常见智能谷物干燥机控制技术与发展趋势探析

陈武东,苏东鹤,刘 睿,李喜陆,姜 岩,何树国,马文军

(黑龙江省农业机械工程科学研究院佳木斯分院,黑龙江 佳木斯 154004)

0 引言

谷物干燥主要是指利用热能将谷物中的水分或者其他溶剂去除的过程,最终收获固体成品的技术[1]。谷物干燥可以防止谷物在储藏过程中由于水分过多发生霉烂或者变质等问题,并且,有利于谷物运输和进一步加工作业等。谷物干燥是农业生产中的重要工序之一,是实现粮食生产和农业全程机械化发展的重要技术措施之一[2-3]。

谷物干燥是谷物适时收获的重要保障,谷物成熟后,在地里停留时间越长,产量越低,而且容易出现倒伏,尤其是玉米,提高谷物干燥能力可以实现粮食适时收获,减少农业损失[4-5]。提前进行谷物收获,还可以合理安排人力、物力,以及提高土地利用率。以南方水稻收获为例,水稻在南方是一年两熟,收获早稻之后要立即播种晚稻。但是收获早稻时期常逢阴雨,因此,需要集中大部分劳动力去抢收早稻,否则会影响后续晚稻的种植与产量[6]。因此,如果有可靠的谷物干燥机,可以适时早收,既保证后续田间管理,又不影响晚稻的种植与产量。

随着谷物干燥机的逐渐发展,目前大量研究围绕水分在线测量、PLC控制、太阳能谷物干燥和智能烘干机开展研究。因此,对目前常见的智能控制技术进行研究,研究结果对于保证谷物烘干技术高效、节能、优质等方面发展提供技术参考与借鉴。

1 智能谷物干燥机控制系统

谷物干燥机智能控制系统对于控制粮食干燥过程至关重要,电子技术、微型计算机、智能控制系统、专家系统和模糊逻辑控制系统已经广泛应用于谷物干燥机的控制技术中。

1.1 智能谷物干燥机控制系统目标

1)在喂入谷物干燥机的谷物水分和温度及干燥技术参数变化的情况下,保证谷物干燥品质。

2)避免过度干燥和欠干燥,谷物水分过高,没有达到要求的水分含量,谷物后期会发生霉烂变质;干燥过度会增加耗能,降低谷物品质,减少种子发芽率。

3)以最低的干燥成本达到最高的谷物干燥处理量,在干燥过程中避免火灾和环境污染。

1.2 智能谷物干燥控制变量

谷物干燥过程变量分为控制变量、扰动变量和输出变量。具体指标如表1所示,控制示意图如图1所示。在谷物干燥过程中,输出变量主要是指出机谷物含水率,对出机谷物含水率的控制方法主要分为直接控制和间接控制。间接控制是指通过检测和控制干燥机的排气温度控制谷物含水率,但是控制精度低,控制性能较差。直接控制是指采用谷物水分传感器对出机谷物含水率进行在线测量和控制,但传感器成本较高。

表1 谷物干燥控制变量和具体指标

图1 谷物干燥过程变量示意图

2 谷物干燥机控制方法

智能控制技术与人工控制相比,具有保证谷物干燥机高效运行的应用优势。当谷物干燥机受到外界环境干扰时,被控制变量会出现误差值,通过智能控制方法可以避免人工的介入[7]。目前,常见的智能控制方法分为前馈控制系统、专家控制技术、智能控制系统。

2.1 前馈控制技术

前馈控制技术是通过测量扰动变量,根据扰动变量的变化直接调节控制变量作出相应的补偿,而不是等到输出变量变化出现误差后再进行调解。前馈控制原理如图2所示。前馈控制系统可以提高控制系统的稳定性,其缺点是对各项过程变量变化较为敏感,需要建立过程模型。

2.2 智能控制技术

图2 谷物干燥及前馈控制系统工作原理

智能控制技术是基于人工智能控制技术和神经网络技术实现谷物干燥智能控制,目前常用的神经网络为BP神经网络技术,具有任意非线性的表达能力,即使前期不清楚各项变量之间的变化关系,也可以通过大量数据建立相应的控制模型,其基本原理如图3所示。

图3 智能控制技术工作原理(BP神经网络PID控制技术)

3 谷物智能干燥信息技术应用前景

我国谷物干燥机发展时间较长,成熟机型较多,但是目前谷物干燥机自动化和智能化技术含量较低,耗能较高,未来谷物干燥机应向智能化和节能减排方向发展[8]。目前,果蔬干燥产业发展较快,热物理和光物理技术方法逐渐被应用到谷物干燥领域中,未来应进一步加强微波干燥、真空干燥、真空冷冻干燥和远红外干燥等新技术的发展。

3.1 远红外干燥技术

红外线干燥技术分为近、中和远红外线干燥,基本原理是利用红外发生器,对干燥物料辐射横向红外线,保证物料内部的粒子、分子和电子等吸收电磁能量,促进物料内部粒子的快速运动与振荡、碰撞,粒子自身热度提升。远红外线是利用远红外辐射元件发出红外线被物料吸收转化为热能进而实现谷物干燥的目的,是目前应用最为广泛的红外线干燥技术之一,具有较强的穿透性,其本质是对物料内部直接加热,可以减少温度梯度对水分外移的阻碍作用,提高干燥速率。

3.2 太阳能干燥技术

太阳能属于新能源之一,是一种取之不尽,用之不竭的清洁能源。太阳能干燥技术主要向两个方向发展,一是在太阳照射下直接干燥,谷物吸收热量促进水分蒸发;二是间接干燥,采用集热器将太阳能转化为热能,加热空气送入干燥机,不会出现由于干燥温度过高破坏谷物品质,而且不污染生态环境。

3.3 微波干燥技术

微波干燥技术是利用被干燥物料内部水分对微波的吸收特性,水分吸收微波能转化为水分加热蒸发所需的热能,属于一种穿透性强的电磁波,具有高频、波长短和频率高等特点，微波干燥与常规干燥机理对比如图4所示。微波干燥的主要特点为:干燥速度快、加热均匀、节能高效、防霉杀菌、安全无害和谷物干燥品质高等应有优势。

3.4 其他先进干燥技术

图4 微波干燥与常规干燥机理对比示意图

目前,相关先进谷物干燥技术围绕“节能减排”的主题,充分开发了太阳能和热泵干燥技术,将废弃或者低值热量转化为高热能循环利用,达到节本增效的目的。目前常见的先进技术和耗能如表2所示。

表2 典型先进谷物干燥技术与耗能对比 单位:kW·h·(tH2O)-1

4 结论

如何提高谷物烘干水平是保证我国农业可持续发展的主要问题。本研究对目前常见的智能控制技术进行研究,系统阐述了谷物烘干机常见控制方法,并提出未来谷物干燥技术的发展与应用。研究结果以期为谷物干燥技术发展提供理论参考与技术支撑,对于保证我国农业可持续发展及国家粮食安全具有重要意义。