基于PLC的雙層葵花籽烘干機控制系統設計

李浩宇，王少鋒，劉 慧，高 琳，趙飛云

（1.內蒙古科技大學 機械工程學院，內蒙古包頭 014010；2.內蒙古涵坤妙豐食品有限公司，內蒙古巴彥淖爾 015000）

0 引言

高品質葵花籽標準加工工藝的實施須依靠自動化工藝控制來完成。近年來不少學者對食品烘干設備及其控制系統進行了大量研究，但應用于葵花籽烘干的設備較少。郭善輝等［1］設計循環式油料烘干機智能控制系統，不適用于葵花籽雙層烘箱結構中。譚新圓等［2］設計一套以單片機為控制核心的糧食烘干機溫度控制系統，巧妙結合糧食干燥原理，將烘焙程序劃分為2段溫度烘干控制。朱樺等［3］設計基于PLC的自然晾曬與熱泵烘干級聯的干燥自動控制系統。翁小箱等［4］設計一種基于PLC的食用菌多能互補烘干房溫濕度控制系統，可實現4段工藝參數設定，且拓展了中短波紅外干燥作為烘焙方式的補充。

本文設計一種雙層葵花籽烘干機控制系統。由于PLC控制器成熟度較高，工業應用效果良好，且較其他控制器更加適合于溫濕度高、粉塵大的極端工況，故以PLC為控制核心，設計電源、控制電路，將各個執行、傳感器相連接，以實現工藝方案的控制。運用PID控制算法來解決溫度控制過程中的大慣性與非線性問題，達到精準溫控的目的［5］。結合觸摸屏和PLC組態通訊模式，設計面向裝備操控人群的參數化人機交互界面［6］。

1 雙層葵花籽烘干機結構及工作原理

圖1所示為雙層葵花籽深加工烘焙聯動機構，包括雙層烘箱立體承重框架、熱能回收機構、熱交換機構、進風機構、排濕機構、翻料機構、卸料機構和極速冷卻機構等。

圖1 雙層葵花籽烘干機Fig.1 Double layer sunflower seeds dryer

烘焙開始前，頂部活動罩由人工操作打開，統一容積的吊裝容器將葵花籽導入上烘焙層中，再由工作人員使用長鏟鋪勻，繼而關閉活動罩，開始烘焙。雙層烘箱內部由熱交換流場腔體、引風電機和散熱片組成。離心風機處于C處，風機轉動將新鮮的干燥空氣從B處引入，外部空氣經過C處時，通過散熱片與熱油管進行熱交換，繼而產生高溫空氣，并被吹入烘焙箱體，進行葵花籽的烘焙。

2 雙層葵花籽烘干機控制系統方案設計

2.1 系統組成及控制原理

如圖2所示為基于PLC的雙層烘干機控制原理。鍋爐高溫熱油初始被導入導熱油閥入口，繼而進入散熱片，最終由散熱片出口返回鍋爐高溫熱油回路管道。該過程中，PLC通過458通訊接口以一定頻率循環向觸摸屏發出溫度采集指令，烘焙熱導流場溫度由溫度傳感器采集并反饋回溫控器。依據設定極端烘焙溫度，溫控器應用PID控制算法對導熱油閥進行流量開閉的控制，實現對烘焙熱導流場溫度的調控，同時觸摸屏通過讀取PLC的溫度寄存器，實時動態顯示烘焙熱導流場溫度［7］。烘干機工藝控制分為數字量控制的聯動機構控制系統，與模擬量控制熱導流場溫度的反饋調控系統。

圖2 雙層自動化烘焙的多機構聯動與烘焙溫度控制原理Fig.2 Multi-mechanism linkage and baking temperature control principle of double-layer automatic baking

（1）基于PLC的邏輯過程控制方式如圖3所示。烘焙聯動機構控制系統主要由進排風排濕風門扇葉定位器、翻料機構氣缸驅動器、引風電機、卸料機構電機、制冷箱和冷卻引風機組成。

圖3 烘焙聯動機構控制系統Fig.3 Baking linkage control system

（2）基于熱油-空氣的熱交換方式如圖4所示。烘焙熱導流場溫度的反饋調控系統主要由導熱油閥、溫度傳感器和溫控器等組成。

圖4 熱導流場溫度的反饋調控系統Fig.4 Feedback control system for temperature of thermal conductivity field

2.2 系統結構設計

系統方案緊密結合雙層烘干機結構特點和現場工藝實際情況，綜合考慮控制系統的可靠性、經濟性和實用性［8］。圖5所示為葵花籽烘干工藝控制系統結構，PLC觸摸屏一體機作為核心管理層與控制層，通過數字量、模擬量來控制執行與數據采集。

PLC一體機通過數字量輸入模塊采集光電限位傳感器信號、熱繼電器輔助觸點通斷信號來判斷設備的執行狀況；數字量輸出模塊執行接觸器開關、氣缸開關等動作來控制設備正常運行；模擬量輸入模塊采集熱風進風口溫度及風門開關量狀態的數據；模擬量輸出控制調節閥、電動執行器的狀態。其中溫度控制器與PLC經串口RS485通訊，通過梯形圖進行PLC編程，采集溫控器的輸入、輸出狀態，溫控器分別與溫度傳感器、調節閥連接［9］。

3 硬件電路設計

系統以PLC為主控制器，分別設計電源電路與控制電路。電源電路部分為離心風機的電機、電動執行器、調節閥、電磁閥和風扇等提供電源，并且充分考慮電路中的過載保護?？刂齐娐吠ㄟ^PLC的輸入輸出端子與各個執行機構相連接，分別進行控制。

根據系統結構，控制系統的輸入為17個輸入量和3個模擬量，輸出為7個數字量和3個模擬量［10］。選用Coolmay的PLC一體機搭配F4C型溫控器作為控制核心。

4 系統軟件設計

4.1 控制系統程序設計

根據控制要求，主程序流程如圖6所示。依據雙層烘干機設備結構及工藝要求，每層葵花籽均經歷2個烘焙過程，程序設定1個烘焙過程為1個循環，每個循環有目標烘焙溫度、烘焙時間、進排風排濕風門開度等5個模擬量作為工藝參數。當箱蓋關閉并且設備無故障后，即可進行程序執行。當滿足烘焙時長后，PLC輸出開關量控制翻板轉動進行卸料［11］。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

4.2 人機交互軟件設計

采用Coolmay自行開發的組態軟件進行觸摸屏程序設計。通過設置變量及參數，組態軟件與PLC相應的I/O接點及存儲單元建立聯系，以此實現2者通訊［12］。設計面向裝備操控人群的參數化人機交互界面，如圖7所示，為烘焙溫控軟件提供工藝參數配置接口，以此實現烘焙工藝的現場轉換與溫控數據的可視化。其中主界面可以控制整體烘焙程序運行，或單獨控制主風機、翻轉機構和卸料系統等，并對工藝狀態、設備狀態實時顯示，實現靈活控制。工藝設定界面可設定最多8個階段的工藝參數，包括3個風門大小、熱風溫度及對應時間等。歷史數據界面批次記錄功能可以記錄當日及各月份的烘焙量，有助于產量控制及產品規劃。將反饋的溫度、風門大小數據每10 s存儲于虛擬寄存器中，方便工藝人員查看歷史工藝，優化配方。

圖7 主界面Fig.7 Main interface

5 樣機與試驗

為驗證控制系統的穩定性、溫度控制的精準性，將設計的雙層葵花籽烘干機控制系統在合作單位進行現場測試，如圖8所示。

圖8 物理樣機Fig.8 Physical prototype

5.1 葵花籽感官品質對比試驗

表1 所示為葵花籽質量品級主觀評價標準。

評價標準包括松脆性、香味和色澤等，由現場工作人員判斷，含水率與爆殼率通過統計得到［13］，另將工藝人員全過程參與時間比例判斷效率。分別對不同口味的葵花籽（包括蜜汁核桃味、山核桃味、五香、原味、奶油味）進行傳統單層烘干機與雙層自動化控制烘干機的分值對比試驗。

5.2 試驗方法及結果

分別對傳統單層烘干機和帶有自動化控制系統的雙層烘干機進行隨機采樣，用密閉的塑料杯封裝，依據表1所述方法進行感官評定，每組試驗由3位工藝人員進行評判，取平均值。由于單層烘干機受主觀操作影響，將上述試驗執行3次，最后取平均值比較［14］。如圖9所示為單層、雙層葵花籽烘干機試驗結果。

表1 品質及效率主觀評價表Tab.1 Subjective evaluation table of quality and efficiency 分

圖9 對比結果圖Fig.9 Comparison diagram

搭建自動化控制系統的雙層烘干機各口味均分為43.74，較單層均分38.26改善明顯。原因是搭建自動化控制系統的烘干機可以精準執行設定工藝，不同批次葵花籽烘焙質量穩定。上烘焙層將葵花籽預熱后經由翻轉機構控制落入下層，較單層烘干機考慮了干燥特性的預熱階段（烘干失水前需要將烘焙作物完全預熱），且翻轉跌落過程也極大優化葵花籽受熱均勻性，改善單層烘干機局部不能完全烘干的缺點。傳統單層烘干機烘焙溫度調節次數較少，而雙層烘干機充分結合干燥特性（預熱階段、恒速干燥階段、降速干燥階段）對烘干工藝進行多時段參數設置（包括溫度、風門大?。?，最大化保證烘焙效率和質量。在整個烘焙過程中，工藝人員不需要過多關注設備，極大節省人力成本。

6 結語

緊密圍繞雙層葵花籽高品質工藝實現這一技術問題，在烘干機結構設計基礎上制定自動化搭建方案，包括自動化烘焙聯動機構控制系統和烘焙熱導流場溫度的反饋調控系統，以實現葵花籽的移動、換熱等目的。在硬件方面，為自動化設備進行選型，設計自動化運行需要的一次、二次電路。在軟件方面，設計PLC控制程序及觸摸屏的人機交互界面，較以往復雜的界面設計更貼近于操控人員的需求。建立主觀評價標準，以此來評判控制系統，驗證設計效果。試驗結果表明，雙層烘干機在品質及效率結合的評價表中，各口味平均得分為45.4分，較沒有搭建控制系統的傳統單層烘干機36.4分優化效果顯著，可完全滿足企業的工藝要求。