全封闭热泵干燥装置监控系统的设计与试验

０引 言
热泵技术是一种从低温热源吸收热量，使其具有较 高的温度成为有用热能，并能够被有效利用的热能技 术【ｌ—ｑ。热泵所提供的热量与所消耗的机械功之比一般可 达三倍以上【５刊，相比普通热风干燥技术，热泵干燥技术 具有高效节能、品质好、干燥条件可调节范围宽和环境 友好等显著优点【＿７。１０ｌ；且热泵干燥机的控制完全通过电量 进行，其中大部分是开关量，能够将数据采集与监控技 术（ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ＳＣＡＤＡ）和 热泵干燥技术相结合，形成热泵干燥控制技术。
的，每个系统的最佳参数均不相同，通过观察变量的监
控曲线多次调整参数，方能获取最优参数。经试验，本
系统的增益确定为０．１，采样时间为２ Ｓ，积分时间为
３ ｒａｉｎ，微分时间为０．２５ ｍｉｎ。
３．３控制程序设计
图３是控制程序的流程图，考虑到在控制过程中可
能更改控制目标参数，所以在程序开始扫描后，首先更
图２传感器与模拟量输入模块ＥＭ２３１电气连接 Ｆｉｇ．２ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ ＥＭ２３ １ ｍｏｄｕｌｅ
质量之外的模拟量经Ａ／Ｄ转换为拥有１２位精度的数
Ｏｖ：—（Ｏｓｈ－Ｏｓｔ—Ｘｔｖ－ｔｓｔ）＋Ｏｓｌ（５） 字量，数字量换算成工程值是按照以下算法进行的 ／ｓｈ一／ｓ，
１．压缩机（３．７５ ｋＷ） ２．主冷凝器 ３．膨胀阀 ４．蒸发器 ５．内风机（４５０Ｗ，
变频控制） ６．辅助冷凝器
７．辅助电加热器 （３×ｌ ｋＷ）
８．干燥室（约０．８ｍ’）
９．气液分离器 １０．主电磁阀 １１．辅助电磁阀
Ｆｉｇ．１
图Ｉ热泵干燥机配置图 Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｄｒｙｅｒ
，，
Ｇ＝——１２× 二２二．三０５７一２ ×２０
（２）
将电压放大倍数关系式
Ｕ＝塑，，
（３）
‘
彳
代入式（２）即可得放大电路输出电压％与质量Ｇ
之间的计算公式
Ｇ＝～—迦，ｒ
一一×２０＝２．４５２８Ｕｏ （４）
万方数据
３．１温湿度控制策略 热泵干燥监控系统中，温湿度控制是一种有反馈的
闭环控制，根据温湿度传感器检测到的现场的温湿度数 值，控制算法将实测数值作为反馈值与目标设定值进行 比较，并将计算结果转换成对现场设备的驱动指令，从 而实现对温湿度的精确控制。
芯片，放大倍数在ｌ～ｌ ０００范围内可调，其放大倍数是
由外接的精密电阻决定的。ＡＤ６２０的放大倍数计算公式
如下
彳：１＋坐×１０００
（１）
＆
式中ＲＧ为外接电阻，阻值为１５０ｆ２。 传感器的输出电压Ｕ与质量Ｇ（ｋｇ）之间的线性关
系是由传感器的灵敏度Ｓ（ｍｖＮ）、传感器的量程和传感器 的供电电压决定的。质量传感器的量程是２０ ｋｇ，灵敏度 为２．０５７２ ｍｖ／Ｖ，供电电压为１２ Ｖ。因此，质量与Ｕ之 间的对应关系式为
ＯＰＣ是一个标准的、与制造商无关的组件对象模型 标准接口，用于基于Ｗｉｎｄｏｗｓ操作平台的工业应用程序 之间提供高效的信息集成和数据交换功能，使不同应用 程序、控制器能相互交换数据。本系统选用ＰＣＡｃｃｅｓｓ将 作为ＯＰＣ服务器从现场设备获取数据，并向组态软件提 供数据。在ＰＣ Ａｃｃｅｓｓ中建屯的数据项目分为４类：干燥 环境数据、现场设备运转数据、温湿度范围设定、启动 与关机项目。
Ｍ（＂）＝Ｋｐｅ（ｎ）＋ＫＩｅ（ｎ）＋ＭＸ＋ＫｏＡｅ（ｎ） （７）
式中ＭＸ为积分项的前值。
ＰＩＤ算法通过ＰＬＣ编程软件提供的ＰＩＤ指令向导实
现，在向导中设定ＰＩＤ控制参数并生成ＰＩＤ子程序，主
程序调用此子程序即可实现ＰＩＤ控制。需要设定的参数
包括采样时间、增益系数、积分时间和微分时间，参数
值是根据各个参数对ＰＩＤ控制效果的影响趋势调试确定
式（６）可以看出，积分项是从第一个采样周期到当
前周期所有偏差项的函数。微分项是当前采样和前一次
采样的函数，比例项仅是当前采样的函数。但是，在ＰＬＣ
中，并不保存所有的误差项，实际上也没有必要。ＰＬＣ
从第一次采样开始，每有一个偏差采样值必须计算出一
次输出值，只需要保存偏差值和积分项前值，可得到任
何采样时刻的输出值，其计算公式
目前国内对热泵干燥控制的研究还处于发展阶段， 热泵干燥控制策略借鉴普通热风干燥，结合热泵干燥装 置的特点形成［６，１１－１２】。通过试验确定了以可编程控制器
（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＰＬＣ）作为最适合热泵 的控制器【ｌ ３１，辅以检测技术、变频技术，实现对热泵干 燥装置可靠、灵活的控制。已有研究人员将控制技术、 自动检测技术、ＳＣＡＤＡ技术结合，应用于热泵干燥，并 取得一些成剁悼１６１，但无论理论研究或工程应用都不够 深入。本课题主旨在开发出一套具备高精度、开放性的 热泵干燥监控系统，以支持各种物料的低温干燥研究， 为后继研究提供试验平台。
本装置配备了辅助电加热器和电磁阀，目的在于提 高启动效率和干燥温度，增强控制效果。
２热泵干燥装置的数据采集系统
热泵干燥的数据采集的方案是：传感器将现场采集 到温度、湿度、风速、质量的模拟量输入到模拟量输入 模块；Ａ／Ｄ转换模块将模拟量转换为数字量，并储存在 模拟量输入映像寄存器中；ＣＰＵ单元对数字量进行处理， 通过算法将数字量换算成实际工程值并储存在变量存储 器中；最后通过ＰＰＩ（ＰＣ—ＰＬＣ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）通信协议，将变
自动控制系统由控制对象、测量变送器、调节器、 执行器和扰动等部分组成。在热泵干燥系统中，系统的 一个主要控制对象是干燥室的温湿度，干燥室内多处安 装了传感器，控制过程的计算由ＰＬＣ程序完成，执行元 件有变频器、升温电磁阀、降温电磁阀、辅助电加热装 置等。
温湿度的控制惯量较大，温度和相对湿度两者相互 影响，两者的变化方向相反。系统的非线性特性带来了 系统启动的控制问题，系统到达目标状态需要一个过程， 为使响应加速，则控制系统将产生超调和振荡。系统的 控制目标是：启动迅速，超调所产生的振荡幅度小，并 使振荡逐步衰减趋于目标状态。 ３．２控制算法
干燥环境数据和现场设备运转数据主要用来表征热 泵干燥装置的运行状况，仅具备读权限；而温湿度范围 设定和启动与关机项目是为监控系统准备的，可以直接 在计算机上设定温湿度控制目标，并控制装置的开启、 关闭，因此需具备读和写权限。
３热泵干燥装置的控制
系统采用的质量传感器内部由一个惠斯登电桥构
成，其输出电压非常小（毫伏级），为此采用ＡＤ６２０单片 集成放大器制作了放大电路。ＡＤ６２０为８脚双列直插式
新目标参数。第二步是采样各类传感器的模拟信号，采
用模拟量输入滤波器对所有模拟量信号进行处理。随后
用各类信号的特定算法将数字量换算成各自工程值，至
此控制目标和数据反馈均明确。
控制部分的第一个动作是干燥室内风机，采用变频
器控制模块处理，将根据温度反馈和目标参数对比，确
定变频档位，驱动风机。随后判定风机是否启动，如风
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—６８１９．２０１０．１０．０２２
中图分类号：￥２４，￥２２６．６
文献标志码：Ａ
文章编号：１００２—６８１９（２０１０）－１０—０１３４－０６
倪超，李娟玲，丁为民，等．全封闭热泵干燥装置监控系统的设计与试验［Ｊ】．农业工程学报，２０１０，２８（１０）：１３４—１３９． Ｎｉ Ｃｈａｏ，Ｌｉ Ｊｕａｎｌｉｎｇ，Ｄｉｎｇ Ｗｅｉｍｉｎ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｄｒｙｅｒ ｏｆｅｎｄｏｓｅｘｔ ｃｙｃｌｅｓ［Ｊ］． Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆｔｈｅ ＣＳＡＥ，２０１０，２６（１０）：１３４—１３９．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｉｔｈ Ｅｎ西ｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）
Ｅｍａｉｌ：ｊｕａｎｌｉｎｇｌｉ＠１６３．ｃ啪
１ 热泵干燥装置的结构及原理
热泵干燥装置结构如图１所示，由热泵机组和干燥 装置构成的一套全封闭的热泵干燥装置【１７】。热泵机组主 要由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流装置等组成的闭路 循环系统【ｌ孓２ｌ】；干燥装置由干燥室、风机等构成。热泵 干燥装置的运行由２种流体的流程所推进，图ｌ中，细 线流程表示热泵工质循环，粗线流程表示干燥介质（湿 空气）循环。
万方数据
第１０期
倪超等：全封闭热泵干燥装置监控系统的设计与试验
１３５
量存储器中的数据传给计算机，ＯＰＣ（ＯＬＥ ｆｏｒ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ，对象链接与嵌入过程控制协议）服务器将获取 数据。
数据采集系统中，不同物理量的传感器所提供的信 号不同，有电压信号和电流信号２种。模拟量输入模块 一经设定，只能接收一种信号，在确定信号采集方案时， 需对各信号统筹兼顾。如图２所示，质量传感器决定了 模块只能采集电压信号，输入电压范围由风速传感器的 ０～１０ Ｖ电压量程决定，因温湿一体传感器的输出电压范 围是０～５ Ｖ，Ａ／Ｄ转换后计算工程值之前，需先将数字 量乘以２。虽然温湿传感器的精度降低了ｌ位，但依然能 够拥有１１位的精度。
温度控制是依据设定的目标值与当前温度相比较， 调用ＰＩＤ（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－ｉｎｔｅｇｒａｌ－ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ，比例一积分一微 分控制器）温度控制模块控制升温及降温电磁阀以控制 压缩机到冷凝器的加热管路，使干燥室的温度保持在目 标值。系统的启动过程中，为了提高响应速度，将启用
１３６
农业工程学报
式中，Ｏｖ为换算结果；知为换算对象；Ｏｓｈ为换算结果 的高限；Ｏｓｌ为换算结果的低限；／ｓｈ为换算对象的高限； 厶，为换算对象的低限。
各项工程值的计算结果储存在ＰＬＣ的数据寄存器 中，通过建立计算机和ＰＬＣ之间的通信，安装在计算机 上的ＯＰＣ服务器从ＰＬＣ数据寄存器中获取数据和热泵干 燥机组的运转信息，并作为ＯＰＣ服务器向组态软件提供 这些数据。
收稿日期：２０１０－０３１２４ 修订日期：２０１０－０８．１６ 项目基金：国家８６３项目（２００７ＡＡｌ００４０６）；江苏省农机局基金项目 （弘ｚ０９００９） 作者简介：倪超（１９８５～），男，江苏南通人，研究方向：自动化农业装 备。南京南京农业大学工学院，２１００３１。Ｅｍａｉｌ：ｙｉｎｊｉａｊｉ＠ｓｉｎａ．ｔｏｍ ※通信作者；李娟玲（１９６５－－）。女，浙江上虞人，副教授，研究方向：机 械设计与制造，农产品加工与贮藏。南京南京农业大学工学院，２１００３１。
静差，微分项可以改善系统的动态响应速度，有缓和输
出值激烈变化的效果。离散的ＰＩＤ算法方程如下
．已
＾，（刀）＝ＫＰＰ（胛）＋Ｋ，∑Ｐ（，）＋ＫＤａｅ（ｎ）
（６）
ｊ＝ｏ
式中，Ａｅ（ｎ）＝ｅ（ｎ）－ｄｎ－－１）；ｄ聆）为设定值与第刀次采样值
的差；ｅ（ｎ一１）为设定值与第聆一１次采样值的差；Ｋｅ为比
例增益；局为积分增益；Ｋｏ为微分增益。
第２６卷第ｌＯ期
１３４ ２０１０年
１０月
农业工程学报
Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆｔｈｅ ＣＳＡＥ
Ｖ０１．２６ Ｎｏபைடு நூலகம்１０ Ｏｃｔ．２０１０
全封闭热泵干燥装置监控系统的设计与试验
倪超，李娟玲※，丁为民，范海亮，陈山林
（南京农业大学工学院，南京２１００３１）
摘要：为了改善干燥试验过程中的监控方式，提高了试验的精确性和效率，减轻了试验人员的工作负荷，并支持后期
２０１０年
辅助电加热，温度提升至目标值附近时关闭电加热器，
热泵系统独立供热。
ＰＩＤ温控模块根据设定值（给定）与被控对象的实际
值（反馈）的差值，按照ＰＩＤ算法计算出控制器的输出
量，控制执行机构去影响被控对象的变化。ＰＩＤ控制算法
一般由比例项、积分项、微分项组成，比例项的输出与
输入误差信号成比例关系，积分项的作用是消除系统的
数据分析，该课题将热泵干燥技术、自动检测控制技术、ＳＣＡＤＡ技术融合，开发出一套由热泵干燥装置、数据采集与 监控系统组成的热泵干燥监控系统。系统由一套全封闭的热泵干燥装置执行干燥过程；数据采集系统采集干燥现场数据， ＯＰＣ服务器通过通信协议获取数据：监控系统主要具备ＰＬＣ自动控制和ＰＣ机监控功能。试验结果表明，该系统能够实 现温湿度精确控制，并具备数据的实时显示、归档、信息报警等功能，将作为后续研究的试验平台。 关键词：热泵干燥技术，数据采集与监控技术，可编程控制，监控系统