热泵干燥装置电控系统设计

热泵干燥装置电控系统设计

我国是农业大国，每年果蔬的产量巨大，其中需要进行干燥加工的比重很大，但目前我国对蔬菜干燥加工的技术还是比较落后，本课题将热泵干燥技术、自动检测技术、实时监控技术应用于蔬菜的干燥加工过程当中，重点开发设计了一个热泵干燥装置的电控系统，对蔬菜的干燥加工过程进行实时监控。

本文重点设计了一个热泵干燥的电控系统，该系统主要由热泵干燥装置、下位机控制系统和上位机监控系统组成。热泵干燥装置由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、干燥风机等组成。下位机控制系统由PLC、PLC模拟量扩展模块和传感器组成，传感器将采集到的温度、湿度、风速等模拟量信号传输到PLC模拟量输入模块，并转换成数字信号储存。下位机PLC作为现场控制级，利用PLC编程软件编写用户程序完成依据热泵干燥系统工艺要求多台设备多批次启动和停止、干燥过程温度的测量与调整、湿度的测量、过热能量的发散、故障的识别与处理，还有同上位机的RS485通讯。上位机监控系统作为管理级，采用可编程终端人机触摸屏，通过编写触摸屏自带的组态软件，实现对现场数据的实时记录和处理，包括运行数据的显示、参数的设定、报警信息的显示和查询等功能。本文设计的电控系统实现了蔬菜脱水加工的自动化，从而降低操作成本，提高产品品质。

第一章绪论

1.1课题的研究背景和研究意义

我国是农业大国，农副产品加工质量直接影响着农业生产部门的效益和人们的生活质量。许多农副产品在储藏、运输、加工成食品之前，都必须进行干燥，因此干燥技术是农林产品加工生产过程中的重要环节[1]。

热泵技术是近年来在全世界倍受关注的新能源技术。它是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，将能量转移，提供可被人们

所用的高品位热能的装置[2,3]。以热泵为热源干燥系统称为热泵干燥，热泵干燥能回收排放废气中的部分显热和潜热，和传统的热风对流干燥相比，热泵干燥有节约能源、产品质量高、不受天气条件的影响及环境友好、无废气排放等优点，有非常广阔的应用前景[4,5]。

热泵干燥的控制问题是热泵干燥发展过程中面临的重要课题，开发设计适用于热泵干燥环境的先进控制系统，加快先进控制技术在蔬菜干燥加工过程中的应用，从而替代传统干燥加工中的人工手动控制，这对推动自动化控制在蔬菜干燥加工的发展有着非常重要的作用，因此该课题具有重要的现实意义和科学价值。

1.2热泵干燥的国内外研究现状

1.2.1热泵干燥的国外研究现状

国外对于热泵干燥技术的研究早于我国，1943年Sulzer公司已经在德国建成的地下室除湿装置中采用了热泵技术。1950年美国取得热泵干燥的专利权。1970年～1977年间法国安装了近千台热泵木材干燥装置，到1980年大约有3 000家木材干燥厂采用热泵干燥技术。20世纪60年代日本开始研究热泵干燥技术，到1987年已有各种热泵干燥装置3 000套左右，现有12%的干燥装置采用热泵干燥技术[6]。

国外干燥技术理论研究也一直领先于我国，美国日本以及西欧等国已形成热泵系列产品，近几年研究内容主要有：(1)对热泵干燥制冷剂工质的研究；(2)对热泵干燥机组的研究；(3)对采用太阳能作为辅助热源的研究；(4)对新型化学热泵和吸收式热泵技术的研究；（5）对热泵干燥过程的能耗作了分析。这些研究为热泵系统提高能量利用率和减少能耗损失提供了思路和设计依据[7]。

1.2.2热泵干燥的国内研究现状

国内热泵干燥技术起步较晚，从上世纪80年代起对热泵干燥技术进行了研究，最先开始应用在木材加工中，上海市能源研究所从1985年开始研制热泵式木材干燥装置[8]。近年来国内许多科研单位和学者也对其他物料的热泵干燥性能进行了大量较为详细的研究。天津大学马一太教授利用热泵干燥技术对种子进行

干燥[9]，实验表明热泵干燥是一种很好的种子干燥方法，能够提高干燥温度，缩短干燥时间，保持种子的干燥品质。中国农业大学的张绪坤设计了一套热泵干燥装置，实验表明在闭式热泵干燥循环过程中，空气旁通率(BAR)对热泵的运行状况影响较大，在开式半开式热泵干燥循环中，系统的单位能耗干燥量较高[10,11]。张慜研究了热泵干燥蔬菜的过程，对热泵干燥工艺提出了优化建议：在干燥后期，应调整风速；余热回收中废气和冷凝水的最佳循环量应该确定。南京农业大学等单位进行了茶叶、水稻、果蔬等的热泵干燥中期的实验研究并取得一定的成果[12-14]。在热泵干燥控制方式的研究中，张振涛等人研究对其采用模糊控制方法，并取得了较好效果，张宇凯研究了干燥室温度湿度风量全程监控系统，并采用PID 与模糊控制结合的方法，增强了对不确定性因素的适应性。

1.3方案背景技术简介

1.3.1可编程控制器（PLC）的现状与发展

目前，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，PLC已由最初一位机发展到现在的以16位和32位微处理器构成的微机化PC，而且实现了多处理器的多通道处理。如今，PLC技术已非常成熟，不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱[15]。

经过30多年的发展，PLC已十分成熟与完善，在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，应用大致可以归纳为:用于顺序控制、用于过程控制、用于运动控制、用于远程控制、用于信息控制[16]。

现在，世界上有200多家PLC生产厂家，400多品种的PLC产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派PLC产品都各具特色。其中，美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司。欧洲PLC产品主要制造商有德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司。日本有许多PLC制

造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士等，韩国的三星（SAMSUNG）、LG等，这些生产厂家的产品占有80%以上的PLC市场份额。

1.3.2可编程终端人机（PT）的发展现状

可编程终端是可编程控制器PLC的配套产品，是一种把触摸屏、显示屏、工业通讯接口等结合成一体的可编程产品。很多PLC厂家都提供与自家PLC配套的可编程终端，欧姆龙公司提供的NP系列的可编程终端[17]，具有多种特色、功能强大，便于快速有效的创建各种直观的操作画面，方便工程人员的对界面的修改和维护。

可编程终端总会伴随着人机界面组态软件的运用，现场工业自动化涉及实时数据通讯（无论是双向还是单向）、实时动态图形界面显示、必要的数据处理、历史数据存储及显示等需求，工业的组态软件都能高效的胜任。欧姆龙的可编程终端提供了功能强大的用户界面组态编程软件NP-Designer，操作简单，功能强大。触摸式可编程终端是现代信息系统广泛应用的一种人机界面，在工业自动化领域中应用非常普遍。

1.4本课题的主要研究内容

（1）热泵干燥装置电控系统设计。根据工业设备现场状况，计有：压缩机1台、干燥风机4台、室外风机1台、上送风机2台、干燥输送带电机2台、布料器电机1台、进料电机1台，设计其PLC控制系统结构图。

（2）系统电气设计图的绘制。依据热泵干燥装置的控制要求，选型相应的电器元件，完成整个系统的电气设计，并依照电气设计图进行配电接线和PLC接线。（3）系统软件设计。根据热泵干燥装置的工作性能要求，设计上位机可编程终端的人机界面和下位机PLC的过程控制程序，这里利用欧姆龙可编程终端NP5配套的NP-Designer开发上位机人机界面。

1.5本章小结

本章在介绍课题背景和研究意义的前提下，重点介绍了热泵干燥技术的国内外研究现状，可编程程控制器PLC发展现状、可编程终端及工业组态等方案背景技术，最后对本课题主要研究内容进行了阐述。

第二章热泵干燥装置系统特性及控制要求2.1热泵干燥技术简介

热泵是以消耗少量高质能或高温热能为代价，以收集空气中低质热能的能量利用装置，以冷凝器放出热量来供热的系统。热泵干燥是一种温和的、接近自然的干燥，适合于大部分农产品、药材等热敏性物料。因此，在干燥技术领域中，应用热泵可有效利用能源、保护环境、减少温室效应和防止臭氧层破坏。

热泵干燥技术因为具有高效节能、成本较低、不污染环境、能对干燥介质的温度、湿度、气流速度进行准确独立控制，并且干燥质量也好，因而已广泛应用于木材干燥、种子干燥、食品加工、陶瓷烘焙、纺织行业等领域。

2.2热泵干燥装置的工作原理

热泵从低温热源吸取热量，使低品位热能转化为高品位热能，可以从自然环境或余热资源吸热从而获得比输入能更多的输出热能，热泵干燥系统由两个子系统组成：热泵系统和干燥装置。

热泵系统由蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀等组成[18]。系统工作时，热泵压缩机做功并利用蒸发器回收低品位热能，在冷凝器中则使之升高为高品位热能热泵工质在蒸发器内吸收干燥室排出的热空气中的部分余热，蒸发变成蒸气，经压缩机压缩后，进入冷凝器中冷凝，并将热量传给空气。由冷凝器出来的热空气再进入干燥室，对湿物料进行干燥。出干燥室的湿空气再经蒸发器将部分显热和潜热传给工质，达到回收余热的目的;同时，湿空气的温度降至露点析出冷凝水，达到除湿的目的。干燥装置主要有干燥室与风机组成。

热泵干燥系统原理如图2.1所示。

图2.1 热泵干燥系统原理图

2.3热泵干燥装置的结构形式

热泵干燥装置有三种基本结构形式：开式、半开式和封闭式[19]。

1）开式热泵干燥装置

开式热泵干燥装置，特点是出干燥室的排气全部排入环境。该型式热泵干燥装置具有结构简单、操控方便等优点，但进入干燥室的干燥介质温度受环境温度的影响大，干燥废气排入环境对环境有污染，且当物料的卫生要求较高时，环境空气进口处的预处理负荷较大。

2）半开式热泵干燥装置

半开式热泵干燥装置，特点是干燥室出口的排气，一部分被排放到环境，另一部分被旁通流向蒸发器。该型式热泵干燥装置适用于需不同干燥温度的物料，且通过调节旁通率，使进入干燥室的空气温度调控方便，可与物料在不同干燥阶段的温度与热量需要形成较好的匹配。但半开式热泵干燥装置的结构较复杂，调控管理的难度较大，且仍有部分废气排入环境。

3）封闭式热泵干燥装置

封闭式热泵干燥装置，干燥空气在封闭的风道中循环流动，不向环境排出废气，也不从环境中吸入空气，没有新空气的预处理负荷，也没有对环境的废气污染。由于其封闭性，对于含有挥发性成分或易氧化成分的干燥物料，可以釆用该装置进行干燥，且有利于对干燥物料中易挥发性成分的回收。

综上所述，本课题采用封闭式热泵干燥装置，重点设计封闭式热泵干燥装置电控系统。

2.4热泵干燥装置的控制要求

根据工业设备现场状况，计有：压缩机1台、干燥风机4台、室外风机1台、上送风机2台、干燥输送带电机2台、布料器电机1台、进料电机1台，设计其PLC控制系统原理图、选型相应的电器元件、完成控制程序的编写，以满足生产的要求。

程序设计应完成依据热泵干燥系统工艺要求多台设备多批次启动、干燥过程温度的测量与调整、湿度的测量、过热能量的发散、故障的识别与处理、运行数据的外部显示与设定、设备的多批次停止。

第三章热泵干燥装置电控系统的硬件设计3.1系统概述

根据热泵干燥系统工艺要求，热泵干燥装置的电控系统要实现多台设备多批次启动和停止，干燥过程温度的测量与调整、湿度的测量、过热能量的发散、故障的识别与处理、运行数据的外部显示与设定等功能。本系统利用工业组态软件开发出对多台多批次监控界面，可对温度、湿度进行自动检测、显示、归档、调控和报警，当温度或湿度超过设定的上、下限值时，可自动产生报警信息，并对温度或湿度进行调控，直至报警解除。通过系统的监控主界面上的操作控件，可以方便查看干燥过程中的干燥介质温度实时曲线、湿度实时曲线、干燥曲线、风速曲线及报警信息等。下位机以PLC为核心，构成只能仪表测控系统，主要控制对象是现场的各种测量机构和执行设备。每台设备的PLC跟上位机通过RS485总线进行实时通讯，实现一台上位机对多台设备多批次的操作。

3.2热泵干燥装置电控系统的方案设计

本电控系统分成两级控制，由上位机和下位机两部分组成[20]。下位机作为现

场控制级，以可编程控制器PLC为核心，构成只能仪表测控系统，主要控制对象是现场的各种测量机构和执行设备，如各种传感器、电磁阀、干燥风机等。上位机为监控管理级，主要是一台欧姆龙NP5-MQ001B触摸式可编程终端，控制对象是现场的下位机可编程控制器PLC，主要任务是采集下位机的实时测量数据，并把这些实时数据存入实时数据库中，通过监控界面可以调整下位机的工作状态，根据干燥工艺设定参数，并在线传送至下位机，控制干燥过程的进行。

如图3.1所示，上位机与下位机之间的连接通过RS485总线进行通讯，这种接线方式为总线式拓朴结构，在同一总线上最多可以挂接32个结点，排除一台上位机后，最多能连接31台设备。

图3.1 多台设备电控系统连接图

如图3.2所示，这是一台热泵干燥装置电控系统的总体结构图。