粮食烘干机自动控制系统设计.docx
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粮食烘干机自动控制系统设计
江苏科技大学
本科毕业设计（论文）
学院电子信息学院
专业电气工程及其自动化专业
学生姓名
班级学号
指导教师
二零年六月
江苏科技大学本科毕业论文
粮食烘干机自动控制系统设计
Designofautomaticcontrolsystemofgraindryer
摘要
我国至今为止，各项事业蓬勃发展，尤其是粮食生产加工的发展一直受到国家党中央的高度重视。
粮食生产是国家发展的根基，万民平安和谐发展的源头。
而每年由于粮食烘干不及时而造成的粮食腐烂、浪费给国家民生和经济都会造成巨大的损失，所以解决粮食的烘干问题具有很大的意义。
本课题主要是在JX-300X组态软件包的基础上，对粮食烘干机自动控制系统进行组态（包括主机、操作站、数据转发卡、I/O卡件、I/O测试信号点、回路、流程图等的设置）、编译、监控。
通过控制粮食在烘干塔内的停留时间与干燥过程中干燥段和冷却段入口风的温度与压力来控制烘干塔出口处的粮食含水量，使其出口处的粮食含水量达到14±0.5%左右，以满足国家粮食的储存标准。
最后，通过现场试验，模拟储存仓的单回路控制，来控制粮仓储量以及粮食下放的流量。
同时，通过毕业设计充分了解了JX-300X组态软件的强大，也希望本课题可以作为基于JX-300X组态系统等相关试验的参考依据。
关键词：
粮食烘干机；自动控制系统；组态；监测
Abstract
Alpha
Ourcountrysofar,thecauseofvigorousdevelopment,especiallythedevelopmentoffoodproductionandprocessingoftheCPCCentralCommitteehasalwaysattachedgreatimportancebythestate.Foodproductionisthefoundationofnationaldevelopment,andthepeoplesafeandharmoniousdevelopmentofthesource.Andeveryyearduetograindryingisnottimelyrotcausedbyfoodwastetothecountry'slivelihoodandtheeconomywillresultinhugelosses,sotosolvetheproblemoffooddryingofgreatsignificance.
ThemainsubjectisintheJX-300Xconfigurationpackage,basedonthegraindryerautomaticcontrolsystemconfiguration（includingthehost,operatingstation,dataforwardingcard,I/Ocards,I/Otestsignalpoints,loop,flowchartsandothersettings）,compiling,monitoring.Foodinthedryingtowerbycontrollingtheresidencetimeofthedryingprocessofdryingandcoolingsectionswiththeinletairpressuretocontrolthetemperatureattheoutletofthedryingtowergrainmoisturecontent,grainmoisturecontentattheoutlettoreach14±0.5percent,inordertomeetnationalfoodstoragestandards.Finally,fieldtests,simulatedstoragesilossingle-loopcontrol,tocontrolthegranaryreservesandfooddecentralizedtraffic.Meanwhile,graduationdesignfullyunderstandJX-300XpowerfulconfigurationsoftwarealsohopethisprojectcanserveasJX-300X-basedconfigurationsystemandotherrelatedtestsofreference.
Keyword：
Graindryer；Automaticcontrolsystem；Configuration；Monitor
第一章绪论
1.1研究背景
我国是传统的农业生产大国，保证粮食生产是关系到国民经济的关键所在。
在现今土地资源日益减少的情况下，农产品问题更加重要。
提高现有农产品质量和产量就必须重视谷物的机械化干燥问题。
对于粮食的生产和消费，我国是世界上最大的国家，年粮食总产量约5亿吨。
据统计，在我国，粮食收获后在脱粒、晾晒、贮存、运输等处理过程中的损失率高达15％，远远超过5％的联合国粮农组织所规定的标准。
在上述的这些损失中，究其原因，每年气候潮湿，刚刚收获的潮湿粮食来不及晒干或未达到安全规定储存水分造成霉变、发芽等原因造成的损失的粮食量高达5％，若按粮食年产量5亿吨来计算，相当于2500万吨粮食。
若按照每人每天食用一斤粮食计算，足够6．8万人一年的粮食用量。
在南方地区霉雨季节偏长的省份（比如江苏、湖北、上海、浙江以及安徽）粮食霉烂损失率每年高达10％左右，而对于东北地区，平均每三年的麦收时期就有一年是雨季，粮食收获后特别需要用粮食干燥机械对粮食及时烘干处理，由此可见，粮食干燥是一个不容忽视的环节。
因此，发展和改进粮食干燥机械化技术，改变靠天吃饭的传统被动局面，使到手的粮食损失降低到最低点。
通过运用粮食烘干机烘干粮食再储存，可以大大的减少以上出现的多项问题。
并且粮食烘干机具有自己的特点，既不受天气的干扰制约，而且能实现粮食干燥的机械化、自动化，干燥时间短、功效高、投资少。
从这一意义上说，粮食的干燥技术也是现代化比田间农业的重要手段，也是粮食丰产、丰收的重要保障条件。
1.2国内外研究现状与研究的局限性
1．国内粮食干燥技术的发展历史
我国关于粮食干燥机械方面的推广发展大概有50多年历史，从解放初期开始仿制日本、苏联等国家的烘干技术开始的，在当时的年代，粮食烘干机基本在大型农场和粮库应用，60—70年代我国自主设计了多种中、小型粮食烘干机，它们多数使用在农场生产队和农村生产联队。
80—90年代间设计生产了多种大、中型粮食烘干机，主要应用于国营农场等地方，主要用于烘干玉米和小麦。
90年代之后，随着改革开放的深入进展，农村经济方面和生产力方面水平有了较大的提高，集约化、专业化的规模经营也有了更多的发展，尤其从1997年起，国外通用型干燥机和种子专用干燥机等进入我国市场，这使我国干燥机械开始逐步普及，而且另一方面也带动了南方水稻产区粮食烘干机械化技术的发展。
当前，浙江、江苏、广东、福建等地这种干燥机基本己达2000多台。
尤其是国有农垦系统、大型粮库的粮食和种子生产基地，逐步装备起了成套的粮食烘干设备，并且与加工、储存等设施构成一体化，成为了我国粮食烘干设备的主要应用代表。
而且一些有关科研单位和一些大专院校也相继研制出了不错的粮食烘干设备，以此应用于国内农业和粮食系统。
粮食烘干设备的发展与应用，逐渐使得粮食生产机械化技术走向成熟与完善，同时这也加快了农业生产进步的现代化步伐。
2．国内谷物干燥的现状与发展趋势
虽然中国的粮食烘干机械有近50年的发展历史，但是从一个全国性的角度来看，中国的粮食干燥仍然有很多突出的矛盾：
对整体而言粮食烘干能力仍然不足，粮食烘干后质量依然较差，烘干的能源成本高，缺乏合适的经营模式，推广使用效果不佳等。
目前，中国的主要谷物烘干机械主要应用于大型粮食存储仓库，国有土地农垦系统的种子，商品粮基地与大型粮食烘干机，广大的农村地区现以自然干燥为主。
随着农村劳动力的转移和粮食产量的逐步提高，仅仅依靠大型粮库和农垦部门来采用大型粮食烘干机械烘干粮食的工作方式已经远远不能及时有效地完成应有的粮食干燥工作，同时大型的粮食烘干设施投建成本过高，占地面积过大，在农闲期间就只能闲置不用，增加了运营等成本费用，这样就难以实现粮食干燥服务的市场化和社会化，不适合大量地建造推广。
因此，发展中、小型粮食烘干机自动控制设备来作为大型粮食烘干设备的补充形式，将更加适合在农村和农户中推广使用，这也是提高我国粮食烘干机械化应用水平的有效途径，也将是未来我国粮食烘干设备机械化技术的发展方向。
3、对于美国苏联等发达国家，他们的粮食干燥机械技术的发展基本是在20世纪40年代左右开始的，50-60已取得很大程度的进展，已基本具备机械化的粮食烘干机，粮食烘干技术在60-70年内已实现自动化的发展,70-80年间，研究目标开始转向粮食干燥机械设备的节能，高品质，高效率，降低成本，以及计算机控制的发展方向，90年后的粮食烘干设备已达到标准化，系列化的程度。
随着粮食烘干设备的快速发展，世界上的多数发达国家在粮食生产时基本都采用粮食烘干机械设备。
如日本约90％的大米、美国约85％的玉米均使用机械来干燥，这些国家计算机技术发展迅速，基本上都是通过计算机来开展试验的模拟，设备的设计和整体管理，自动化程度高。
根据食物的主要用途，侧重于维护食品质量和品质，采用低能耗技术，选择干燥工艺参数，效果是比较成功的。
日本是粮食干燥地区机械化程度在世界上最高的之一。
日本采取政府补贴，并全面实施支持服务，以支持日本粮食烘干机以及农业的发展。
其集约化生产程度较高，粮食烘干机械化率已经基本达到了92％，走上了一系列农业生产和产业化。
日本机械化谷物干燥的发展历史经历了平床干燥机站，依次循环式干燥机，最后是连续运动式干燥机。
对于干燥方法日本主要采用两种（小型烘干机主要是循环干燥设备，大型粮食烘干燥机械和设备大多是连续移动）。
，日本主要有两种方法来促进其国民使用粮食烘干机，一种主要是由农业协会建立的大型粮食烘干中心，另一个是由一个单一的家庭或生产商使用的小型粮食烘干机组合购买，一般的农民多采用后者的方法，以提高粮食的品质，也是为了增加收入。
在粮食烘干机的推广方面的功劳主要可以归结为日本农业协会，成员在分析经济的基础性作用后，一般投资于股票的股份，自负盈亏，自我管理，在操作的主体作用下，通过在各种基层组织来提供植物的选择和服务，更重要的是，要帮助建立与服务中心相结合的干燥方法，使用由制造商提供的设备，为广大农民粮食烘干设备提供处理，存储和服务。
4.目前粮食烘干机械化发展存在着认识上的误区：
首先，我国人多地少，我国农民实行家庭联产承包制度，经营规模一般较小、收入低低，没有发展机械化干燥的必要。
二是认为自然的干燥手段比机械干燥要优越。
实际上刚刚收获的粮食在一个小时之内及时干燥与放置数个小时甚至数日再进行干燥相比，最后的米质将大不一样。
比如在日本，粮食含水率约为24％，如果放置10小时再进行机械烘干，就只能用作饲料粮。
而收后直接干燥处理的稻谷，价格高于我国米价1～10倍。
三是认为用机械来烘干粮食投资较大、成本较高，农民普遍可能承受不了。
根据诸多方面的调查分析，一套干燥设备25万元到120万元不等，基本可以使用15年，约3～6年便可收回成本，这样投资回报率也不算低；再者，机械干燥的直接成本与人工自然干燥方式相比，前者大大低于后者；如若综合分析进行规模化作业生产和计算粮食破碎、抛洒、损失、霉烂品质下降等因素，自然干燥成本是机械干燥成本的3倍多。
相比之下，机械干燥是节本增效之举。
此外，由于缺乏现有的可供借鉴的发展模式、运行机制及管理体制，增加了开展此项工作的难度。
5.许多专家学者对粮食烘干技术推广方面都做了不同程度研究，但是由于我国在粮食烘干机械的推广方面受政策性的影响比较大，所以适应市场经济自主发展的机会相对较少，最终导致粮食烘干机械的推广应用效果并不理想，虽然国内越来越多的专家已经开始从方方面面来研究粮食烘干机在使用成本方面的问题，但是很多的也只是从实验的角度出发，考虑如何降低粮食烘干使用成本的问题，但在结合实际应用情况下，以及选择什么样的运营模式来进行综合分析的人则很少。
而且实际上因为在粮食烘干推广领域，由于采用不同推广运营模式会带来使用成本的很大变化。
希望研究结果可作为进行科学合理选用和推广谷物烘干机械的参考依据。
1.3本文的主要研究内容
本文在对粮食烘干机的总体框架、工作原理进行深入了解之后，首先对粮食烘干机进行框架设计，将其转化为实验软件JX-300组态软件环境下的实验对象。
对粮食烘干机的各个部分进行设计，组态，构成一个完整的实验对象。
其主要内容如下：
（1）讲述相关知识背景，即粮食烘干机的组成，工作原理以及在国内外的发展状况。
（2）对粮食烘干机工作原理进行综述，解析粮食烘干机工作机理。
（3）对粮食烘干机控制系统的主要工作部分在JX-300组态软件环境下进行软件组态，仿真。
并详细讲解了组态过程以及简单的硬件介绍。
（4）利用现有的实验器材，对组态好的软件系统进行个别部分的现场试验、调试，以深入掌握粮食烘干机工作原理。
第二章JX-300组态软件介绍
2.1JX-300组态软件简介
JX-300X的基本组成包括工程师站（ES）、操作站（OS）、控制站（CS）和通讯网络SCnetII。
通过在JX-300X的通讯网络上挂接总线变换单元（BCU）可实现与JX-100、JX-200、JX-300系统的连接；在通讯网络上挂接通信接口单元（CIU）可实现JX-300X与PLC等数字设备的连接；通过多功能计算站（MFS）和相应的应用软件AdvanTrol-PIMS可实现与企业管理计算机网的信息交换，实现企业网络（Intranet）环境下的实时数据采集、实时流程查看、实时趋势浏览、报警记录与查看、开关量变位记录与查看、报表数据存贮、历史趋势存贮与查看、生产过程报表生成与输出等功能，从而实现整个企业生产过程的管理、控制全集成综合自动化。
X-300X覆盖了大型集散系统的安全性、冗余功能、网络扩展功能、集成的用户界面及信息存取功能，除了具有模拟量信号输入输出、数字量信号输入输出、回路控制等常规DCS的功能，还具有高速数字量处理、高速顺序事件记录（SOE）、可编程逻辑控制等特殊功能；它不仅提供了功能块图（SCFBD）、梯形图（SCLD）等直观的图形组态工具，又为用户提供开发复杂高级控制算法（如模糊控制）的类C语言编程环境SCX。
系统规模变换灵活，可以实现从一个单元的过程控制，到全厂范围的自动化集成。
JX-300X控制站以先进的微控制器（30MHZPhilipsP51XA）为核心，提高了系统的实时性和控制品质，系统能完成各种先进的控制算法：
过程管理级采用高性能CPU的主机和WINDOWS95/NT的多任务操作系统，以适合集散控制系统良好的操作环境和管理任务的多样化；过程控制网络采用双重化Ethernet网技术，使过程控制级能高速安全的协调工作，做到真正的分散和集中。
高速、可靠、开放的通讯网络SCnetIIJX-300X系统控制网络SCnetⅡ连接工程师站、操作站、控制站和通讯处理单元。
通讯网络采用总线形或星形拓扑结构，曼彻斯特编码方式，遵循开放的TCP/IP协议和IEEE802.3标准。
SCnetⅡ采用1∶1冗余的工业以太网，TCP/IP的传输协议辅以实时的网络故障诊断。
其特点是可靠性高、纠错能力强、通信效率高。
通讯速率为10Mbps。
SCnetⅡ真正实现了控制系统的开放性和互连性。
通过配置交换器（SWITCH），操作站之间的网络速度能提升至100Mbps，而且可以接多个SCnetⅡ子网，形成一种组合结构。
每个SCnetⅡ网理论上最多可带1024个节点，最远可达10,000米。
目前已实现的网络可带载15个控制站和32个其它站。
2.2集散控制简介
集散控制系统（DistributedControlSystem--DCS），是一种以微处理器为基础的分散型综合控制系统。
DCS综合了计算机技术，网络通讯技术、自动控制技术、冗余及自诊断技术等先进技术，采用多层分级的结构形式，适应现代化生产的控制与管理需求，目前已成为工业过程控制的主流系统。
由于DCS系统的通用性和复杂性，系统的许多功能及匹配参数需要根据具体场合有用户决定。
例如：
系统采集什么样的信号、采用何种控制方案、怎样控制、操作时需显示什么数据、如何操作等等。
另外，为适应各种特定的需要，集散系统备有丰富的I/O卡件、各种控制模块及多种操作平台，用户一般根据自身的要求选择硬件设备，有关系统的硬件设备的配置情况也需要用户提供给系统。
当系统需要与另外系统进行数据通讯时，用户还需要将系统所采用的协议、使用的端口告诉控制系统。
以上需要用户为系统设定各项参数的操作即所谓的“系统组态”。
SUPCONDCS的组态工作通过组态软件SCKey来完成。
该软件用户界面友好，操作方便，充分支持各种控制方案。
SCKey组态软件将帮助工程师有序且系统地完成“系统组态”这一复杂工作。
2.3SCKey组态软件特点
SUPCONDCS系统的SCKey组态软件是一个全面支持该系统各类控制方案的组态软件平台。
该软件是运用面向对象（OOP）技术和对象链接与嵌入（OLE2）技术，基于中文Windows系列操作系统开发的32为应用软件。
SCKey组态软件通过简明的下拉菜单和弹出式对话框建立友好的人机对话界面，并大量采用Windows的标准控件，是操作保持了一致性，易学易用。
该软件采用分类的树状结构管理组态信息，使用户能清晰把握系统的组态状况。
另外，SCKey组态软件还提供了强大的在线帮助功能，当用户在组态过程中遇到了问题，只须按F1键或选择菜单中的帮助项，就可以随时得到帮助提示。
第三章烘干机简介
3.1粮食的干燥原理
所谓粮食烘干，就是通过某些特定的方法，将粮食中多余的水分排出，保留适当的少量的水分最终以达到安全存储粮食的目的。
粮食烘干的过程就是使粮食中排出的多余的水变成水蒸汽，然后再利用粮食周围的干燥介质（本课题采用的干燥介质是干燥的空气）所吸收，最终达到粮食干燥的目的。
干燥的总体过程可以归纳为两种基本过程：
（1）干燥过程中粮食内部的水分在被加热之后沿毛细管扩散的粮食外壳的表面
（2）粮食外壳表面的水分再被干燥介质带走。
但是，如果仅仅是在常温下区干燥粮食，水分挥发的会非常慢。
所以，为了加快粮食的干燥速率，就需要做一些辅助措施。
最基本的就是增加粮食和干燥介质的温度，增加干燥介质的相对流动速度等。
本课题中，谷物干燥机在工作时，粮食经过四个不同的阶段（即两个干燥段与两个冷却段），经过的路程相对较长，热风在鼓风机的作用下，吹进干燥段对粮食进行干燥，带走大部分水分。
在冷却段，温度相对较低，在进一步干燥粮食的基础上也会降低粮食的温度，使其温度更接近常温，以便于保存。
以此就可以平稳高效地完成整个干燥过程。
3.2粮食的干燥条件
粮食烘干条件，就是指对干燥过程有影响的各种主要因素的总和，例如：
干燥介质的温度、干燥速度、干燥时间等。
粮食干燥的主要目的，就是为了降低粮食水分的含量，使粮食在储存过程中，有较好的稳定性。
粮食在干燥后不应降低粮食的固有品质，而应尽可能地改善粮食的不同用途的品质、食用品质和加工工艺品质。
粮食在干燥过程中，由于需要及时去除水分，往往采用较高温度的干燥方法，既要在短时间内，较经济地进行干燥作业，又要保证粮食品质不发生劣变，这就要选用合理的干燥条件。
所谓合理的干燥条件，是指影响干燥过程的各种主要参数（干燥介质的温度、速度、湿度等）的合理组合。
选择干燥条件，主要依据粮食的种类、成熟度、原始水分和不同用途等，综合分析并有侧重地选择。
不同干燥方法，不同的粮食烘干机，不同的粮食品种，则需不同的干燥条件，以尽可能减少烘干对粮食品质的不良影响。
3.3干燥设备的分类
粮食干燥设备的类型多种多样，但基本原理都是利用干燥介质的热能，使粮食中的水分蒸发，达到干燥降水的目的。
按干燥设备的产量来分，可分为大型、中型和小型干燥机；按干燥对象种类来分，可以分为专用型和多用型干燥机；按加热方式分，可分为对流式、传导式与辐射式；按干燥介质的温度分，可分为高温、常温和低温干燥机；按空气与粮食的相对运动分，可分为顺流式、逆流式、横流式和混流式干燥机；按可否移动分，可分为固定式和移动式干燥机；按干燥容器内气压来分，可分为常压干燥机和真空干燥机等。
第四章系统组态设计
众所周知，粮食烘干机是农业生产中的一种常见设备。
对于粮食烘干机，干燥介质的温度、流量以及两层厚度将直接影响最终粮食烘干的结果。
当干燥介质的温度、流量不符合烘干条件时，会使烘干后的粮食达不到既定的标准甚至出现废粮造成浪费。
因此，对粮食烘干机干燥介质的温度、流量都需要严加控制。
本课题主要设计粮食烘干机框架，对其基本工作原理进行研究、仿真、模拟。
其基本框架如图4-1所示。
含水分粮食
干燥粮食
图4-1粮食烘干机基本框架
4.1整理硬件及I/O信息，分配测点
根据前期设计的粮食烘干机的总体框架，其I/O组态中的I/O点分配如表4-1。
表4-1I/O测试点详细分配
位号
描述
量程
备注
W-101
谷物初始水分检测
0—100%
4—20mA
W-1021
干燥段2谷物水分检测
0—100%
4—20mA
W-103
出口谷物水分检测
0—100%
4—20mA
T-101
干燥段1入口风温度
0—100℃
K型热电偶
T-103
冷却段1入口风温度
0—100℃
K型热电偶
P-101
干燥段1入口风压力
0—100Pa
4—20mA
P-102
冷却段1入口风压力
0—100Pa
4—20mA
Fa-101
储存仓1调节阀
0—100%
4—20mA
Fa-102
储存仓2调节阀
0—100%
4—20mA
Fa-103
冷却段空气调节阀
0—100%
4—20mA
C-101
储存仓1粮食储量
0—100%
4—20mA
C-102
储存仓2粮食储量
0—100%
4—20mA
N-104
传送机4电机转速检测
0—4000n/min
电压1—5V
NL-101
冷却段鼓风机转速检测
0—4000n/min
电压1—5V
KON-101
泵开关指示
开关量输入（干触点）
KOF-101
泵操作指示
开关量输出（干触点）
TJ-101
传送机4电机转速调节
输出4-20mA
CJC-101
储存仓1调节回路
输出4-20mA
CJC-101
储存仓2调节回路
输出4-20mA
WNC-101
传送机4转速调节内环
输出4-20mA
WNC-101
传送机4转速调节外环
输出4-20mA
LFTJ-101
冷却段入口风温度调节
输出4-20mA
LFTJ-102
冷却段入口风压力调节
输出4-20mA
表中I/O接口分为模入量、摸出量、开关量输入与开关量输出。
其卡件
升级会员 