热泵式低温循环谷物干燥机控制系统设计与试验

陈坤杰 左 毅 李和清 戚 超 刘浩鲁 贲宗友

(1.南京农业大学工学院，南京 210031；2.农业农村部南京农业机械化研究所，南京 210014)

0 引言

干燥是粮食生产过程的关键环节，也是许多农产物料长期贮藏的一种经济有效的方法[1-4]。如果新收获的粮食不能及时干燥至安全含水率，则会因霉变和发芽等造成严重损失[5-6]。因此,利用干燥机对粮食进行干燥是减少粮食损失、确保粮食安全的重要手段[7]。

常见的谷物干燥机种类主要有顺流式[8]、混流式[9]和低温循环式[5]等。其中，低温循环式谷物干燥机因干燥品质好、适合稻谷干燥等，在我国南方地区使用最为广泛[10]。文献[11]研究了5HSZ-R-12型循环式粮食干燥机的传动系统，优化了系统的上螺旋输送机、下螺旋输送机与六叶轮结构；文献[12]对5HY-50型低温循环粮食干燥机进行了改进设计，使其适用于不同种类高、低含水率的粮食干燥；文献[13]设计了一种小型种子循环干燥机，使干燥效率提高了20%；文献[14]设计开发了一种内置远红外电热管循环式干燥机，并通过试验确定了工作参数。现有的低温循环式干燥机大多以煤炭、燃油等化石能源燃烧产生的热量作为热源[15]，这不符合节能减排的要求。采用热泵干燥技术对农产品、食品和木材进行干燥，不仅干燥品质好，而且对环境污染小，近年来越来越受到人们的关注[16-18]。文献[19]利用热泵干燥机对稻谷进行干燥试验研究；文献[20]将空气源热泵应用于多段塔式玉米干燥系统中，试验发现，热泵干燥系统比燃煤干燥系统单位干燥成本降低22.4%，且节能减排效果明显。随着国内环保标准的提高，燃煤干燥已被逐步禁止，采用热泵系统替代燃煤热风炉已成为粮食干燥机的发展方向[21]。

本文根据江淮地区的气候条件，围绕优质、高效、节能干燥要求，设计一款热泵式低温循环谷物干燥机一体化控制系统。

1 干燥机结构及工作原理

热泵式低温循环谷物干燥机主要由电气控制柜、谷物干燥机与热泵系统3部分组成，总体结构如图1所示。

电气控制柜包括触摸屏、PLC、控制按钮和报警灯等部件，实现温度监控、热泵组合调节和干燥机动作控制等功能。

谷物干燥机由提升电机、排风机、排粮轮和螺旋输送机等组成。其工作原理是通过各电机协同运转使粮食依次经过缓苏段、干燥段、冷却段和排粮段，完成一次干燥循环。谷物水分仪检测粮食达到目标含水率时，干燥机停止动作。

2 控制系统设计

2.1 控制系统总体框图

控制系统用于一体化控制热泵与低温循环谷物干燥机，实现谷物干燥过程的手动与自动等多模式控制。控制系统总体如图2所示。

控制系统可分为6大模块：主控模块完成信号采集、数据处理和系统监控等任务；A/D转换模块可以实现环境温度和热风温度等模拟量信号输入以及信号的A/D转换；数据通讯模块的作用是通过RS485通讯将谷物水分仪水分信号传输给主控模块；拓展模块将风压检测器、堵粮检测器等传感器信号通过紧急报警电路传给主控模块并通过报警灯显示报警状态；输出控制模块通过PLC输出端口对中间继电器施加有效控制信号，进而通过强电控制器控制热泵与谷物干燥机动作；人机交互与显示模块用于设置目标谷物含水率、谷物品种和定时时间等参数，显示温度、含水率和设备运行状态等实时信息。

2.2 硬件电路设计

系统以PLC为主控制器，控制热泵与干燥机电机、采集传感器数据并与触摸屏实现人机交互等功能。根据系统结构，控制系统的输入量分布为12个数字量和3个模拟量，输出量为18个数字量，并从系统架构、I/O点数、参考精度和经济性综合考量[22-25]，选用具有20个数字量的台达DVP-28SS211T型PLC，另外再配置支持12通道数字量的拓展模块DVP-08SN11T。控制系统需采集环境温度、热风温度和粮食温度信息。结合江淮地区谷物干燥环境特点，选用检测温度范围为-20～80℃的JCJ100R型温度传感器，通过DVP04AD-S型模拟量拓展模块采集温度。PLC控制电路图如图3所示。

本文将热泵与干燥机控制组件结合于一个控制电路内，可有效地对两设备进行一体化控制。同时，设计了紧急报警电路，当风压检测器、堵粮检测器或高低压报警器任一部分发生故障时，系统会立即同时切断热泵与干燥机的控制电路，以确保系统整体安全。

系统人机交互界面选用中达电通股份有限公司生产的DOP-B10S615型触摸屏，通过MPI/PPI型电缆与PLC 建立通讯。该触摸屏具备强大的图像显示和数据处理功能[26]，满足现场数据的采集和存储、前段数据的处理与控制要求。

2.3 PLC软件设计

PLC控制流程如图4所示，网络程序包括：主程序、温度采集子程序、谷物水分仪通讯子程序、温度控制子程序和SFC(顺序功能图)控制算法程序等。

模拟量采集模块具有12位精度数字量，所选取的温度传感器输出信号为电压型，数字量换算公式为

(1)

式中Ov——温度数字值输出结果

Iv——温度电压值，V

Osh——数字值输出上限

Osl——数字值输出下限

Ish——电压信号值上限，V

Isl——电压信号值下限，V

温度传感器的输出满足

(2)

式中Tv——温度实际值，℃

Tsh——温度量程上限，℃

Tsl——温度量程下限，℃

根据式(1)、(2)计算可得温度实际值与温度数字值输出对应关系为

(3)

控制系统程序采用SFC控制算法设计，可实现对热泵系统与谷物干燥机的一体化控制，如图5所示。该算法可避免系统运行时的误动作，提高系统运行的稳定性。

2.4 触摸屏软件设计

系统采用DOPSoft组态软件进行触摸屏程序设计，包括用户登录界面和功能界面，触摸屏软件设计界面如图6所示。根据生产要求，功能界面主要由设备监控界面、参数设置界面、设备调试界面、温度采集界面和实时报警界面组成，可实现工作模式选择以及含水率、温度和设备运行状态实时监测等功能；参数设置界面可设定定时循环时间、定时干燥时间、目标含水率和干燥谷物品种等；温度采集界面实现传感器实时信号采集与曲线绘制等功能。

3 控制系统测试试验

3.1 试验条件与方法

2018年10—12月在江苏省泰州市姜堰区腾飞种植家庭农场利用本文设计的控制系统进行试验测试。谷物干燥机为5HXG-120型低温循环谷物干燥机，选用初始含水率约为24%的淮稻5号稻谷为干燥对象，控制系统测试试验严格参照GB/T 6970 2007《粮食干燥机试验方法》与JB/T 10268 2001《批式循环谷物干燥机操作要求》。通过PLC的时序图功能记录控制系统实时运行状态。试验现场如图7所示。

3.2 试验结果

控制系统为手动工作模式时，干燥机的进粮试验、循环试验、干燥试验和排粮试验的时序如图8所示。试验结果表明，控制系统达到该状态下各干燥流程的控制要求。

控制系统为自动工作模式时，由于稻谷干燥时间较长，为方便时序图显示，本文截取控制状态改变时图像，如图9所示。当检测到满粮信号时，系统由进粮流程自动切换到干燥流程，系统根据环境温度自动控制热泵的输出热风温度，当水分仪检测稻谷达到目标含水率后关闭热泵系统，进入循环流程将稻谷冷却降温，最后通过排粮流程将稻谷排出。

为测试控制系统的定时模式，在定时控制功能下，设置定时时间为60 s，按下定时计时按钮，定时计数器M2置高电平，计时开始，当计时结束时，排粮轮、下螺旋输送电机、提升电机与风机依次顺序停止，定时循环结束。工作时序图如图10所示。试验结果表明控制系统能够满足定时功能需求。

为了测试系统的紧急报警功能，当风压检测器检测到风压不足时，线圈Y14立即变为低电平，干燥机控制电路断开，同时线圈Y15置高电平，报警灯提示报警信息，故障保护功能时序图如图11所示，满足系统设计的要求。

4 热泵热风温度控制结果与分析

4.1 热风温度采集与分析

谷物干燥时需维持在较为恒定的温度条件下，本文采用带有喷气增焓的4级热泵，通过调节不同组合热泵级数控制输出热风温度。2018年10—12月和2019年9—12月期间，在不同环境温度条件下，采集与记录不同热泵级数组合的热风温度数据，结果如表1所示。

表1 不同环境温度各热泵组合热风温度试验结果

试验结果显示，当环境温度大于15℃时，可实现输出热风目标温度(50～60℃)的不同热泵级数组合较多；当环境温度于10～15℃时，开启3级或以上热泵组合的热风温度可达目标温度，但可选组合较少；当环境温度低于10℃时，热风温度整体偏低，3级或以上的热泵组合难以满足目标温度，2级或单级的热泵组合热风温度远低于目标温度。因此，环境温度低于15℃时，增加喷气增焓试验，得出开启喷气增焓时不同级数热泵组合条件下热风温度，试验结果如表2所示。

表2 开启喷气增焓各热泵组合热风温度试验结果

根据文献[27]开启喷气增焓和多个热泵时会较大增加能耗，结合实际测得的热风温度制定热泵控制策略，通过PLC编程实现热泵组合自动控制。

4.2 稻谷干燥温度试验结果

以55℃为目标热风温度进行稻谷干燥试验，得出不同环境温度下，热风温度与粮食温度试验结果如图12所示。试验结果误差分析如表3所示。

由表3可知，热风温度控制于53.20～57.80℃之间，热风温度平均误差为0.95℃，标准差为0.93℃，控制系统具有较好的控制精度与稳定性。粮食温度在33℃上下波动，标准差为0.43℃，粮食温度波动较小，符合低温循环式谷物干燥机作业要求[28]。

表3 误差分析结果

5 结论

(1)根据实际生产需要，设计了将热泵系统与低温循环谷物干燥机相结合的一体化控制系统，采用SFC控制算法与梯形图实现对粮食干燥过程的进粮、循环、干燥与排粮4个流程的控制。针对易发生故障的风机与排粮轮，设计了故障检测与报警系统。

(2)通过研究不同环境温度下、不同热泵启停组合的实际运行状况，设计了热泵式低温循环谷物干燥机的温度控制策略。稻谷干燥温度试验表明，在环境温度发生变化时，热风温度平均误差为0.95℃，标准差为0.93℃，系统具有较好的控制精度与稳定性。粮食温度稳定在33℃左右，满足低温循环谷物干燥机的作业要求。