热风干燥脱水蔬菜控制系统的设计 (2).docx

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1、图书分类号：密 级：毕业论文热风干燥脱水蔬菜控制系统的设计DESIGN OF CONTROL SYSTEM FOR HOT AIR DRYING AND DEHYDRATING VEGETABLES学生姓名桑惟睿学 号 20170503251班 级17电气2指导教师王仁丽专业名称电气工程及其自动化学院名称电气与控制工程学院2021年5月26日 徐州工程学院毕业论文徐州工程学院毕业论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的毕业论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的

2、个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日徐州工程学院毕业论文版权协议书本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用毕业论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的毕业论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布毕业论文的全部或部分内容，可以将本毕业论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期：

3、年 月 日摘要蔬菜的脱水保存时间长，运输方便，卫生状态好，维生素等营养素的损失少。目前我国在食品行业方面，蔬菜脱水的地位极其重要。蔬菜脱水可以利用多种技术来实现，其中热风干燥最为普遍的一种技术。它的优点在于所得到的蔬菜的数量多，同时相较于其余方法成本较低，生产速度也很快。本文研究的热风干燥系统的热风源是由锅炉加热的蒸汽，通过翅片热交换器和植物脱水用感应风机传送到烤箱。本论文的主要内容如下：蔬菜脱水车间的为了实现自动化控制蔬菜脱水的流程，利用西门子的PLC进行运作，以方便实行电气自动化。感应风扇的速度由频率转换器控制，高温蒸汽的流动由电控制阀控制。为了满足蔬菜脱水过程的管理要求，决定了选取符合实

4、际的方法，采购专业电气元件设备，设计电气系统的线路图。在蔬菜进行脱水的过程中，温度管理非常重要。本文设计了PID控制法来控制热风温度。编译PLC程序，使用WinCC软件设计人机接口，实时显示蔬菜脱水装置的温度和湿度值，监视生产操作，根据各种蔬菜设定适当的温度和湿度值的品种。结果表明，所设计系统符合整个工艺流程的需求，可以在一定程度上降低能耗。关键词： PLC； 可编程控制器； PID； 热风脱水蔬菜AbstractThe dehydrated storage time of vegetables is long, the transportation is convenient, the sa

5、nitary condition is good, and the loss of vitamins and other nutrients is less. Vegetable dehydration accounts for a large proportion in the market. Hot air drying is a processing method with high yield, low economic cost and high production efficiency in vegetable dehydration production. The hot ai

6、r source of the hot air drying system studied in this paper is the steam heated by the boiler, which is transmitted to the oven through the fin heat exchanger and the induction fan for plant dehydration.The main contents of this paper are as follows: the control system of vegetable dehydration works

7、hop is constructed by Siemens PLC, which realizes the automatic control of vegetable dehydration workshop equipment. The speed of induction fan is controlled by frequency converter, and the flow of high temperature steam is controlled by electric control valve. In order to meet the management requir

8、ements of vegetable dehydration process, the appropriate management scheme was determined, the relevant hardware equipment was selected, and the wiring diagram of system hardware was designed. When vegetables are dried by hot air, temperature management is very important. In this paper, PID control

9、method is designed to control the temperature of hot air. Compile PLC program, use WinCC software to design man-machine interface, real-time display the temperature and humidity value of vegetable dehydration device, monitor the production operation, and set appropriate varieties of temperature and

10、humidity value according to various vegetables.The results show that the temperature control of the control system fully meets the requirements of the production process, improves the degree of automation and saves energy consumption.Keywords plc programmable controller pid hot air dehydrated vegeta

11、bles23徐州工程学院毕业论文目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 国内外研究现状11.3 本文主要工作22 热风干燥控制系统32.1 热风干燥脱水蔬菜的工艺原理32.2 控制系统的概述32.3 控制系统的工作原理43 热风干燥控制系统硬件设计73.1 控制系统方案的设计73.1.1 温度和湿度读数设计83.1.2 引风机的速度控制设计83.1.3 温度控制设计93.1.4 监控软件设计93.2 控制系统电气原理图设计93.2.1 主电路93.2.2 PLC接线图113.2.3 除湿风机控制电路图184 热风干燥控制系统成本核算与可持续发展194.1

12、控制系统硬件选型与成本核算194.1.1 温度传感器204.1.2 湿度传感器204.1.3 变频器214.1.4 电动调节阀224.2 控制系统设计与可持续发展关系235 热风干燥控制系统控制策略与软件设计255.1 PID控制控制器设计与分析255.2 PLC控制程序设计275.2.1 程序结构275.2.2 程序设计275.2.3 温度子程序设计305.2.4 引风机控制子程序设计315.3 上位机监控界面开发设计32结论35致谢37参考文献381 绪论1.1 课题研究背景及意义中国自古以来就是农业大国，目前在整个农业生产领域中果蔬的生产占有很多的市场分额，保证了可持续发展的要求。蔬菜由

13、于各地区气候条件不一，生产的种类各不相同，地域性和季节性特征相对较强。新鲜蔬菜水分多，量多，比较容易坏，运输和保管过程中会产生严重的废弃物。据统计，从田地到餐桌的蔬菜年损失达到几百万公斤。但是由于蔬菜生产加工技术的发展，目前缓解了在运输途中造成浪费的问题，可以长期保存，蔬菜的经济优势也会进一步提高1,2。人工加工后的脱水蔬菜可以在短时间内去除新鲜蔬菜的水分，维持蔬菜原本的外征，内在的维生素等组分不会流失的同时可以保证具有新鲜蔬菜的口感。经过脱水处理的蔬菜通过合适的储存条件下具有很长的储藏寿命。干燥蔬菜的颜色、味道、营养、外观基本不变，便于保管和运输，因此广泛用于便利食品，深受食品制造商和消费者

14、的喜爱。近年来，国内外脱水蔬菜的市场需求逐年增加。我国得益于生产技术的快速发展在世界上占据庞大的市场，目前占据全球市场的70%，并且增速明显。虽然我国相关产业高速发展，但是不可避免的也存在着很多短板。首先，大部分的公司的整个生产流水线过度依赖能源企业，资金投入过高，质检不稳定，得到的加工品良莠不齐，不能满足越来越高的市场要求。因此，在目前的食品加工的市场要求下，各大企业既要提高生产数目，又必须提高生产品的质量。基于这种市场要求，急需开发一种低能耗，符合绿色生态环境要求，具备完整自动化的技术，以方便解决目前存在经济效益和生态环境上存在的短板。而PLC技术便符合此要求。特别是西门子PLC的完全集成

15、自动化的概念、分散型机器的集中管理，以及这个概念的脱水生产的适用。蔬菜通过脱水工艺装置更好地控制脱水过程，改善脱水蔬菜的品质，提高单位产量，从而符合发展的要求3-5。1.2 国内外研究现状目前进行蔬菜脱水的机器呈现多元化的趋势，各种设备良莠不齐，目前，蔬菜脱水常用的方法有热风干燥、真空冻结干燥、微波干燥、远红外线干燥，单一或者综合脱水法。其中最常用的利用温度较高的风进行干燥的办法一般在真空或者微波条件下进行，这两种办法各自有独特的特点。在微波环境下进行脱水的技术是将材料中水分的微波吸收特性使水分子振动发热，将蔬菜的水分转换成蒸汽实现脱水。微波干燥消耗相对较低的能量，证明适合低含水率。但是，微波

16、干燥适合因为本身特点，不适合在大型脱水处理中使用。在真空条件下的技术则是利用水的三相性，让其从冰转化成水汽，以此来达到脱水目的。本产品的优点是高质量、低氧化度、保持生物活性以及低营养素的损失。不利的是复杂的技术、高价格、定期维护、运营成本的增加以及高能量消耗。热风干燥的研究现状：热风干燥是一种设备价格低、处理能力高的传统干燥方法，因此，热风干燥是蔬菜脱水的主要技术之一。目前该法主要的技术难题在于提高能效和自动化上。它的能源从木材向煤炭和天然气进化，根据环境条件，脱水蔬菜加工企业主要使用天然气作为主要能源7-9。1.3 本文主要工作本设计着重对于热风干燥设备的参数、具体设备构成以及管理方案的应用

17、进行研究。重点内容如下。（1）对于目前市场上现存的干燥技术进行分析，研究整个工艺流程。主要着重点放在了温度的控制技术之上。在经过分析各种参数后进行了整个设计方案的确定和改进。（2）根据方案的特性，提出PLC的电子元件的方案。根据具体情况分析选择模拟、TS和HS的确定，控制器模型的选择，以及干燥脱水流程的电子控制系统图的确定。（3）由于各种生产物进行干燥的温度不同，因此本次设计利用PID控制器来进行温度的把控。（4）整个设计利用西门子编程开发的PLC进行实时监控在上部电脑监视系统中使用WinCC软件进行人机界面的设计。2 热风干燥控制系统2.1 热风干燥脱水蔬菜的工艺原理蔬菜在干燥之前，应选择适

18、当的成熟度（通常为8成熟），新鲜而不腐败的原材料。一般来说，我国居民日常饮食结构中的主要蔬菜都符合进行脱水的条件。在干燥之前，蔬菜要先去腐烂、起皱、生病的部分。除了所有种类的甜瓜种子和肉之外，其他种类的蔬菜都可以用干净的水洗。必须清除脱水蔬菜表面的污垢和淤泥，保持盘子的清洁，提高外观和产品质量。然后将原材料切入条状、丝绸或片状，以满足食品要求，扩大表面积，促进干燥。第二，在高速离心机中通过低速转速去除掉材料上附着的水，借此提升后续流程的效率。在这个过程中，机器的转动速度不要太快。否则，干燥蔬菜的边缘和角就不明显了，形状就不漂亮了，而且会去除新鲜蔬菜的营养素。一般来说，离心分离机的旋转速度是50

19、0-700r/分钟。上述预处理后，蔬菜可以干燥10-14。热风干燥脱水蔬菜的原理是利用高温产生的水蒸气，利用烧水设备将特太水转化成气态，随后使用专门设备将其收集起来，通过引风机的连接，使得水蒸气中的热能呗输送到外界气流之中（85）。随后将加热过的空气通到进行干燥的设备中，利用高温的干风带走蔬菜中的水分。蔬菜的水分从毛细管的开口部向外扩散，完成整个操作。这种方法是依托于最原始的自然晒干进行的工业化的改进。使得整个流程的效率提高十几倍。同时因为整个流程并不算发杂，因此设备投入小，可同时操作的可行性高，有效的提高产量。是我国目前为止采用最广泛的一种干燥方式。2.2 控制系统的概述整个技术的控制方式如

20、下图2-1所示。使用单个锅炉进行水的加热后将高温水蒸气输送到二十台脱水设备中。单个干燥机一般可以容纳一两百公斤的原材料，单个系统经过一次干燥流程后，最高多可以同时进行五吨的材料的脱水处理图2-1控制系统结构图20个蔬菜脱水机配置成2个部分，每部分有10个。锅炉加热产生的高温蒸汽，通过管道向各蔬菜脱水机提供热源，冷凝水通过管道返回锅炉。蔬菜干燥机的结构示意图如2-2所示。通过这是由翅片式热交换器、蒸汽阀门、引风机、不锈钢烤箱、湿气收集罩和排湿风机构成的。详细安装结构图显示在虚线框的部分。图2-2热风干燥脱水机的结构图整个系统主要的工作方式具体如下：经过锅炉加热的水汽进入到在翅片换热器中进行热能的

21、交换，利用完的废水则继续流回锅炉之中。引风机和换热器相靠近，通过不锈钢底部的空气管将加热后的热风送至烤箱。将网状物的隔板放入烤箱，将干燥的蔬菜和不锈钢制烤箱放入空气。用集水罩收集的水分，通过被诱导的水分通道流到整个系统之外。从外界吸入冷空的的体积和速度由转换器决定，需要根据原材料实时干燥的过程需要进行调整，确保不影响脱水蔬菜的品质，节约能源。蒸汽阀是由电控阀控制的，电感风扇的风速和蒸汽的量一起决定热气出口的温度。未变更的脱水机的引风机以一定的速度运行，空气量通过手动调整减震器的尺寸来控制。蒸汽阀是手动控制的，蒸汽流向换热器是通过手动旋转阀来控制的。干燥机的不锈钢烤箱是开放式的。2.3 控制系统

22、的工作原理整个控制系统的框图如2-3所示。在脱水和干燥的过程中，控制系统将预处理好的蔬菜放在隔板上，盖上集水罩，按开始按钮打开除湿风扇，频率转换器控制引风机，电动调节蒸汽阀的开启。通过引风机的时候，被吸入的气流吸收热量增高温度方便后续进行干燥。整个系统刚开始运转时，因为原材料在最开始赋水率较高，因此采用最大风力进行干燥，通过TS检测烘干装置内的温度，利用PLC使其维持在85左右。图2-3热风干燥脱水机的控制系统框图随着干燥时间的增加，应当及时控制电气控制阀的开放、通过换热器的水气的体积和干燥气流的温度。温度的选定依托于原生产材料的变化。当进行干燥时，蔬菜的水分会减少，重量会减轻。引风机的风速不

23、能使用最大风速。首先是目前用不到太高的风速，为了降低经济成本，另外整个工艺需要维持原生产材料的完整和原始性，过快的气流会使得质量降低的材料撞击在设备表面导致变形，得不到完整的加工产品。所以说，在脱水过程中，引风机的风速要调整。在上述操作过程中负面的因素是因为调节风速所以导致了干燥热气流的温度不能稳定。为了解决这个问题，应该实时进行电控阀的关断，或者是及时打开电控阀，让干燥热气流的温度稳定下来。随后在气流的影响下，材料在封闭空间内会顺着气流会堆积在一处，因此在整个流程之中应当使用搅拌器使得材料分开，充分受热进行干燥，使蔬菜受热均匀，有利脱水。通过对TS的利用检测整个干燥设备中的温度，符合标准后就

24、关闭整个进风转换的系统。在效率方面，单个锅炉可以提供所有脱水器所需要能量的五分之一。在整个烘干过程中，并不是所有烘干装置都始终保持工作状态，其过程并不是完全一致的。一部分的干燥设备完成工作以后，会关闭所有的进气阀门。未进入的蒸汽便会回到锅炉中导致温度升高。针对这种情况，应该根据气压控制阀的气体量来控制燃料的多少，使锅炉的温度达到适当的范围。3 热风干燥控制系统硬件设计3.1 控制系统方案的设计本次设计利用西门子公司的可编程逻辑控制器进行设计，借此完成整个操作流程。具体型号是 S7-1500。整个系统之中所需要用的数据源主要是所有干燥设备的温度和烤箱内的湿度。PLC所作用的对象是引风机、电动控制

25、阀和除湿风机，操控他们工作的状态。环境参数则通过传感器进行检测。引风机的速度和电控阀的开放由PLC控制。整个系统的控制设计构造如下图3-1。图3-1 脱水蔬菜控制系统结构图整个设计之中所需要的硬件数量如下：二十一个TS，二十个HS，二十个电动调节阀，单个气动调节阀，二十个引风机和二十个排湿风扇。感应风机通过频率转换器来控制，电阀的反馈信号会发送给PLC。为了及时监测到各种状态的变化，接收到各种提示，数字信号系统将采用到六十一点数字输入信号和八十点数字输出信号，六十二个模拟输入信号和四十一个模拟输出信号，引风机需要变频器进行控制，电动阀门的反馈信号需要送入PLC。本文介绍的热风干燥系统结构较复杂

26、，为了提高生产管理效率，采用PROFFINET I/O系统，构成了具有管理和网络监视功能的，分布式 I/O 的网络结构，提高了产品的单位产量，能够更有效的进行管理生产。（1）PROFFINET I/O系统的部件主要是CPU 1516-3PN/PD与数字化模拟输入模块。它在整个系统中控制十台干燥机和各种电信号、TS和HS等来源于这些设备的信号、同时可以操作引风机、电控阀、除湿风机等。供热装置的温度和控制装置的正常运行也可以通过此系统进行操作。（2）PROFFINET I/O系统的I/O设备是通过ET200MP和数字及模拟输出模块组成，集中操作余下的十台干燥机。主要是收集整个系统中的信息从而对相关

27、设备进行操作等。（3）整个计算机局域网将建立PLC CPU和上层电脑ET200MP间的信息传递。后者主要对全部的干燥过程进行监测，动态显示实时温度和湿度，在系统出现故障时可以及时提醒脱水装置的工作状况的现场监控等。（4）操作室设有控制盘和上电脑。操作人员可以根据蔬菜的种类设定不同的脱水温度，通过上面的电脑发送给PLC，根据需要将所有的脱水和干燥蔬菜机器烘干，随后进行正常的脱水操作。考虑到整个工艺流程存在着一定的复杂性，因此整个系统利用自动化和手动化的模式双模式共同操作的方式。在自行控制下，上位机是主要操控，将各种参数通过电路信号发送给各个部件，控制各元件的正常工作。在后者操控模式下，需要人为的

28、根据不同的状态进行各种设备的调整，上位机不发挥作用，仅仅负责所有参数变化的监测。3.1.1 温度和湿度读数设计在整个工艺流程之中，是否能得到品质高的产品是多方面的因素决定的，其中对于温度的把控是主要的过程，它决定了原料的干燥效率和质量。温度传感器和湿度传感器的作用是：温度由温度传感器收集。各烤箱下方配置了温度传感器，用于监测内部温度，为控制系统和显示系统提供数据。HS是将蔬菜用热风加热脱水后，为了收集机器内的湿度，将其配置在水汽收集装置的内部。TS和HS将不同电流值的电信号传输给PLC系统，随后经过A/D转化和对信号的分析后传递给CPU。信号分成两个传输路径，分别到PLC和操作界面上，使操作员

29、能够在一定时间内理解蔬菜的脱水工作15-17。3.1.2 引风机的速度控制设计引风机通过VFD对整个热气流速度进行操作，进一步影响整个系统中的温度参量。根据蔬菜脱水的进程，需要调节引风机的转速，热气流的具体温度取决于两个设备因素：阀门的开合大小和引风机的风速和热水气的体积。所有通过烘干装置的气流均是由电感风扇进行操作的。风速对于最终生产品品质有一定量的影响，第一是气流会对温度产生作用，使其不稳定，第二是当原料的水分质量变轻后，就没有必要保持高风速了。所以说，利用VFD的设计对于成本控制，提高经济效益和节能减排有重要意义。在整个干燥过程中，首先HS测定内部的水分含量，通过信号的转化将数据传递给P

30、LC。PLC由本身提前预定完成的相应值，随后将参数发送给VFC达到操纵信号的目的，反馈在引风机上变更它的速度参数。当湿度传感器检测到湿度下降30%RH时，其速度将变更为原本的五分之四，下降70%时，则速度更改为原本的一半。维持该速度，直到湿度降为15%RH，原材料的干燥过程便完成 18。3.1.3 温度控制设计依据蔬菜脱水处理的标准，气流温度和湿度应该在不同阶段进行不同设定。如表3-1所示。一阶段二阶段三阶段热风温度()857565湿度(RH)70300表3-1 蔬菜脱水标准一般来说，干燥机器的气流温度由蒸汽量和感应样机风速影响，难以控制。感应样机风扇的速度发生变化时，需要将调整阀打开，控制电

31、气控制阀的阀打开，调整蒸汽量，用以保持好气流的温度。为保证锅炉内温度在合理的范围内，通过POD对电气控制阀的操作便可以改变速度。温度控制随着干燥的进程进行动态调整，不仅可以提高质量，也符合绿色发展观的理念 19。3.1.4 监控软件设计 利用西门子的WinCC进行整个流程的监测，并且可以显示当前状态下的各种参量。并选择了高级计算机软件，以满足各种蔬菜干燥过程的要求，在线更改温度和湿度设置被选择。这个设计可以帮助操作者对于现场情况进行了解，从而提升质量 20,21。3.2 控制系统电气原理图设计本设计采用西门子S7-1500传感器。所需要的参量主要是气流温度和烘干装置的湿度。温度由温度传感器收集

32、，湿度由湿度传感器收集。感应风机的速度和电控阀的开放由PLC控制。系统的电气控制概略图包括引风机的主控制电路、排气风机的主控制电路和控制电路、PLC布线图。依托于PROFFINET I/O的方式，进行四方面的操作：PLC、ET200MP和两个VFD。在这四个方面之中，PLC控制盘和频率转换器继电器控制盘构成PLC控制组；ET200MP控制盘、频率转换器和继电器控制盘共同组建了控制组，依次对各组烘干机进行操作。不同组的连线方式相同。本次设计只研究PLC控制小组的主电路和控制电路的配线22-25。3.2.1 主电路主要控制电路由双部件所共同控制。通过VFD操控引风机与电压AC对风机进行控制。变频器

33、分为两组，第一组10台变频器分别控制10台引风机，第二组也同第一组一致。在整个控制电路上配置了在端子启动模式下的变频器。依据电压的改变值将电信号转变成数字信号，得以对引风机的各项参数进行更改，从而控制进入烤箱的干燥的热风的温度。热风温度自动调节的完成取决于电动阀门的开度。这个参数在控制策略上，采用PID控制。如图3-2所示。图3-2 引风机控制主回路第2部分操作着整个系统中的除湿设备。如图3-3所示，借助于开关来控制除湿设备的动作和停止。图3-3 排湿风机控制主回路3.2.2 PLC接线图可编程逻辑控制器的PLC线路中由四个部分共同操作：数据量和模拟量的输入和输出板块。如图3-4所示。（a）A

34、1是DI模块。作用是收集开始按钮、停止按钮、警报重置按钮等各种按钮的信号。各开关、按钮的详细说明见第17页。（b）A2和A4是AI模块，主要收集各种传感器和控制器的返回信号，在主机中显示参数。各传感器的详细说明见17页。（c）A2和A4是AI模块，主要收集各种传感器和控制器的返回信号，在主机中显示参数。各传感器的详细说明见17页。（d）A6为数字输出模块，主要用于除湿风机、逆变器控制点、温度报警显示器的控制。各继电器和指示灯的详细说明见17页。（e）A8为模拟输出模块，各变频器的功能见18页。图3-4 PLC接线图A1是数字输入模块，主要接收开始按钮、停止按钮、警报重置按钮等各种按钮的信号。S

35、A0为自动/手动转关开关；SB1为1#脱水蔬菜机启动按钮，SB2为2#脱水蔬菜机启动按钮，SB3为3#脱水蔬菜机启动按钮，SB4为4#脱水蔬菜机启动按钮，SB5为5#脱水蔬菜机启动按钮，SB6为6#脱水蔬菜机启动按钮，SB7为7#脱水蔬菜机启动按钮，SB8为8#脱水蔬菜机启动按钮，SB9为9#脱水蔬菜机启动按钮，SB10为10#脱水蔬菜机启动按钮；SB11为1#脱水蔬菜机的停止按钮，SB12为2#脱水蔬菜机的停止按钮，SB13为3#脱水蔬菜机的停止按钮，SB14为4#脱水蔬菜机的停止按钮，SB15为5#脱水蔬菜机的停止按钮，SB16为6#脱水蔬菜机的停止按钮，SB17为7#脱水蔬菜机的停止按钮，SB18为8#脱水蔬菜机的停止按钮，SB19为9#脱水蔬菜机的停止按钮，SB20为10#脱水蔬菜机的停止按钮；SB21为1#温度报警复位按钮，SB22为2#温度报警复位按钮，SB23为3#温度报警复位按钮，SB24为4#温度报警复位按钮，SB25为5#温度报警复位按钮，SB26为6#温度报警复位按钮，SB27为7#温度报警复位按钮，SB28为8#温度报警复位按钮，SB29为9#温度报警复位按钮，SB30为10#温度报警复位按钮。