1、1热泵干燥装置电控系统设计摘 要我国是农业大国，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
2、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。关键词：蔬菜脱水；热泵干燥；可编程控制器；可编程终端；过程监控2AbstractChina is a b
3、ig agricultural country , the annual giant vegetable production , which requires a large proportion of the drying process , but our vegetable drying process technology is still relatively backward .This subject combines the heat pump drying technology with automatically detection technology and real
4、-time monitoring technology for the drying process of vegetables , focusing on design of the electronic control system of a heat pump dryer for drying vegetables processing with the real-time monitoring.This article focuses on the design of a heat pump drying of electronic control system, which main
5、ly consists of a heat pump dryer , lower machine control systems and PC monitoring system. The heat pump drying equipment consists of compressor , condenser , evaporator, expansion valve , drying fan. Lower position machine control system consists of PLC, PLC analog expansion modules and sensors , t
6、he sensor will collect temperature, humidity , wind speed and other analog signals to PLC analog input module and converted into a digital signal storage . Lower position machine as a field control level , user can write PLC programming software to complete multiple devices multiple batches starting
7、 and stopping , measuring and adjusting the temperature of the drying process , measuring humidity , thermal energy divergence, failure identification, as well as RS485 communication Ditto bit machine, which in accordance with the requirements of heat pump drying system processes. PC monitoring syst
8、em as a management level , using the programmable terminal HMI touch screen, touch screen comes through the preparation of the configuration software, on-site real-time data recording and processing , including setting display operational data , parameters, alarm information display and query functi
9、ons. This design of the electronic control system to achieve the automated processing of dehydrated vegetables , thereby reducing operating costs and improve product quality.Keywords: dehydrated vegetables ; heat pump drying; programmable logic controller; programmable terminal; process monitoring3目
10、录摘 要 .1Abstract .2第一章 绪论 .31.1 课题的研究背景和研究意义 .31.2 热泵干燥的国内外研究现状 .31.2.1 热泵干燥的国外研究现状 .31.2.2 热泵干燥的国内研究现状 .41.3 方案背景技术简介 .41.3.1 可编程控制器（PLC ）的现状与发展 .41.3.2 可编程终端人机（PT）的发展现状 .51.4 本课题的主要研究内容 .61.5 本章小结 .6第二章 热泵干燥装置系统特性及控制要求 .62.1 热泵干燥技术简介 .62.2 热泵干燥装置的工作原理 .72.3 热泵干燥装置的结构形式 .72.4 热泵干燥装置的控制要求 .8第三章 热泵干燥装
11、置电控系统的硬件设计 .83.1 系统概述 .83.2 热泵干燥装置电控系统的方案设计 .93.3 电控系统的下位机硬件设计 .103.3.1 下位机（PLC ） .103.3.2 上位机 .133.3.3 内置模拟量输入输出模块 .143.3.4 传感器的选型 .153.3.5 变频器 .163.3.6 继电器 .173.3.7 电磁阀 .173.3.8 RS485 通讯接口 .173.4 热泵干燥装置电控系统的电路连接 .1843.4.1 下位机与继电器的连接 .183.4.2 模拟量模块与传感器的连接 .193.4.3 上位机与下位机的通讯接口 .20第四章 热泵干燥装置电控系统的软件设
12、计 .204.1 下位机 PLC 程序设计 .214.2 上位机监控系统的设计 .234.3 本章小结 .25第五章 结论与展望 .265.1 主要研究工作及结论 .265.2 本课题的展望 .26参考文献 .27致谢 .29附录 1.305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
13、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
14、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6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
15、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
16、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
17、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7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
18、、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
19、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
20、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。81.4 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
21、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
22、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。92.2 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
23、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。蒸 发 器风 机压 缩 机冷 凝 器膨 胀 阀干 燥 室图 2.1 热泵干燥系统原理图2.3 热泵干燥
24、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，10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
25、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
