热载体超高密集烟叶烘烤房自动控制系统的设计及故障诊断
第一章 绪论
烟草行业在我国农业收入板块中占有相当大的份额,每年为我国带来两千多万元的经济收入,且呈现逐年增长的态势,在国民经济中占有着举足轻重的地位。随着近年来我国人民生活水平的提高,烟草行业更是得到了长足得发展。2008年以来,我国烟草行业高速发展时期,销售量逐日增长。其中仅2011年上半年,我国就生产卷烟2550.5万箱,同比增长3.9%;销售卷烟2615.9万箱,同比增长4.3%。2012 年,我国销售卷烟实现收入 7554.20 亿元,相比 2011 年销售量增长15.13% 。到目前为止,全国有123个地区、518个县、4269 个乡种植烟草,烟草行业已经在全国范围内建立了三批22个农业标准化示范区。烟草行业的稳定对我国农业的可持续发展至关重要,而作为烟草行业的基础,烟叶的稳定为烟草行业提供必要的安全保障。而烟叶烘烤质量的高低直接影响着烟叶的生产效益。烘烤是烟叶生产过程中至关重要的一个环节,烘烤过程中的温湿度环境直接导致烤后烟叶的品质,因此,温湿度能否精准的测量并跟上预先设定的烘烤工艺曲线是烟叶烘烤研究必须面对的问题。烟叶成品的质量,不但受新鲜烟叶本身素质影响,还与烘烤设备和烘烤工艺有着密不可分的关系。
烘烤设备是烟叶烘烤的基础,先进的烘烤设备在大大降低生产劳动强度,节省烟叶烘烤的生产成本的同时,还可以准确实现科学的烘烤工艺,显著地提高烟叶的烤后品质。烟叶只有在烘烤房中经过科学的烘烤工艺烘烤后,才能显现出烟叶色、香、味、型的特性,为卷烟提供优质的原料,因此烘烤房的好坏决定了烟叶的成品质量,优质的新鲜烟叶,在没有一个先进烘烤房的情况下,也难以得到优质的成品烟叶,因此具有一套先进系统的烘烤房设计对烟叶的生产至关重要。
受种植条件以及烘烤技术的制约,过去在烟叶烘烤环节中均采用生产单元不多的自然通风气流上升式火管烘烤房。这种烘烤房装烟密集程度不高,工艺控制精确程度不高,对自动化烘烤工艺需求不大,很多还采用完全依靠人工的落后工艺,烟叶烘烤过程中通过人工检测干球湿球玻璃温度计的方式来采集数据,监测时间长,劳动强度大,效率低,且因为控制不够精确导致无法确保烘烤出优质的烟叶[2]。随着近年来我国社会经济的发展及烤烟种植技术的不断提高,以及烘烤设施的研发力度和推广力度不断加大,同时我国正逐步开始发展农业可持续发展战略,调整农业结构,逐渐改变过去的农村经营模式,为使烟草行业形成产业优势而努力发展种烟大户,提升生产水平,扩大种烟规模效益,使我国烟叶生产的新形势向种植规模化、标准化、专业化转变。
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1.2.1 国内外密集式烟叶烘烤房的自动化研究进展
密集式烘烤的研究始于上世纪五十年代,美国北卡罗来纳州立大学W.H.Johnson 等人率先提出烤房密集装烟的“烟叶密集烘烤”工艺,通过风机强制热风以0.075 0.152m /s的速度通过烟叶,推出了密集式烘烤房[4,8]。随后,烟叶密集烘烤的研究和应用相继在美国和日本等国推广开来,1969年,日本鹿儿岛烟草试验场山中弘久和川上嘉通在实践中发现了一种新的烘烤工艺,将烤房内湿球温度控制在38℃,并按照一定的工艺提高干球温度,就可以保证烟叶烘烤质量。并根据这一原理,成功研制了湿球温度自动控制系统,实现了烟叶烘烤一定程度的自动化[9]。1976年,美国POWELL公司将烟叶直接堆积于大箱烘烤,又成功研制了771型烟叶烘烤设备,省去了用烟夹夹烟这一步骤,并改进了自控设备,实现了烟叶烘烤的完全机械化和部分自动化。密集烘烤存在普通烘烤一些无法比拟的优点,随后迅速在巴西、日本、加拿大、美国等国家推广应用,使用半自动化或自动化的密集烟叶烘烤房陆续淘汰了普通烤房。
我国最早于20 世纪60 年代引入烟叶密集烘烤技术,并根据各地的实际情况,在对国外烟叶密集烘烤技术的引进、消化和吸收的基础上,进行了一些密集式烘烤房的相关研究,并推出了一些成型的密集式烘烤房[10]。但由于当时受我国烟草发展的实际情况和烘烤房本身因素的限制,我国早期研制的这些密集式烘烤房并没有配备或仅配备有限的自控系统,应用推广十分有限。1973-1974年间我国通过对加热系统和热循环系统进行改进,设计出以煤为燃料、土木结构的密集式烟叶烘烤房,这也成为我国最早期的密集式烘烤研究成果,但其自动化程度很低,历经几起几伏,最终没有大面积推广。1981年,中国农科院烟草研究所通过在烟叶烘烤场实地研究,推出了以柴油为燃料的5HZK 400型烟叶初烤机,采用温度自动控制系统。1990年左右,云南、河南等地先后从美国、加拿大、日本、南非和希腊等国家和中国台湾地区引进了多种不同型号和规格的如“烤霸”、“金果实”等密集式自动烘烤房,但是这些烘烤房在技术上存在一些问题,且价格过高,20世纪90年代初价格平均为每台40 60万元,不适合我国国情,在我国未能推广[4,11]。
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第二章 热载体超高密集烟叶烘烤房及烘烤工艺简介
随着烟叶基地规模化集中生产的不断实施,烟叶烘烤的装烟密集程度越来越高,密集式烘烤房的结构也进行了不断改进。然而在实际烘烤的过程中发现现用的烤烟机制不够成熟,且没有考虑烘烤房内热循环气流速度对烟叶品质有着重要影响,因此也导致了目前的密集式自动烘烤房系统同样没有将热循环气流速度设计在可控范围之内。本项目课题针对热载体超高密集烟叶烘烤房自动控制系统展开研究。本章首先阐述了热载体超高密集烟叶烘烤房的基本结构、基本特点和工作原理,以及烟叶三段六步式烘烤工艺的基本要求。然后针对烘烤房内气流速度对烟叶烘烤质量有着较大影响的问题,研究了近年来的一些试验和调研成果,得出了烟叶烘烤工艺中风机转速的基本要求,以为后续章节的研究内容奠定基础。
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热载体超高密集烟叶烘烤房是一种新式烟叶烘烤房,从分类上属于密集式烟叶烘烤房,代表着中国烘烤设备的发展方向[4,23]。本项目试验烘烤房规格5.0m×5.0m×6.0m,结构上包括烤室、加热水箱、风口、集气口、供热循环风机、降湿降温负压风机和换气风机。烘烤房结构如图 2-1 所示,烘烤房外形如图 2-2 所示。
工作原理:烘烤房升温过程中,通过供热循环风机循环空气进入加热水箱,经过事先加热的水间接加热空气从而往烤房内供热风,为烟叶烘烤提供热量;降湿过程中,通过负压风机往烘烤房外抽出空气,使烘烤房内部形成负压加速水的蒸发,并且烘烤房内外的湿度差让水蒸气通过集气口经降湿负压风机抽出,从而达到降湿的目的;降温过程中,由于负压风机加速水的蒸发又会带走气化热而降温,所以负压风机又充当降温的作用,防止烤室内烟叶因为呼吸作用发热而导致温度超标;换气风机每隔一段时间给烤室内输入新鲜的空气,给酶化中的烟叶提供呼吸作用所需要的氧气;另外因为烟叶含水量巨大,烘烤过程中只需将烟叶中水分逐步减少,故烘烤房设计不考虑增湿措施。
按照烤烟的工艺,供热风速和降湿风速都不可过快或者过慢。供热风速度过快会烫伤烟叶,导致不可逆损毁;过慢则会导致升温时间过长,不符合烤烟工艺要求。降湿抽湿速度过快会导致室内温度流失过大,室内室温上升困难达不到预定温度;过慢则会无法及时排除室内水分,导致烟叶无法进行呼吸作用而沤烂。二者都会使烤烟叶达不到预定标准,甚至损坏烟叶。
近年来的一些试验和研究情况表明,风速对烟叶烘烤质量有着重要影响,且在感官评吸和外观质量上影响尤为显著[25-27]。詹军[28]研究表明,烟叶在烘烤过程中在定色期和干筋期受风速影响最大,极易因风速的改变而改变其内在成分和外观特性。因此,对烘烤系统风速的可调性设计显得尤为重要。变频调速技术应用在烟叶烘烤工艺中已有少量研究[29-33],在传统的烤房中由于没有将风速设计在可调范围之内,导致烟叶前期升温过快、失水速度过快,烟叶平滑、僵硬的现象比较突出,经常出现细胞壁的大分子物质在没有得到充分的降解的情况下就已经烤干(此时烟叶还呈现青绿色,即出现青烟的情况)。所以,通过对烘烤系统风机风速进行调控,以提升烟叶的烘烤品质已经成为一个迫切需要解决的问题。
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3.1 引言 .......................................................15
3.2 控制系统设计目标 ...........................................15
第四章 系统温湿度采集模块的硬件设计及烘烤试验 ....................25
4.1 引言 .......................................................25
4.2 温湿度采集模块的总体结构....................................25
第五章 烘烤房自动控制系统故障诊断模块设计 ........................44
5.1 引言 .......................................................44
5.2 系统描述....................................................44
第六章 系统抗干扰措施
农村电网发展较落后,普通存在电压不稳、供电不正常的现象,且工作环境较为恶劣,现场干扰信号对系统影响较大,在系统调试过程中,出现过系统 PLC发送错误指令至电机错误启停的现象。另外现场干扰对传感器影响尤为明显。传感器受到现场干扰,会出现如下现象:(1)传感信号为零时,显示乱跳的随机数字;(2)传感器的输出值与被测参数实际值存在的误差呈现随机性、无规律的特点;(3)传感器的输出值与被测参数的实际值存在的误差呈现稳定或周期性变化的特点;(4)在对执行电机发指令时,执行电机无规律启停。(5)在系统实测温湿度接近设定值的过程中或执行电机启停的瞬间,传感器输出值乱跳,至执行电机错误启停,,频繁动作,对电机有较大冲击。综上所述,干扰不但会导致系统出现随机误差,使自控系统发出错误指令将烟叶烤坏带来经济损失,电机频繁性的错误启停严重时还可能烧毁电机,由此对系统进行抗干扰研究非常有必要。
由于烟叶烘烤特殊的工况环境,生产现场存在的电磁场、电网中夹杂的噪声等因素均会对系统中的电路产生影响,从而造成干扰。而干扰总体可分为辐射干扰噪声和瞬时干扰噪声两大类。本章正是对这两大类干扰展开了系统抗干扰措施的研究。
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常见的电磁干扰源有工频干扰、电源变压器、变频器及大功率电动机等,它们所产生电磁场或尖峰脉冲,通过接线电容耦合、电感耦合或交流电源线等进入系统电路,从而引入干扰电压。如图 6-1 表示由静电感应造成干扰的原理图。干扰源和系统的输入电路(当是放大电路时,对系统影响更为明显)之间存在杂散电容C,构成了干扰电流的回路。干扰电流将在输入电阻 Ri上产生干扰电压。当输入电阻越高或杂散电容越大,干扰电压也将越大;同时,系统中的模拟数字电路部分有公共接地、公共电源时,数字信号的频繁电流变化在模拟电路中产生噪声,它们通过静电耦合、电磁耦合和漏电电流等形式存在于传感器的电路中,如图 6-2所示。
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第七章 总结与展望
随着搭配自动控制系统,结构更加高级的密集式烟叶烘烤房的推广应用,如何提高烘烤房自控系统的自动化程度和控制精度,使自控系统更加适应最先进的烘烤机制,并且让自控系统在恶劣的生产环境下更加可靠地工作,是目前迫切需要解决的问题。本文正是以此为研究的切入点,从理论方法到技术实现进行了较为深入的研究,主要研究内容与总结如下:
1.对烟叶烘烤房自控系统的发展现状进行了研究,归纳总结了目前各种类型的密集式烟叶烘烤房系统的主要问题,并指出了急需改进的方向。
2.针对本课题研究对象热载体超高密集烟叶烘烤房缺失完善的控制系统,以及目前烟叶三段六步式科学烘烤工艺和风速对烟叶烘烤的重要影响仍然没有在控制系统的角度上深入研究的问题,提出了相应的自控系统所需要达到的具体设计目标。
3.根据具体设计目标,设计了烟叶烘烤房自动控制系统的总体方案。本系统总体结构设计成主控处理器和执行机构、温湿度采集模块、故障诊断模块几个部分构成,并对各部分的硬件电路进行了设计。
(1)系统采用 FX2N-32MR 作为主控处理器对执行机构发送指令,设计了基于 FX2N-32MR 的控制电路。执行机构采用电加热管组成电加热管组对烘烤房加热水箱加热以及更适合复杂工况环境的永磁同步电机驱动风机,并采用变频器通过面板给定频率信号,端子控制启停的控制方式驱动电机,以调整风机的转速满足烤室内烟叶烘烤过程中对气流速度的要求。
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参考文献(略)
本文编号:220511
本文链接:https://www.wllwen.com/wenshubaike/caipu/220511.html