油菜籽真空干燥智能控制系统设计

朱光耀，杨彩霞

（湖南机电职业技术学院 电气工程学院，湖南 长沙 410151）

油菜籽真空干燥智能控制系统设计

朱光耀，杨彩霞

（湖南机电职业技术学院 电气工程学院，湖南 长沙 410151）

为了提高油菜籽干燥过程的加工质量与效率，研制了一套由PLC（Programmable Logic Controller）、触摸屏、传感器等组成的油菜籽真空干燥机及其智能控制系统，完成了油菜籽温度PID控制、水分在线检测、风机控制等系统的设计，并在MCGS平台上完成了上位机设计，监控现场已完成了设备的安装与调试，投入实验室生产过程。实验结果表明，该系统可以有效完成油菜籽干燥过程在线监控，较大程度地提高了油菜籽干燥系统的自动化程度。

油菜籽干燥；监控系统；智能控制；MCGS

自“十二五”以来，我国由传统农业开始向现代农业转变，对科技创新驱动、引领支撑现代农业建设的要求越来越高。我省是一个农业大省，据统计，2014年湖南油菜籽播种面积达1298.22千hm2，产量202.95万t，且种植面积在政府引导之下逐年增加。一般油菜籽脱粒后的含水率在15%～30%左右，水分超过13%的油菜籽堆放储存时，几乎不出现先兆，一夜间升温10℃以上导致全部霉变。油菜籽的水分愈高，发芽、发热、霉变速度愈快。由于湖南省地处长江流域，油菜籽收获时正值梅雨季节，因此研发油菜籽智能干燥设备，防止油菜籽发生霉变具有很大的现实意义。

目前市场上粮食干燥设备很多，但针对油菜籽的干燥设备相对较少，且主要以热风干燥、微波干燥为主。传统干燥设备对油菜籽干燥过程的各个参数不能实时精确监控，导致质量不一，油品质量稳定性差。针对这一问题，本研究通过对油菜籽真空干燥进行实时精确监控，能够有效提高油菜籽的干燥效率，确保油菜籽干燥后的质量，从来带来更大的经济效益和社会效益。

1 系统整体设计

（1）油菜籽真空干燥机基本结构。本设计的油菜籽真空干燥机主要用于小批量干燥，要求干燥均匀，干燥温度不能过高。故应该降到干燥室内的真空度，在桶盖的上方安装负压风机，干燥时不断抽出干燥室内湿空气，使干燥室内处于负压状态。为了能使油菜籽在干燥室内运动，在干燥室内安装螺旋搅拌器，使油菜籽在干燥室内搅拌均匀；使用电阻丝进行加热。其结构原理如图1所示。

图1 油菜籽真空干燥机干燥结构图

干燥室内部安装有螺旋搅拌器，可以使底部的油菜籽由下而上向上输送进行纵向搅拌。绞龙轴上安装有3个桨叶，桨叶外倾，绞龙轴转动，桨叶可以将中心的油菜籽向外推，进行横向输送。绞龙轴下端安装有2个出料刮板，可将干燥完后的油菜籽刮送到出料口，使其落料干净。料筒盖顶端的负压风机，双风机，在干燥机进行工作时，不断的将里面的湿热空气抽出，使干燥室保证一定的湿度和真空度。

（2）油菜籽真空干燥工艺过程分析。油菜籽的干燥过程应采用预热+干燥+冷却+干燥+冷却的干燥工艺为宜，且在各干燥段的干燥时间要较短，这是控制油菜籽在干燥过程中产生酸败的有效措施之一。另外，烘干后的油菜籽因带有余温，会加速酸败，为了保证品质，烘后油菜籽必须进行冷却，使其温度不超过环境温度。故将干燥系统的控制过程设置为：先启动抽空泵，达到预设的压力后进行预热，预热阶段采用抽空与充气的过程，使温度能很快达到设定温度。在此阶段冷凝器启动，抽出的水蒸气直接排出。然后进一步抽空，降低真空度。一段时间后停止抽空，再次启动加热，达到预设温度一段时间后，然后持续抽真空，直至达到预设压力。然后进入终点运行，当真空度达到预设值时，达到要求，完成系统运行。

（3）控制系统整体设计。智能干燥控制系统以PLC为核心，其输入部分由温度采集电路、湿度采集电路、水分采集电路、按键输入电路组成；输出部分由螺旋搅拌电机控制、可控硅控制加热设备、指示灯、人际界面显示电路和报警电路等组成，如图2所示。当PLC读入所设置参数后，将不断扫描各输入端口，采集干燥机的各控制按钮和工作状态；然后按照所编制的系统控制程序进行逻辑计算，将计算结果通过PLC输出端口对干燥机的温度控制系统、真空系统、加热和冷凝回收系统等进行控制；并将干燥机的工作状态在触摸屏上予以实时的显示。

图2 控制系统整体结构图

根据油菜籽真空干燥机实际控制需要，主控模块PLC型号为西门子S7-200 CPU226，此可编程控制器具有良好的可扩展性、使用条件、可靠性、易操作性及经济性等性能指标，其中使用到的输入点数为34个，输出点数为32个。

2 具体模块设计

（1）温度控制模块设计。Pt100铂热电阻是目前在温度采集系统中应用较多的温度传感器，温度的采集范围可以在-200℃～+200℃，满足干燥控制系统测温要求，同时具有稳定性好、耐腐蚀、用PLC控制方便等优点，测量精度为± 0.15℃，完全符合设计要求。因此，在油菜籽智能干燥控制系统中选用Pt100作为温度采集的传感器。PT00温度传感器输出信号为4～20mA，串接电阻把电流信号转换成0～10V的电压信号，送入PLC的模拟量输入通信。

本设计对干燥系统进行恒温控制，需要对温度进行PID调节。PID运算的结果控制加热器。PID控制算法是按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行计算，它是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点。本设计利用PID算法实现油菜籽温度闭环控制，其过程可以通过PLC编程软件中的PID指令算法来实现。

由于可控硅能以毫安级的电流控制大功率机电设备，放大功率达到几十万倍，反应快，通断只要几微妙就能实现，无触点运行，成本低等特点，本设计采用可控硅对加热设备进行控制。可控硅导通与断开由PLC控制，设置不同档位，达到调压控制目的。

（2）水分在线采集模块设计。油菜籽水分测量方法分为直接测量法和间接测量法两种。直接测量水分即通常说的烘干称重法，测量时间长，实时性差，多适用于实验室精确测量场合。而在油菜籽需要快速干燥时，宜采用间接测量法进行测量。间接测量法是通过测量待测物种能够表征水分含量的相关电量或非电量的变化来相应地测定物质的含水量，具有速度快、实时性好的优点。

本设计中选用电容式水分传感器，其工作原理主要是检查两同芯圆柱之间的容值变化，当被检测物含水量发生变化时，其介电常数会相应发生变化，电容式传感器就是利用这一物理性质实现粮食水分的测量。

（3）监控系统设计。如图3所示，所开发的油菜籽真空干燥机控制系统软件由参数初始化模块、水分在线检测模块、温度和真空度控制模块、用户操作与监控界面以及系统通信等模块组成。

图3 监控系统软件模块结构组成

人机交互界面由触摸屏设备昆仑通态TPC7062KS实现。通过用MCGS上位机软件编程实现显示功能，以温度控制模块界面设计为例，界面如图4所示。其中的用户操作与监控界面模块是系统的主控模块，它为用户提供了友好的操作菜单和工作界面，并将系统工作状态予以显示。

图4 温度控制模块人机界面

3 结语

本课题在对油菜籽真空干燥过程进行研究后，针对油菜籽真空干燥系统工艺，设计了智能控制系统。通过参数设置使抽空机组分时段协调工作。在监控系统中，采用PLC可编程控制器与触摸屏协同监控整个系统的初始化设置、系统运行的各阶段参数、整个工艺过程中设备及配套件的运行情况等。监控现场已完成了设备的安装与调试，投入生产过程。本设计提高了系统的自动化水平，使干燥过程可以随时从不合格的步骤重新开始运行，保证了产品质量，提高了干燥效率。

［1］谢艳群.智能油菜籽烘干机的设计与试验研究［D］.长沙：湖南农业大学，2012.

［2］谢艳群等.CD100型滚筒式烘干机油菜籽干燥试验［J］.湖南农业大学学报：自然科学版，2012，（3）：344-346.

［3］史春英，郭晓云，贾怀远，等.油菜籽干燥工艺的研究［J］.佳木斯大学学报，2009，27（6）：904-908.

［4］周建中，项余建，王隆太.基于PLC和触摸屏的皮革真空干燥机控制系统的设计开发［J］.机电工程技术，2009，（7）：24-25.

［5］徐峰，王蔚，王聪，等.中草药微波真空连续干燥机控制系统的设计［J］.机电工程，2014，31（1）：67-69.

Design of Intelligent Control System for Rapeseed Vacuum Drying

ZHU Guang-yao，YANG Cai-xia
（School of Electrical Engineering，Hunan Institute of Mechanical and Electrical Technology，Changsha，Hunan 410151，China）

In order to improve the processing quality and efficiency of rapeseed drying process，a rapeseed vacuum dryer and its intelligent control system composed of PLC（Programmable Logic Controller），touch screen and sensor were developed to complete the control of rapeseed temperature PID，water on-line detection，fan control and other systems design，and in the MCGS platform to complete the host computer design，the installation and commissioning of equipmenthas completed on monitoring site and put into the laboratory production process.The experimental results show that the system can effectively monitor the drying process of rapeseed，and improve the degree of automation of rapeseed drying system to a great extent.

rapeseed drying；monitoring system；intelligent control；MCGS

TP273

A

2095-980X（2017）02-0067-02

2017-02-13

湖南省教育厅科学研究项目：油菜籽真空干燥在线监测系统研究与试验（15C0488），2016年湖南机电职业技术学院科研项目（JDK16TD05）。

朱光耀（1984-），男，湖南娄底人，大学本科，讲师，主要研究方向：自动化控制技术。