（农产品加工及贮藏工程专业论文）农用平床式逆流干燥机控制系统的研究.pdf

摘要 本课题分析了5 h p n 一3 m 农用平床式逆流干燥机的控制特点，研究了一套基于微控制器的控 制系统，可以自动调节热风的温度和山机粮食的水分。 5 h p n 一3 m 农用平床式逆流干燥机将平床式烘干仓与逆流干燥工艺结合起来，适用于我因农 村的现状。通过启动和关闭柴油燃烧器来调节热风的温度，用检测烘干仓底部粮食的温度来控制 出机粮食的水分。本控制系统以高性能8 位单片机a t 8 9 c 5 2 为核心，结台数据采集电路、信号 输出电路、实时时钟电路、系统监控电路组成。工作时，系统采集温度传感器送来的模拟信号， 转换为数字信号送给单片机，单片机将它与设定值进行比较，决定燃烧器的启闭以及卸粮系统是 否动作。 实际运行表明，本系统运行稳定，可靠性高，控制温度和水分较为精确。 关键词：逆流谷物干燥机单片机控制系统 a b s t r a c t ac o n t r o ls y s t e mb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e ri sd e v e l o p e d ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e 5 h p n 3 mf l a t b e dt y p eo fc o u n t e r - f l o wg r a i nd r y i e r , t oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r eo fh e a t e da i ra n df i l e f i n a lm o i s t u r eo fg r a i nc o n t e n t t h e5 h p n - 3 mf l a t b e dt y p eo f c o u n t e r - f l o wg r o i nd r y i e rc a nf i tt h ec o n d i t i o no f c h i n a sa g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o n t h et e m p e r a t u r eo f h e a t e da i rc a nb ea d j u s t e dt h r o u g ht u r n i n g o na n do f f t h ed i e s e lo i lb u r n e r a n dt h ef i n a lm o i s t u r eo fg r a i nc a nb ec o n t r o l l e dt h r o u g hm e a s u r i n gt h et e m p r e r a t u r eo fg a i nn e a rt h e b o t t e mo f f l a t b e dt h ec o n t r o ls y s t e mi sc o m p o s e do f a t 8 9 c 5 2 ah i g h - p o w e r e d8 - b i tm i c r o c o n t r o l l e l d a t ag a t h e r i n gc i r c u i t ，r e a lt i m ec i r c u i t d a t ao u t p u tc i r c u i ta n ds y s t e mw a t c hc i r c u i t t h es e n s o r sd e t e c t t h ec h a n g eo f t e m p r e r a t u r eo f a i ro rg r a i na n de x p o r ta n a l o gs i g n a l ，t h e nt h ea n a l o gs i g n a li sc o n v e n e d t od i g i t a is i g n a l t h em i c r o c o n t r o l l e rc o m p a r e st h a tw i t hs e tv a l u e ，a n dt r a n s f e r r e dt h ec o n t r o ls i g n a lt o t h eb u r n e ra n dt h eu n l o a ds y s t e m t h j o u g ht h et e s t ，t h es y s t e mr u n ss t a b l ya n dr e l i a b l y , a n dt h ep r e c i s i o n i se x c e l l e n t k e yw o r d s ：c o u n t e r - f l o wg r a i nd r y i e r ，m i c r o c o n t r o l l e r ，c o n t r o ls y s t e m i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名 交稚杉时间：砂年易月f z 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 裔撰扎 必眵陬 时间：沙对j ，年扩月fz 日 时间：少口r 年6 月，2 ，日 啦国农业大学硕士学位论文 第一薰绪论 嬲拦皇皇曼曼蔓曼! 酬, 1 1 11 舅皇曼曼曼曼皇鼻量量量曼量量摹鼎懋麓喜曼曼曼曼! 曼篡燃燃蔓蔓! 苎! ! 苎邕苎嬲燃糟蔓曼曼曼兰曼蔓邕烹魄篡兰! ! 第一章绪论 1 1 问题的提出 t 。 1 发展农糟羊燥设簧 粮食干燥降水是粮食产后处理的重要一环，是延缓粮食晶质劣变，增加粮食产后经济效益的 关键措施，也越粮食能够长期安全德藏的翦撼袋停。 长精醵采，我莓穰食撰千钒的投赍与发袋重点主要在黧露粮食部门 l l 。经遗建国5 。年来魄 规划建设，目前我国粮食部门( 主要是大中型粮库) 已拥有柏当数量的各种类型大型粮食烘干设 备。改革开放以来，我国粮食部门又陆续从发达国家引进了批新型的粮食烘干机。这蠛烘干机 基育莛疑豹特点，馨产量裹，嬲餐设瑟多，投螫大。因瑟，只逶会予高水分粮纛楚理量丈麴大中犁国 糟粮库和大型农场。而在广大农村地区，农糙收获的粮食主要依靠宦然骧瞒，机械化东平穰低。 当前，开发自 够适应于我i 鞠大部分地区农业生产规模和农村购买力，适于在广大农村、农户 中大量推广使用的干燥设备是我国农业现代化发展的必然。 善先，疆蔫农瓣经济逐步秘多元诧方自发徙，农孛| 劳动力基大量步 漉。农辑真正速从零耱檀 娩的人数己大为减少。另一方蕊，随着农业生产力的提高，农村土地出现了一定规模和范围内的 流转，产生了批规模经营的种田大户，产业化经营将是农业发展的必然趋势。发生在我阉农村 中的这些变化迫切需要通过大繁使用包括干燥机在内的各种农业机械来减轻劳动强度。开发适用 予广丈农j 枣傻蹋鹣于漂瓠壤将大大降羝农民熊劳动强疫，程瀵劳羲生产率瓣挺裹，毒韵予农篮夔 规模经营和农业产业化的实现。 其次，当前我国农村粮食降水以自然晾晒为主。这种作业方式在很大襁度上受天气条件的制 约，如果在收获季节遇到连续阴雨天，将不可避免的造成粮食减产。要想根零改变粮食依赖天气 条搏进行予漂鹣麓瑟，窦歪骰羁丰产丰牧，藏妊缀大力发震粮食静撬藏铯予燥簿承。磊显，与逢然 晾晒相比，机械烘干更有利于保持粮食的品质。对粮食进行自然晾晒干燥，粮食水分变化受剁日照 强度、时间、场地条件、操作方式、操作者的经验等多种因素影响，难于保证获得比较准确的水 分值，粮食还甥受到鼠雀偷食及杂质、灰尘等环境污染，还需占硝较多的场蛾。机械烘干则可以较 好墟控制粮食水分，避免因为凝食水分连高或遵低在储藏逶糕中造成鞫各种疆凌缺陷。 按干燥机的结构及干燥原理分类，主要商横流式、顺流斌、逆流式、混流式干燥机 2 】【3 1 。 1 ) 横流式谷物干燥机。结构简单，制造方便，干燥速度较快，是目前应用较广的一种干燥机 鬻。毽是存在予燎不均匀，避风德豹谷物过于，接氮铡剐于擞举足，且撑气激发蹇，单位热髓大。 2 ) 颓流式谷物干澡祝。黼溢热风黄先奄_ 鼗冷、最渥豹粮食稿遇，因蔼爵鞋采用较高的介质 i ) 谥度。但冈粮胺较厚，风阻大，需配套的风机功率较大。 ： ) 逆流式豁物干燥机。热风和谷物的流幼方向相反，最热的空气首先与最干的粮食接触， 糠食懿湿度接= i 蠢热风温痘，鼓搜窝的热风滠发不能太高。 4 ) 混流式豁物干燥视内部交替布置着一摊排的进气和 气角状盒，谷鞍按照s 形魏线向下 流动，交替受到商温和低温的气流作用，因此，可以采用比横流式干燥机商些的热风温度。混 流式干燥机可烘干小粒种子，烘干后粮食品质好。 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 一般情况下。收获下来的粮食含水率是很不均匀的。要求的降水幅度也大不一致。在农村和 中小型使用单位，喂粮过程是时断时续的，难以保证对干燥机连续不断的喂粮，喂入量也是随时 变化的。有时要求处理完一批粮食排空后，再处理卜一批粮食，尤其对于我国农村分散经营的农 户更是如此。也就是要求批式干燥和连续烘干两种方式兼而有之。在这种情况下，逆流干燥就是 一种最简单，也是最适用的工艺”i 。 在逆流干燥过程中，潮湿的谷物由干燥机的上部喂入，向下流动；而热风由干燥机的底部吹 入，穿过粮层向上排出。在这个过程中，最干的谷物最先接触到温度最高和湿度最低的热风，因 而可以干燥到较低的水分；经过热交换后排出的废气穿过了最潮湿的谷层，达到近似饱和状态， 因此在相同的排气温度下可最大# 度地带走粮食中的水分，热效率高。粮食的出仓含水率主要是 在接近干燥机的底部处决定的，因此可以实现较为精确的控制，而且这一控制不受机内粮层高度 和粮食初始含水率变化的影响。另外，由于采用低温干燥，粮食不会过干和过热，干后粮食品质 好，有利于提高经济效益。 目前在我国，逆流干燥机的价格与其它机型相比并不算高。但是，考虑到大多数生产经营单 位，尤其是农村和农户的经济条件和承受能力，要开辟广大市场，逆流烘干机还需要精心选择配 套设备，简化工艺流程，使成套设备一次性投资降至最低。因此，在广大农村要开发小型的逆流 干燥设备，使生产能力与生产规模相匹配，方便操作，节省作业成本1 5 j 。 1 1 2 提高千燥机的控制水平 干燥机的自动控制水平低也是我国粮食干燥中存在的一个突出问题。多年来，粮食干燥机的 设计，一直停留在依靠经验方法进行的阶段，而且自动化程度不高，基本上以手动操作为主，网 此生产的干燥机往往能耗大、效率低、故障率较高，操作非常不方便，稳定性较差。粮食的干燥 是一个复杂的热质交换过程，涉及生物、化学、热力学、机械和流体力学等多种学科，是一个多 学科交叉的加工技术。干燥机控制系统具有以下特点p j ： i ) 多变量。不仅要考虑加工过程中粮食水分及温度，干燥介质温度、湿度及流量，以及外 界气候条件等参数的影响，还要兼顾到粮食干燥机的工艺流程( 如顺流、逆流、混流和横流等) 。 另外，一些干燥变量无法直接测量，即使可以测量，测量值也不够准确。 2 ) 非线性。粮食干燥一般有升温、恒速和降速等阶段，其中降速阶段是粮食干燥中最主要 阶段而在此阶段粮食的水分变化是非线性的。 3 ) 大滞后。粮食干燥机自动控制系统的响应速度受谷物流速的影响，而粮食干燥时间一般 较k ( 粮食在大型干燥机内滞留时间长达5 6 h ) 。因此自动控制系统的响应速度缓慢，且在于燥 过程中交互作用严重，一个控制动作的改变会影响干燥机中的所有性能参数。 4 ) 强耦合。在干燥机中，被控变量和控制变量有耦合作用。 5 ) 非稳态。有些粮食干燥机经常是在非稳态下工作的。 此外，因干燥机作业条件复杂，干扰变量较多，检测自控效果较难，再加上目前无精确的在 线水分测试仪器，粮食烘于机的自动控制还是一个难点。 随着信息技术和计算机技术的发展，微机技术已经应用于谷物干燥机的设计、分析和干燥过 程的自动监控。采用微机对干燥机烘干过程进行控制，可以较精确的控制热风温度、流量、排粮 2 中国农业大学磁士学位论文第一肇绪论 速度等工艺参数，能够详细了解机器各部分静运行情嚣，大大提高于漂瓣的自动亿求平。 1 2 国外干燥机控制技术发展概；兕 美国b o 精u m 季爨b a k k e r - - a r k e m a ( 1 9 8 2 年) 研究了攀级疆渡式子漂撬蠡拳鑫控系统，镪秘健蠲 了微处理器控制粮食流量。由于当时尚无商般上可提供的物荑价廉的水分谯线测试仪器，他们用 于控制的算法是一种比例积分反馈控制的相当算法( d i g i t a le q u i v a l e n t ) 。该单片机控制器可以保 持出机粮食平均温度在o 5 内( 与设计值相比) ，相当予趣规粮食永分偏差为0 2 。b o r s u m 苇拜b a k k e r 建淡使用一个溢凌赞藩器寒检溺入橇穰食瀣瘦豹变纯，著箨为个羲读豹僖譬，瑷便 减小它对出机粮温的影响，_ i 砸粮温是用来控制干燥过程的参数。 s t o n e ( 1 9 8 3 年) 利用计算机模拟技术对比了前馈控制和传统的比例一积分控制，剐热风温 发 乍为控制变搬，班控制出枫粮食水分。她羽颈期的终水分秘诗算机模拟的终水分的差馈躲平方 秘来眈较评徐控裁器的性糖，砖院结栗表明p i d 控巷l 忧予篱单静f f ( 蘸镶) 控制。s t o n e 封f f 控制作了如下试验：他把f f 控制器的响应时间延迟了一半，发现它的i s e ( 误差积分和) 是简 单f f 控制的2 6 ，是传统p i d 控制的4 8 。他指出前馈控制不适应干燥机参数的变化，认为采 用蔚壤+ 夏馈或囊适应控毒l 是一静较好的控剿方案。 b a c k e r ( 1 9 8 3 年) 开发了种篱纯酶予僚过程模型，并裙子连续横滚式烘干橇的微机控镧。 该模型与强有力的分布参数模型相比并不逊色，用于干燥过程的优化，可饿耗油费和人1 ：费最小。 在进行室内烘平玉米试验时，发现热风温度怒主要制约因素，他认为横流式干燥机可用的艇商热 筑滠鏖为 1 7 。 f o r b e s 等入( 1 9 8 4 年) 歼发了一种基予数学模型的控制策略，他利用b a c k e r 推荐的一种简 化干燥过程模型。该模型的方程如下： m = m ，e - “ 式中：m 一一薅熬答貔零努f 于基) ， m 。谷物初水分( 干基) ， a 反映粮食干燥特性的参数，s “ t 干燥段滞留时间，s f o r b e s 剥搦爱馈线性建滤摊( f a e db a c kl i n e a rf i l t e r i n g ) 决定干燥特性参数。镥试验了4 静控 制策略并与计锋机模拟进行了比较，即反馈( 由出口水分控制) 、p i d 控制、前馈( 超前滞盾。由入 口处谷物水分挂制) 、基于模测的前馈控制( 刹用干燥机入口处的平均水分控制) 。他利用终水分的 预测值与设定缓的差值平方和对比了4 种控制方案的性能，惟一的控制参数是 粮辊的转速，热 菇溢度保持不变。试验表瞬，p i d 厦镄控潮犟葑靛馕控翻复癍艘栗均不妊，琢嚣是薛闻滞辱太大蟊 入机粮食水分变化太频繁。他指出这两种控制方案的主要问题是控制系统的响应是基于刚削进机 的粮食水分或满刚刚离机的粮食水分。试验发现，基于模型的前馈控制方燕效果最好，即利用入 机粮食的平均承分作为整机粮食水分进行控制。 英国w h i t f e l d f ( 1 9 8 6 荦) 利用计算辊搂拱技术对簸演戏糇食干燥辊的p i d 控翩器参数进行 r 优化研究，即根据出机粮食水分控制粮食流量，数据取自顺流式粮食烘干机并用于验证模拟的 准确性。研究裘明，实测值和预测值的绝对谡差在1 ( 千慕) 之内。他还利用不同的放大系数k 3 中国农业太学硕士学位论文第一章绪论 ( g a i n ) 和不同的积分时间对干燥过程进行模拟以期获得最佳性能，农场中的实际数据被用于 模拟程序的输入。使用经验表明，该控制系统在某些条件下工作很好，但不是所有条件均好，这 主要是由于处理量和干燥水分的非线性关系存在所致。 瑞典n y b r a n t ( 1 9 8 5 年) 开发了一种自适应( a d a p t i v e ) 控制系统。他利用排气温度控制粮食 水分，并利用一个实验室用的批式干燥机深入研究了风温、风量对排气温度和粮食水分的影响 目的是分析利用排气温度确定出机粮食水分的可行性。研究发现，即使排气温度保持不变时，初 水分变化时出机粮食水分也是变化的。n y b r a n t 利用实验室的小型干燥机对自适应控制器进行了 试验，证明尽管条件多变，自适应控制器能够比较准确的控制排气温度。 b r o o k 和b r u c e ( 1 9 8 6 年) 对近代最新的谷物干燥机自控系统作了综述，指出“实用的谷物 干燥模拟程序已经开发出来并且用于谷物干燥机自动控制”，还指出模拟模型必须改进，以便用 于计算干燥过程中粮食的损伤和品质。虽目前尚无可以计算谷物干后品质的模型，但是这将是今 后研究的热点。他们指出国际市场对粮食品质提出很高的要求，因而干燥研究部门必须更加深入 的研究干燥条件与粮食品质的关系，建议开发粮食品质或有关参数的在线检测装置。 e l t i g a n i c ( 1 9 8 6 年) 在横流式干燥机上试验了两个季度的干燥机自动控制系统，采用了基于 模型的前馈控制器，水分测试为半连续式。该控制系统与手动控制相比，能改善干燥品质，并减 少粮食过干现象和工时，能降低能耗。 我国学者刘强博士( 1 9 9 9 年) 在美国对横流式谷物干燥机自动控制进行了研究p n ，开发了 新型m p c ( m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l l e r ) 控制器，并在农用风机公司( f f i ) 生产的z i m m e r m a n v t l 2 1 0 横流式干燥机上进行了试验，水分控制精度达到o 7 ，热风温度为8 5 1 2 0 c ，入机粮水分 在2 l 3 2 ( w b ) 变化，干燥塔干燥和冷却段共长1 2 9 m ，分了1 0 段以便进行模拟。 1 3 国内干燥机控制技术的发展现状 我国农村谷物干燥机的发展起步较晚，1 9 7 5 年以前，只有少数国营农场使用了谷物干燥机， 广大农村基本上是空白。1 9 7 7 年在广西召开的全国农用谷物干燥机技术交流会对发展农村粮食机 械干燥设备起到了很大的推动作用，会上有一批机型通过了省级技术鉴定并投入了使用。当时各 地研制的机型种类繁多，但大多比较简陋，操作人员劳动强度大。1 9 8 0 年至1 9 8 3 年之间，我国 农村烘干机的拥有量最多，1 9 8 1 年达1 5 7 0 5 台，但绝大多数为小型简单粮食烘干机，机械化程度 低。以后随着农村经济体制的改革，粮食分散到农户各自处理，农村烘干机的数量急剧下降，至 1 9 9 0 年只有2 6 6 6 台”1 。 在应用微机控制技术进行谷物干燥的研究方面，同国外相比，我国虽然起步较晚，但在近十 年，经过工程技术人员的努力，已接近国外先进水平”。 中国农机院等单位设计的装有粮温自动控制装置的种子干燥机，由程序起动、温度显示和自 动控制三部分组成。其工作原理是通过改变可控硅导通角的大小来调节电机转速的变化，从而控 制燃油炉喷油量和助燃风量，达到控制炉温的目的。j 东农机所成功地研制了干燥机模型参数微 机检控装置，它能够模拟实验所需要的环境气候，由计算机控制，提供稳定的试验条件。马友生 等人对水稻烘干进行了微机监控系统的研制，该系统由低压配电系统、上位机、工控机三部分组 成。该系统可选择7 种不同的干燥工艺，并根据工艺要求，通过上位机向工控机发出指令，白动 4 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 按程序起停电机，并控制干燥参数。华南热带作物学院的翁绍捷和中国农业大学的蒙海强研制了 单片机在逆流式谷物干燥系统中的应用。该系统采用有差控制方式和适合于有滞后环节的控制对 象的达林控制算法，以调节排粮电机，从而控制谷物的最终水分。进而，蒙海强又将达林算法应 用到谷物连续干燥系统中。 1 4 研究的目的和意义 迄今为止，谷物干燥在我国的农业生产中还是个比较薄弱的环节。在广大农村干燥能力严重 不足，烘干机效率低下，且干后品质无法保证。研究、开发和利用适于农村使用的、性能馥好、 经济可行的干燥设备，对农业增产增收，节省农时，减少损失，改善农产品的质最，提高农业生 产经济效益，无疑具有十分重要的意义。 计算机控制技术在谷物干燥方面的研究和应用主要侧重于以下几个方面：热风温度控制、料 位控制、过热防火控制和谷物终水分控制等。嵌入式应用是计算机技术发展的一个重要分支。它 是与通用计算机相对的，完成某些相对简单或者某些特定功能的c p u 系统。单片计算机应用系 统集成度高，结构紧凑，把单片机技术应用于中小型粮食干燥机械的研究和开发上，研制一些简 单实用的智能控制器，可以提高烘干机的科技含量，增强我国粮食干燥机械在国际市场上的竞争 能力，改变我国的落后局面。 1 5 研究内容 5 h p n 一3 m 农用平床式逆流干燥机，是国家“九五”重点科技攻关项目“农用中小型粮食干 燥设备的研制开发”所取得的一项重要成果。本课题针对该机的特点，将嵌入式微控制器应用于 逆流干燥机热风温度和粮食水分的控制。主要研究内容有： 1 分析逆流谷物干燥机的性能，对比各种控制策略的优劣，结合该机型的使用情况，确定 对热风温度、粮食出机水分控制的总体方案。 2 硬件方面，合理选择电气元器件，绘制电路原理图以及p c b 图，制作p c b 电路板。搭建 微型数字控制器，并对系统进行电气测试。 3 软件方面，使用汇编语言编制控制系统的全部程序，在伟福仿真编译环境f 调试程序。 通过后写入单片机中。 4 组装完整的控制系统现场测试其性能。 中国农业大学硕士学位论文 第二章农用平床式逆流干燥机的研究 第二章农用平床式逆流干燥机的研究 2 1 逆流干燥工艺的特点 逆流干燥机在国外已经有了几十年的历史，并且在农场中得到广泛应用。美国b a k k e r - a r k e m a 教授( 1 9 8 1 年) 曾对s h i w e r s 仓式逆流干燥系统作了试验，并得出以下结论【4 】： 1 ) 仓式逆流干燥系统干燥粮食的质量优于其它高温干燥方法。 2 ) 与其它高温干燥方法比较，仓式逆流干燥的费用较低。 3 ) 热风温度为1 2 0 。f 时，干燥种子的发芽率不受影响。 4 ) 根据所测的能耗及工本费等评价，仓式逆流干燥系统最实用。 一般来说，逆流干燥工艺具有以下特点： 1 一般采用低温慢速干燥 在逆流干燥过程中，潮湿谷物由干燥机上部喂入，往下流动，热风由干燥机底部送入，穿过 粮层由上部空间排出，干燥以后的谷物由干燥机底部的排粮机构排出机外。热风在上升的过程中， 温度逐渐降低，湿度越来越高。根据谷物的特性，其含水率越低，则水分蒸发越困难，其允许受 热的温度越高，逆流干燥正好满足这一要求；而谷物的含水率越高，为了保证干后质茸，则允许 受热的温度越低，逆流烘干同样也满足这种要求。由于最干燥的谷物接触到的是温度最高、湿度 最低的热风，为防止粮温过高，一般采用低温大风量干燥。热风的温度一般保持在允许最高粮温 附近。 2 热效率高 在逆流干燥中，由于排出机外的废气湿度已经达到或者接近饱和，所以热空气的干燥能力得 到了充分利用。此外在逆流干燥后，粮食的含水率比较均匀，减少了因为粮食过度干燥而浪费的 热量，因此逆流干燥机具有较高的热效率。根据测得的数据对比，逆流干燥机比塔式干燥机的热 效率要高出1 3 。 3 干后粮食品质好 逆流干燥采用低温空气作为介质，粮食不会过热和过干，因此干燥后的粮食质量优于其它干 燥工艺。干燥后的粮食含水率均匀，对发芽率几乎没有影响。尤其突出的是谷粒表面的裂纹率仅 为塔式干燥机的1 6 【l i i , 破碎率比塔式干燥机降低了3 2 。这对提高干燥后的商品粮等级，优 质优价销售具有十分重要的经济意义。 4 可实现较为精确的水分控制 逆流干燥时热风由干燥仓底部向上流动，从仓底至谷物表层粮食的温度和湿度有明显的梯度 分布，底部粮食得到了较充分的干燥，出机水分由这部分粮食决定，因此可以实现较为精确的水 分控制，且不受仓内粮层高度及初始水分变化的影响。 经过多年的不断发展完善，目前较先进的逆流干燥机采用了成熟的抛撒布粮器，提高了喂入 的均匀性；锥形变截面变螺距扫仓搅龙，可保证排粮的均匀【1 目；测定仓内温度而不是排气温度 以控制出机水分。随后又装备了水分控制电脑，进一步保证精确的水分控制。但为了适应广大农 村对谷物干燥的特殊要求，还需要对其配套设备和工艺流程作合理的改造。 2 2 农用平床式逆流干燥机的研究 2 2 1 工作原理和工作流程 5 h p n 一3 m 农用平床式逆流干燥机外形如图2 1 所示。主要由热风系统、烘干仓和卸粮系统 组成，其结构简图如图2 2 所示。柴油燃烧器、鼓风机和热风炉组成间接加热热风系统，负责提 供干燥所需热风。圆形烘干仓内一定高度上置有透风板，待烘粮食堆放其上，热空气穿过透风板 进入谷层，对粮食进行烘干。卸粮系统由扫仓搅龙、水平搅龙和提升搅龙组成。扫仓搅龙将底层 谷物输送到粮仓中部，漏入水平搅龙，再由水平搅龙送至提升搅龙底部，后者将粮食提升”1 。 图2 15 h p n - 3 m 平床式逆流干燥机外形 图2 25 h p n 一3 m 干燥机结构简图 1 一燃烧器2 一鼓风机3 一热风炉4 一透风板5 一圆形烘干仓 6 一热风室7 一扫仓搅龙8 一水平搅龙9 一提升搅龙 干燥机工作时，湿粮由干燥仓的上部喂入，均匀地散布在干燥仓内。热风由干燥仓的底部进 7 ，n厢，些 一一 中国农业大学硕士学位论文第二章农用平床式逆流干燥机的研究 入，利用鼓风机的正压，穿过透风板进入粮堆内，与谷物进行热质交换，蒸发并带走水分。随着 热空气的逐渐上升，风温逐渐下降，热空气的湿度逐渐增大，最后从粮堆的上表面逸出，排出机 外。达到烘干水分的谷物由同时可以实现自转和公转的扫仓搅龙均匀地输送到仓底的中心部位， 落入水平搅龙中，由水平搅龙将其输送至提升搅龙的底部，最后由提升搅龙提升到一定高度装袋 或装车。在离仓底一定高度处安装有温度传感器，根据测得的粮食温度来控制卸粮系统是否动作， 以控制粮食的终了含水率。 2 2 2 性能指标和特点 5 h p n 3 m 农用平床式逆流干燥机是国家“九五”重点科技( 攻关) 项目专题“农用中小型 粮食干燥设备的研制开发”所取得的一项重要成果，其主要性能指标如表2 1 所示j ： 表2 15 h p n 一3 m 农用平床式逆流干燥机主要性能指标 该机主要是针对当前农村、农场和农户的生产规模、经营方式以及粮食干燥的迫切需要而研 制开发的，将廉价实用的多用途平床式烘干仓与先进的逆流干燥工艺结合起来，具有以下特点i ”i ： i 适应农村条件。采用逆流干燥方式，既可连续烘干，也可分批处理，大小批量不限；不 需要土建基础，在任何场地上都可安装使用；机器结构简单，可以方便地拆卸移动，转移作业地 点，扩人服务范围： 2 烘干能力强。该机采用低温干燥，单位面积干燥强度要低于各种塔式的高温干燥机。但 由于粮仓有足够大的面积，干燥通风面积可达7 m 2 以上，且逆流连续干燥方式中最干的粮食接触 干燥潜力最大的热风，所以仍可达到比较大的生产能力。烘干水稻处理量为1 吨小时( 按降水5 计) ，降水速率( 减干率) 达到1 5 一2 5 ，超过国内外其他水稻干燥机水平；烘干小麦和玉米 处理量可达1 5 2 5 吨小时。对潮粮可一次烘干到安全水分( 水分过高时建议自循环二次烘干) 。 3 干燥后粮食品质好。逆流低温干燥不会产生粮食过热及由此导致的损伤，通风面积达71 1 1 j 以上干燥柔和均匀。干燥仓底层粮食的水分达到要求时，就会自动排出，不会过干或过湿。 4 易于操作，可靠性高。干燥机主体高度仅1 2 米左右，人工进粮或机械入粮均非常方便； 全敞开式的设计，让操作人员可很容易地保持粮层上表面的平整，避免出现通风不均匀的现象； 机器的扫粮机构和传动机构设计合理，抗堵塞能力强，含杂率高的原粮不经初清即可烘干。 5 热效率高，经济实用。逆流干燥机排出的废气总是接近饱和状态，利用了热风的全部干 8 中国农业大学硕士学位论文第二章农用平床式逆流干燥机的研究 燥能力，没有余热损失，因此热效率高。这意味着干燥作业成本低，经济效益高。且本机结构简 单，造价低廉，投资远低于其他干燥设备。 从以上对5 h p n 3 m 农用平床式逆流干燥机性能所作的分析可以看出，这种干燥机适于在农 场、农村条件下使用，在粮库、饲料加工厂和种子加工厂中使用也很方便，具有大面积推广应用 的前景。该机适宜的服务面积约为2 0 0 3 0 0 亩，且性能可靠，价格低廉，可在我国水稻主产区 和稻麦两熟地区的农村、小农场和粮食收购点大力推j “使用。 2 3 逆流干燥机主要设计参数 1 工作参数 4 1 , 供热量5 万大卡小时 风量7 0 0 0 8 0 0 0 m 3 h 风压 2 0 0 m m h 2 0 风机功率7 5 k w 工作风温4 3 2 结构参数 仓径m 3 0 5 m 仓高1 2 5 m ，其中干燥段o 7 m 仓板+ 仓底o 5 5 m 3 传动参数( 卸粮机构) 扫仓搅龙转速；2 6 0 r p m 1 1 k w 水平搅龙转速：2 8 8 r p m 1 1 k w 提升搅龙转速：5 2 2 r p m 1 1 k w 2 4 本章小结 1 逆流干燥时，最热的空气首先与最干的谷物接触，排出机外的废气湿度已经达到或者接 近饱和，所以热空气的干燥能力得到了充分利用，热效率高，运行费用低。采用低温空气作为介 质，粮食不会过热和过干，因此干燥后的粮食含水率均匀，破碎率和爆腰率均优于其它干燥工艺， 有利于提高粮食的品质。 2 针对我国农村和中小型使用单位的生产规模、经营方式以及粮食干燥的迫切需要而研制 开发的5 h p n 一3 m 农用平床式逆流干燥机将廉价实用的多用途平床式烘干仓与先进的逆流干燥一 艺结合起来，既可连续烘干，也可分批处理；采用可拆装式结构，可方便地转移作业地点：可机 械入粮或人工进粮，自动化水平高，对操作人员的技术水平要求低；机器结构简单，造价低廉， 热效率高，运行费用低，干燥通风面积大，具有较大的生产能力，经济效益优于国内外其他同类 干燥机。 3 目前我国农村粮食干燥机械化作业的程度较低，关键是缺乏经济实用而又技术可靠的干 燥设备。5 h p n 一3 m 农用平床式逆流干燥机性能优异，一次性投资小，在广大农村地区将有良好 的应用前景。 9 第三章农用平床式逆流干燥机控制系统的硬件设计 3 1 控制系统整体方案设计 3 ，1 ，1 单片机控制系统概述 计算机测控系统的发展经历了一个较为漫长的过程，大致经历了数据采集系统( d a s ) 、直 接数字控制系统( d d c ) 、监督控制系统( s c c ) 、集散控制系统( d c s ) 和现场总线控制系统( f c s ) 等5 个阶段”“。而直接数字控制系统( d d c ) 是应用最普遍的一种方式。它是用一台计算机对多 个被控参数进行巡回检测，检测结果与给定值进行比较，并按预定的数学模型( 如p i d 控制规律) 进行运算，其输出直接控制被控对象，使被控参数稳定在给定值上，其原理如图3 一l 所示。d d c 系统中的计算机不仅能完全取代模拟调节器，实现多回路的p i d 调节，而且不需要改变硬件，只 通过改变程序就能有效地实现较复杂的控制，如前馈控制、串级控制、自适应控制、最优控制、 模糊控制等。 直接数字控制系统( d d c ) 是现代计算机控制系统中最基本的层次，监视控制、管理等则是 更高级的层次。不同的层次往往采用不同结构的计算机。在监视及管理层中，适宜采用微型机系 统、微型机网络或小型计算机甚至中型计算机。而在d d c 控制中则适宜采用单片机系统。 单片计算机( s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r ) 是近代超大规模集成电路发展的产物。它是将c p u u p l , 围芯片，如程序存储器、数据存储器、并行、串行i o 接口、定时计数器、中断控制器及其 他控制部件集成在一个芯片之中制成。自从1 9 7 6 年问世以来，单片机技术发展十分迅速，经历 了4 位单片机、8 位低档单片机、8 位高档单片机、1 6 位单片机等阶段，现在正向高性能、高速 度、高集成度、大容量、多功能、低功耗、加强i o 能力以及结构兼容的3 2 位和双c p u 方向发 展。与二【：控机、p l c 控制系统相比，单片机构成的计算机应用系统具有下述特点【io j ： i 较大的可靠性。这种可靠性的获得除了依靠单片机芯片本身的高可靠性以及应用系统有 较少的连接外，还可以方便地采用软、硬件冗余技术。 2 系统扩展、系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统，应用系统有较高的 软、硬件利用系数。 3 相当多的测、控功能可由软件实现，故具有柔性特征，不须改变硬件就能适当地改变系 统功能。 4 体积小，可做成微型的控制器用于一些体积不大的设备和空间有限的生产、控制过程。 5 单片机系统性能优异，价格低廉，有优良的性能价格比。 目前，随着e d a 技术、可编程逻辑器件( p l d ) 以及高级语言在单片机软硬件开发中的应 用，单片机控制系统的开发难度大大降低，开发周期大大缩短。因此，综合考虑各方面利弊，对 于本项目，选择单片机控制系统最为合适。 单片机d d c 控制系统的框图如图2 3 所示”“。在图中，是加法比较器，它把给定值r ( s ) 和系统的输出状态y ( s ) 进行相减，从而产生偏差值e ( s ) 。d ( s ) 是数字控制器，h ( s ) 是零阶保持器， g ( s ) 是被控对象。单片机的功能包括加法比较器、数字控制器d ( s ) 和零阶保持器h ( s ) 。在单片机 o 中国农业大学硕士学位论文第三章农用平床式逆流干爆机控制系统的硬件设计 中，加法比较器是一种算法，而数字控制器则是一种数字控制算法；零阶保持器相当于控制信号 输出口。 i - 片机 w ( s ) w ( z ) 图3 1 单片机d d c 控制系统框图 一个d d c 控制系统的控制过程可以简单说明如下：首先由用户预先在输入端设定给定值r ( s ) ， 这就是说要求系统的输出为y ( s ) 等于r ( s ) 。同时对系统的输出y ( s ) 进行采样，并且执行比较， 产生偏差e ( s ) ： e ( s ) = r ( s ) 一j ，( s ) ( 2 1 ) 如果有e ( s ) o 。说明系统的输出y ( s ) 小于给定值r ( s ) ；故数字控制器d ( s ) 产生控制信号送 入保持器h ( s ) ，控制对象g ( s ) 使其输出y ( s ) t 升，向r ( s ) 逼近。 如果有e ( s ) o ，说明系统的输出y ( s ) 大于给定值r ( s ) ；故数字控制器d ( s ) 产生控制信号送 入h ( s ) ，使对象g ( s ) 的输出y ( s ) 下降，趋向r ( s ) 。 如果有e ( s ) = 0 ，说明y ( s ) = r ( s ) ；这时数字控制器d ( s ) 输出的控制信号应使对象g ( s ) 维持 该时的状态不变。 3 1 - 2 热风温度的控制 干燥粮食所需要的热风由间接加热式热风炉产生。目前，加热源主要有两种途径【i ：采用 电加热；采用化石燃料如煤、天然气、燃油等燃烧来加热。用电加热，温度稳定，控制方便， 但是耗电能太大，成本太高，且有的地方受配电容量的限制。燃煤热风炉以煤或者焦炭为燃料， 虽然相对说来燃料价格比较便宜，但其热效率较低，对环境污染较大，需专人看管，劳动强度人， 很难进行自动控制，燃烧过程不稳定，炉温不均匀，因而对热风风温有较大的影响。对于某些热 敏性较高的被干燥物料来讲，将直接影响产品的质量和产量。燃油热风炉以重油或者柴油为燃料， 与燃煤热风炉相比，除燃油价格要贵一些之外，其它一切特点都要优于燃煤热风炉。不需专人看 管，燃烧过程稳定，炉温均匀，很容易进行自动控制，且基本上不污染环境。而对于一些热敏性 较大、本身价值较高的被干燥物料来说，燃油热风炉则是保证产品质量和产量的基本要求。另外， 有关资料表明，从节能的观点出发，在正常生产、正常操作和充分预热空气和煤气的情况下，j 率国农业夹学磷士学位论文 第三章教搠平霖式逆流干燥枫控制系统的磺件设计 删邕皇喜暑曼鼍墨舞感麓蔓皇篁| 量鼍! 带鳓蔓曼! 曼曼曼曼皇皇曾黼皇曼曼皇曼曼曼曼璺燃i , i 麓曼曼曼曼曼曼曼曼薯置阜曼曼曼! 葛黑燃蔓! 皇曼 种燃烧方式的黥源消耗比为煤炉：煤气炉：油炉= 1 ：0 9 6 ：0 6 1 ，燃油节能最多，发生炉煤气 次之，而烧煤摄浪费能源i l 。 因此，综合产品质量、环蟪保护、节约能源、减轻工人游动强度等因素，采用燃油热风炉最 为爨越。紫渡燃浇器、鼓弱l 撬鞠换热篱俸共攀| 组戒阉接趣热式热强炉。紫涵经过燃烧器蘸靛燃烧 生成高温烟气，通过换热简体姆鼓风机输入的冷空气间接潮热至干燥设备所要求的工艺漱度，以 清洁热风输送到干燥仓底部。 热风炉所配备的燃烧器采用燃油全自动燃烧器。全自动燃烧器集喷磷、油泵、助燃风机、自 韵点灾器、火焰探溺器致及按剃装置秀一 拳，瓣浇效率蠢，餐荔实魂鑫魂攘裁。燃烧嚣麴王佟藏 理如图3 2 所示”。接通电源，燃烧器的电机转动同时带动鼓风机( 3 ) 和油泵( 8 ) ，且在喷油嘴( 4 ) 前的点火棒( 5 ) 产生电弧，但并不立即喷油，而是对燃烧室进行吹扫数秒钟，吹走可能存在的有害 气体之后，加艇的柴油以一定麴雾化角度从峻嘴疃出并被点燃，进入燃烧阶段，此过程约i o 1 5 s 。知莱点火不成臻，电鞭西) 约在2 0 s 左袁搽溅苓至l 炎焙，燃烧器本隽静控潮嚣移) 褥镯鞭迄溅荠 点亮报警指示灯。由于控制嚣的原理是采用电加热双金属片弯曲拨动触点爨现的，所以报警指示 灯点亮之后，骚想再次点火，就必须等双金属片冷却，再对控制盒复位之后才能进行，这段时间 大约是3 0 6 0 s ，所驳这一类爨约燃烧器都希望其启动、停瞧的周期不要太短。燃烧器配有不同 喷i l 径和不瓣喷藐扩敬角度的喷嘴。选霜不闵毫径藐豹嚷嘴袋潺节泵压，霹懿调节燃浇器鹩输出 功率。根据炉膛对火焰扩散的不同要求，可选用不同扩散角度的雾化喷嘴，然后用火焰盘调霄螺 丝调节火焰盘位置，配合火焰的形状。 避戴甜 霪蘧甓 进蹈繁 电撩 2 2 0 v 圈3 2 燃烧器工作原理示囊嗣 进风强2 斑瓣3 鼓最壤4 犊油罐 s 点火棒s 毫曝7 电磁阚8 油泵9 控制器 意丈利百褥( b a l t u r ) 公司是著名的燃烧器生产企业。百得生产的燃烧器分为单段武、硬 段式、双段渐j 藏式和比例调节式。 攀段式；啜寿舞关功麓。 双段式：燃烧器输出分为关断、小火、大火。在温度袋箍力开关的控制下，燃烧器能鑫劫麸 大火转变为小火。 双段渐进斌( d s p g ) 2 中国农业大学硕士学位论文第三章农用平床式逆流干燥机控制系统的硬件设计 双段渐进式燃烧器能在两个不同的输出水平上运行，根据特别探头的信号，温控器或压力开 关能在一定的时间段内进行切换，该时间间隔是伺服电机从最小位置转到最大位置所需时间( 反 之亦然) 。空气燃料比可根据负荷的要求在整个运行范围内( 最小至最大) 进行极其精确的调整。 比例调节式 比例调节式燃烧器适用于负荷有波动的锅炉，燃烧器的功率连续变化。这种控制方式的获得 是在d s p g 系列的基础上安装一个自动负荷调节器( 如r w f 4 0 ) 并带有一个传感器( 温度或压 力) ，控制调节伺服电机，以达到增大或减小热负荷的目的，并实现风燃料的正确配比。r w f 4 0 是p i d ( 比例、微分、积分) 型调节器。通过设定参数来调节。通常，热输出的设定范同只能在 燃烧器出力的“最大”和“最小”值之内变化。 对本项目来说，供热量为5 万大卡小时，从热风炉的热效率、使用 经济性等各方面考虑，选用单段式b t l 6 型燃烧器。该机的外形如图3 3 所示。喷油量最小为2 7 k g h ，最大为6 , 3k g h ，输出功率( 等于耗油量 】i 8 k w ) 从3 1 9 7 43 k w 之间，马达功率0 1 1 k w 。 该机的燃烧输出特性曲线如图3 4 所示。可以看出，燃烧器的输出 功率是连续的。通过更换不同的喷嘴和调节雾化压力可以使喷油量从最小 到最大平滑地调节。 3 2 5 2 1 5 1 0 5 ( ) ， ，、_ - 一， 一蔓_ 1 一? ? r k g h 图3 4b t i _ 6 型燃烧器输出特性曲线 如果我们把风机、热风炉、干燥仓等一起构成一个完整的系统，整个系统正常、稳定地一1 作 时，干燥仓入口风温主要受燃烧器喷油量和外界空气温、湿度的影响。空气的温湿度随着季节以 及一天之中时段的不同而变化，相应地燃烧器的输出功率也应该随之变化。固定喷嘴的情况下， 随着雾化压力的不同，喷油量有一个小的变动范围。经过多次热工测试表明，轻油燃烧器的雾化 压力为i 1 2 m p 时1 2 “i ，能较好地满足节能和环保的要求。雾化压力太高时，系统的油路承受不 住；雾化乐力太低时，雾化不良，燃烧不完全。因此需要根据外界条