微波真空干燥设备数字化控制系统设计毕业论文.doc

常州工学院毕业设计论文微波真空干燥设备数字化控制系统设计毕业论文目录摘 要IAbstractII第1章 概述11.1 微波真空干燥的现状及意义11.2 微波真空干燥与传统干燥方法的区别11.3 现在所用技术21.4 设计要求21.5 本章小结2第2章 总体方案的设计22.1 微波真空干燥的控制方式32.1.1 单片机控制32.1.2 工控机控制（IPC）42.1.3 继电器控制52.1.4 可编程控制器控制（PLC）52.2 最佳方案的选择62.3 本章小结6第3章 微波真空干燥电气系统设计73.1 电气原理设计73.1.1 物料循环系统的控制电路83.1.2 微波磁控管控制电路和辅助加热装置电路103.1.3 真空泵控制电路183.1.4 温度检测的电路设计193.1.5 真空度检测的电路设计233.1.6 PLC的接线电路设计243.1.7 显示电路的设计303.1.8 电源设计电路313.2软件设计323.2.1 PLC编程流程图设计333.2.2 PLC的程序设计353.2.3 人机界面的设计373.2.4 人机界面的地址分配393.3本章小结41第4章 PLC运行调试及故障诊断424.1 PLC运行调试424.2 故障诊断43第5章 系统操作说明44结束语48参考文献49致 谢51附录A 电气原理图52附录B 元器件清单53附录C PLC程序清单5556第1章 概述1.1 微波真空干燥的现状及意义早在上世纪80年代，美国、加拿大、英国和德国就开始研究微波真空干燥技术，研究的内容涉及微波真空干燥模拟、微波真空干燥能耗与工艺以及各种不同类型物料（香蕉，萝卜片，果胶等）的微波真空干燥操作等。目前我国国内也有很多大学院校对其进行研究。如我国江南大学食品学院进行了甘蓝的微波真空和热风联合干燥实验，实验结果表明：微波真空干燥技术相比于传统干燥技术可缩短干燥时间48%，提高物料营养成分的保存率，改善干燥品质。大连水产大学的张国琛进行了扇贝柱的微波真空干燥，实验研究建立了扇贝微波真空干燥的动力学模型1。从国内外有关微波真空干燥的研究现状来看，它是目前发展较快的一种组合干燥技术，其快速发展的主要原因是由于微波加热技术有明显的节能特点。它的优越性表现在(1)可对物料里外一起加热，不需传热，瞬时可达高温，可大量节省能量；（2）加热均匀；（3）加热速度快；（4）快速控制，有利于自动化；（5）可提高产品质量。除了微波加热技术的优点外，还有真空干燥技术能使物料在一定的真空条件下处于低温状态进行快速干燥脱水，经处理后的物料还可保持原物料的色泽和营养成分 。1.2 微波真空干燥与传统干燥方法的区别长久以来，用于干燥的热源一般为蒸汽、电加热。传热方式是热风、热风循环或热辐射。由于热空气的穿透能力很弱又不均匀，而且空气的比热低，它是一种不变的传热物体，热风传递方式是由外向里，而内部水分蒸发又是由里向外。导致热阻增加，所需热量多，加热时间长。因此，热能利用率仅30%左右。微波真空干燥技术是一种微波技术和真空技术融为一体的新型干燥技术。它兼备了微波干燥和真空干燥的优点。微波干燥虽然加热速度快，干燥时间短、能源利用率高且便于控制，但是由于温度过高和干燥过快容易引起食品边缘烧焦、结壳和硬化等现象。采用真空干燥可以降低水的蒸发温度，使物料在较低的温度下快速蒸发，还可避免氧化，改善了干燥品质，保存了物料原有的营养成分。因此，将微波技术与真空技术结合起来，可以使干燥过程既具有高效率又具有低压隔绝氧气的特点。目前，这一技术正在广泛应用于医疗、食品和化工领域。1.3 现在所用技术微波真空干燥包括以下几类技术：（1）脉冲间歇式微波真空干燥技术：其特点是使物料中的水分和温度在间歇阶段能够均衡再分配，减少水分梯度，这将有利于提高下阶段的干燥速率。（2）变功率微波真空干燥技术：加拿大食品工程研究所等进行了萝卜片的变功率微波真空干燥，结果表明微波真空干燥的性能优于真空冷冻干燥，变功率微波真空干燥是微波真空干燥技术的一个研究方向。（3）微波热风和真空组合干燥技术：微波真空干燥与热风干燥具有一定的互补性，近些年，在高含水率和热敏性物料的干燥中，微波真空和热风的组合干燥也逐步得到了应用2。1.4 设计要求本设计采用PLC为主控核心，结合外围电路完成电气控制系统的设计。通过对微波磁控管功率的选用和分组，要求干燥能力为300kg/小时；干燥过程中，利用传感器对真空度和温度进行测量，确保真空度和温度可以在一定范围里任意设置，且温度、真空度可分为两段设置，温度误差2；真空度误差150Pa；完成PLC程序、触摸屏界面设计；还要求故障的检测与显示以及信息的上传。1.5 本章小结从上述分析可见，微波真空干燥技术发展很快，为了使这一技术广泛应用于医疗、食品和化工领域，还必须要提高微波真空干燥设备的智能化与数字化水品。因此，目前的微波真空干燥技术除了在理论和工艺方面需要更深入的研究外，还需要对微波真空干燥设备的控制系统进行分析，从而简化设备的操作，做到方便管理，方便维修，实现节约之目的，为更好地开拓市场做准备。第2章 总体方案的设计2.1 微波真空干燥的控制方式微波真空干燥设备的功能是将物料放入干燥箱内的托盘中，接着抽真空，打开物料电机，使物料在托盘内低匀速旋转，打开微波磁控管加热，如果天冷的话可以打开辅助红外加热装置（电热丝），这样可使干燥箱温度快速提高，等到干燥箱温度提高后就可关闭，电热丝主要是表面加热，天热时则不需要打开。用微波加热的物料，因其内部也同时被加热，能使物料受热均匀，升温速度加快。由于物体加热具有惯性，因此微波加热时温度分两段 ，一个低(C1)一个高(C2)，当所测温度未达到C1时，2组磁控管都打开加热。当所测温度达到C1时，可以关闭第一组磁控管，第二组磁控管继续加热直到所测温度达到C2时，关闭所有磁控管。由于干燥箱是真空状态因此具有保温作用，所以如果物料干燥需1小时的话，可以加热半小时再保温半小时，在保温过程中，温度会有小幅度下降，这时可以打开一组磁控管加热。保温时可以再抽次真空因为干燥过程中水分蒸发会产生空气。干燥结束后，关闭磁控管和真空泵，物料电机停止转动。打开电磁阀使空气进入干燥箱内，最后打开干燥箱的门取出物料。干燥时的温度和真空度要通过专门的传感器测量。根据微波真空干燥设备的功能,常用的控制方式有单片机控制、工控机控制、继电器控制及PLC程序控制。2.1.1 单片机控制单片机最早是以嵌入式微控制器面貌出现的。在嵌入式系统中，它是最重要、也是应用最多的核心部件。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉，目前已经渗透到人们工作和生活的各个角落，单片机的应用对各个行业的技术改造和产品的更新换代起到了重要的推动作用3。目前,较大型的工业测控系统大部分都可以用单片机系统或单片机加通用机系统来代替计算机系统。如大型自动磁控镀膜机、真空冶炼等。除通用外设(如打印机、硬盘、磁盘)等外，还有许多外部通信、采集、多路分配管理、驱动控制等接口，而这些外设与接口完全由主机进行管理，必然造成主机负担过重，因而出现了新的控制手段，即可编程控制器。图2-1为由单片机控制的微波真空干燥设备的电气控制系统框图。图2-1 由单片机控制的电气控制系统框图2.1.2 工控机控制（IPC）工业控制机是从PC（个人电脑）的基础上通过应用推广发展起来的。由于它是由微机及芯片的专业厂家开发出来的，所以其硬件品种兼容性强并总线标准化程度高，其软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，运行速度快、实时性强，可适用于模型复杂的项目。能把控制任务和图文显示功能在一起。但工业控制机有两个方面的缺点：第一有较长的装置访问时间；第二I/O控制点数不能随意扩展4。图2-2为由工控机控制控制的微波真空干燥设备的电气控制系统框图。图2-2 由工控机控制的电气控制系统框图2.1.3 继电器控制继电器问世以来，一直是真空工程控制的主流，目前国内仍有不少厂家应用继电器控制。其中输人单元为按钮开关等主令电器、逻辑单元是支配控制系统的“程序”。它是由各种继电器的触点通过导线的串并联连接来控制电路，继电器控制系统有一定的逻辑功能。输出单元包括各种阀门的控制线圈，控制各类接触器线圈及信号指示等执行元件。这种控制系统的特点是：价格便宜、性能价格比低。因此，存在继电器抖动、打弧、吸合不良等现象，使控制系统寿命短，可靠性差。因为它的自动控制功能是靠开关继电器的辅助触点动作来实现。而触点动作一次需要几十毫秒，故控制速度慢，由于需要改变控制逻辑就要改变各开关、触点间的连线，故更改控制逻辑复杂、困难，同时体积大，耗能高4。图2-3为由继电器控制控制的微波真空干燥设备的电气控制系统框图。图2-3 由继电器控制的电气控制系统框图2.1.4 可编程控制器控制（PLC）相对一般意义上的计算机，可编程控制器并不仅仅具有计算机的内核，它还配置了许多使其适用于工业控制的器件。它实质上是经过一次开发的工业控制用计算机。但是，从另一个方面来说，它是一种通用机，不经过二次开发，它就不能在任何具体的工业设备上使用。不过，自其诞生以来，电气工程技术人员感受最深刻的也正是可编程控制器二次开发编程十分容易。它在很大程度上使得工业自动化设计从专业设计院走进了厂矿企业，变成了普通工程技术人员甚至普通电气工人力所能及的工作。再加上其体积小、可靠性高、抗干扰能力强、控制功能完善、适应性强、安装接线简单等众多优点，可编程控制器在问世后的短短30年中获得了突飞猛进的发展，在工业控制中得到了非常广泛的应用5。图2-4为由PLC控制控制的微波真空干燥设备的电气控制系统框图。图2-4由PLC控制的电气控制系统框图2.2 最佳方案的选择最佳方案应选用先进的控制技术，以经济节能为主，还要考虑到具体控制系统的制作开发过程。在设计时选定低能耗，性价比高，使用维修方便的设计方案。单片机控制具有开发周期长、电磁兼容性差、抗干扰能力及适应力差、编程复杂、人工成本高和选择各种元器件及焊接耗时长的缺点。工控机是一个成型的机器，只要配些I/O卡、通信卡等接口板即可。但它具有硬件成本高和需要高级语言编程的缺点。继电器控制具有简单、成本低的优点，主要靠逻辑控制，但是继电器触点容易坏，精度差而且无法达到数字化水平。可编程控制器控制具有可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全，功能完善，适用性强；电磁兼容性好；易学易用，编程容易，深受工程技术人员欢迎；人机界面设计简单和系统设计周期短，维护方便，改造容易，人工成本低的特点。根据四种控制方式的特点比较，本设计决定选用PLC控制方式。2.3 本章小结本章主要了解了微波真空干燥设备的4种控制方式，并通过比较由于PLC可靠性高、编程灵活等优点最后选择了PLC程序控制方式，同时PLC相较于其他几种控制方式，它与触摸屏的控制很大程度上提高了设备的智能化与数字化。第3章 微波真空干燥电气系统设计微波真空干燥电气系统设计包括电气原理设计和软件设计。电气原理设计包括检测电路（温度和真空度）、微波磁控管控制电路和辅助加热控制电路、真空泵控制电路、物料循环系统控制电路、显示电路和PLC接线电路组成。软件设计包括PLC程序设计和人机界面设计。电气控制系统框图如图2-4所示。电气控制系统主要由红外测温探头、真空绝对压力变送器、变频器、物料电机、PLC、微波磁控管、辅助红外加热器、真空泵及电磁阀、触摸屏及继电器模块等组成。PLC是控制系统的核心，用于温度信号、真空度信号的运算，发出控制信号给继电器模块，控制微波磁控管、辅助红外加热器、真空泵及电磁阀的工作，工作状态通过触摸屏显示，PC机交换信息。A/D模拟量输入模块用于温度、真空度信号的采集转换，并输入到PLC中。D/A模拟量输出模块用于输出010V的控制信号，控制变频器的频率，从而调节物料电机的转速。触摸屏用于系统参数的设置、设备状态的显示、控制信号的发送。RS-485串行通信口通过软件的设置，可实现PC机对PLC的远程控制和信息采集。红外测温探头用来测量干燥箱的温度，通过高精度的放大电路将毫伏级的温度信号转换为010V或420mA的标准信号，经A/D转换，再将数字信号输入PLC，用于控磁控管的运行。真空绝对压力变送器用来测量干燥箱真空度，在大气压至0.1Pa范围内输出010V或420mA的模拟信号，经A/D转换，再将数字信号输入PLC，用于控制真空泵的运行。本设计还设置故障检测环节用于检测磁控管的好坏，并将磁控管的开关情况送入到PLC中。3.1 电气原理设计本控制系统具有物料循环系统、微波磁控管控制和辅助加热控制、真空控制、温度检测、真空度检测和故障检测的功能。电气电路的工作流程：首先将要干燥的物料放入干燥箱内的托盘中，利用真空泵把干燥箱空气抽除，使干燥箱完全处于一个真空密闭状态，再打开物料电机，磁控管开始加热，（天冷时先要打开红外辅助加热器加热），在加热的过程中装物料的托盘通过变频器控制的电机开始旋转，使其均匀加热。变频器的信号通过触摸屏输入经PLC输出,信号通过D/A转换输入到变频器中,从而改变频率来控制电机的旋转速度。红外测温探头和真空绝对压力变送器用来检测温度和真空度。3.1.1 物料循环系统的控制电路物料循环系统是控制装载物料的托盘在加热过程中不停地旋转，保证物料在干燥设备中均匀受热。因此，物料电机需保持慢速匀速运动，所以要对物料电机进行调速。调速有机械调速和变频器调速，为了使物料电机转速度更慢，本设计采用机械调速和变频器调速相结合的方法。物料循环系统的控制电路部分由变频器、物料电机、模拟量输出模块、PLC和触摸屏组成。为了实现智能化本设计采用触摸屏设置参数，调速信号通过RS232串行通信口输入到PLC中，信号经PLC输出再进行D/A转换后输入到变频器中，从而改变频率，调节物料电机的转速。物料循环系统的控制电路如图3-1所示：图3-1物料循环系统的控制电路图物料循环系统中的电机选用Y90S-4型号的电机，其性能参数如表3-1所示：表3-1 Y90S-4型号电机的性能指标功率1.1KW效率78%马力1.5hp功率因素0.78电流2.7A堵转转矩，额定转矩2.3RLT转速1400r/min堵转电流，额定电流6.5A重量23kg表3-2 VFD015M43B台达变频器的性能指标物料电机先用WBE151双级微型摆线针轮减速机减速，其额定功率为0.55KW；输入转速为1400r/min；输出范围为4.8r/min；许用扭矩为250N.m；减速比为289。电动机用减速机减速后的转速计算公式：，根据以上参数计算得：。由于减速后转速还是很大根据电动机转速公式：，P是极对数，可以通过改变频率减小电机转速，所以选用变频器，因为电机功率为1.1KW，所以变频器功率要大于物料电机功率，因此选用VFD015M43B台达变频器，其性能参数如表3-2所示输出额定输出容量3.1 KVA电源额定输入电流5.7 A额定输出电流4.0 A额定电压、频率380480VAC（三相），50/60HZ最大输出电压（V）三相对应输入电压容许电压变动范围+-10%（342528VAC）最高输出频率0.1400HZ容许频率变动5%（4763HZ载波频率范围115 KHZ冷风却散热系统强制冷风电机输出额定功率1.5 KW机型重量1.5kg/Uni t电机输出额定功率2.0 HP低压断路器的选择：根据VFD015M43B台达变频器的功率1.5 KW、额定电压380480VAC、额定电流。低压断路器的额定电压应等于或大于电路的额定电压即,其额定电流应大于或等于线路、设备的正常工作电流即以及低压断路器的级数为3，因此QF1选择型号为DZ5-20/300的低压断路器。熔断器的选择：保护一台异步电动机时，考虑电动机冲击电流的影响，熔体的额定电流按下式计算，为电动机的额定电流。根据VFD015M43B台达变频器性能指标，同时熔断器的额定电压应大于或等于变频器的额定电压即，因此FU1选择型号为RL6-25的熔断器。接触器的选择：（1）根据接触器所控制的负载性质，选择交流接触器；（2）接触器的额定电压大于或等于所控制线路的电压，根据VFD015M43B台达变频器性能指标得：；（3）接触器的额定电流应大于或等于所控制电路的额定电流。对于电动机负载可按下列经验公式计算,式中为接触器主触头电流；为电动机的功率；为电动机额定电压；为经验系数，一般取11.4。根据VFD015M43B台达变频器的性能指标得,因此KM1选择型号为CJ10-5的接触器。3.1.2 微波磁控管控制电路和辅助加热装置电路磁控管是微波真空干燥设备产生微波能的心脏。在微波加热设备中绝大多数是采用连续波磁控管。因为这种管子价格较低，电压低，效率高。有时在失配的情况下还能稳定地工作。它与脉冲磁控管相比具有如下优点：电源设备较简单；能适应伏在变动大的情况，对系统的反射系数要求低；采用电磁铁产生磁场的连续波磁控管其阳极电流流过电磁铁线包，成为励磁电流的一部分，因电流方向一致，可取得稳定磁控管工作的作用；效率高，寿命长5。本设计对微波磁控管的选择与分组主要取决于设备的干燥能力，设计要求设备干燥能力为300kg/小时。根据设计要求对微波干燥功率进行计算。计算参数如下：假设干燥的物料为蔬菜，大多数果蔬产品含水量为75%-90%，某些果蔬如黄瓜、生菜和瓜类含水量达95%以上。薯芋、木薯含水量较少，但通常也含水在50%以上果蔬的含水量不仅因品种而异而且随着年分、气候、地域和收获时间而变。在干燥时要将新鲜果蔬的大部分水分除去，使大部分于果干菜的含水量都在10%以下6。蔬菜比热：3.063.94kJ/kg.(初温15.6时)；重量：300kg；微波作用时间：1h；液体蒸发潜热或汽化热。计算公式为： （3-1）式中P耗用的微波功率，KW；物料的温升，；c物料的比热，kJ/kg；W物料的重量，kg；Q液体蒸发潜热或汽化热，在43时水为2396kJ/kg；W蒸发的液体量，kg；t微波作用的时间，h。假设蔬菜的初温为15.6，蔬菜加温一般在32到42 6，这里选用薯芋，木薯类含水量较少的蔬菜，比热为3.06KJ/kg，薯芋类蔬菜水分含量一般在50%左右，脱水蔬菜水分含量在10%。蒸发的液体量通过干燥后损失的重量的计算公式为： (3-2)式中X干燥后损失的重量，%；X1干前水分，%；X2干后水分，%。由公式（3-2），干燥后蒸发的液体量为：由公式（3-1），耗用的微波功率： 根据上式所算出的功率P为理想情况下所需要的微波功率，实际上在微波加热器内，微波功率不可能全部为物料所吸收，将有一部分给加热器本身消耗，一部分损耗在馈送微波的波导内。使用行波型加热器时，未被物料吸收完的功率在终端被水负载所吸收，因此选择微波设备时，考虑到吸收效率，应适当加大设备功率容量。 P = P /(3-3) (3-3)式中 P选择的微波加热设备功率容量，KW；P计算得到的微波功率，KW；微波吸收效率，一般在50 80左右。由公式（3-3），选择的微波加热设备功率容量为：根据上述计算得到的微波加热设备的功率为120KW。因此，本设计将会使用6个磁控管，这样可以使物料更均匀地受热，同时，能够对温度进行准确的控制。当磁控管加热到物料所需受热的温度时，关闭磁控管，温度将不会上升了，可避免物料过分受热影响品质。真空干燥箱可以使物料保温一段时间，但是温度还是会下降，为了使物料一直处于所需加热的温度，就要根据温度的需要打开一个或多个磁控管继续加热，当达到物料所需的温度时再停止加热。磁控管的电源接线图如图3-2所示。电源接线方法：灯丝线圈和高电压线圈的相位如下图所示（1）端与“B”连接（2）端与“A”连接。图中漏感变压器T提供磁控管VE正常工作所需要电压，该变压器输出7.5V和3250V两组交流电压。3250V伏交流经过半波倍压整流后，作为磁控管的阳极电压，7.5V作灯丝电压7。磁控管阳极由高压整流电路供电,高压整流电路是一个由高压二极管和高压电容组成的单相半波倍压整流带电路,其工作过程是：220V交流电经变压器升压，输出3250V（平均电压）左右的交流高压。高压绕组电压在正半周时，二极管导通，对电容充电，电容充到电压的峰值；高压绕组电压在负半周时，二极管截至，磁控管导通。电容器上正半周的电压与绕组电压正相串联，获得两倍高压。即6500V左右的支流高压，加在磁控管的阴极和阳极之间。图3-2 微波磁控管的电源接线图磁控管是用来产生微波的，微波加热的原理简单说来是：当微波辐射到物料上时，食品中总会含有一定量的水分，而水是由极性分子组成的，这种极性分子对方向的选择将随微波场而改变。由于物料中水的极性分子随着微波场而运动以及相邻分子间的相互作用，产生了类似摩擦的现象，使水温升高，因此，物料的温度也就上升了。那么磁控管一旦停止工作便不会产生微波那么水温就不会提高，物料温度也不会再升高了，说明磁控管加热不存在超调现象。所以本设计采用接触器给磁控管供电，由开关控制磁控管的工作。微波磁控管的控制电路中加过流继电器用来对磁控管电路进行故障检测，当电路中电流超过一定值时过流继电器的触点闭合，开关信号输入到PLC中，磁控管的接触器断开，磁控管停止工作。由于物体加热具有惯性，因此加热形式有两种。首先要设置两段不同温度，一个低(C1)一个高(C2)。磁控管分为两组（均为60KW）。如图3-4所示，其中磁控管13为第一组磁控管，磁控管46为第二组磁控管，在PLC接线电路中用两个总的接触器分别控制每组中三个磁控管的接触器。每组均由3个20KW的磁控管构成。当所测温度未达到C1时，两组磁控管一起工作，当所测温度达到C1时，第一组停止工作，第二组继续加热直到所测温度达到C2时停止。微波磁控管的控制电路如图3-3所示：图3-3微波磁控管的控制电路图根据计算结果和功率分配的情况，应选用2450MHZ的NL20245型号的磁控管，其性能参数如表3-3所示：表3-3 NL20245型的磁控管的性能指标功率冷却（可选）磁铁电磁电流（Iem）灯丝电流（If）灯丝电压（Vf）平均屏极电流（Ia）屏极峰压（Vap）20KW水EM4.9A50A10V2100mA14.5kV表3-4 ZCY出口系列高压膜片式电磁阀的性能指标由于NL20245型号的磁控管的冷却方式是水冷，所以设计中选用一个可以控制水流量的电磁阀，本设计采用型号为ZCY出口系列高压膜片式电磁阀。其性能参数如表3-4所示：操作方法常闭通电打开、断电关闭介质温度90使用介质水通径25mm连接尺寸（G）1压力（MPa）0.14.0功率AC：15W、DC：18W电压偏差允许波动10%环境温度-2060连接方式内螺纹接线方式接线盒电缆插座使用电压AC：220V 50Hz/60Hz、DC：24V材料阀体锻压黄铜，不锈钢密封丁晴橡胶NBR，氟橡胶FKM低压断路器的选择：根据NL20245型的磁控管的功率20KW、额定电压220V，得到额定电流，低压断路器的额定电流和额定电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流即，以及低压断路器的级数为单级，因此QF5、QF6、QF7、QF8、QF9和QF10选择型号为DZ47-100的低压断路器。QF4在电路中是总开关可以使6个将磁控管同时关闭，一般在紧急情况下用。根据电路总功率为120KW，额定电压为380V，得到额定电流，低压断路器的额定电流和额定电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流即，以及低压断路器的级数为三级，因此QF4选择型号为DZ20C-400/300的低压断路器。熔断器的选择：熔体的额定电流按下式计算，为电路的额定电流。根据NL20245型的磁控管性能指标，同时熔断器的额定电压应大于或等于真空泵的额定电压即，因此FU2、FU3、FU4、FU5、FU6和FU7选择型号为RT20-250的熔断器。接触器的选择：（1）根据接触器所控制的负载性质，选择交流接触器；（2）接触器的额定电压大于或等于所控制线路的电压，根据根据NL20245型的磁控管性能指标得：；（3）接触器的额定电流应大于或等于所控制电路的额定电流。对于电动机负载可按下列经验公式计算,式中为接触器主触头电流，；为电动机的功率，；为电动机额定电压，；为经验系数，一般取11.4。根据根据NL20245型的磁控管性能指标得,因此KM4、KM5、KM6、KM7、KM8和KM9选择型号为CJ10-100的接触器。电流继电器的选择：根据NL20245型的磁控管的功率、额定电流，交流过电流继电器的吸合值为110%400%触点闭合，应当注意的是过流继电器在正常情况下（即电流在额定值附近时）是释放的，磁控管可正常工作。当电路发生过载或短路故障时，过流继电器才吸合，吸合后立即使所控制的接触器或电路断开。由此可知过流继电器吸引线圈的额定电流应为电路中额定电流的110%400%，因此KA1、KA2、KA3、KA4、KA5和KA6选择型号为JL14-600J型号的交流继电器。由于考虑到天冷时温度较低，微波磁控管不能马上加热。.因此,需要辅助加热装置使干燥箱内温度迅速提高。本设计采用电热丝作为辅助加热装置。辅助加热装置电路图如图3-4所示：图3-4 辅助加热装置电路图辅助加热装置一般考虑在冬天温度降至10以下使用，由于本设计使用的物料的比热是温度在15.6时的值，因此，在温度低的情况下，干燥设备的温度首先要用电热丝快速加热到15.6，所以本设计选用型号为锰铜6J12的电热丝。其性能参数如表3-5所示：表3-5锰铜6J12型电热丝性能指标主要成分元件最高使用温度密度g/cm3电阻率mm2/m对铜热电动势V/延伸率%组织磁性NiMnCu394112余量5458.440.470.03115奥氏体非磁性根据锰铜6J12型电热丝性能参数中电阻率为0.470.03mm2/m，本设计将使用长度1为2m，面积s为0.1mm的锰铜6J12型电热丝，那么它的电阻为。低压断路器的选择：根据上述计算得到长度l为1m，面积s为0.1mm的锰铜6J12型电热丝的电阻为4.45，电路的额定电压380V，可得额定电流，低压断路器的额定电流和额定电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流即，以及低压断路器的级数为三级，因此QF3选择型号为DZ20Y-100/300的低压断路器。熔断器的选择：根据长度l为1m，面积s为0.1mm的锰铜6J12型电热丝的额定电流，熔体的额定电流按下式计算同时熔断器的额定电压应大于或等于真空泵的额定电压即，因此FU3选择型号为RT20-250的熔断器。接触器的选择：（1）根据接触器所控制的负载性质，选择交流接触器；（2）接触器的额定电压大于或等于所控制线路的电压，所以 ；（3）接触器的额定电流应大于或等于所控制电路的额定电流。对于电动机负载可按下列经验公式计算,式中为接触器主触头电流，；为电动机的功率，；为电动机额定电压，；为经验系数，一般取11.4。根据长度l为1m，面积s为0.1mm的锰铜6J12型电热丝的额定功率得,因此KM3选择型号为CJ10-5的接触器。3.1.3 真空泵控制电路真空泵是为了抽除密闭容器中的气体使其处于真空状态，同时在微波加热过程中将水蒸气产生的空气抽除。使干燥设备保持真空是为了加快干燥速度，同时起到保温作用，也是物料保持原有的营养成分和色泽。本设计的密闭容器规定为2m，要求在12min内抽真空。因此，选用2X旋片式真空泵2X-30型号的真空泵，它可以在1.11min完成抽真空。2X旋片式真空泵，它广泛应用于冶金、机械、电子、化工、石油、等行业的真空冶炼、真空热处理、真空干燥等工艺过程中。表3-6 2X-30型真空泵的性能指标其性能参数如表3-6所示：极限真空610-2（510-4）110关气镇开气镇610-1（510-3）（110）电动机功率（KW）3温升（）40进气口径（mm）65转速（r/min）420用油量（L）3.0噪声dB（A）78（70）外形尺寸（cm）785056适用电磁阀型号DDC-JQ65重量（kg）232冷却方式水冷冷却水量（L/min）1抽气速率（L/S）30真空泵控制如图3-5所示：图3-5 真空泵控制电路图低压断路器的选择：根据2X-30型旋片式真空泵所用电机的功率3KW、额定电压380V、额定电流。低压断路器的额定电流和额定电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流即，以及组合开关的级数为3，因此QF2选择型号为DZ10-20/300的低压断路器。熔断器的选择：保护一台异步电动机时，考虑电动机冲击电流的影响，熔体的额定电流按下式计算，为电动机的额定电流。根据2X-30旋片式真空泵性能指标，同时熔断器的额定电压应大于或等于真空泵的额定电压即，因此FU2选择型号为RT14-20的熔断器。接触器的选择：（1）根据接触器所控制的负载性质，选择交流接触器；（2）接触器的额定电压大于或等于所控制线路的电压，根据2X-30旋片式真空泵性能指标得：；（3）接触器的额定电流应大于或等于所控制电路的额定电流。对于电动机负载可按下列经验公式计算,式中为接触器主触头电流，；为电动机的功率，；为电动机额定电压，；为经验系数，一般取11.4。根据2X-30旋片式真空泵性能指标得,因此KM2选择型号为CJ10-10的接触器。3.1.4 温度检测的电路设计微波是指频率范围为300MHz到300GHz的电磁辐射，由于它的频率很高，在电磁波谱中属于超高频电磁波。60年代以后，微波作为一种新型热源得到迅速发展，由于微波能迅速、均匀地加热物体，因而被广泛用于医疗、化学研究、食品加工、材料热处理等行业中，但由于强电磁场的存在，在微波场下的温度测量依然是一个技术难题8。以下对几种传感器在微波场测温进行了比较研究。（1）常规热电偶和热电阻具有准确、稳定、可靠及价廉等优点。但在强电磁场下，由于它们本身及其传输线是金属材料，可产生感生电流，温度测量会受到涡流效应、集肤效应和欧姆热效应的影响8。（2）热电阻传感器热响应慢，耐振动和耐冲击性差，成本比较高，不适合测量高温，所以也不能用于微波场的温度测量。（3）红外测温探头是非接触性测温仪器，由于其非接触性，测量时不破坏被测物的温度测量，所以可用于微波场温度测量。红外测温探头与传统的接触类温度传感器相比有以下优点：非接触测温对物体无影响；检测物体表面温度；反应速度快，可测运动中的物体和瞬态温度；测量范围宽；测量精度高，分辨率小；可对小面积测量；可同时对点，线，面测量；可测绝对温度和相对温度。根据上述分析并从本次设计物料所要加热的温度为42和设计要求中温度误差为2考虑，将选用HBIR-4816红外测温探头。HBIR-4816红外测温探头的特点：（1）最新抗人体微电压感应及热传导产品；（2）先进的全数字化设计；（3）多种模拟和数字信号输出方式；（4）2或2%的目标温度测量精度；（5）0.1分辨率；（6）500ms响应时间或更短；（7）全温度标定和补偿；（8）宽的工作环境温度；（9）安装简便，易于维护，成本低廉。其性能参数如表3-7所示：表3-7 HBIR-4816型红外测温探头的性能指标测温范围0300、20300、0500、-20300、0800、01000、2001200等规格分 辩 率0.1C典型精 度读数的2.0%或2.0C, 取大值重 复 性1.0%或1C，取大值光谱响应814m距离系数10:1环境温度050（若带空气冷却或水冷却罩，会使范围更宽）存储温度-2085C相对湿度1090% ( 无凝露)响应时间100500ms发 射 率预设0.95（0.11.00 可定制）产品外壳铝管表面阳极氧化，IP65级防护，长度89mm,最大直径28mm供电要求+5VDC、+7.5VDC、+9VDC、+12VDC、+24VDC和+18+30VDC，以及+2.7VDC、+3VDC或+3.3VDC（只在数字输出方式下）模拟输出标准: 05 V，可选: 420mA或10mV/C或J型、K型热电偶数字输出标准产品为SPI 、RS485、I2C、RS232、UARTHBIR-4816型红外测温探头虽然外壳是铝管，但是表面有阳极氧化和IP65级防护，可以提高产品的耐蚀性、耐磨性、耐候性及绝缘性等，还具有尘密和防水功能。它的距离系数为10:1就说明如果盛放物料的托盘直径为1m，那么红外测温探头最远可安装于离被测物料10m远处的位置，所以红外测温探头表面不会受强电磁场的作用，从而影响温度测量。红外测温探头测得的温度还需要经过A/D模拟量输入模块进行采集转换，电路设计如图3-6所示：图3-6 红外测温探头信号转换电路图PLC硬件结构包括模拟量输入接口，其作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成合适可编程控制器内部处理的二进制数字信号。模拟量输入接口接收标准模拟电压或电流信号均可。标准信号是指符合国际标准的通用交互用电压电流信号值，如420mA的直流电流信号，110V的直流电压信号等，工业现场中模拟量信号的变化范围一般不标准，在送入模拟量接口时需要经过变送处理才能使用，模拟量信号输入后一般经运算放大后进行A/D转换，再经光电耦合后为可编程控制器提供一定位数的数字量信号5。本设计中使用的HBIR-4816型红外测温探头可以输出工业标准信号420mA，因此测温探头不需要信号放大电路与PLC连接了。本设计采用模拟量输入模块FX2N4AD， FX2N4AD是供FX2N用的4通道12位模拟量输入模块（本设计中红外温度传感器和真空绝对压力变送器都通过FX2N4AD转换信号，所以只使用了其中的2个通道）各通道可以指定为电流输入（-20mA+20mA）或电压输入（-10V+10V），输入电阻分别为250和200Vk，分辨率分别为20A和5mV，综合精度为1%（相当于最大值）。有效输出位数为11位，最高位为符号位，输出数字范围为-2048+2047。转换速度最高为6ms/通道，在程序中占用8个输入输出点4。下面表3-8是FX2N4AD的基本性能。表3-8 FX2N4AD性能指标项目电压输入电流输入根据是电流输入还是电压输入，使用端子有不同模拟量输入范围DC 10V+10V（输入电阻200k）绝对最大值输入15VDC 20mA+20mA（输入电阻250）绝对最大输入32mA数字输出范围带符号位的12位二进制，（有效数值11位），+2047以上固定为+2047，-2048以下固定为-2048分辨率5Mv（10Vx1/2000）20A（20mAx1/1000）综合精确度1%（相当于最大值）转换速度15msX（14）通道（高速转换方式为6msX14通道）隔离方式光电隔离及采用DC/DC转换器使输入和PLC电源间隔离（各输入端子间不隔离）模拟量用电源DC 24V10%55mA输入输出占有点数程序上为8点（计输入或输出点均可）由PLC供电的消耗功率为5V30mA由于从A/D输入的红外测温探头420mA的温度信号是非线性的，PLC需要对其进行线性化处理。即把420mA信号分成1024点，使其对应温度（0300），在PLC内部数据寄存器区中，构建能存放1024个数据点的寄存器表，使每一个数据寄存器地址号分别与每一个温度电信号对应，并把处理好的温度数值存放在该寄存器中。在控制和显示时，通过PLC读取温度信号后查表送出，模拟量经12位A/D转换后的数字量（02048）存放在特殊寄存器中，420mA模拟量对应的数字量为02048，2048除以2正好为1024，所以特殊寄存器中的数除以2后，作为数据寄存器地址号的查表偏移量，再利用变址寄存器E和寄存器表首地址结合，即可查到对应的温度，用于显示和控制。3.1.5 真空度检测的电路设计从蒸汽特性表可知，真空度越高，水的沸点越低，水分越容易蒸发。但是在微波真空干燥时，并不是真空度越高越好，真空度越高，能耗越大，干燥成本就会增加，而且会产生击穿放电现象9。当微波频率为 2450MHz时，真空度 27kPa已经足够了，其相应的水分汽化温度是20和 40而本设计中薯芋类蔬菜加温一般在32到42即可，所以选择的真空度传感器满足这一测量范围即可。本设计采用的是2450MHz的NL20245型号的磁控管，干燥的物料也不是热敏性物料。因此，真空度不必太高。根据上述分析，对于微波真空干燥设备中的真空度测量采用NTS-5201VG真空绝对压力变送器，NTS-5203VG真空绝对压力变送器是一种高精度的中低真空度测量变送仪器。它具有测量响应较快、重复性好、稳定度高等显著优点，是目前低真空测量变送的理想仪器。在对氮气或干燥空气测量时，其量程为03KPa，期限形电流为020mA或05V或010V。其性能参数如表3-9所示：表3-9 NTS-5203VG真空绝对压力变送器的性能指标测量范围(0100)Pa/(01000)Pa/(02000)Pa/(03000)Pa/(0-5000)Pa输出4-20mA或0-5V或0-10V输出曲线线性输出（或客户指定）反应时间0.5S电源24VDC机械接口KF16/螺纹/DN10等，可按用户情况提供转换接头电气接口DB9 4线制测量精度15%输出精度0.5%温度范围0- 70相对湿度90%真空绝对压力变送器测得的真空度还需要经过A/D模拟量输入模块进行采集转换，电路设计如图3-7所示：图3-7 绝对压力变送器信号转换电路图在真空度检测的电路中的模拟量输入模块也是使用FX2N4AD。由于从A/D输入的真空绝对压力变送器010V的真空度信号是非线性的，PLC需要对其进行线性化处理。即把010V信号分成1024点，使其对应大气压（05KPa），在PLC内部数据寄存器区中，构建能存放1024个数据点的寄存器表，使每一个数据寄存器地址号分别与每一个真空度电信号对应，并把处理好的真空度数值存放在该寄存器中。在控制和显示时，通过PLC读取真空度信号后查表送出，模拟量经12位A/D转换后的数字量（02048）存放在特殊寄存器中，010V模拟量对应的数字量为02048，2048除以2正好为1024，所以特殊寄存器中的数除以2后，作为数据寄存器地址号的查表偏移量，再利用变址寄存器E和寄存器表首地址结合，即可查到对应的真空度，用于显示和控制。3.1.6 PLC的接线电路设计根据整个测控系统的输入输出，如表3-10所示：1.输入点：10点。2.输出点：15点。根据模拟量输入输出和电源电压的要求来选择输入、输出扩展模块。输入特殊功能模板选择如下：FX2N4AD 2块。每个模块是4通道12位模拟量输入模块，程序中占用8个输入输出点。每块各自指定其通道为电流输入通道、电压输入通道。表3-10 I/O地址分配I/O地址分配如表3-10所示。输入输出名称说明及功能编号名称说明及功能编号SB1启动按钮X000M0物料电机Y000SB2停止按钮X001M1真空泵电机Y001SB3复位按钮X002KM3电热丝接触器Y002SB4手动或自动按钮X003KA1第一组微波磁控管Y003KI1磁控管1故障信号X004KA2第二组微波磁控管Y004KI2磁控管2故障信号X005YA水冷系统电磁阀门Y00