红枣热风干燥机械湿度自控系统的设计与实现

2015年2月农机化研究第2期

红枣热风干燥机械湿度自控系统的设计与实现

1

刘新英，胡

灿

1，2

，王建平1，弋晓康1

843300；2．新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工

（1．塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔程重点实验室，新疆阿拉尔摘

843300）

要：在目前的红枣热风干燥设备应用中，湿度控制得好坏对红枣的品质观感均产生了较大的影响。为此，

设计研发了一种红枣干燥机械湿度自动控制系统。系统采用SIEMENSPLC－200软件平台，通过控制加湿装置产生高压水雾对红枣干燥中期进行定时加湿，使红枣干燥过程中保持高温高湿的干燥环境。通过对系统的调试运行测试，检验了该系统稳定性与可靠性。在干燥室温度变化不大的情况下，湿度值稳定在51．6%左右，且能实现干燥过程中的湿度自动调节。关键词：红枣；热风干燥；湿度控制中图分类号：S24；S375

文献标识码：A

文章编号：1003－188X（2015）02－0107－05

DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.02.026

0引言

目前，热风干燥方法是红枣干燥中应用最广泛的

单因素实验研究，验证了红枣干燥时结合水排除时的几个周期时间以及与风温、风速的影响关系

［3－4］

。中

国农业机械化科学研究院研制出了具有湿度可调节的果蔬热风干燥机械，证明了湿度调节对干燥效果的影响

［5］

技术。通过热风持续地在红枣表层流通，能使红枣快速干燥，达到存储、运输的目的。然而，在实际的烘房热风干燥加工时，红枣的堆放通常是直接多层堆置，使红枣在干燥时处于厚层干燥模式。与实验中的薄层干燥相比，厚层干燥表层红枣与深层红枣的受热面积不同，造成表层红枣通常远低于红枣干果的含水率标准，而深层红枣的含水率过高，严重影响了干燥效果。同时，实验表明：红枣干燥过程中保持高温高湿干燥环境最有利于红枣的干果品质和观感。在干燥前9h，红枣表层的结合水最先排出，使红枣表层快速收缩，产生了大量的水分，能使干燥室保持一定的湿度；而在红枣热风干燥至第9h以后，红枣内部的结合水却因为表层过于干燥无法快速排出，导致红枣干燥室内部湿度过低，造成红枣表面含水率与里层含水率差值过大，影响了红枣干果产品的整体品质与观感

［1－2］

。但目前的热风干燥机械湿度调节控制设计

中仅考虑排湿的问题，在干燥室内部设置排湿口；而在红枣干燥过程中，需要在干燥的中期进行加湿控制，保证红枣的干燥均匀度。针对目前红枣烘房干燥加工厚层干燥模式的问题，研发设计了一套红枣干燥机械。为了解决红枣干燥中期的湿度调节问题，设计研发了一种红枣干燥机湿度自动控制装置，与现有的热风型红枣干燥机配套使用，使之能有效地调节红枣干燥过程中的温度与湿度。

1整体设计思路

图1所示为热风式红枣干燥机械整体示意图。

红枣干燥机工作时，风机启动后产生风力通过加热器热风经干燥机械底部热风下通道进入红枣产生热风，

干燥室本体，对干燥室内红枣进行干燥后从通风孔流出形成热风循环。热风循环能快速带走红枣水分，但在实际干燥过程中，红枣由于糖分较高，在红枣表层含水量急剧降低时，红枣内部的水分却无法快速烘干，导致红枣干燥的效果降低，影响红枣的外观和品质；而在适当的干燥时间段内控制干燥室湿度对红枣的外观和品质有显著的影响。针对红枣干燥过程中的湿度变化机理，设计一种恒温水雾状式红枣干燥机湿度自动控制装置，可以在现有的热风式红枣干燥机上配套使用，在红枣干燥的过程中根据干燥时加湿的需要进行红枣表层湿度的自动调节，保证红枣干果的

。因此，研发一种红枣热风干燥过程中的湿度

控制装置，将有助于提高红枣加工的品质与观感，优化红枣的干燥效果。

YiX．K．、WuW．在红枣的热风干燥技术研究上，

F．、ZhangY．等对红枣薄层干燥进行了风温与风速的

收稿日期：2014－03－09

基金项目：国家自然科学基金项目（31260288）；塔里木大学校长基金

项目（TDZKSS01409）

（E－mail）liao-女，山东荷泽人，讲师，作者简介：刘新英（1980－），

jiean@126．com。

（E－mail）yx-男，陕西华县人，副教授，通讯作者：弋晓康（1976－），

kcn@163．com。

·107·

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干燥质量，达到较高的品质。同时，该装置能实现湿度自动控制，使用方便，可节省人工，满足大规模的红枣干燥机连续使用。图1中，设计了水箱本体，通过对水箱内部水压与水温的控制，水箱出水管在热风入口处经高压喷头形成水雾，水雾在热风的作用下进入红枣干燥室内部，作用在红枣的表层；同时，根据干燥室内部湿度传感器的数据对高压喷头进行通、断的控制，达到湿度调节的目的

。

入干燥室的新风量或干燥室每小时的换气次数×干燥m3/h；d2为被加湿干燥室内，室体积，达到所要求的相对湿度时的绝对湿度，南疆空气湿度一般为55%，查空气的焓湿图得出d2=0．0126kg/kg；d1为干燥室外空气kg/kg，根据焓湿图查询；n为保险系数，与的绝对湿度，

干燥室大小、人员多少有关，一般取n=1．3。2．2

加湿装置的设计

根据现有的热风式红枣干燥机的特点，在干燥机旁设计一个增压水箱。水箱底部水通道连接增压水泵，水箱的出口水管上设置快速切断阀与流量调节阀，分别对水管的通断和水流量的大小进行控制，水管的末端设置多组高压喷头；高压喷头安装在干燥室热风进口门孔处，门孔与水管之间用密封法兰连接，以保证热风的密封性。水箱中设计有加热器和水温传感器PT100，以进行水温调节。同时，水箱上端安装水位接近开关，与进水管切断阀一起可对水箱水位进行控制；水箱顶部安装有水压仪表与安全泄压阀，可以保证密闭容器的安全性。红枣干燥室内设置湿度传感器，可以将干燥室湿度值反馈至PLC的模拟量输入AI模块，以实现自动控制。装置具体示意图如图2所示

。

1．水箱水位计显示2．水箱本体3．本地操作控制面板及温湿度仪表显示

4．温湿度控制柜5．水箱出水管6．红枣干燥室湿度传感器

7．红枣物料入口8．红枣干燥室本体9．通风孔10．热风入口通道及加热器11．干燥室尾部观察孔

12．红枣出料口13．热风下通道图1

热风式红枣干燥机械整体示意图

2

2．1

湿度自动控制装置的设计

红枣干燥过程中加湿量的计算

红枣热风干燥过程中所需的加湿量是一个动态

变化的过程。红枣干燥前期，由于红枣表层水分的蒸发，湿度能保持在一个稳定的范围内；在红枣干燥的中期，由于红枣表层水分蒸发完成，而深层水分不易蒸发，导致干燥室内部湿度较低，加剧了红枣表层的收缩，不利于红枣干燥完成后的外观与品质；在红枣干燥的后期，由于表层与深层水分蒸发已经较为平均，干燥室内部应保持32%左右的湿度值，有利于干燥的完成。因此，对红枣干燥过程中的加湿主要在中期进行。根据红枣干燥过程中的温度、设备发热量、人员活动、通风情况以及室内温度和湿度，可计算干燥过程中所需的加湿量M，即

M=P·Vn·（d1－d2）·n

（1）

2．3

1．水箱加热器2．电缆线管3．温湿度控制柜4．水泵电机5．水箱出水管切断阀6．出水管7．水管流量调节阀8．高压水雾喷头9．水箱压力表10．水箱入口水管11．水箱本体12．水箱排污口图2

恒温水雾状式红枣干燥机湿度自动控制装置

自动控制电路的设计

根据红枣干燥过程中湿度控制的要求，设计湿度

控制系统的框图如图3所示。给定干燥室湿度后，经PLC内部程序中进行比较启动加湿装置的运行，同时干燥室内部湿度传感器将实际湿度值变送至PLC内

P为干空气的密度，P=1．19kg/m3；Vn为进其中，

·108·

2015年2月农机化研究第2期部进行反馈比较，从而构成一个闭环的PID湿度调节控制

。通过中间继电器控制KM2的通和断。图5所示为PLC－200的系统原理图。其主要由数字量模块DI/

DO和模拟量模块AI/AO组成：数字量模块主要控制电气主回路中开关量的通和断；模拟量模块主要作为水箱水温和干燥室温湿度的检测，同时通过PLC程序进行比较判断后，给定电气主回路的控制信号

。

图3湿度控制系统框图

根据红枣干燥室内湿度控制的要求，加湿装置主要是在干燥中期进行干燥室内部的湿度调节。按照加湿装置的结构，设计主电路如图4所示

动控制系统选用SIEMENSPLC－200［6］。湿度自CPU224为控制核心，增压水泵电机功率为1kW，水箱水温电加热器为1kW，切断阀采用电磁式的球阀。增压水泵的起、停，水温调节器的起、停，进水管、出水管的开、关控制，水雾量的大小控制及水箱的安全泄压阀控制，均由PLC程序处理完成。由图4可知，增压水泵电机采用软启动器进行起停控制，起、停控制信号均为PLC输出信号给定；水温加热器主回路由三相交流接

PLC输出加热器起、触器KM2控制，停信号至中间继

电器，图4红枣干燥机械湿度控制主电路图

图5红枣干燥机湿度自动控制PLC原理图

3湿度自动控制软件设计

系统软件主要是实现干燥室内部湿度的自动调croWIN软件。STEP7－MicroWIN主要是针对小型PLC系统的一种可逻辑编程软件。湿度自动调节的软件流程图如图6所示。其中，加湿器的水温、湿度

值、加湿时间均可以预先进行设定，通过干燥室内部节，编程软件采用SIEMENS公司提供的STEP7－Mi-

·109·

2015年2月农机化研究第2期

湿度传感器的检测值与湿度设定值进行比较，判断决定加湿器的启动情况；加湿后，通过湿度传感器与给定值循环比较，达到PID调节的目的。加湿时，加湿程序设定热风干燥时间，当干燥进行至第9h启动加湿程序，实现湿度在10min内自动调节；加湿程序运行10min后自动停止加湿，等待第10h重新启动加湿程序。如此，在红枣干燥的中期（第9－14h），每小时启动1次加湿程序，保证干燥室内部的湿度稳定

。

定值可在30℃～60℃之间多段选择）进行比较。当水温值低于设定值时，输出水箱加热器信号，水箱进行PLC系统自动加热；当水箱加热温度达到设定值时，

切断加热器电源。水箱的水位由水位计开关控制，水位计选用常闭开关。当水箱水位低于水位计水位时，PLC程序向进水切断阀电磁继电器水位计开关断开，

发出指令，切断阀打开，实现水箱水位的自动控制。同样，水箱的水压传感器信号输入至PLC模拟量输入模块，工作时PLC程序将水压值与水压安全设定值进行比较。当水压值大于安全值时，向安全泄压阀继电器输出信号，打开安全泄压阀对水箱自动泄压。3．3

温度、湿度的显示及设备的本地控制

操作箱面板上均设置有数字显示的温度、湿度值的显示，方便观察装置的运行情况。同时，为保证湿度自动控制装置的应急操作和检修方便，水泵的控制、水雾大小的控制、水箱加热器的控制均设置有本地操作按钮，可以通过转换开关进行本地、自动控制的转换。

4

4．1

红枣干燥机湿度调节的调试与运行

调试实验方案

1）实验前，先利用STEP7－MicroWIN4．0自带的

仿真器进行系统仿真调试，确保系统软件的可执行性；仿真调试成功后，再连接硬件，按照干燥室内温度、湿度分别进行单体试车运行；单体试车成功后，再进行整个干燥系统的运行调试。

图6

湿度自动调节程序流程图

2）实验前，将整个红枣干燥机系统投入运用，启动风机和加热器使加热通道和干燥室内部形成热风循环，进行干燥室内部预热1h；同时，水箱注入20kg纯净水，启动恒温水雾状式湿度自动控制装置，使装PLC内部置水箱内部水温保持恒定值。预热完成后，湿度调节时钟启动，等待湿度调节时间启动湿度调节程序。

3）实验前，准备南疆的新鲜骏枣20kg，待干燥室预热完成后，放入新鲜骏枣。实验时，观察红枣的干燥变化，待干燥至9h时PLC加湿程序自动启动。

4）实验加湿时，利用称量法根据水箱水量的损失量计算加湿量，调试过程中记录干燥室温度和水箱水温变化；同时，记录湿度调节时干燥室的温度值和湿度值，以验证系统的温湿度调节效果4．2

系统的调试运行结果与分析

记通过对红枣干燥机械整个系统的调试与运行，录了红枣干燥实验完成1周期的湿度调节控制情况如表1如示。

［7］

3．1干燥室湿度的控制

PLC红枣干燥开始时，将PLC控制系统开机上电，

根据红枣干燥周期设定干燥加湿的时间段启动内部PLC内时间计时器；当红枣干燥至需要加湿时间段，部时间计时器输出，启动湿度调节系统，程序自动将干燥室内湿度传感器湿度值与湿度设定值相比较。如果湿度值低于设定值，则先输出一个运行信号至增压水泵软启动器，使增加水泵运行增压，同时打开出水管快速切断阀，输出一个水雾流量值至调节阀，这时高压喷头可喷出水雾到热风口，热风将水雾带入干PLC系燥室，调节干燥室湿度；当湿度达到设定值时，统将切断阀关闭，同时切断水泵运行信号。3．2

水箱水温、进水、水压的控制

水箱水温能保持30～60℃可进行多段选择的恒温控制，以防止冬季水温太低对水雾造成影响。工作时，水温传感器PT100将水箱温度输入至PLC模拟量PLC程序将水温值与水温设定值（水温设输入模块，

。

·110·

2015年2月

表1

加湿前干燥室温度

/℃61．062．061．062．560．561．5

农机化研究

红枣干燥机械自动加湿装置的调试运行结果

加湿前干燥室湿度

/%32．131．730．932．030．830．5

加湿后干燥室湿度

/%50．752．451．852．151．950．8

第2期

名称

加湿后干燥室温度

/℃58．057．058．058．556．057．0

10min加湿量

/kg1．851．921．881．901．911．88

第9h第10h第11h第12h第13h第14h

表1中，每小时执行1次10min的加湿程序中，加湿量稳定，平均每次的加湿量为1．89kg。与加湿前对比，加湿后的红枣干燥室内部的湿度能快速调节，空气湿度稳定在51．6%左右，达到红枣干燥中期的湿度要求。同时，加湿对干燥室内部的风温有一定的影响：与加湿前风温对比，加湿后干燥室内部风温下降4℃左右。

降低作用，但风温的变化属于正常范围。参考文献：

［1］鲁洁，孙剑锋，王颉，等．热风干燥对阜平红枣品质的影响

J］．食品工业科技，2013，34（1）：97－及数学模型的构建［101．

［2］刘坤，J］．包蓉，等．红枣薄层干燥数学模型研究［鲁周民，

2011，32（15）：80－83．食品科学，

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J］．农机化研究，2012，34（10）：148－151．试验研究［

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［7］韩小腾，吕恩利，等．保鲜运输用高压雾化加湿系陆华忠，

J］．农业工程学报，2011，27（7）：统湿度调节特性的试验［332－337．

5结论

通过对红枣干燥机械自动加湿装置的设计与调

试运行，验证了红枣干燥过程中温湿度自动控制的合理性。

1）该装置设计合理，结构简单紧凑，经调试运行验证，程序运行良好，能实现红枣干燥过程中的湿度自动调节。

2）加湿时，加湿量稳定可靠，平均每次的加湿量为1．89kg；与加湿前对比，加湿后的红枣干燥室内部的湿度能快速调节，空气湿度稳定在51．6%左右，达到红枣干燥中期的湿度要求。

3）加湿时，湿度调节对干燥室内部风温有一定的

DesignandＲealizationofJujubeHotAirDryingMachinery

HumidityAutomaticControlSystem

2

LiuXinying1，HuCan1，，WangJianping1，YiXiaokang1

（1．CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，TarimUniversity，Alar843300，China；2．TheKeyLaboratoryofColleges＆UniversitiesundertheDepartmentofEducationofXinjiangUygurAutonomousＲegion，Alar843300，China）Abstract：Inthecurrentapplicationwhichishotairdryingequipmentofreddates，humiditycontrolhasgreatinfluenceonthequalityofreddates．Pointatthehumidityregulationproblemofreddatesinthedryingprocess，anautomaticcon-trolsystemofreddatesdryingmachineryhumiditywasdesigned．ThesystemusessoftwareplatformofSIEMENSPLC－200，timinghumidifyhasbeenmakeinthedryingmediumbycontrollingthehumidifyingdevicetoproducethehighpres-surewatermistforkeepingdryenvironmentofhightemperatureandhighhumidityinthedryingreddatesprocess．Bydebuggingandrunningthesystemtesting，thestabilityandreliabilityofthesystemweretested．Whenthedryingroomtemperaturechangesnotsomuch，humidityvalueisstablearound51．6%，anditcanachievetheautomaticallyregula-tionofhumidityindryingprocess．

Keywords：jujube；hot－airdrying；humidityautomaticcontrol

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