真空低溫連續干燥設備自動控制系統方案簡介

張克發

(鄭州飛機裝備有限責任公司糧機研究室,河南 鄭州 450005)

真空低溫連續干燥設備自動控制系統方案簡介

張克發

(鄭州飛機裝備有限責任公司糧機研究室,河南 鄭州 450005)

論述了真空低溫連續干燥設備自動控制系統的系統架構和方案設計，對真空低溫連續干燥過程自動控制系統進行了分析，并對其關鍵技術和市場前景進行了展望。

糧食；真空干燥;干燥塔;數據傳輸;組態軟件;顆粒物料;含水率

真空低溫連續干燥項目是國家“十一五”科技支撐計劃子課題之一，“農業品現代物流技術研究開發與應用”課題“糧庫物流裝備、糧食運輸技術研究及產業化示范”的前道生產工序。真空干燥有許多優點：在低壓下干燥時氧含量低，能防止被干燥物料氧化變質，可干燥易燃易爆的危險品；可在低溫下使物料中的水分汽化，易于干燥熱敏性物料；能回收干燥物料中的貴重和有用的成分；能防止干燥物料中有毒有害物質的排放，可成為環保類型的“綠色”干燥；真空干燥后糧食的破碎率、裂紋率大大降低。因此，真空低溫干燥設備為后續糧食在物流過程中降低破碎提供了技術支撐和保證，在其他領域的應用也日益廣泛。

真空低溫干燥設備由一套能抽水蒸汽的真空系統、冷凝水蒸汽的蒸汽冷凝系統、提供干燥所需熱量的供熱系統以及實現干燥作業的電氣控制系統組成。由于真空低溫干燥有許多優點，一些熱敏性物料必須采用真空干燥設備。因此，真空低溫干燥設備的發展很有前途。

在糧食的干燥過程中，谷物水分的遷移蒸發是一個連續的微觀過程。對水分遷移、蒸發速度的控制需要調整工藝參數。連續穩定的生產工藝，是保證整個干燥生產過程穩定的基礎。需要對生產過程的溫度、糧食水分、流量、干燥塔塔內的真空度、進排料速度等參數在線實時檢測，并根據工藝要求，進行邏輯處理，輸出要求的控制信號，控制供熱系統、真空系統、進排料系統等干燥塔的設備協調工作，達到穩定的工藝參數，以保證生產過程的穩定，生產出水分、品質符合要求的物料。項目驗證其采用的是操作按鈕、旋鈕加控制儀表的控制方式，人工干預工作量大，自動化程度低，設備各參數的協調，需要通過人工調整，響應速度慢，影響設備的工作性能的發揮，也不利于設備的工業化生產。

1 真空低溫連續干燥設備簡介

真空低溫連續干燥設備工藝流程見圖1。干燥玉米產量為300 t/d,降水幅度10%。

真空低溫連續干燥設備由上料系統、真空干燥塔、卸料系統、真空系統、加熱系統、電氣控制系統六個部分組成。

真空系統由真空泵、真空壓力表、管道、傘狀氣口、冷凝水塔等幾個部分組成，主要作用是為干燥塔提供真空環境，降低糧食內部水分的遷移溫度。

加熱系統由加熱鍋爐、溫度傳感器、熱水管道，以及回水管道組成，為設備提供40℃溫度環境。

上料系統由皮帶機、圓筒初清篩、提升機、緩沖倉以及高氣密關風器組成。

真空干燥塔是設備的核心設備，塔內有真空管、加熱管、真空傳感器、溫度傳感器等，為糧食的低溫真空干燥提供滿足要求的大氣環境。物料緩慢地通過干燥塔，經過1個預熱段、2個干燥段、2個緩蘇段后，物料內的水分遷移，散發到空氣中，通過真空回路進入冷卻塔，將水蒸汽變成水，排放出去。

減低水分后的物料，經底部的排料輥、出料關風器、緩沖倉等設備將物料排放出去。

電器控制系統是給設備提供動力，實時檢測水溫、真空度、料位等信息，根據工藝要求，協調各個設備的工作狀況，保證最終的干燥工藝要求，達到降低糧食水分的目的。本研究主要對電氣控制系統進行了設計和分析。

圖1 真空低溫連續干燥設備工藝流程

2 真空低溫連續干燥過程自動控制系統的分析

真空低溫連續干燥生產過程是一個微觀過程，需要實時測量設備工作的各項相關參數,如溫度、物料含水率、物料流量等，再根據工藝的要求設定參數，調整系統內的設備工作參數，以保證最終產品含水率的要求。

控制系統選用了S7-300系列PLC作為控制系統邏輯執行的核心，上位機作為人機交互界面。設備工作的參數，由操作人員根據生產的糧食的種類、水分要求，在上位機界面上輸入上位機，上位機進行數據處理后，將詳細的生產數據傳輸到PLC，PLC根據設定的邏輯，控制真空泵、供熱系統、供料機構、排料機構協調工作，保證物料最終的加工要求。

全系統由在線檢測傳感器、信號輸送、邏輯控制器(PLC)、設備驅動裝置以及上位計算機組成。是一個閉環自動控制系統。其中水溫、空氣溫度、真空度的檢測均為連續參數的模擬量。選用了溫度傳感器和真空度傳感器，這些參量市場均有成熟的產品可以選用。物料流量、含水率的在線檢測均采用微波檢測傳感器。

3 干燥倉干燥過程自動控制系統架構方案設計

干燥倉干燥過程自動控制系統架構拓撲圖如圖2所示。

圖2 干燥倉干燥過程自動控制系統架構拓撲圖

3.1 數據傳輸系統的設計

由于真空低溫干燥設備體積大，又是在室外安裝，而上位計算機(PC)及主控制柜需要放置在室內，傳感器輸出信號的輸送距離較遠，需要防止信號的干擾和衰減。系統信號的傳輸采用了工業通信協議進行傳輸，可以有效地提高信號的傳輸質量。根據各類工業協議的應用情況，本系統選用ModBUS通信協議作為信號的傳輸協議。

ModBUS通信協議是已經標準化了的開放通信協議，應用范圍廣，技術成熟，并且許多傳感器、檢測儀表、執行機構均支持該協議，傳感器、設備選型方便。

3.2 邏輯控制器(PLC)選型

真空低溫干燥塔共計有22個檢測和控制項目，其中輸入項16個，輸出項6個。在輸入輸出項目中，數字量有8個，模擬量有14個(輸入10個，輸出4個)。模擬量與數字量共占15個字，屬于模擬量較多的中小型自動化控制系統,擬選用標準型S7-312CPU，外加模擬量和開關量擴展模塊。上位計算機機安裝CP5611DP接口卡，與PLC通信，實現工況的實時監控和人機交互。

3.3 組態軟件的選型

組態軟件選用西門子公司的Wincc，與西門子公司的PLC結合良好，且在行業內應用范圍很廣，技術成熟，性能穩定，具有以下特點：

模塊化的結構，由簡單任務到復雜任務，可靈活裁剪。Wincc是一個模塊化的自動化組件，既可以靈活的進行擴展，從簡單的工程到復雜的多用戶應用，又可以應用到工業和機械制造工藝的多服務器分布式系統中。

眾多的選件和附加件擴展了基本功能。已開發的應用范圍廣泛的、不同的Wincc選件和附加件，均基于開放式編程接口，覆蓋了不同工業分支的需求。

強大的標準接口。Wincc提供了OLE、DDE、ActiveX、OPC服務器和客戶機等接口或控件，可以很方便的與其他應用程序交換數據。

使用方便的腳本語言。支持C、VB等腳本語言。

提供所有主要PLC系統的通信通道。

集成到MES和ERP中，為MES和ERP提供管理數據。

特別是對SQLServer數據庫的支持，可以將生產數據保存到數據庫內，為分析生產過程，改進生產，提高產品的質量，提供了第一手資料。

4 干燥倉干燥過程自動控制系統關鍵技術分析

低溫真空干燥塔控制系統，由在線檢測傳感器(溫度、真空度、水分在線監測儀、轉速等)、數據傳輸、邏輯控制器(PLC)、監控機(PC)及組態軟件組成，是一套工藝參數檢測→邏輯處理→輸出控制信號→執行機構動作→改變設備工藝參數→工藝參數檢測→邏輯處理→……不斷循環的閉環控制系統，也是一套模擬量較多的自動化控制系統。系統關鍵技術和先進技術如下：

(1)顆粒物料含水率的在線檢測屬于比較前端的科技，市場產品少，生產廠家也少，同時傳感器性能的穩定性、測量數據的準確度，是系統的技術難點。本系統選用DF-MMAI型微波在線水分檢測儀。

(2)顆粒物料流量的在線檢測也是系統內比較前沿的技術,是影響系統生產性能的關鍵指標。本系統選用了MONITOR SFI微波固體流量計。

(3)輸出機構中熱水流量的連續控制，雖然市場上有比例閥、電控節流閥等產品，但性能參數能否滿足系統要求，也是系統的技術難點。

真空低溫連續干燥設備控制系統，可帶動大型真空低溫連續干燥設備控制系統的國產化，提高大型干燥設備的國產化水平。

真空低溫連續干燥設備目前已在鄭州飛機裝備有限責任公司完成了20 t/d玉米真空低溫干燥中試生產性相關試驗，實測產量20.3 t/h，降水幅度10%，單位熱耗低于5 000 kJ/kg，破碎率0.16%，裂紋增加率6%，比熱風干燥節能28.6%，達到了預期指標。并依托吉林德惠新良國家糧食儲備庫建立了300 t/d玉米真空低溫連續干燥生產線，實測數據：原糧水分31.8%，日處理220.12 t，降水幅度17.5%，單位能耗≤5 000 kJ/kg，與熱風干燥相比節能≥20%，應用效果良好，進入了設備性能完善和市場推廣應用階段。

[1] 科技部，國家糧食局，國家糧食儲備局鄭州科學研究設計院.“十一五”國家科技支撐計劃子課題驗收資料匯編[G].

[2] 王華中.監控與數據采集(SCADA)系統及其應用[M]. 北京：電子工業出版社,2010.

[3] 西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團.深入淺出西門子S7-300 PLC[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[4] 甑立東.西門子WinCC V7基礎與應用[M].北京：機械工業出版社,2011.

(責任編輯：趙琳琳)

2016-08-28；

2017-02-19

張克發(1969-)，男，工程師，主要從事工業自動化、柔性加工生產線等方面的研究。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.03.005

TS210.3;TP271+.6

B

1003-6202(2017)03-0016-03