聶少伍,黃漢英,胡月來,趙思明
(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,武漢 430070;2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科技學(xué)院,武漢 430070)
微波爐作為一種先進(jìn)設(shè)備,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于加熱、干燥、殺菌等工業(yè)研究與生產(chǎn)中[1],在改變傳統(tǒng)工藝過程中發(fā)揮了重要作用。隨著微波爐需求的增加,對(duì)微波爐性能的要求也越來越高,主要集中在物料溫度穩(wěn)定性、可靠性與均勻性,微波能的有效利用,以及微波爐的自動(dòng)化水平。
目前市場上銷售的微波爐多采用紅外溫度檢測傳感器采集溫度,紅外溫度檢測傳感器具有穩(wěn)定性好、精度高等特點(diǎn),為物料溫度控制提供了依據(jù),然而,微波加熱是由內(nèi)及外的,紅外溫度檢測傳感器所采集的溫度為物料表面或爐腔內(nèi)部空氣溫度,與物料內(nèi)部溫度存在較大誤差,導(dǎo)致物料溫度控制精度不高。另外,微波爐工作方式多采用普通微波,只利用了微波的熱效應(yīng),未能充分利用微波的非熱效應(yīng)。脈沖微波不僅可以取得普通微波同樣的殺菌結(jié)果,而且具有殺菌時(shí)間更短,溫升和能耗較低,效率較高的特點(diǎn)[2~5]。目前部分微波設(shè)備采用定時(shí)器開關(guān)控制磁控管來實(shí)現(xiàn)脈沖微波,但是這種方法對(duì)控制系統(tǒng)、磁控管加熱系統(tǒng)有較大沖擊,降低了微波爐的使用壽命。
針對(duì)上述問題,本文在前期研究的基礎(chǔ)上[6],對(duì)谷物脈沖微波殺蟲機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),以PLC和觸摸屏為控制核心,采用PT100鉑熱電阻對(duì)出料口物料溫度進(jìn)行檢測,實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制,利用智能晶閘管模塊實(shí)現(xiàn)脈沖微波輸出[7]。
谷物脈沖微波殺蟲機(jī)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1)微波爐箱體:采用隧道式結(jié)構(gòu),微波爐由7節(jié)完全相同的微波爐箱體焊接組成。
2)磁控管加熱系統(tǒng):由90個(gè)磁控管組成,型號(hào)為松下2M210-M1,最大輸出功率900W。分為16組,分布在微波爐箱體的上表面。90套高壓變壓器、燈絲變壓器,為磁控管提供能量。48套智能晶閘管模塊,分為4組,分別控制后4節(jié)箱體的48個(gè)磁控管。4個(gè)12V直流電源分別為4組智能晶閘管模塊供電。
3)物料傳輸系統(tǒng):由提升機(jī)、輕型帶式輸送機(jī)組成,帶式輸送機(jī)配置變頻器進(jìn)行無極調(diào)速。
4)冷卻循環(huán)系統(tǒng):高壓變壓器采用油冷,磁控管采用水冷,燈絲變壓器采用風(fēng)冷,油路冷卻循環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)主要由油泵、油管組成,水路冷卻循環(huán)系統(tǒng)主要由水泵1、水泵2、冷卻塔風(fēng)機(jī)和水管組成。
5)控制系統(tǒng):采用 PLC和觸摸屏為核心控制器,實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制。
6)溫度檢測系統(tǒng):利用溫度傳感器檢測出料口物料溫度,實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制。
7)安全防護(hù)系統(tǒng):采用抗流結(jié)構(gòu)爐門來觀察或維護(hù)微波爐內(nèi)的工作情況,在物料進(jìn)出口安裝雙面群島漏能抑制器,抑制微波的泄漏。
圖1 谷物微波殺蟲機(jī)主體結(jié)構(gòu)
電氣控制系統(tǒng)框圖如圖2所示,由圖可知,控制系統(tǒng)主要包括PLC控制器及相關(guān)I/O模塊、觸摸屏、智能晶閘管模塊、溫度檢測模塊以及控制對(duì)象幾個(gè)部分,主要控制對(duì)象如表1所示。
圖2 控制系統(tǒng)總體框圖
2.1.1 PLC端口電路設(shè)計(jì)
根據(jù)微波爐控制要求,經(jīng)計(jì)算,需要26個(gè)數(shù)字量輸出端口,4個(gè)模擬量輸入端口以及3個(gè)模擬量輸出端口。為滿足設(shè)計(jì)要求,選用西門子S7-200CPU224 CN PLC,2個(gè)數(shù)字量模塊EM222,1個(gè)模擬量輸出模塊EM232,1個(gè)模擬量輸入/輸出模塊EM235,數(shù)字量輸入/輸出點(diǎn)數(shù)為14/26,模擬量輸入/輸出點(diǎn)數(shù)為4/3,PLC端子分配如表2所示。
表1 主要控制對(duì)象
2.1.2 微波控制電路設(shè)計(jì)
選用智能晶閘管模塊控制微波加熱系統(tǒng),智能晶閘管模塊型號(hào)為MJYD-JL-20,由淄博市臨淄銀河高技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn),晶閘管模塊輸入信號(hào)為4mA~20mA,其控制原理圖如圖3所示??刂品椒ㄈ缦拢?/p>
1)脈沖微波的形成。采用PLC定時(shí)器控制功能形成PWM脈沖信號(hào),低電平時(shí),晶閘管模塊的輸入信號(hào)為4mA,控制磁控管微波功率為0W,高電平時(shí),晶閘管模塊的輸入信號(hào)為20mA,微波功率為900W,從而形成脈沖微波。
2)脈沖微波功率調(diào)節(jié)。當(dāng)PWM脈沖信號(hào)占空比小于1時(shí),輸出為脈沖微波,通過PWM的占空比大小和晶閘管模輸入信號(hào),即可改變單位時(shí)間內(nèi)磁控管的輸出功率。
3)普通微波功率調(diào)節(jié)。當(dāng)PWM脈沖信號(hào)占空比為1時(shí),輸出普通微波,通過PLC輸出開關(guān)信號(hào),控制磁控管通斷,實(shí)現(xiàn)磁控管輸出微波功率的調(diào)節(jié)。
表2 PLC端子分配
圖3 脈沖微波控制器原理圖
2.1.3 溫度控制電路設(shè)計(jì)
溫度控制電路設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于溫度信號(hào)的采集與模擬量信號(hào)的傳輸與處理。采用pt100鉑熱電阻,型號(hào)為WZP-230,檢測范圍-200℃~500℃,精度等級(jí)A級(jí),能滿足本系統(tǒng)溫度采集的要求,配備了二線制溫度變送器,輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)4mA~20mA,pt100鉑熱電阻與二線制溫度變送器均由福建上潤精密儀器有限公司生產(chǎn)。系統(tǒng)將4路pt100均勻縱向布置在微波爐出料口,采集物料溫度信號(hào),由模擬量輸入模塊EM235接收,CPU處理后,模擬量輸出模塊EM232輸出PWM脈沖信號(hào),控制智能晶閘管模塊,改變磁控管輸出功率,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度閉環(huán)控制。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主程序、初始化子程序、溫度采集與顯示子程序、自動(dòng)子程序、手動(dòng)子程序、自動(dòng)脈沖微波控制子程序、手動(dòng)脈沖微波控制子程序、故障報(bào)警等。
2.2.1 溫度與脈沖微波控制程序
溫度與脈沖微波控制程序是系統(tǒng)的控制核心,采用pt100鉑熱電阻采集出料口物料溫度,由EM235將信號(hào)輸入CPU224,經(jīng)處理,由EM235、EM232輸出端控制智能晶閘管模塊輸入信號(hào)或工作時(shí)間,改變磁控管功率,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的閉環(huán)控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為手動(dòng)、自動(dòng)兩種模式。在自動(dòng)模式下,溫度控制算法采用PID算法,計(jì)算出脈沖占空比,由EM235輸出控制信號(hào),通過智能晶閘管模塊調(diào)節(jié)脈沖微波占空比,改變磁控管微波輸出功率,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制與調(diào)節(jié)。在手動(dòng)模式下,操作人員根據(jù)溫度控制要求,通過HMI設(shè)置PWM脈沖信號(hào)占空比或直接設(shè)置磁控管輸出功率,溫度與脈沖微波控制程序流程圖如圖4所示。
圖4 溫度與脈沖微波控制程序框圖
本系統(tǒng)采用普通微波和脈沖微波兩種方式控制磁控管,通過改變磁控管有效工作時(shí)間,調(diào)節(jié)輸出總功率,進(jìn)而對(duì)溫度進(jìn)行控制。為保證溫度上升幅度和速率,前3節(jié)箱體的磁控管采用普通微波方式,并通過PLC定時(shí)器功能控制磁控管工作時(shí)間來調(diào)節(jié)溫度上升的幅度和速率。為實(shí)現(xiàn)溫度連續(xù)可調(diào),采用48個(gè)智能晶閘管模塊對(duì)后4節(jié)箱體磁控管采用脈沖微波方式,PLC通過分別控制智能晶閘管模塊的輸入信號(hào),調(diào)節(jié)磁控管的輸出功率。系統(tǒng)也可以直接通過直流電源或交流接觸器的通斷,實(shí)現(xiàn)磁控管的控制。
2.2.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)
觸摸屏選用步科M4512T,具有RS485串口,可以與S7-200系列PLC直接連接,實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備的啟??刂坪蛥?shù)實(shí)時(shí)顯示與設(shè)定。采用設(shè)備工藝流程圖為主畫面,如圖5所示。在主畫面上配備操作開關(guān)、參數(shù)顯示及設(shè)定,添加自動(dòng)畫面、手動(dòng)畫面、報(bào)警信息畫面,歷史溫度趨勢畫面和幫助畫面,界面友好,操作簡單。
圖5 HMI主界面
本系統(tǒng)以PLC為核心控制器,觸摸屏為人機(jī)交互界面,提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化控制水平。采用智能晶閘管模塊實(shí)現(xiàn)了脈沖微波輸出,且脈沖微波輸出功率在0~900W范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。溫度采用閉環(huán)控制,控制精度高。系統(tǒng)已投入生產(chǎn)14個(gè)月,運(yùn)行結(jié)果表明:系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,溫度分布均勻,微波爐輸出物料溫度在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。
[1]孫鳳坤,邢澤炳.微波技術(shù)原理及其發(fā)展與應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2014,6:3-4.
[2]薛丁萍,徐斌,姜輝,等.食品微波加工中的非熱效應(yīng)研究[J].中國食品學(xué)報(bào),2013,04(13):143-147.
[3]李建忠.微波對(duì)食品微生物的非熱生物效應(yīng)與微波殺菌技術(shù)[J].西南名族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,6(32):1219-1222.
[4]曹崇文.微波真空干燥技術(shù)現(xiàn)狀[J].干燥技術(shù)與設(shè)備,2004,3(2):5-9.
[5]周蔚紅,張鈞.電磁脈沖滅菌研究[J].微波學(xué)報(bào),2007,3(16):318:321-230.
[6]聶少伍,胡月來,黃漢英,等.谷物防蟲防霉專用微波爐的設(shè)計(jì)[J].食品與機(jī)械,2014,1:114-117.
[7]王棟.微波加熱系統(tǒng)的功率控制電路設(shè)計(jì)[J].電子制作,2012,11:57-58.