1、专 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 I 页 共 II 页扬州市职业大学电气与汽车工程学院毕业设计 (论文)作 者 : 学 号：教 研 室 : 专 业 : 电气自动化 题 目 : 蔬菜脱水的过程控制 指导者： 评阅者： 2016 年 5 月专 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 第 II 页 共 II 页目 录1 绪论 .11.1研究课题的背景及意义 .11.2 蔬菜脱水干燥加工的国情现状 .11.3 蔬菜脱水加工过程控制的研究内容 .12 蔬菜热风脱水干燥的基本概述 .42.1 蔬菜热风脱水的功能需求分析 .42.2 热风干燥装置的工作原理和特点 .42.3 热风脱水干燥装置的部件组成
2、 .53 控制系统的硬件设计 .53.1 硬件的选型 .53.11 电机选型 .53.1.2 风机选型 .63.1.3 温度传感器选型 .73.1.4 PLC 选型 .83.1.5 低压电器件选型 .83.2 PLC 输入、输出地址的分配 .103.3 系统主回路接线图 .113.4 PLC 及模块外部端子接线图 .123.5 控制电路接线图 .134 控制系统的软件设计 .144.1 控制系统要求 .144.2 PLC 程序设计 .144.2.1 建立项目 .144.2.2 程序编写 .174.2.3 程序分析 .184.3 组态界面的设计 .214.4 系统运行仿真 .245 附录 PLC
3、 程序语句表 .28PLC 程序语句表 .28PLC 工作原理图 .30结束语 .31致 谢 .32参考文献 .33专 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 xx 页1 绪论1.1 研究课题的背景及意义蔬菜脱水干燥是随着蔬菜种植的发展的历史而发展起来的,在三千多年前的时候,我国著名的采菜经中已经出现“阴干、曝干”等有关蔬菜脱水干燥的历史书面文献记载。虽然历史上的脱水干燥技术积累了很多宝贵经验,不过显而易见由于缺少全面的、科学的、系统的脱水干燥理解和生产流程控制,蔬菜中的维生素和很多有价值的营养元素,在脱水干燥的过程中没有受到很好的保护,加工反而导致了蔬菜的组织结构破坏
4、、蔬菜的口感改变、包括有效的成分损失等很多的问题。新时代我们需要推陈出新，和总书记倡导科技强国的理念一样，在蔬菜脱水干燥的研究方面我们同样需要领会总书记的创新精神，深入国情，合理创新。蔬菜含有丰富的营养价值，这些维生素是保证人体正常生理机能，促进人体健康不可缺少的重要组成，当然随着人民质量需求的提高，广大人民群众对蔬菜的品质和需求越来越严格。改革开放以来，我国蔬菜产业快速发展，己发展成广大人民群众在农业方面的支柱性产业和为国家创造外汇的重要组成部分。蔬菜总产量地球领先，蔬菜产业成为我国又一项全球排名第一的基础性产业。热风脱水脱水干燥具有不可比拟的优势。深入研究我国蔬菜脱水干燥的历史进程及所存在
5、的不足,清晰准确的把握蔬菜脱水脱水脱水干燥的发展趋势,对未来的食品脱水的研究和进步具有非常重要的推动效果和促进意义。1.2 蔬菜脱水干燥加工的国情现状我国的蔬菜脱水的过程控制的参数控制在过去落后时期一直以人工控制为主，虽然随着科技水平不断变化发展,依然还是测试干湿、物料表露面温度和空气含水率等过程控制参数的控制集成显示,每个分区部分的干燥参数的调整还是依靠人工经验进行人工操作,在干湿度的控制层面基本上以凭借过去的操作经验进行.反观国外，大部分的干燥工艺都是采取通过具体的试验方法去获得,而参数的参考以干燥特征曲线进行对比尺度,一一达到对应，避免变量之间相互影响，每一个的干燥室参数都采取单独控制的
6、方式,去达成控制界面的展示,演示数据的保存和图形菜单的选型控制等,去确实保障干燥机低能耗、高速度的可靠工况下正常运作。1.3 蔬菜脱水加工过程控制的研究内容我们当前需要创新的蔬菜脱水加工的过程控制方向莫过于在系统控制的层面上创新，本论文以胡萝卜为主要试验原料,利用热风脱水干燥技术对其进行脱水加工,以求解决目前普通冻干蔬菜其及制品存在的能耗大,干燥时间长,成本高的问题。针对热风跳水干燥应用研究方面文献资料较少,用于高水分含量物料脱水因为物理特性的巨大差专 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 xx 页异而造成干燥速率提高不明显的问题,论文整体思路采用理论结合试验研究的方
7、法,从创新的机理出发,提出全新的热风蔬菜脱水的方法,为过程研究提供重要参考资料和理论指导。同时针对国内干燥设备,内耗大、产量低、自动化程度低的缺点,结合国外干燥优点,创新的开发出一套相对节能果蔬热风干燥实验科研装置,采取全新的装置效仿带式多层干燥机运行模式。该实验科研装置采用冲孔式铺料板设计多个循环风室,实现物料上下切换送风基于设计开发试验台自动控制系统,完成对实验科研装置分段干燥过程中的温度、湿度、风速和干燥时间的采集、监控的全部需求功能。在完成实验台的层次布置和系统设计控制集中的基础上,采用蔬菜的物料对变参数干燥研究试验,完成部分测试，将干燥过程分为三个阶段,在不同的温度、铺料厚度下对于实
8、验过程中单位能耗除湿量、单位时间去水率等进行测定和评价,寻找最优参数。为大型千燥设各的开发提供理论依据,同时通过实验研究对设计开发的干燥实验台的适用性进行有效验证。专 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 xx 页专 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 xx 页2 蔬菜热风脱水干燥的基本概述2.1 蔬菜热风脱水的功能需求分析无论对于新鲜的蔬菜处理保存,还是蔬菜的加工过程,缩短时间都至关重要的一个环节。热风在高温下在加工区域进行循环。加快脱水效率的时候热风干燥还可以能够很好地保障干燥产品的品质和颜色、外观形态和有效成分等在热风干燥中都能得到妥
9、善的保护。热风与常规的干燥设备一起组成的新型热风干燥装置干燥产品质量上升明显耗电量更为支持环保的特点。在采取了全新设计的精确的热风干燥控制系统已经和过去传统时期的设计发生了本质的变化，全新设计的蔬菜脱水干燥系统由热风干燥装置、数据监控系统以及全新的数据采集系统组成。数据采集系统主要由温度传感器和干湿度检测传感器构成，主体部分的热风干燥系统由热风机加上引风机组成，模拟量输入模块温度由传感器采集到的温度信号传输过去，传感器在本次设计中主要负责采集加热炉的温度，将温度信号传送至PLC，经 ad转换后由将模拟信号换算成相应的数字量；紧接着根据通信协议，需要建立下位机上位机计算机和上位机计算机之间的通信
10、，获取数据的服务器通过通信获得，上位机人机界面上同时可以进行实时显示。监控系统由上位机的监控功能和下位机的自动控制功能组成；上位机计算机拥有管理权限，通过组态软件开发的监控系统作为人机界面实现的实时记录并且处理现场数据，包括数据归档、干燥参数设定、干燥控制、数据实时显示、报警信息查询和显示等功能。下位机是现场控制级的效力，用户编写的程序编程软件实现完成监控系统数据处理、回路控制，控制算法执行的功能，最终目的是要求热风装置可以理解操作人员的设定要求，在这个基础上完成自动开机、控制设备、故障保护检测、关机这些更为复杂的过程。因为热风干燥环境并非是一个孤立的、线性的封闭系统，因此在过去时期常规的控制
11、方法控制的效果总是差强人意。在创新精神的指导下，在编程中重新设计了不依赖被控对象数学模型的复合控制器。以温度偏差和温度偏差变化率作为输入参数，根据温度和干湿度进行推理，判断蔬菜脱水干燥的实施情况，可以做到实时跟踪被控对象的动态特性，完美的实现对热风干燥过程的精确控制。选用胡萝卜为蔬菜脱水干燥物料的典型进行数十次实验，验证热风干燥脱水装置的工作实力。实验结果表明热风干燥装置运行正常，温湿度控制精确、稳定，风速小幅波动，风机频率恒定，热风系统的供热量及时反馈，可以随之及时变化，温度达到设定温度后能达到稳定。选用胡萝卜为千燥物料进行干燥实验，研究了不同温度和不同的风速下的胡萝卜的干燥速率和热风机脱水
12、效率。2.2 热风干燥装置的工作原理和特点热风的干燥装置的工作原理即为通过热风机将通过物料运送电机运送过来的蔬菜进行脱水，同时配合在输送带上方的辐射加热装置进行辅助升温，随后由安装在脱水干燥专 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 xx 页区域部位的温度传感器对温度进行监控，随后将温度向前面的热风机进行反馈，若温度过高将停止出风加热，温度的区间设置在 50度到 70度，引风机负责将热风进行循环，随后再由物料传送带将脱水送出工作区域，蔬菜脱水过程结束。与一般性的常规干燥方法进行对比可以得知,热风干燥兼具有下列特点：热风干燥装置的能量使用较费比高,平时的运行花费低。热风干
13、燥一般为快速干燥,因此不会产生氧化及化学解析等现象,方便保持外观,成色、气息也较好,干燥质量高。我们将干燥介质进行闭路循环,同时脱水干燥生产不受到外部的气候条件的影响,在同一条件下平稳安全的运行,污染环境的问题产生的可能性极低。可见热风干燥一般可靠运行,设备的使用寿命也很长。性价比不言而喻，在市场会受到热捧。2.3 热风脱水干燥装置的部件组成热风脱水干燥装置有物料传送装置，加热引风装置，温度和干湿度监测和调节装置，和物料输出装置构成。如图所示专 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 xx 页3 控制系统的硬件设计3.1 硬件的选型3.11 电机选型电机为整个设备的运行
14、提供动力，属于设备的动力单元。本次设计中像进料传送带、干燥室中的传送带、出料传送带的运行都是靠电机来实现的，普通的三相异步电动机的转速都在 5001400r/min,根据实际的设备运行要求，设备中带动传送带运行的轴一般控制在 60r/min,这样我们在选型的时候就需要选择带有减速机的一体式三相异步电动机，减速机不仅可以降低传动轴的转速，同时可以根据减速比例提升转矩，保证给传送带提供足够的动力。本次设计选用符合实际参数要求的 Slpu 品牌的 2.2中型减速电机，根据该型号电机的参数表，本次设计选用减速比为 25 型号的电机，这样完全满足设计要求，的如图 3.1 和图 3.2 所示，图 3.1
15、Slpu 品牌中型减速电机示意图图 3.2 减速比参数表3.1.2 风机选型本次设计工艺中烘干环节是整个系统的核心部分，其中风机在蔬菜烘干过程中起专 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 xx 页到了至关重要的作用，风机将热风吹到放有蔬菜的传送带上，同时引风机将风抽出，加快了烘干室的热量交换使蔬菜在高温下快速烘干，因此就要求风机不仅具有耐高温的性能，同时要能够提供足够满足工艺要求的风量。综合以上要求本次设计采用由亚士霸公司生产制造的 HG-3000S 型号的风机如图 3.3 所示，该型号风机的进风温度范围在-40 180之间，完全满足高温设计要求，同时该型号风机的转速
16、高达 2980 r/min，出风量可达到 350m/h,完全满足设计指标要求。该型号风机的参数信息如下图所示；图 3.3 HG-3000S型号的风机示意图图 3.4 HG-3000S型号的风机参数信息图 3.5 HG-3000S型号的风机技术参数3.1.3 温度传感器选型温度传感器在本次设计中主要负责采集加热炉的温度，将温度信号传送至PLC，PLC 通过温度变送器传送的信号来控制加热器的启停使温度保持在满足所设计的工艺要求范围内。因此温度控制也是烘干环节的一个重要指标，因此我们必须需用满足设计要求的温度传感器。一般温度在 300600时可选用镍铬康铜热电偶（ E） 。但康铜合金丝容易氧专 科
17、毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 xx 页化变质，所以在测量温度在 500至 1000时，选用镍铬一镍硅热电偶（K ）更合适，测量温度高于 1000但低于 1300时，宜选用铂铑铂热电偶（S） 。S 型热电偶的突出优点是：所有热电偶系列中，S 型热电偶准确度最高，性能最稳定而且耐用，温度测量区间大。缺点是：灵敏度低，高温下机械性能下降，选用贵金属使得其造价较高。S 型热电偶长期最高使用 温 度 为 1300， 短 期 最 高 使 用 温 度 为 1600。因为加热炉温度为 20100，所用型号的热电偶传感器都可以采集到，但采集范围越大相对性的精度就越低，因此我们选用精
18、度较高的镍铬康铜热电偶（E） 。3.1.4 PLC 选型PLC 的功能非常的强大，它的编程非常的简单，它的指令都是面向用户的，用户只要通过使用简单的开关量的编程指令就完全可以完美的实现由繁琐的继电器电路构成的控制系统的逻辑功能。它的编程软件中带有接口驱动，使 PLC 与编程软件和 PLC与上位机通信变得非常简单。编程软件中使用的是由继电器电路演变而来的梯形图，非常直观，清晰，易懂。即使没有编程经验的电气工作人员也能在很短的时间内掌握，这样就为更多的电气工作人员打开了方便之门。无论什么类型的电气自动化控制设备首要的性能就是稳定性，稳定性达不到要求其他的功能都无法得到保障，所以高稳定性是衡量一台自
19、动化控制设备的性能的标准。PLC 内部电路是通过大规模的集成电路技术手段和精湛的制造工艺以及最流行的抗干扰技术的构成的，在可靠性方面有着很高的性能，能适应各种复杂的生产过程，在噪音、烟雾、灰尘、低温、潮湿的环境中能实现无故障稳定运行。如日本三菱公司 FX2N系列 PLC 的无故障运行的平均时间超过 40 万小时，在冗余 CPU 的 PLC 设备中可以做到持续的无故障工作。在 PLC 的外围电路上，由于 PLC 具有逻辑运算能力，它具有与计算机一样的逻辑功能，利用它的逻辑运算功能可以解决传统继电器控制装置中逻辑接线的麻烦，使我们的思路更加的清晰，接线更加的简单，给后期的设备维护、维修带来个极大地方便，此外，当 PLC 在运行的过程中出现故障时根据它内部的自动检测故障的功能会向外发出报警，提示运行故障，还可以根据显示的错误代码判断是那部分的故障。这样，就保证了整个设备系统的极高可靠性。因为该设计需要 20 个输入和 15 个输出，综合功能和成本等因数，选用的具有 32点输入和 32 点输出的 FX2N-48MR 型号的 PLC 如图 3.6 所示;图 3.6 FX2N-48MR PLC示意图
