CN114353455A - 一种烘干系统及其控制方法 - Google Patents

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CN114353455A CN202111512425.7A CN202111512425A CN114353455A CN 114353455 A CN114353455 A CN 114353455A CN 202111512425 A CN202111512425 A CN 202111512425A CN 114353455 A CN114353455 A CN 114353455A
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Abstract

本发明公开了一种烘干系统及其控制方法，涉及烘干控制技术领域，解决了现有技术无法满足大量药材快速干燥的需求，导致控制效果不佳，成本能耗高的技术问题；包括供热模块、储热模块、烘干模块和监控模块；本发明根据天气参数评估太阳能集热器工作状态，PLC和组态控制结合太阳能集热器工作状态自动切换太阳能集热器加热或空气能热泵机组加热，以实现最大程度的节能，对能源进行充分利用，降低了烘干系统的能耗成本；本发明通过变频器参数设置以及双闭环PID控制的设计方法，解决了烘干室环境温度、循环水箱水温和烘干温度设定值三者之间的数值时间变化关系，保证了烘干系统的稳定和准确运行。

Description

一种烘干系统及其控制方法
技术领域
本发明属于烘干控制领域，涉及一种基于太阳能和PID控制的物料烘干技术，具体是一种烘干系统及其控制方法。
背景技术
很多药材在处理过程中，均需要进行烘干，以保留精华部分；传统的烘干工艺采用先蒸熟后晒干的方法，但晾晒完全依靠天气条件，且过分干燥容易造成药材损坏，不能保证药材的颜色，后期保存也易生虫，使得干燥后的物料质量达不到要求。
为了保证有效成分含量，一般通过阴干法对药材进行烘干；阴干处理的药材有效成分含量高，但是时间较长易返潮，无法满足大量药材快速干燥的需求；因此，亟需一种能够进行药材大批量处理、低成本、低能耗的烘干系统。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一；为此，本发明提出了一种烘干系统及其控制方法，用于解决现有技术无法满足大量药材快速干燥的需求，导致控制效果不佳，成本能耗高的技术问题，本发明将太阳能集热器和空气能热泵有机结合在一起，加装以PLC为核心的智能控制器，对烘干温度进行恒温控制，节能的同时保证烘干工艺的稳定性和药材烘干的高品质需求。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种烘干系统，包括供热模块、储热模块、烘干模块和监控模块；所述供热模块包括太阳能集热器和空气能热泵机组，且太阳能集热器和空气能热泵机组并行连接；
供热模块：根据天气参数控制太阳能集热器和空气能热泵机组协作运行，为循环水箱提供热量；其中，太阳能集热器中的光伏组件角度可调，空气能热泵机组与变频器相连接；
储热模块：用于保证循环水箱的水量和温度；其中，循环水箱通过供热模块集热，且将热水输送至烘干模块；
烘干模块：通过末端循环水泵抽取循环水箱中的热水，热水流经烘干室内的水暖散热片，由供热风机将水暖散热片热量吹向物料；
监控模块：根据天气参数评估太阳能集热器工作状态，结合PLC技术和组态控制技术控制供热模块工作。
优选的，PLC技术结合双环PID控制技术实现对烘干室内温度的调节；双环PID控制技术包括内环PID控制和外环PID控制。
优选的，内环PID控制：设定水温目标值，通过温度变送器将循环水箱水温转换为电信号，将电信号送至变频器，变频器根据PID运算量控制压缩机转速。
优选的，外环PID控制：设定烘干室内温度，温度变送器将烘干室内温度转换为电信号，通过PID指令对电信号进行运算，驱动烘干室内供热风机运行。
优选的，所述监控模块通过实时定位捕捉技术或者角度数据预设法对光伏组件的角度进行自动调节。
优选的，所述实时捕捉技术通过太阳能跟踪器调节光伏组件。
优选的，所述角度数据预设法通过太阳角度数据完成光伏组件的调节，包括：
以光伏组件基点的坐标为基准，通过第三方天文平台预先获取太阳角度数据；其中，太阳角度数据包括太阳入射角和太阳高度角；
对太阳角度数据进行数据处理，通过插值法获取角度查找表；
结合角度查找表对光伏组件进行定时调节。
优选的，在通过所述角度数据预设法对光伏组件进行调节之前，对天气状态进行评估，包括：
预先获取设定时间范围内的平均云量；其中，设定时间范围为日出时刻和日落时刻之间的范围；
当平均云量超过云量阈值时，则判定天气状态不佳，通过实时捕捉技术调节光伏组件；否则，通过角度数据预设法调节光伏组件；其中，云量阈值的取值范围为[0，0.5]。
一种烘干系统的控制方法，包括：
通过实时定位捕捉技术或者角度数据预设法对光伏组件的角度进行自动调节，保证太阳能集热器正常工作；
PLC和组态控制技术相结合，驱动太阳能集热器和空气能热泵机组协作运行为循环水箱提供热量；
通过双环PID控制技术驱动与循环水箱连接的末端循环水泵抽取循环水箱里的热水，流经烘干室内的水暖散热片，由供热风机将热量吹向药材实现烘干。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明根据天气参数评估太阳能集热器工作状态，PLC和组态控制结合太阳能集热器工作状态自动切换太阳能集热器加热或空气能热泵机组加热，以实现最大程度的节能，对能源进行充分利用，降低了烘干系统的能耗成本。
2、本发明通过变频器参数设置以及双闭环PID控制的设计方法，解决了烘干室环境温度、循环水箱水温和烘干温度设定值三者之间的数值时间变化关系，保证了烘干系统的稳定和准确运行。
附图说明
图1为本发明的系统原理示意图；
图2为本发明的双环PID控制原理示意图；
图3为本发明的工作步骤示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
传统的干燥方法有阴干法，阴干处理药材的优点是有效成分含量高，但时间较长易返潮，无法满足大量药材快速干燥的要求。传统的烘干工艺采用先蒸熟后晒干的方法，但晾晒完全依靠天气条件，且部分花瓣过分干燥容易造成瓣片脱落，不能保证花的颜色，后期保存也易生虫，干燥后的药材质量达不到要求。
如何保证药材的有效成分含量最高的前提下，降低物料烘干的能耗是该领域的研究重点；本发明将太阳能集热器和空气能热泵有机结合在一起，加装以PLC为核心的智能控制器，使烘干温度恒温控制在70℃，节能的同时保证烘干工艺的稳定性和药材烘干的高品质需求。
请参阅图1-图3，本申请提供了一种烘干系统，包括供热模块、储热模块、烘干模块和监控模块；供热模块包括太阳能集热器和空气能热泵机组，且太阳能集热器和空气能热泵机组并行连接；
供热模块：根据天气参数控制太阳能集热器和空气能热泵机组协作运行，为循环水箱提供热量；其中，太阳能集热器中的光伏组件角度可调，空气能热泵机组与变频器相连接；
储热模块：用于保证循环水箱的水量和温度；其中，循环水箱通过供热模块集热，且将热水输送至烘干模块；
烘干模块：通过末端循环水泵抽取循环水箱中的热水，热水流经烘干室内的水暖散热片，由供热风机将水暖散热片热量吹向物料；
监控模块：根据天气参数评估太阳能集热器工作状态，结合PLC技术和组态控制技术控制供热模块工作；天气参数具体为云量以及云量平均值。
本申请主要由供热模块(包括太阳能集热器和变频器控制的空气能热泵机组)、储热模块(把纯净水作为传热介质的循环水箱)、烘干模块、监控模块(采用MCGS+PLC+传感器)等4部分组成，系统结构如图1所示；太阳能集热器和变频空气能热泵并行联接，可同时为循环水箱提供热量；加装了变频器的空气能热泵机组能够以不同的工作频率来适应各种复杂的天气，使得该系统更节能；末端循环水泵抽取循环水箱里的热水，流经烘干室内的散热片，由供热风机将热量吹向放有药材的板房货架，实现烘干的目的；监控模块采用PLC和组态控制，根据季节和天气情况，PLC程序算法自动切换太阳能集热器加热或空气能热泵机组加热，以实现最大程度的节能。
根据以上设计思路，当系统处于冬季阳光条件不佳或水箱水温不能满足烘干条件时，PLC控制变频空气能热泵机组工作；本发明重在论述该子系统的硬件设计、变频器参数设置以及双闭环PID控制的设计方法，核心问题解决烘干室环境温度、循环水箱水温和烘干温度设定值三者之间的数值时间变化关系，让该恒温烘干系统运行起来更稳定、更快速和更准确。
请参阅图2，本申请中PLC技术结合双环PID控制技术实现对烘干室内温度的调节；双环PID控制技术包括内环PID控制和外环PID控制。
内环PID控制构成为：水温目标值可以模拟设定进变频器10、2、5端子，或者在触摸屏数字设定两种方式，温度变送器将循环水箱水温转换为电信号，送至变频器4和5端子，STF作为变频器正转启动信号，RL作为内环PID使能信号，变频器将根据PID运算量控制压缩机的转速，从而实现控制循环水箱水温的目的。
外环PID控制构成为：烘干室室内温度设定值送至模拟量模块输入第二通道，或者在触摸屏数字设定两种方式，温度变送器将烘干室环境温度转换为电信号，将其送入模拟量模块第一通道，运用PLC自带的PID指令进行运算处理后，控制固态继电器SSR的通断，驱动烘干室风机运行，实现最终控制烘干室环境温度的目的。
PID运算是闭环控制中较成熟的调节方式，它在改善控制系统品质，保证系统偏差e(设定值和过程变量的差)达到预定指标，使系统实现稳定状态方面具有良好的效果。PID控制器由比例(P)控制、积分(I)控制和微分(D)控制组成，其输出u(t)与输入e(t)的关系为：
Figure BDA0003399359080000061
式中，Kp为比例系数；Ti为积分系数；Td为微分系数；u(t)为输出；e(t)为输入。
传递函数为：
Figure BDA0003399359080000062
式中，U(S)为输出量的拉普拉斯变换；E(S)为输入量的拉普拉斯变换；S为微分算子。
该系统中的内环PID动作即为变频器的操作量，本控制中需要PID采用反作用进行调节，即当偏差X＝(目标值-测量值)为正时，变频器增加操作量(输出频率)，如果偏差为负，则减小操作量。
本申请中监控模块通过实时定位捕捉技术或者角度数据预设法对光伏组件的角度进行自动调节。
在一个实施例中，角度数据预设法通过太阳角度数据完成光伏组件的调节，包括：
以光伏组件基点的坐标为基准，通过第三方天文平台预先获取太阳角度数据；其中，太阳角度数据包括太阳入射角和太阳高度角；
对太阳角度数据进行数据处理，通过插值法获取角度查找表；
结合角度查找表对光伏组件进行定时调节。
本实施例中，将太阳角度数据和对应的时刻整合成一组数据，则可以获取N组数据；值得注意的是，N组数据中包括日出时刻的太阳角度数据和日落时刻的太阳角度数据。
将N组数据按照时序进行排列，然后将调节周期作为步长对N组数据进行插值，生成角度查找表；调节周期为光伏组件的调节间隔，如每分钟、每刻钟等。
本实施例中的预先指提前一天或者提前多天获取太阳角度数据，所以角度查找表实际在对光伏组件调节之前的一天或者多天就已经生成了。
在一个具体的实施例中，在通过角度数据预设法对光伏组件进行调节之前，对天气状态进行评估，包括：
预先获取设定时间范围内的平均云量；其中，设定时间范围为日出时刻和日落时刻之间的范围；
当平均云量超过云量阈值时，则判定天气状态不佳，通过实时捕捉技术调节光伏组件；否则，通过角度数据预设法调节光伏组件；其中，云量阈值的取值范围为[0，0.5]。
一种烘干系统的控制方法，包括：
通过实时定位捕捉技术或者角度数据预设法对光伏组件的角度进行自动调节，保证太阳能集热器正常工作；
PLC和组态控制技术相结合，驱动太阳能集热器和空气能热泵机组协作运行为循环水箱提供热量；
通过双环PID控制技术驱动与循环水箱连接的末端循环水泵抽取循环水箱里的热水，流经烘干室内的水暖散热片，由供热风机将热量吹向药材实现烘干。
上述公式中的部分数据均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集的大量数据经过软件模拟得到最接近真实情况的一个公式；公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者通过大量数据模拟获得。
本发明的工作原理：
通过实时定位捕捉技术或者角度数据预设法对光伏组件的角度进行自动调节，保证太阳能集热器正常工作；
PLC和组态控制技术相结合，驱动太阳能集热器和空气能热泵机组协作运行为循环水箱提供热量；
通过双环PID控制技术驱动与循环水箱连接的末端循环水泵抽取循环水箱里的热水，流经烘干室内的水暖散热片，由供热风机将热量吹向药材实现烘干。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。

Claims (9)

1.一种烘干系统，包括供热模块、储热模块、烘干模块和监控模块，其特征在于，所述供热模块包括太阳能集热器和空气能热泵机组，且太阳能集热器和空气能热泵机组并行连接；
供热模块：根据天气参数控制太阳能集热器和空气能热泵机组协作运行，为循环水箱提供热量；其中，太阳能集热器中的光伏组件角度可调，空气能热泵机组与变频器相连接；
储热模块：用于保证循环水箱的水量和温度；其中，循环水箱通过供热模块集热，且将热水输送至烘干模块；
烘干模块：通过末端循环水泵抽取循环水箱中的热水，热水流经烘干室内的水暖散热片，由供热风机将水暖散热片热量吹向物料；
监控模块：根据天气参数评估太阳能集热器工作状态，结合PLC技术和组态控制技术控制供热模块工作。
2.根据权利要求1所述的一种烘干系统，其特征在于，PLC技术结合双环PID控制技术实现对烘干室内温度的调节；双环PID控制技术包括内环PID控制和外环PID控制。
3.根据权利要求2所述的一种烘干系统，其特征在于，所述内环PID控制用于设定水温目标值，通过温度变送器将循环水箱水温转换为电信号，将电信号送至变频器，变频器根据PID运算量控制压缩机转速。
4.根据权利要求2所述的一种烘干系统，其特征在于，所述外环PID控制用于设定烘干室内温度，温度变送器将烘干室内温度转换为电信号，通过PID指令对电信号进行运算，驱动烘干室内供热风机运行。
5.根据权利要求1所述的一种烘干系统，其特征在于，所述监控模块通过实时定位捕捉技术或者角度数据预设法对光伏组件的角度进行自动调节。
6.根据权利要求5所述的一种烘干系统，其特征在于，所述实时捕捉技术通过太阳能跟踪器调节光伏组件。
7.根据权利要求5所述的一种烘干系统，其特征在于，所述角度数据预设法通过太阳角度数据完成光伏组件的调节，包括：
以光伏组件基点的坐标为基准，通过第三方天文平台预先获取太阳角度数据；其中，太阳角度数据包括太阳入射角和太阳高度角；
对太阳角度数据进行数据处理，通过插值法获取角度查找表；
结合角度查找表对光伏组件进行定时调节。
8.根据权利要求7所述的一种烘干系统，其特征在于，在通过所述角度数据预设法对光伏组件进行调节之前，对天气状态进行评估，包括：
预先获取设定时间范围内的平均云量；其中，设定时间范围为日出时刻和日落时刻之间的范围；
当平均云量超过云量阈值时，则判定天气状态不佳，通过实时捕捉技术调节光伏组件；否则，通过角度数据预设法调节光伏组件；其中，云量阈值的取值范围为[0，0.5]。
9.根据权利要求1至8任意一项权利要求所述的一种烘干系统的控制方法，其特征在于，具体步骤包括：
通过实时定位捕捉技术或者角度数据预设法对光伏组件的角度进行自动调节，保证太阳能集热器正常工作；
PLC和组态控制技术相结合，驱动太阳能集热器和空气能热泵机组协作运行为循环水箱提供热量；
通过双环PID控制技术驱动与循环水箱连接的末端循环水泵抽取循环水箱里的热水，流经烘干室内的水暖散热片，由供热风机将热量吹向药材实现烘干。
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