕空氣，這有益于把稻谷的水分降到達(dá)標(biāo)水分。由上述可知，在干燥過程中，要確定高溫干燥向低溫干燥轉(zhuǎn)化的最佳分界水分值。在不同的干燥條件下，水稻的最佳分界水分值是不同的。其中熱風(fēng)溫度和熱風(fēng)速度對其影響最大，一般情況下，熱風(fēng)溫度和熱風(fēng)速度提高，最佳分界水分值也會變大。
此工藝的難點在于準(zhǔn)確確定在某一特定干燥條件下的最佳分界水分值，且在該溫度下，實現(xiàn)從高溫干燥到低溫干燥的轉(zhuǎn)變。由于目前稻谷水分測量難以保證精度以及熱風(fēng)溫度及風(fēng)速的波動性，所以最佳分界水分值的確定也有難度。這個先高溫后低溫的干燥工藝能提高干燥效率，節(jié)能效果明顯。此種方法仍然有改進(jìn)空間，目前在國內(nèi)的應(yīng)用不多。
2.2恒溫干燥工藝
恒溫干燥工藝在國內(nèi)應(yīng)用非常普遍，特別是在分批式機(jī)型上。在干燥的過程中，稻谷從上部緩蘇段慢慢降至下面的烘干段，結(jié)束烘干段后再由提升機(jī)運(yùn)送到上部的緩蘇段，完成一個循環(huán)，直至稻谷的降水達(dá)到預(yù)期再排出機(jī)外。恒溫干燥的溫度通常控制在50℃—60℃之間。
2.3新型變溫干燥工藝
新型變溫干燥工藝是基于恒溫烘干工藝，雖然嚴(yán)格意義上來說是先高溫后低溫干燥，但其實與先高溫后低溫干燥有著本質(zhì)的區(qū)別。先高溫后低溫干燥開始的干燥段使用很高的溫度（90℃—120℃），而新型變溫干燥t藝的高溫干燥段干燥溫度和上述的恒溫干燥工藝使用的干燥溫度差不多，低溫干燥段的干燥溫度比恒溫干燥的干燥溫度低，采取低溫大風(fēng)量的模式進(jìn)行干燥，在硬件設(shè)備上會多2個比例閥以及若干水分在線測量設(shè)備。
此干燥工藝原理簡單，操作方便，干燥效率高，且干燥后的稻谷晶質(zhì)較好，能有效地節(jié)約烘干能量。與此同時，在各個干燥段內(nèi)，對稻谷的含水率及溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，從而掃除了國內(nèi)不少烘干機(jī)在各烘干段中無數(shù)據(jù)的“盲區(qū)”，直觀顯示烘干熱風(fēng)溫度的變化給干燥過程帶來的影響。本文中的稻谷烘干機(jī)即采用此種烘干工藝。
3、稻谷烘干機(jī)的控制系統(tǒng)
基于新型變溫干燥I：藝設(shè)計出稻谷烘干機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，其丁作原理圖如圖l所示。
在烘f塔的結(jié)構(gòu)已知以及干燥r藝確定以后，稻谷的烘干后品質(zhì)主要受熱風(fēng)溫度以及稻谷在烘干塔中停留時間長短的影響。風(fēng)機(jī)l和風(fēng)機(jī)2出門端的熱風(fēng)溫度分別由變頻電機(jī)Ml和M2控制。稻谷在烘干塔中停留時間取決于排糧變頻電機(jī)M3（即圖l中的調(diào)速電機(jī)）的運(yùn)轉(zhuǎn)速度；轉(zhuǎn)速快，則排糧擋板開啟的幅度大，稻谷排除速度變快，稻谷在烘干塔中停留的時問就短；反之，停留時間則長。
3.1PLC基本模塊及擴(kuò)展模塊
在本控制系統(tǒng)中，需要17個模擬量輸入信號、12個開關(guān)量輸I葉J信號以及3個模擬量輸出信號，可選用西門子S7-200系列PLC，在系統(tǒng)中選取2個EM231模塊和3個EM235模塊，組合形式在圖2中可以看到。基本模塊和擴(kuò)展模塊確定以后，控制系統(tǒng)對應(yīng)的UO輸入輸出觸點及地址號如表l所示。
由工作原理圖l可知，在緩蘇段以及風(fēng)機(jī)l和風(fēng)機(jī)2的出口端只需對溫度進(jìn)行測量，所以在上述地方安裝熱電偶溫度傳感器即可，其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3.2熱風(fēng)溫度及出機(jī)糧水分控制
第一、第二干燥段的熱風(fēng)由風(fēng)機(jī)1提供，第三、第四干燥段的熱風(fēng)由風(fēng)機(jī)2提供。為J-使第三、第四干燥段的熱風(fēng)溫度低于第一、第二干燥段的熱風(fēng)溫度，在風(fēng)機(jī)2的前面加入了比例閥l。當(dāng)比例閥l開啟，使熱風(fēng)混入部分外界空氣，使風(fēng)機(jī)2能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)控到設(shè)定溫度的可能性，再通過PID閉環(huán)反饋控制，達(dá)到調(diào)控第三、第四干燥段熱風(fēng)的目的。與此同時，為了使控制系統(tǒng)更加有柔性，在第四干燥段的進(jìn)風(fēng)口特地加入了比例閥2，假如在前面的干燥過程稻谷干燥水分仍較高，到達(dá)此段水分值與我們預(yù)期的目標(biāo)值差別較大時，町開啟比例閥2，以實現(xiàn)手動微調(diào)功能；如若與預(yù)期的I-標(biāo)值差別太大時，應(yīng)重新考慮設(shè)置熱風(fēng)溫度值。
風(fēng)機(jī)1和風(fēng)機(jī)2分別由變頻電機(jī)Ml和M2帶動，冷卻段末的排糧電機(jī)也采用變頻調(diào)速控制，即圖中所示的“調(diào)速電機(jī)”，記作變頻電機(jī)M3。水稻進(jìn)入儲量段后，在自身葦力和排糧板的作用F-依次經(jīng)過多個烘干段、緩蘇段，最終水分達(dá)到設(shè)定值后，在調(diào)速電機(jī)M3的作用下排出。用糧食水分在線測量能測量出口端的稻谷實際水分值，并通過變送器把信號調(diào)理轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)量程的直流信號．然后PLC的模擬量輸入模塊用A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號。PLC會對這一數(shù)字量與設(shè)定值的差值進(jìn)行PID運(yùn)算，并依據(jù)運(yùn)算結(jié)果，形成對出口水分值的自動控制作用。用糧食水分在線測量儀測量稻谷的實時含水率，此儀器同時能測量實時糧溫。
3.3電機(jī)不同運(yùn)行模式的電路設(shè)計
電機(jī)的T頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行分別由2個接觸器控制。以電機(jī)Ml的控制為例，如圖3所示，SA為“手動／自動”轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng)接觸器KMI接通，電機(jī)為工頻運(yùn)行；當(dāng)接觸器KM2接通，電機(jī)為變頻運(yùn)行。“手動”運(yùn)行和“自動”運(yùn)行瓦鎖。在“手動”位置時，電機(jī)由按鈕SB2和SB1分別控制啟停；在“自動”位置時，有PLC控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。HLI和HL2分別低溫報警和高溫報警。電機(jī)M2和M3控制和電機(jī)Ml類似。
3.4人機(jī)界面設(shè)計
人機(jī)界面選用臺灣WeinView性價比較高的M'r6056i觸摸屏。它可以與市場上出現(xiàn)的各種PLC直接通訊。在本控制系統(tǒng)中，它的主要功能為設(shè)定熱風(fēng)溫度值及顯示溫度和水分值，并依此進(jìn)行相關(guān)的控制。圖4~圖7為截取的部分界面的設(shè)計圖以及運(yùn)行的模擬圖。
點擊模擬運(yùn)行圖左下角的“開始”菜單，即出現(xiàn)FastSelection窗口。此“開始”菜單的作用如同個人計算機(jī)上的“開始”菜單。
4、結(jié)語
本文對先高溫后低溫干燥工藝進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，提出了新型變溫干燥工藝，采用此工藝不僅能提高干燥效率，還能保證干燥后的稻谷品質(zhì)。在第四干燥段熱風(fēng)口添加一個比例閥是一大設(shè)計亮點，能根據(jù)需要實現(xiàn)手動微調(diào)非常實用。同時采用觸摸屏和PLC相結(jié)合的技術(shù)，能觀測到稻谷在整個烘干過程中一些參數(shù)的變化值，提供了重要的數(shù)據(jù)，極大地方便了操作員的操作。
