（机械制造及其自动化专业论文）稻谷烘干机干燥工艺及其控制系统的研究.pdf

稻谷烘干机干燥工艺及其控制系统的研究 摘要 随着我国稻谷产量的不断提升，每年因天气原因导致稻谷无法及时干燥而 造成的损失也呈增多的趋势，给粮农带来很大的困扰。所以，如何及时有效地 对稻谷进行干燥就显得非常必要。稻谷烘干机的出现能在很大程度上解决上述 问题。稻谷烘干质量和烘干工艺以及烘干机的控制系统都有很大的关系。因此 对稻谷烘干工艺及其控制系统的研究就有着极大的现实意义和使用价值。 本文的研究内容分为两部分：稻谷烘干工艺和烘干机控制系统的研究，其 中后者为本文的核心内容。论文首先对稻谷烘干机以及p l c 技术进行了综述。 其次，对粮食干燥机理、干燥过程及特点进行了阐述，并对稻谷干燥过程中的 重要参数进行了分析。分析了各种稻谷干燥工艺，并提出新型变温干燥工艺。 然后，根据控制系统的要求，对控制系统的硬件、软件进行设计和选用。硬件 部分采用西门子公司的s 7 2 0 0p l c 和威纶触摸屏为主要控制设备，而粮食水分 测量仪在控制系统中起了非常重要的作用。在软件设计部分，编写了p l c 程序， 并设计了人机界面，它能直接观测到稻谷在烘干塔中不同阶段的主要参数，使 控制过程更加清晰直观，给操作员的工作带来了极大的方便。 本文中设计的控制系统控制简单、操作方便、柔性好，能对稻谷的含水率 和温度实时监测，稻谷烘干后品质好。稻谷烘干机往往是小批量的生产模式， 所以本文研究内容对于其他类型烘干机的生产与改造也有一定借鉴作意义。 关键词：稻谷烘干机；s 7 2 0 0p l c ；干燥工艺；控制系统 r e s e a r c h0 1 1d r y i n gt e c h n o l o g ya n dm o n i t o r i n g s y s t e mi o rr i c ea r y e r n l a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ec o n t i n u o u si n c r e a s eo fr i c ep r o d u c t i o n t h e r ei sat r e n dt h a tt h e f a r m e r ss u f f e rg r e a tl o s s e so fr i c ew h i c hc a nn o td r yi nt i m eb e c a u s eo ft h er a i n e v e r yy e a r t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fh o w t od r yt h er i c ei nt i m ea n de f f e c t i v e l yi s v e r ym e a n i n g f u l t h ea p p e a r a n c eo fr i c ed r y e rc a nw e l ls o l v et h ea b o v ep r o b l e m s r i c ed r y i n gq u a l i t yh a sv e r yb i gr e l a t i o n sw i t hd r y i n gp r o c e s sa n dc o n t r o ls y s t e mo f t h ed r y e r s ot ot h er e s e a r c ho fr i c ed r y i n gp r o c e s sa n di t sc o n t r o ls y s t e mh a sa g r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nv a l u e t h er e s e a r c hc o n t e n to ft h i sp a p e ri sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：r i c ed r y i n g t e c h n o l o g ya n dd r y i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e m ，o fw h i c ht h el a t t e r i st h ec o r e c o n t e n to ft h i sp a p e r f i r s t l y ，t h eb a c k g r o u n dk n o w l e d g ei n c l u d i n gr i c ed r y e ra n d p l ci ss u m m a r i z e d s e c o n d l y ，t h em e c h a n i s mo fg r a i nd r y i n g ，d r y i n gp r o c e s sa n d i t sc h a r a c t e r i s t i c sa r ed e s c r i b e d ，a n dt h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so fr i c ed r y i n g p r o c e s si sa n a l y z e d a f t e rt h a t ，p a d d yd r y i n gt e c h n o l o g yi sa n a l y z e d ，a n dan e w v a r i a b l et e m p e r a t u r ed r y i n gt e c h n o l o g yi sp u tf o r w a r d t h e nap r o c e s so ft h e d e s i g n i n ga n ds e l e c t i o no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sg i v e n ，a c c o r d i n gt o t h e c o n t r o ls y s t e mr e q u i r e m e n t s t h ec o n t r o ls y s t e mo fr i c ed r y e ri nt h i sp a p e r ，w h o s e m a i nc o n t r o le q u i p m e n ta r es i e m e n s s 7 - 2 0 0p l ca n dw e i n v i e wt o u c hs c r e e n ，a n d g r a i nm o i s t u r em e t e ri nc o n t r o ls y s t e mp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l e i ns o f t w a r e d e s i g np a r t ，p l cp r o g r a mi sw r i t t e na n dt h eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei sd e s i g n e d ， i tc a nd i r e c t l yo b s e r v et h em a i np a r a m e t e r so fc o n t r o li nd i f f e r e n ts t a g e s ，i tc a na l s o b r i n gg r e a tc o n v e n i e n c et ot h eu s e r sa n d t h ec o n t r o lp r o c e s si sv i s i b l e i n t h i sp a p e rt h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mh a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l e c o n t r o l ，c o n v e n i e n to p e r a t i o n ，g o o df l e x i b i l i t y ；i tc a na l s om o n i t o rt h em o i s t u r e c o n t e n ta n dt e m p e r a t u r eo ft h er i c ei nr e a lt i m e b e s i d e s ，t h er i c eq u a l i t yi sg o o d a f t e ri ti sd r i e d a st h er i c ed r y e ri sa l w a y ss m a l lb a t c hp r o d u c t i o nm o d e ，s ot h e c o n t e n to ft h i sp a p e rh a sc e r t a i nr e f e r e n c es i g n i f i c a n c ef o rp r o d u c t i o na n dr e f o r m o f o t h e rt y p e sd r y e r k e y w o r d ：r i c ed r y e r ；s 7 - 2 0 0p l c ；d r y i n gt e c h n o l o g y ；c o n t r o ls y s t e m i i 致谢 本课题是在导师董玉德教授的精心指导下完成的。在我几年的研究生生涯 中，董老师无论在学习中还是在生活中，都给了我莫大的帮助，特别是当我遇 到重大挫折的时候，董老师以其亲身经历对我细心指导。董老师严谨的治学态 度、高涨的工作热情以及勤勤恳恳的钻研精神都深深影响了我，使我终身受益。 在此，谨向董老师致以最衷心的感谢和最真诚的敬意! 在平时的学习和生活中，我们安徽省数字化设计与制造重点实验室中的众 多同学给了我很多的帮助。感谢柳吉庆博士、武照云博士、宋小波博士、许肇 云博士，同窗好友袁孝海、段国奇、何西恩、胡存梅、张聪以及师弟师妹王玲 岚、臧俊、万志强、刘永君等的帮助和支持。 此外，在论文写作的过程中得到了吴焱明老师以及牛卫东同学、王磊同学 的大力帮助，在此表达我最深深的谢意! 感谢我的父母，正是你们的理解和支持，使我战胜了很多的困难，有了你 们作为坚强后盾，我将一往无前，永不退却! 作者：施华奇 2 0 11 年9 月 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 10 图3 1 1 图3 12 图3 1 3 图3 1 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 10 插图清单 稻谷烘干机3 p l c 的基本结构6 p l c 的工作过程9 集中控制系统l o 分散控制系统1 0 物料干燥曲线一1 3 粮食干燥特性曲线1 5 水稻在烘干仓中流程。1 9 稻谷烘干机控制系统工作原理图2 2 控制系统的总体结构图2 6 方案l 2 8 方案2 2 8 触摸屏实拍图2 9 粮食水分在线测量仪部分硬件实拍3 1 圆柱形容器传感器结构原理图3 2 s t e p7 m i c r o w i n 中文界面一3 5 p l c 模拟量闭环控制系统3 6 p i d 指令向导对话框一3 6 系统参数设置对话框3 7 一个最基本的e b b 0 0 0 界面一3 8 元件l 工具条3 8 p l c 与p c 连接示意图3 9 接口属性对话框4 0 实物连接图4 2 电器控制主接线图4 4 电机m 1 电气控制原理图4 5 温度控制流程图一4 5 主界面4 6 稻谷含水率及其温度界面4 7 热风温度及其报警界面4 7 电机转速及水分报警界面4 8 参数设置界面4 8 “帮助”界面4 9 v i 图4 一1 1 图4 一1 2 图4 13 图4 14 图4 15 图4 16 f a s ts e l e c t i o n 窗口界面4 9 数值显示元件属性对话框5 0 将触摸屏中的输入数值写入p l c 一5 0 温度a d 转换图5 2 重新线性化图5 5 转速和频率转换关系图5 9 v i i 表3 1 表3 - 2 表3 3 表4 1 表4 2 表4 3 插表清单 基本模块c p u 2 2 4 和扩展模块的i o 触点一2 9 s 7 2 0 0 p l c 通信端口引脚分配一3 9 e a s y b u i l d e r 8 0 0 0 软件设置4 0 控制系统的i o 地址分配4 3 控制系统的i o 触点及其地址号4 3 输入信号与a d 转换数值5 1 v i l l 1 1论文研究背景 第一章绪论 近年来，随着粮食产量的不断攀升以及国家对粮食储备的重视，国家对粮 食烘干设备的投资也在加大，各种大、中、小型的烘干设备也越来越多。 粮食的干燥方法就是通过各种途径给予粮食一定形式的能量，使粮食中的 一部分水分汽化而逸出，从而保证其安全储藏。粮食干燥的方法有很多种，比 如通过日光晾晒和机械烘干。也可以从能量转移形式这个角度看，烘干原理可 分为对流、辐射和传导，采用热力干燥粮食方法中的对流干燥法，在我国应用 的十分广泛。 稻谷作为我国最为主要的粮食品种之一，其产量多年来一直稳居世界第 一。就目前而言，我国的稻谷干燥的主要方法还是用日光晒粮：即把稻谷倒放 在地上，铺盖均匀，利用太阳光进行干燥。但这种方法需要人工翻动才能使晒 干效果好。这个传统的干燥方式虽不需要机械设备，但存在着很大的弊端，不 仅耗时耗力，如若遇到连续的阴雨天气，未干燥的稻谷非常容易霉变、变质， 给粮农造成巨大损失。 而稻谷烘干机的诞生，能成功解决上述可能出现的问题，并且它具有自己 的特点：不受天气的干扰制约；能实现干燥的机械化、自动化；干燥时间短、 功效高，投资少【l 】。虽然有这些优点，但有个至关重要的问题我们不得不考虑， 即稻谷烘干后的品质，它受到很多因素的影响。在国外某些国家，稻谷烘干机 的运用非常普遍，同时具有悠久的发展史【2 j 。 2 0 世纪4 0 年代，国外就开始研究干燥机械，粮食烘干机械也取得了不俗 的发展。稻谷烘干机作为粮食烘干机中的重要成员，也取得了很快的发展速 度。6 0 年代基本实现了稻谷烘干的机械化，6 0 7 0 年代发展为烘干机械化，7 0 8 0 年代的烘干机向节能、优质、高效、降低成本、电脑控制方向发展，同时不予 余力地开发新机型、新工艺、以及新能源，烘干品质也得到关注。稻谷烘干机 自产生伊始，越来越多地应用在稻谷烘干作业中，在日本、美国、独联体等国 家中应用尤其普遍。 由于日本种植的粮食作物中水稻占得比例最大，所以发展中小型稻谷烘干 机成为粮食烘干机的主要方向，日本的粮食烘干机发展较早，大约在2 0 世纪 4 0 5 0 年代。热源主要采用柴油和煤油，也有少数采用稻壳作为燃料。由于日 本在控制领域十分先进，因此他们的稻谷烘干机的控制系统也相当完善。 美国作为粮食生产大国，在稻谷烘干机械上也投入了巨资，目前技术十分 成熟。稻谷烘干机、播种机、收割机、飞机( 喷洒除虫剂、除草剂等) 等在一 起配合使用，基本实现了农业生产的全机械化作业，特别适用于美国大型农场。 通常采用柴油和液化气为热源，用直接加热干燥。主要机型有大、中型高温干 燥机，中、小型低温干燥仓，按烘干原理有错流烘干机和顺逆流烘干机。控制 系统可分为：风温控制、料位控制及出机粮水分控制。 在独联体国家，稻谷烘干机大多具有完善的自动控制系统，以生产大中机 型为主，由于地理位置的原因，大部分为高温干燥方式，具有一次降水幅度大、 干燥品质好以及节能效果明显等优点。热源通常采用柴油和煤油，进行直接加 热干燥。 同很多机械设备的发展一样，我国的稻谷烘干机也经历了从仿制到自主研 发的过程，到目前为止也取得了一定得成绩。 我国在解放初期，为了防止由于天气原因造成收割后不能及时干燥稻谷而 造成的霉变，从近邻日本和苏联引进了一批干燥机械，从引进之初，便开始了 仿制工作。同时因为体积大、结构复杂、需要钢材多、造价高等原因，它的应 用并不普遍，仅在大型农场和粮库使用。7 0 年代开始，根据国情需要，我国科 研部门着手研发适合我国的中小型烘干机型。由于当时在国内煤的开发程度远 远高于石油的开采，所以对干燥热源的研究更加的重视，并取得了不错的进展， 研制成功了热煤气发生炉、固体燃料煤气发生炉、稻壳煤气发生炉、液化气炉 和太阳能干燥装置等。9 0 年代后，进行了深入的农村体制改革，国家对稻粮储 备的更加重视，储备粮库的建设越来越多，稻谷烘干机的建设也越来越普遍。 谷物干燥技术的发展，使烘干机械日渐成熟和完善，同时也加快了农业现代化 步伐。 在我国，稻谷烘干机械的发展已经有3 0 多年的历史了，生产厂家也有五 六十家，但是总体产量不大，同国外的先进产品相比，还是有比较大的差别。 具体表现在：技术含量低、产品种类少、成熟机型不多、耗能高、自动化水平 低、烘干质量不稳定。目前为止，国内粮食烘干机械大约2 万台，而其中稻谷 烘干机占了不小的比例。但每年靠烘干机干燥的稻谷仅占全国稻谷产量的几个 百分点，而某些发达国家用烘干机烘干的稻谷占稻谷总产量的9 0 以上，由此 可以看出国内外巨大差距! 同时也说明我国在稻谷烘干行业具有巨大的发展空 间。 1 2稻谷烘干机简介 1 2 1 稻谷烘干机的组成 不同类型的稻谷烘干机的组成结构也不完全相同，但大体可分为： ( 1 ) 热风炉它也是一个比较复杂的系统，它提供满足温度要求的热风， 然后将热风送给烘干塔用于烘干作业，是烘干机的主要辅助设备。目前热风炉 通常使用继电器控制或人工控制。当采用继电器控制时，不适合鼓风机的频繁 启停，从而致使热风温度不稳定，导致烘干后稻谷的品质难以得以保证。当采 2 用人工控制时，不仅费时费力，烘干质量差且导致热风炉的使用寿命缩短。所 以目前比较先进的控制通常采用p l c 控制，如吴峰，胡志超，张会娟等人【3 1 设计了基于p l c 的粮食烘干机燃油炉控制系统，实现了热风炉运行过程的自动 监控。 ( 2 ) 烘干塔不同类型烘干机烘干塔的结构差别很大。循环式烘干机的烘 干塔一般只有一个缓苏段和一个干燥段，每次经过缓苏段和干燥段后，再经提 升机提升后，反复进行上述的操作；连续式烘干机通常由多个干燥段和多个缓 苏段，而且干燥段和缓苏段相互间隔，同时它还具有储量段和冷却段，它具有 一次烘干的特点( 高水分稻谷可能需要二次烘干) ，烘干后的粮食由排量机构 排出机外。大、中、小型的烘干机在体积上差别巨大，如图1 1 为大型稻谷烘 干机。 范 _ ， 谢 葛 黔、尊 谴i , t 3 j 弘5 ：j 、t o i i 一。 一。一 。il | ，_ 1 通- 。蕾 j f i i 瓢一暑蔓一 i l ( 3 ) 粮食水分在线测量仪器 粮食水分在线测量仪虽然在体积上与上述的2 种设备差距较大，但是其作 用一点都不比它们差。在稻谷烘干的过程中，稻谷的含水率是整个过程中的重要 参数之一。但是目前在国内的烘干机中，大部分只在排粮口处测量稻谷的含水 率，以观测稻谷是否烘干达到安全储存水分值。不过也有越来越多的烘干机对 烘干过程中的所有或部分阶段中的稻谷水分施行实时监测，它能对稻谷烘干进行 过程控制，防止在某段烘干过快或过慢，影响烘干后的品质。 但是目前粮食水分在线测量仪器基本还是依赖进口，国内有些研究所以及 高校也对粮食水分在线测量仪器进行了研究和设计，取得了一定的成效，如杨荣 辉【4 】对电容式粮食水分仪进行了研究，并取得了不错的成果。 1 2 2 稻谷烘干机的工作原理 待干燥稻谷经圆筒初清筛除去较大的杂质后，由提升机进入储量段等待进 入烘干段。对于循环式烘干机来说，在每个循环结束后对稻谷的含水率进行检 测，当稻谷水分值未达标时，经提升机提升以后，重复上次的循环过程，当稻 谷水分值达标时，排出机外。在循环式烘干机的干燥仓中，根据工艺的差别， 有的设计了缓苏段，有的则没有设计。对于连续式烘干机来说，稻谷依次进行 干燥、缓苏、再干燥、再缓苏，如此循环至水分值达标，进入冷却段冷却以后 由排粮机构排出机外。 1 3稻谷烘干机控制研究 由于稻谷在干燥的过程中变量多、扰动性大、滞后性大等特点，为了保证 烘干后稻谷水分含量均匀、烘干品质好，采用自动控制就显得十分重要。目前 稻谷在干燥过程中的控制主要有以下几种控制方法： 1 3 1 传统控制方法 主要包括反馈控制、前馈控制、反馈前馈控制，前期的稻谷烘干机大多采 用这些控制方式，由于稻谷干燥过程复杂，采用单一的传统控制控制已经越来 愈难以满足控制要求。 1 3 2 模糊控制【5 】 ( 1 ) 自适应控制 它能根据在干燥过程中外界干扰和参数的变化及时调整控制参数，使干燥 机处于最佳的工作状态。它适用性广，能烘干多种作物，对环境条件要求不高， 响应速度快，具有控制参数适应外界条件的变化而变化，进行自动调节控制等 优点。在本文中的p i d 控制，既是反馈控制，同时也具有自适应控制功能。在 控制的过程中，p i d 控制器中的比例增益、积分增益、微分增益能自动调整以 达到最佳的运行状态。 ( 2 ) 模糊预测控制 因为稻谷烘干的过程是大滞后和非线性的过程，采用模型预测控制是一种 非常有效的控制手段。f o r b e s 设计了基于模糊理论的干燥控制器，提出基于 l a b v i e w 的横流干燥机模型预测控制器，它的出机粮水分控制精度能达到很高 的值，可达到0 。7 。当初始粮食含水率变化范围较大时，这种控制器能对它进 行很好的补偿作用1 6 j 。 1 3 3 智能控制 它是以模仿人的大脑思维进行的一种控制方式，对控制系统无模型要求， 对于复杂的控制系统，用智能控制具有无比的优越性。 4 ( 1 ) 神经网络控制 当对复杂的非线性过程进行建模时，它能提供很好的方法。在干燥过程的 建模以及控制时，可以利用神经网络知识。当利用神经网络知识设计出水分智 能预测系统，它能保证出机粮的含水率能在很小的范围内波动，比人工手动控 制精度高的多，谷物的烘干质量也提高很多。 ( 2 ) 专家控制系统 专家控制系统的最大特点就是利用了操作人员长期的积累经验，并将其与 数学算法相结合，模仿人的思维方式，对系统的动态特性进行监控，根据监控 结果，作出合适的控制作用。把专家控制系统应用于稻谷干燥的过程中，可以 加强在干燥过程中的管理和监控作用。利用专家智能控制对谷物在干燥过程中 的参数进行优化，动态监控各参数的变化，使干燥机总是处于最佳运行状态。 由此可知，上述各种控制方法都有其本身的优点，但是对于复杂的控制系 统，用某一种控制方法不能得到最佳的控制效果，往往需要多种控制方法配合 使用，取长补短，形成复合控制的效果。对于稻谷烘干机，采用复合控制也是 未来的发展趋势。 1 4p l c 技术综述 1 4 1p l c 基础知识 可编程控制器的发展也有十几年的历史了，但直到今天也没有一个统一的 定义。在可编程控制器的产生初期，人们用它来替代继电器接触器控制，仅仅 用来实现逻辑运算功能，所以在当时人们习惯把可编程控制器称为p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 。但是随着p l c 的不断发展，逻辑控制只能 反应出可编程控制器的部分功能，由此国际上把可编程控制器统一称为 p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r 。但是介于不和个人计算的简称p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 相冲突，通常仍把可编程控制器简称为p l c 7 1 。 1 ) p l c 可以从不同的角度来分类【8 】： ( 1 ) 按结构形式分类，p l c 可分为整体式和模块式。整体式p l c 将c p u 、 存储器、电源、i o 接口等部件都装在同一个机箱内，形成一台p l c ；模块式 p l c 将整个p l c 按功能划分为不同的模块( 如c p u 模块、i o 模块、电源模块、 各种功能模块) 。 ( 2 ) 按控制规模分类( i 0 点数是p l c 控制规模的重要参数) ，所以可按 照i o 点数多少，p l c 可分为小型p l c 、中型p l c 、大型p l c 。 ( 3 ) 按实现的功能分，可以把p l c 分为低档机、中档机、高档机。 2 ) p l c 的硬件和软件 ( 1 ) p l c 的硬件【9 】 p l c 作为一台工业控制计算机，它和普通计算机也有类似的结构。p l c 也是由存储器、中央处理器、输入输出接口、电源等组成。在此以小型p l c 为 例，说明p l c 的硬件组成，如图1 2 所示。 图1 - 2p l c 的基本结构 中央处理器( c p u ) 和普通计算机一样，中央处理器( c p u ) 在p l c 中扮演着核心的作用。 存储器 存储器是可编程控制器存放系统程序、用户程序和运算数据的单元。和普 通计算机一样，可编程控制器的存储器也分为只读存储器( r o m ) 和随机读写 存储器( r a m ) 两大类。 输入部件及接口 它把来自现场的检测元件、主令元件的信号经输入接口进入到p l c 。检测 元件的信号主要来自各种限位开关、继电器、传感器等的触点；而主令元件的 信号大多来自各种控制按钮，这种信号基本都是通过人工操作输入的。其中这 些信号有的是开关量、有的是模拟量、有的是交流信号、有的是直流信号，所 以要根据不同的信号类型来选择合适的输入接口。 输出部件及接口 它把p l c 产生的各种输出控制信号经输出接口去控制驱动负载( 如继电器 线圈、接触器、电磁阀、指示灯、报警器等) 的动作。同输入接口一样，输出 接口的负载类型也分直流和交流，所以要根据不同的负载选择不同的输出接口。 输出接口的输出方式分为继电器输出型，晶体管输出型，双向晶闸管输出型。 6 对于继电器输出型，既可接直流负载，也可以接交流负载，因而采用继电器输 出型，显得特别方面和灵活，在一般情况下，使用这种类型的很普遍，缺点是 它的工作频率不能太高，因为它是通过触点输出的，相应的它的工作寿命就没 有不带触点的半导体件长。晶体管适用直流负载和t t l 电路，而双向晶闸管适 合用于交流负载。 扩展接口和通信接口 扩展接口主要有2 种类型：一是对c p u 的扩充，它主要用在原有的c p u 不能满足系统工作要求的时候。二是需要增加扩展模块时，包括数字量扩展模 块或者模拟量扩展模块，也即是用于增加输入输出点数。 通信接口，顾名思义，是用于数据通信的，主要实现“人机 对话或“机 人对话，通过通信接口，p l c 可以与其他p l c 、计算机、以及其他一些智能 设备联网通信，只需要遵循相关的通信协议以及配备适当的通信接口即可。 模拟量输入输出接口模块 不是所有的p l c 主机都有模拟量输入输出接口模块，小型p l c 上通常没 有，即使有，通道数也很少，只有通过外接的扩展模块，才能增加模拟量通道 数量。而大、中型的p l c 模拟量通道数量可以达到成百上千个。 随着p l c 的发展，它不仅能处理数字量信号，也能处理模拟量信号( 连续 变化的信号) 。例如温度、压力、速度、位移、电流、电压等信号，都是连续变 化的。模拟量输入输出信号可以是电流，也可以是电压，既可以是单极性的， 如0 - 5 v ，也可以是双极性的，如5 + 5 v 。 模拟量输入接口是用来把从现场采集到的模拟量信号转变成p l c 可识别 的数字量信号。然而在生产现场可能存在多路的模拟信号，需要采集的模拟量 信号也可能是多路的，同时各模拟量的参数和类型也许也不相同，这就需要在 输入到p l c 前，对各模拟量信号进行转换和预处理，把它们转换成输入模块能 统一处理的信号，然后通过对转换开关进行多种选一，然后再进行a d ( 模拟 量数字量) 转换，转换以后的信号处理，和普通的信号处理就是一样的了! 模拟量输出模块的作用刚好和模拟量输入模块的作用相反，它是将p l c 中 的c p u 送来的数字量转换成模拟量，输送给驱动执行机构，实现对生产的过程 控制或生产装置的闭环控制。 本文在对稻谷烘干机控制系统的研究中，就用到了较多的模拟量。 编程器 编程器是以前人们经常用到的编程设备，通过它用户可以方便的加载程序， 同时也方便对程序进行修改。不仅如此，用它还可以进行用户程序的调试、监 视，同时还可以通过其键盘去调用和显示p l c 部分内部继电器和系统参数，它 经过p l c 上专用接口和c p u 联系，完成人机对话。p l c 的编程器一般分为2 种：一种是专用编程器；另外一种是智能编程器，也就是通常所说的p l c 编程 软件，它利用个人计算机以及安装在其上的p l c 编程软件进行编程。 其他外部设备 p l c 可根据需要配带一些外部设备，这些设备需要通过相应的功能模块与 p l c 相连接。这些设备包括打印机、c r t 显示器、键盘、外存储器、人机接口 装置等。有了这些装置使p l c 的应用更方便、快捷以及实现更多的功能。 ( 2 ) p l c 的软件【1 0 j p l c 的软件包括系统软件和应用软件两个部分，系统软件是p l c 生产厂家 写入机体内的，主要是控制可编程控制器自身的运转，就如同计算机的操作系 统：p l c 的应用软件如同计算机的应用软件，帮助用户完成某些特定的功能。 系统软件 系统软件是由各自的p l c 生产厂家开发的，用于p l c 系统的维护以及 p l c 的运行。p l c 赖以工作的基础就是p l c 的系统软件。系统程序早在p l c 出厂之前就己封存于r o m 型系统程序存储器中，用户无法改动且永久保存。 系统软件包括系统管理程序、系统监控程序以及用户指令的解释程序。 系统管理程序是系统软件中的核心，主管p l c 的运行。主要作用为：一是 进行时间分配，包括程序的何时输入和输出、系统的何时自检及通信等等；二 是进行存储空间的分配，主要指生成用户环境，规定参数、写入程序的存放地 址。三是系统运行自检程序。包括检查用户的写入程序是否有错误、自检系统 本身是否出错以及句法检验以及警戒时钟运行等。 系统监控程序用于p l c 内部主要部件的定期检查以及当出现故障时进行 报警。 解释程序是当p l c 运行时，由系统监控程序启动它。解释程序是将用户使 用的梯形图程序或语句表程序解释成c p u 可执行的指令组成的程序，简单的说 就是把用户程序转换为p l c 可识别的机器码。 应用软件 应用软件通常也称为用户程序或用户软件，是用户为了实现某一特定的控 制任务，利用p l c 能识别的编程语言而编制的程序。比如控制电机的顺序启动 及停止等。用户程序可以通过编程器输入到p l c 的用户程序存储器中，也可以 先由编程软件编程好，然后下载到p l c 中。用户程序可依据不同的控制要求进 行不同的编写和修正，这也是p l c 可编程的重要特点。 3 ) p l c 的工作原理 虽然p l c 和p c 机具有很多相似的地方，但他们的工作方式不同。 周期性的顺序扫描是p l c 工作方式的一大特点。在p l c 通电以后，首先对 软硬件进行初始化处理，初始化后，就开始反复不断地分步处理各种不同的任 务，这种工作方式称为周期性的顺序扫描工作方式。 p l c 在运行过程中，每次扫描过程所用的时间，称为扫描周期，又可称作 8 为工作周期。p l c 在软硬件的共同作用下， 逐条执行这些指令。在每一个扫描周期内， 用户程序等任务。 按编写的用户程序中的指令顺序， 按顺序执行自诊断、初始化、运行 如图2 2 所示，在每个扫描周期的工作过程可分三个阶段，分别为输入采 样阶段、用户程序执行阶段、输出刷新阶段。，在p l c 运行期间，上述过程会 不断重复的进行【1 1 1 。 第( n - 1 ) 个 第( n + 1 ) 个 一笛一力士了七眭i - + a 翻 l 列伯周期 一一7fu ij - - 4 】田，j 刀j r 1 扫描周期 硼u 田n o u 秽l 7 用户程序执行 一蠡各x 皿士擎 一 q ，、m 。i t j 址 j 一一 1 4 2p l c 控制系统 图1 3p l c 的工作过程 p l c 和其他设备可以组成多种类型的控制系统，下面介绍常见的p l c 控制 系统【1 2 】。 ( 1 )单台控制系统 顾名思义，单台控制系统是由一台p l c 组成的控制系统，它是最基本最普 通的p l c 控制系统。该控制系统用单台p l c 控制单个对象，对c p u 要求不高、 存储容量和输入输出点数小，没有p l c 和其他设备的通信。整个控制系统简单 明了，执行机构通常都比较集中。 ( 2 ) 集中控制系统 集中控制系统是用一台p l c 控制和监视多个控制对象，对多个设备形成中 央集中式的控制和管理模式。各个被控对象之间并无通讯和联系，它们之间的 运行顺序、连锁关系以及联络均有中央p l c 统一调度和安排，如图1 4 所示。 9 图1 - 4 集中控制系统 很明显，对于多个被控对象，使用一台p l c 比每个被控对象分别使用一台 p l c 控制在结构上紧凑的多，也经济的多。但是它对p l c 的c p u 要求较高、 存储器的裕量要足够大，且输入输出点要足够多，以方便添加其他控制设备到 p l c 控制系统中。当p l c 机出现故障时，所有的被控设备均受其影响而无法正 常工作。 ( 3 ) 分散控制系统 分散控制系统用一台p l c 控制一个对象，每台p l c 之间可以通过信号进 行联系，且各台p l c 可通过数据通信总线和上位机进行通信，如图1 5 所示。 图1 5 分散控制系统 这种控制系统常用于生产线上，控制多台机器，能很方便的进行数据传送 和共享。当其中一台p l c 停止运行时，不影响其他p l c 的运行。所以，它与 集中控制系统相比，可靠性大有提高。 1 4 3p l c 应用现状及发展趋势 p l c 诞生之初是用来解决逻辑控制问题，但随着p l c 的发展，其应用领域 也在不断的拓展，实现了从简单控制到运动控制，再到过程控制，以及能完成 1 0 集散控制等各种任务的跨越。p l c 正成为工控领域的主流控制设备，在各行各 业发挥着越来越大的作用。健全的通信协议和完善的通信设备使p l c 迎合了工 业控制现场的需要，p l c 可以与p c 、其他p l c 、变频器、触摸屏以及其他智 能设备连接，进行数字交换、通信等，从而形成复杂的工业控制网络。在本文 的烘干机控制系统中，就是以p l c 、触摸屏、变频器为硬件构成控制系统。目 前的计算机集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 中已有很多的可编程控 制器的应用；伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和 国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大 的作用。 p l c 问世不久就显示出了它在工业控制领域中的重要地位，一些工业发达 国家如日本、德国、法国等都分别成功研制出各自的p l c ，颇受工业界的欢迎。 p l c 的发展趋势可以总结为： ( 1 ) 向高集成度、专业化、低成本方向发展。 ( 2 ) 向大容量，高速度方向发展。 ( 3 ) 编程软件取代编程器。 ( 4 ) 智能型i o 模块的发展。 ( 5 ) 编程语言的标准化和通信的简单化。 ( 6 ) p l c 与现场总线相结合。 1 5本文研究主要内容 本文以全椒金竹机械制造有限公司的稻谷烘干机为背景，对稻谷干燥进行 了研究，并从温度角度，对各种烘干工艺进行了分析，并提出了一种新型变温 干燥工艺。稻谷烘干机的控制系统是以p l c 技术为核心，触摸屏、粮食水分在 线测量仪等为辅助设备的控制系统。主要内容如下： ( 1 ) 相关背景知识。包括稻谷烘干机的组成、工作原理以及其在国内外的 发展情况。 ( 2 ) 对稻谷干燥机理、干燥过程、干燥特点进行了综述；并对稻谷干燥过 程中的几个重要变量进行了说明，这给后面干燥工艺的研究提供了定性说明。 ( 3 ) 对稻谷的干燥工艺进行了研究，主要从温度角度对不同干燥工艺进行 了分析，并提出了一种新型的稻谷干燥工艺。还简单介绍了稻谷烘干设备及其 行业发展趋势。 ( 4 ) 对稻谷烘干机控制系统进行了总体设计，根据控制系统的结构详细介 绍了系统的软件和硬件组成。 ( 5 ) 设计了符合控制系统要求的人机界面系统，能直接观测到稻谷在烘干 塔中不同阶段的主要参数，使控制过程更加清晰直观，给操作员的工作带来了 极大的方便。 ( 6 ) 根据控制系统要求，对热风温度和出机粮水分的p i d 控制，并编写 了对应的p l c 程序。 1 6本章小结 本章首先对论文的研究背景进行了阐述，随后简述了稻谷烘干机的组成和 工作原理以及稻谷烘干机的控制系统；对p l c 技术进行了综述；最后介绍了本 文的主要研究工作。 1 2 第二章稻谷干燥研究 2 1粮食干燥过程综述 2 1 1 干燥机理 粮食的机械干燥是一个传热传质的过程，将达到一定温度的热风送 入烘干塔中，加热粮食，带走其中的水分，以达到干燥的目的。热风在 和粮食接触的过程中，不仅起传递热量的作用，同时也带走粮食中的水 分，通常也将热风称为干燥介质。 粮食不仅能通过加热以汽化的方式降低其水分值，而且在满足特定 的条件时，它也能从周围的环境中吸湿水分，即粮食“回潮现象。所 以，首先要明白粮食在干燥过程中的干燥条件 1 3 l 。 干燥条件为： p 。 p 。 2 - 1 p w 一粮食表面的水分蒸汽压 p 。一空气中的水分蒸汽压 由式( 2 1 ) 可知，当p w 越大时，干燥越能顺利进行，而且干燥的 速度越快；p w 值的大小不仅与粮食的湿度值以及粮食中水分的存在形式 有关，而且与干燥温度有关。粮食的湿度值越大，p w 值越大；干燥的温 度越高，p w 值越大。随着干燥的进行，粮食的湿度值越来越小，空气中 的湿度值越来越大，必然在某一特定的湿度，二者得到基本相同，这一 湿度称为平衡湿度，而此时干燥过程近似为停止状态，如图2 1 所述。 更 、 咖j 蜊 缸 蒌 雾 图2 1 物料干燥曲线 1 3 水分在粮食中的存在形式有以下三种【14 。1 5 】： ( 1 ) 机械结合水 不同的粮食品种机械结合水含量不同，即使是同一作物，由于收割 时间和存放时间等的差异，其中的机械结合水差别也较大。它主要分布 在粮食的表面，以及粗毛细管中，以液态存在，与粮食籽粒结合的较松 弛，在干燥的过程中，去除的主要这种形式的水。 ( 2 ) 物理化学结合水 它主要包括吸附水、渗透水和结构水。吸附水是淀粉和水分的胶状 结合体，它是一种强有力的物质结合方式。这种水分需要慢排，因为它 是以蒸汽状态从内部向外面移动，且消耗的能量较多。渗透水与粮食籽 粒的结合程度较弱，它是以游离水分或自由水分存在，它的数量是吸附 水的好几倍，且它是种子内部众多生命活动的前提，为了安全储藏，必 须要去除这部分水分。 ( 3 ) 化学结合水 这部分水在粮食的干燥过程中不需要去除。它是通过分子键和粮食 中的高分子物质结合在一起，例如蛋白质、糖类等；如若去除，粮食籽 粒将产生很大的物理性质变化以及化学变化。 2 1 2 干燥过程 在粮食的干燥过程中，水分逐渐从粮食表面汽化，并由干燥介质带 走，可以研究粮食质量的变化间接的研究其水分变化的过程。通常，干 燥过程会分为三个阶段：预热阶段、恒速干燥阶段和降速干燥阶段。当 然为了确保烘干后粮食的品质，在实际应用过程中，都会增设缓苏段和 冷却段。在某一干燥条件下，粮食水分的变化和时间的关系可以用曲线 表示出来，这一曲线就叫做在该条件下的干燥特性曲线【1 6 】，如图2 2 所 示。 1 4 图2 2 粮食干燥特性曲线 干燥时问t ( 1 ) 预热阶段 在粮食干燥的过程中，通常都有短暂的预热阶段。在此阶段，热风 温度带来的能量主要用于升高粮食的温度，仅有少量的水分蒸发，所以 粮食含水率变化小，但干燥速度随粮温的升高而增加；当粮食温度升到 某个值时，干燥速度将不再增加。 ( 2 ) 恒速干燥阶段 由于在预热阶段粮食也达到一定的温度，所以在这一阶段热风带来 的热量主要用来汽化水分。我们知道汽化是吸热的过程，在这一干燥阶 段，热风温度