钢带式果蔬干燥设备温度控制系统设计及优化*

宋开栋，丁立利，李晓康，段宗科，杨增万，寇明杰，张得俭

(甘肃省机械科学研究院甘肃省农业装备工程技术研究中心，甘肃 兰州 730030)

0 引言

干燥是果蔬干制品生产的关键工序，是一个复杂的传热、传质过程，它的理论基础是时间-温度曲线。实际干燥过程的时间-温度控制是实现干燥工艺和干燥设备有效结合的主要环节。该设备的自动控制系统主要包括:温度控制系统、物料输送系统、风量自动调节系统。三个系统相互配合，相互影响，共同运行实现温度-时间控制。温度控制模块的主要功能是完成生产线15个闭环干燥箱的温度-时间控制，实现生产线分段、分区时间-温度控制，使生产过程实际干燥曲线自动拟合该物料的理论干燥特性曲线(见图1)，有效保证产品质量的同时，实现节能。

1 技术背景

在多级输送带式干燥设备加工产品的过程中，直接影响产品质量和能源消耗状况的因素有以下三点，温度、湿度和物料输送速度。三者相互影响，很难单独调整。目前我国现有设备调整这三个参数时，基本上都是手工单独调整。调整某一个参数时，其余参数将随之变化，使其无法达到最佳组合，降低了产品质量，浪费了宝贵的能源。

果蔬干燥的过程由于受到环境因素的影响，实际上是一个动态的过程，需要不断地调整参数，为加工产品创造一个良好的环境。仅凭手工操作显然无法达到加工需求。

图1 干燥特性曲线

目前国外先进设备上都安装有数控节能装置，用以协调加工时的各个参数之间的平衡。该装置能够在线实时控制温度、湿度和带速，保证良好的工作环境。尤其是在节能方面效果显著，能够节能10% ～15%。目前我国的干燥设备上尚无此应用，解决这个问题，将极大地提高我国干燥设备的水平。

2 工作原理

温度控制阀安装于换热器的进汽端，换热器-风机系统为干燥箱内部加热，温度传感器装于干燥箱壁，温度控制器作为温控系统的核心采集温度数据，然后处理数据，然后给温度控制阀发送指令，使换热管路通蒸汽或者停蒸汽，以达到温度控制的目的。该温度控制系统为闭环系统，时时在线采集温度数据，自动控温。

2．1 运用常开式电磁阀控制的工作原理

控制电压220 V，温度传感器PT100接温度控制器的5、6、7号点采集各干燥箱温度数据，温度控制器的11、12号点作为信号输出，接中间继电器及电磁阀。整个系统形成一个闭环，当温度高于温度控制器的设定上限值时，电磁阀关闭，阻断通入换热器的蒸汽，停止热量补充，温度会持续下降;当温度低于温度控制器的设定下限值时，电磁阀打开，蒸汽继续通入换热器，补充热量，温度会持续上升。控制原理如图2、图3所示。

图2 电磁阀控制系统原理图

图3 电磁阀结构原理图

2．2 运用温度调节阀控制的工作原理

运用温度调节阀进行PID温度调节，PID控制器是一种线性控制器，它将给定值与实际输出值偏差e(t)的比例、积分和微分进行线性组合，形成控制量u(t)输出，如图4所示。

图4 PID控制方框图

先把过程参数进行采样，并通过模拟量输入通道将模拟量变成数字量，这些数字量通过计算机按一定控制算法进行运算处理，运算结果经D/A转换成模拟量后，由模拟量输出通道输出，并通过执行机构去控制生产，以此达到给定值，控制原理见图5。

图5 温度调节阀控制系统原理图

为了防止PID调节器积分饱和，采用积分分离法:当被调量与设定值偏差较大时，取消积分作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大;当被控量接近给定值时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度。

温度控制系统是一个惯性较大的系统，也就是说，当给温区开始加热之后，并不能立即观察到温区温度的明显上升;同样的，当关闭加热之后，温区的温度仍然有一定程度的上升。另外，热电偶对温度的检测，与实际的温度检测值(PV)到达设定值时才关断输出，可能因温度的滞后效应而长时间超出设定值，需要较长时间才能回到设定值;如果在温度检测值(PV)未到设定值时即关断输出，则可能因关断较早而导致温度以达到设定值。为了合理地处理处理系统响应速度(即加热速度)与系统稳定性之间的矛盾，我们把温度控制分为两个阶段。

(1)PID调节前阶段 在这个阶段，因为温区的温度距离设定值还很远，为了加快加热速度，SSR与发热管处于满负荷输出状态，只有当温度上升速度超过控制参数“加速速率”，SSR才关闭输出。“加速速率”描述的是温度在单位时间的跨度，反映的是温度升降的快慢，如上图所示。用“加速速率”限制温升过快，是为了降低温度进入PID调节区的惯性，避免首次到达温度设定值(SV)时超调过大。

在这个阶段，要么占空比K=0，SSR关闭;要么占空比K=100%，SSR全速输出。PID调节器不起作用，仅由“加速速率”控制温升快慢。

(2)PID调节阶段 在这个阶段，PID调节器调节输出，根据偏差值计算占空比(0% ～100%)，保证偏差(EV)趋近于零，即使系统受到外部干扰时，也能使系统回到平衡状态。图6、7为实际使用的硬件。

图6 温度PID控制器

图7 温度调节阀

3 实验数据

3．1 运用常开式电磁阀控制干燥生产线温度的实验

实验得到的温度结果如图8、9、10所示，图中给出了进行红椒干燥实验时，2#、6#、13#干燥箱在1h内的温度变化数据。数据波动较大，2#干燥箱的设定温度为135℃，实际温度高于设定值15℃，且整个过程不能降下来;6#干燥箱的设定温度为90℃，由图可知，温度上升较慢，温度升高后，下降也很缓慢，上下限温差为50℃;13#干燥箱的设定温度为65℃，温度的上下限差为30℃。

图8 电磁阀系统时间-温度曲线-2#

3．2 运用温度调节阀控制干燥生产线温度的实验

实验得到的温度结果如图11、12、13所示，图中给出了进行红椒干燥实验时，2#、6#、13#干燥箱在2h内的温度变化数据。数据基本稳定，2#干燥箱的设定温度为130℃，温度上下限差值为4℃;6#干燥箱的设定温度为90℃，由图可知，温度在2 h内基本稳定，温度波动上下线差值为2℃;13#干燥箱的设定温度为70℃，温度的上下限差为6℃。

图9 电磁阀系统时间-温度曲线-6#

图10 电磁阀系统时间-温度曲线-13#

图11 温度调节阀系统时间-温度曲线-2#

图12 温度调节阀系统时间-温度曲线-6#

图13 温度调节阀系统时间-温度曲线-13#

4 结论

温度控制系统是一个惯性较大的系统，温度调节阀的PID调节使实际干燥过程更准确地拟合理论干燥曲线，该系统更适合做钢带式干燥机的温度控制;而电磁阀温控系统中，电磁阀只有“全开”或者“全关”两种状态，此系统不适合做钢带式干燥机的温度控制。理论分析和实验数据充分证明了以上两点。采用PID温度调节，系统得到了明显的优化。

［1］ 杨 智．自整定PID调节器设计方法［J］．甘肃工业大学学报，1998，24(1):77-82．

［2］ 韩曾晋．自适应控制［M］．北京:清华大学出版社，1995．

［3］ 史勇春，柴本银．中国干燥技术现状及发展趋势［J］．干燥技术与设备，2006(4):65-68．

［4］ 张 静，袁惠新．几种食品干燥新技术的进展与应用［J］．包装与 食品机械，2003，21(1):29．