适用于微波固定床热联合干燥过程的烟草物料干燥强度自动调控系统及其方法

申请号 CN201710192855.2 申请日 2017-03-28 公开(公告)号 CN106954878A 公开(公告)日 2017-07-18
申请人 中国烟草总公司郑州烟草研究院; 发明人 朱文魁; 韩李锋; 陈良元; 李斌; 王兵; 马宇平; 丁美宙;
摘要 一种适用于 微波 固定床热 风 联合干燥过程的 烟草 物料干燥强度自动调控系统,包括干燥设备主体以及与其相关联且可对其工作过程和条件进行控制的自动进出料控制单元,热风干燥控制单元,筒壁 温度 控制单元,检测控制单元以及微波功率控制单元,进出料单元由进料口、卸料 阀 、溜管、吊篮、接料器构成;热风干燥控制单元和筒壁 温度控制 单元均是由温度 传感器 、电加热器及驱动装置组成;检测控制单元包括可编程 控制器 、计算机等;微波功率控制单元包括微波发生器和其驱动装置;各控制单元均与可编程控制器及计算机相连接并接受其指令并执行。该系统能根据物料干燥过程中 水 分比的变化来控制装置中各干燥单元的功率,最终获取品质更加稳定的联合干燥产品。
权利要求

1.一种适用于微波固定床热联合干燥过程的烟草物料干燥强度自动调控系统,其特征在于:包括干燥设备主体以及与该干燥设备主体相关联且可对其工作过程和条件进行控制的自动进出料控制单元,热风干燥控制单元,筒壁温度控制单元,检测控制单元以及微波功率控制单元,自动进出料单元由进料口、卸料、溜管、吊篮、接料器构成;热风干燥控制单元是由热风温度传感器、热风电加热器、热风加热驱动装置组成;筒壁温度控制单元是由筒壁温度传感器、筒壁电加热器、筒壁加热驱动装置组成;检测控制单元包括可编程控制器、计算机及警报器;微波功率控制单元包括微波发生器和微波驱动装置;各控制单元均与可编程控制器及计算机相连接并接受其指令并执行。
2.根据权利要求1所述的适用于微波固定床热风联合干燥过程的烟草物料干燥强度自动调控系统,其特征在于:热风温度和筒壁温度控制采用可编程控制器控制,通过PID控制方法实现对温度的实时反馈控制,从而达到温度恒定的目的。
3.根据权利要求1所述的适用于微波固定床热风联合干燥过程的烟草物料干燥强度自动调控系统,其特征在于:所述微波驱动装置中安装有变频组件,以适应微波发生器功率的实时变化。
4.根据权利要求1所述的适用于微波固定床热风联合干燥过程的烟草物料干燥强度自动调控系统,其特征在于:所述温度传感器为光纤温度传感器。
5.一种利用权利要求1所述自动调控系统对烟草物料进行干燥处理的方法,其特征在于:具体步骤如下:
1)机器预热:启动微波热风联合干燥自动调控系统,计算机中设置预热段的控制参数(筒壁温度、热风温度、热风流量),数据储存在计算机中,经过机器编译传输给可编程控制器,可编程控制器接受到指令后启动后质量流量控制器按照预定风量输送到干燥主体中,同时热风加热驱动装置、筒壁加热驱动装置接收到控制信号后,启动热风电加热器和筒壁电加热器对空气和筒壁分别进行加热,两个单元的温度传感器可实时将热风温度和筒壁温度参数反馈给可编程控制器,当热风温度及筒壁温度达到预定温度值时,可编程控制器发送指令给加热驱动装置,控制加热器停止工作;当温度低于预设温度时,重新启动加热器,不断通过检测、反馈、控制使热风温度和筒壁温度达到稳定值;
2)程序设定:预热约两个小时后,按照干燥工艺的要求添加干燥程序,设置各个干燥工段的控制参数,包括最终干基分比、各工段干基水分比,及对应工段的筒壁温度,热风温度,热风流量,微波功率;干燥物料的初始湿基含水率ω0提前设定并储存到计算机中,这一部分的数据传输方式与预热阶段相似,计算机编译结束后指令寄存在可编程控制器;
3)天平调零:取适量样品放入进料口内,并立刻关闭进料口腔,在计算机中操作对位于微波固定床热风联合干燥设备顶部的天平进行清零,可编程控制器接收计算机的指令后,控制天平进行调零;
4)物料干燥:计算机启动干燥后,可编程控制器接收到计算机的命令,传输给气动控制阀使进料器中的物料沿溜管滑落到天平的吊篮中,同时天平将物料的初始质量m0传输回可编程控制器,在计算机中进行储存;以后每隔5s传输储存一次实时质量mt,同时,温度传感器、加热驱动装置、加热器三者之间通过类似与预热阶段的指令传输过程,控制热风温度和筒壁温度;不同的是,可编程控制器会将热风温度传感器、筒壁温度传感器监测到的物料表面温度Ts、筒壁温度Td传输回计算机,并在计算机中进行保存和显示;微波驱动装置接受到可编程控制器发出的指令后,驱动微波发生器启动对物料进行微波干燥,微波的功率的数据也将由可编程控制器收集并传输回计算机;
5)工段改变:干燥工艺的改变主要参考两种控制模式:水分比MR模式和时间t模式,可编程控制器可以实时获取天平收集到的物料质量数据,并通过质量衡算式计算出干燥物料干基含水率Xt与初始干基含水率X0的比值,即水分比MR:
由此可知,水分比的变化范围为1 0,干燥程序一旦启动,便开始计时;
~
当选择以水分比模式作为干燥工艺改变的依据的模式时,可编程控制器实时收集计算物料的水分比MR,当检测到水分比低于当前干燥工段的预设水分比时,开始启动下一干燥程序,传输指令给热风加热驱动装置、质量流量控制器、筒壁加热驱动装置以及微波驱动装置,改变热风温度、热风流量、筒壁温度、微波功率等工艺参数,控制微波固定床热风联合干燥设备开始工作;当干燥设有n个干燥工段时,随着水分比的变化,微波固定床热风联合干燥设备也将按照以上控制方法,调整微波功率或热风温度,依次进入下一干燥工段,直到水分比达到最终水分比MRe;
当选择以时间模式作为干燥工段改变的依据时,控制原理与水分比模式相同,即干燥时间达到预设值时,可编程控制器启动下一干燥工段;
6)异常报警:当干燥过程中可编程控制器接收到热风温度、热风流量、筒壁温度以及微波功率等参数异常时,控制器将下指令立刻关闭整个微波固定床热风联合干燥设备,并发出指令给警报器,以警报形式提醒操作人员及时检查设备;
7)结束提醒:当可编程控制器监测到物料水分比低于预定的最终干基水分比时,发送指令给各个驱动装置和质量流量控制器,关闭微波发生器、热风加热器以及筒壁加热器,结束整个干燥过程;同时,发送指令给吊篮,使物料进入溜管,滑出到接料器;警报器也接收到可编程控制器的指令后开始工作,直至操作人员取出干燥产品,警报停止。

说明书全文

适用于微波固定床热联合干燥过程的烟草物料干燥强度自

动调控系统及其方法

技术领域

[0001] 本发明属于烟草干燥装置控制系统,具体是一种能够实时调控微波固定床热风联合干燥过程中烟草物料干燥强度的控制系统及其方法。

背景技术

[0002] 微波固定床热风联合干燥设备能够同时兼顾微波干燥和固定床热风干燥的优点,能够改变处理物料位置,提高微波的均匀性,可实现对微波的有效控制,加快干燥速率,较好的保留被干燥物料原有的色香味等香味成分,获取品质优良的干燥产物。
[0003] 然而,现有的微波固定床热风联合干燥设备,仅仅是通过实验或者经验获得数据对物料的干燥过程进行控制,干燥过程中虽然能够实时获得物料质量,设备主体筒壁温度以及热风温度等参数,但是必须需要操作人员对其参数变化进行监控,这样势必会增大操作所带来的误差,增加劳动成本,降低工作效率。
[0004] 近年来研究发现烟草材料干燥后期,采用分段式干燥,减低干燥加工强度,相比于传统的采用固定生产参数的方式加工产品能明显提高卷烟产品感官品质。然而现有的分段干燥过程均为时序控制方法,即在物料不同的干燥时间段进行不同干燥条件的处理。该时序控制方法,未考虑物料干燥过程中脱程度的变化,即在不同干燥阶段对物料干燥条件的调控仅仅依据干燥时间,与物料本身脱水状态的变化并无相关性。对初始含水率不同的相同物料,该时序调控方法难以达到一致性加工的目的。同时,对于脱水难易程度不同的物料,该调控方法缺乏普适性。因此,现行调控方法不能保证烟草加工企业大规模得到品质稳定的卷烟产品。
[0005] 基于此,有必要利用计算机控制技术发明一种控制系统,该控制系统可根据干燥过程中物料脱水状态的变化,对微波固定床热风联合干燥强度进行自动在线控制。计算机具有可程序化控制操作的特点,加工参数一旦设定,物料就可以一键式地产出,大大减低操作人员劳动强度,提高工作效率。同时,利用计算机控制系统的精准可靠的优势,可以增强对物料干燥过程的可控性,使干燥产品的品质更加稳定,有利于微波固定热风联合干燥设备的进一步推广普及。

发明内容

[0006] 本发明的目的正是针对现有的微波固定床热风干燥设备而专设计的一种适用于微波固定床热风联合干燥过程的物料干燥强度自动调控系统,该系统能够根据物料干燥过程中水分比的变化来控制装置中各个干燥单元的功率,最终获取品质更加稳定的联合干燥产品。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种适用于微波固定床热风联合干燥过程的烟草物料干燥强度自动调控系统,包括干燥设备主体以及与该干燥设备主体相关联且可对其工作过程和条件进行控制的自动进出料控制单元,热风干燥控制单元,筒壁温度控制单元,检测控制单元以及微波功率控制单元,自动进出料单元由进料口、卸料、溜管、吊篮、接料器构成;热风干燥控制单元是由热风温度传感器、热风电加热器、热风加热驱动装置组成;筒壁温度控制单元是由筒壁温度传感器、筒壁电加热器、筒壁加热驱动装置组成;检测控制单元包括可编程控制器、计算机及警报器;微波功率控制单元包括微波发生器和微波驱动装置;各控制单元均与可编程控制器及计算机相连接并接受其指令并执行。
[0008] 热风温度和筒壁温度控制采用可编程控制器控制,通过PID控制方法实现对温度的实时反馈控制,从而达到温度恒定的目的。
[0009] 本发明中干燥程序启动后,自动进出料系统能够自动输送到吊篮中,当干燥结束后吊篮的气动卸料板打开,物料沿溜道自动进入接料器。整个过程无需人工操作,只需提前设定干燥程序即可。热风干燥控制单元和筒壁温度控制单元都由光纤温度传感器、电加热器、电加热驱动装置组成,通过加热驱动装置控制加热器产生热量维持热风和筒壁温度保持在预定值不变。
[0010] 检测控制单元主要由可编程控制器和计算机组成,可编程控制器作为整个控制器的中心,可以实现干燥参数预先设置及干燥程序化设定的功能。计算机作为人机互动的窗口,干燥开始前,需提前将物料的初始湿基含水率及初始输入到计算机中,根据加工工艺条件对干燥过程进行程序化设定,设置参数包括不同干燥工段中热空气的流量,热空气的温度,筒壁温度,以及微波发生器的功率等。同时,检测控制单元通过数据线与天平连接,可以实时获取物料的质量参数,并将获得的时间和对应的质量数据传输给计算机,在计算机中对数据进行记录和分析。
[0011] 微波功率控制单元主要由可编程控制器进行控制,微波驱动装置接受控制传输的指令后,驱动微波发生器按照预设的功率进行工作。由于干燥过程要求微波发生器的工作功率能够实时变化,因此微波驱动装置中需要安装变频组件。
[0012] 利用上述自动调控系统对烟草物料进行干燥处理的方法,具体步骤如下:1)、机器预热:启动微波热风联合干燥自动调控系统,计算机中设置预热段的控制参数(筒壁温度、热风温度、热风流量),数据储存在计算机中,经过机器编译传输给可编程控制器,可编程控制器接受到指令后启动后质量流量控制器按照预定风量输送到干燥主体中,同时热风加热驱动装置、筒壁加热驱动装置接收到控制信号后,启动热风电加热器和筒壁电加热器对空气和筒壁分别进行加热,两个单元的温度传感器可实时将热风温度和筒壁温度参数反馈给可编程控制器,当热风温度及筒壁温度达到预定温度值时,可编程控制器发送指令给加热驱动装置,控制加热器停止工作;当温度低于预设温度时,重新启动加热器,不断通过检测、反馈、控制使热风温度和筒壁温度达到稳定值;
2)程序设定:预热约两个小时后,按照干燥工艺的要求添加干燥程序,设置各个干燥工段的控制参数,包括最终干基水分比、各工段干基水分比,及对应工段的筒壁温度,热风温度,热风流量,微波功率;干燥物料的初始湿基含水率ω0提前设定并储存到计算机中,这一部分的数据传输方式与预热阶段相似,计算机编译结束后指令寄存在可编程控制器;
3)天平调零:取适量样品放入进料口内,并立刻关闭进料口腔门,在计算机中操作对位于微波固定床热风联合干燥设备顶部的天平进行清零,可编程控制器接收计算机的指令后,控制天平进行调零;
4)物料干燥:计算机启动干燥后,可编程控制器接收到计算机的命令,传输给气动控制阀使进料器中的物料沿溜管滑落到天平的吊篮上,同时天平将物料的初始质量m0传输回可编程控制器,在计算机中进行储存;以后每隔5s传输储存一次实时质量mt。同时,温度传感器、加热驱动装置、加热器三者之间通过类似与预热阶段的指令传输过程,控制热风温度和筒壁温度;不同的是,可编程控制器会将热风温度传感器、筒壁温度传感器监测到的物料表面温度Ts、筒壁温度Td传输回计算机,并在计算机中进行保存和显示;微波驱动装置接受到可编程控制器发出的指令后,驱动微波发生器启动对物料进行微波干燥,微波的功率的数据也将由可编程控制器收集并传输回计算机;
5)工段改变:干燥工艺的改变主要参考两种控制模式:水分比MR模式和时间t模式,可编程控制器可以实时获取天平收集到的物料质量数据,并通过质量衡算式计算出干燥物料干基含水率Xt与初始干基含水率X0的比值,即水分比MR:
由此可知,水分比的变化范围为1 0。干燥程序一旦启动,便开始计时;
~
当选择以水分比模式作为干燥工艺改变的依据的模式时,可编程控制器实时收集计算物料的水分比MR,当检测到水分比低于当前干燥工段的预设水分比时,开始启动下一干燥程序,传输指令给热风加热驱动装置、质量流量控制器、筒壁加热驱动装置以及微波驱动装置,改变热风温度、热风流量、筒壁温度、微波功率等工艺参数,控制微波固定床热风联合干燥设备开始工作。当干燥设有n个干燥工段时,随着水分比的变化,微波固定床热风联合干燥设备也将按照以上控制方法,调整微波功率或热风温度,依次进入下一干燥工段,直到水分比达到最终水分比MRe;
当选择以时间模式作为干燥工段改变的依据时,控制原理与水分比模式相同,即干燥时间达到预设值时,可编程控制器启动下一干燥工段;
6)异常报警:当干燥过程中可编程控制器接收到热风温度、热风流量、筒壁温度以及微波功率等参数异常时,控制器将下指令立刻关闭整个微波固定床热风联合干燥设备,并发出指令给警报器,以警报形式提醒操作人员及时检查设备;
7)结束提醒:当可编程控制器检测到物料水分比低于预定的最终干基水分比时,发送指令给各个驱动装置和质量流量控制器,关闭微波发生器、热风加热器以及筒壁加热器,结束整个干燥过程。同时,发送指令给吊篮,使物料进入溜管,滑出到接料器;警报器也接收到可编程控制器的指令后开始工作,直至操作人员取出干燥产品,警报停止。
[0013] 本发明具有以下优点:1.本发明能够实现干燥器的自动进料和自动出料,减少人工操作微波热风联合干燥装置带来的实验误差,有效控制实验结果的精度
[0014] 2.本发明能够设置多个干燥工序,满足分段干燥、间歇干燥、联合干燥、单一干燥等不同干燥工艺的要求,兼顾两种控制模式,能够实现一机多用,提高操作效率。
[0015] 3.本发明通过水分比作为干燥强度判断的依据,能够有效地避免经验操作的不确定性,提高干燥产品的稳定性,保证产品的品质。
[0016] 4.本发明设有自动报警装置,当干燥过程出现意外状况或者干燥结束时,警报装置能够提醒操作者及时检查装置、收集产品。附图说明
[0017] 图1为适用于微波固定床热风联合干燥过程的物料干燥强度自动调控系统示意图。
[0018] 图1中:1、进料口,2、气动卸料阀,3、溜管,4、吊篮,5、干燥设备主体,6、接料器,7、热风温度传感器,7’、筒壁温度传感器;8、热风电加热器,8’、筒壁电加热器;9、热风电加热驱动装置,9’、筒壁电加热驱动装置,10、质量流量控制器,11、可编程控制器,12、计算机,13、微波发生器,14、微波驱动装置,15、警报器。
[0019] 图2为微波固定床热风联合干燥物料干燥强度的水分比MR模式控制流程图
[0020] 图3 MR控制模式下不同工段微波功率及热风温度控制变化示意图。

具体实施方式

[0021] 以下结合本发明的附图对本发明及其工作方法做进一步说明:本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种适用于微波固定床热风联合干燥过程的烟草物料干燥强度自动调控系统,包括干燥设备主体5以及与该干燥设备主体相关联且可对其工作过程和条件进行控制的自动进出料控制单元,热风干燥控制单元,筒壁温度控制单元,检测控制单元以及微波功率控制单元,自动进出料单元由进料口1、卸料阀2、溜管3、吊篮4、接料器6构成;热风干燥控制单元是由热风温度传感器7、热风电加热器8、热风加热驱动装置9组成;筒壁温度控制单元是由筒壁温度传感器7’、筒壁电加热器8’、筒壁加热驱动装置9’组成;检测控制单元包括可编程控制器11、计算机12及警报器15;微波功率控制单元包括微波发生器13和微波驱动装置14;各控制单元均与可编程控制器及计算机相连接并接受其指令并执行。
[0022] 在实际使用过程中,具体的实现步骤如下:1.机器预热。启动微波热风联合干燥控制装置,计算机(12)中设置预热段的控制参数(筒壁温度、热风温度、热风流量),数据储存在计算机(12)中,经过机器编译传输给可编程控制器(11)。可编程控制器(11)接受到指令后启动后质量流量控制器(10)按照预定风量输送到干燥设备主体(5)中,同时加热驱动装置(9、9’)接收到控制信号后,启动热风电加热器(8)和筒壁电加热器(8’)对空气和筒壁分别进行加热。两个单元的温度传感器(7、7’)可实时将热风温度和筒壁温度参数反馈给可编程控制器,当热风温度及筒壁温度达到预定温度值时,控制器发送指令给加热驱动装置(9、9’),控制两加热器停止工作。当温度低于预设温度时,重新启动两加热器。不断通过监测、反馈、控制使热风温度和筒壁温度达到稳定值。
[0023] 2.程序设定。预热约两个小时后,按照干燥工艺的要求添加干燥程序,设置各个干燥工段的控制参数,包括最终干基水分比(MRe)、各工段干基水分比(MR1, MR2,…,MRn),及对应的筒壁温度(Tg1, Tg2,…,Tgn),热风温度(Ta1, Ta2,…,Tan),热风流量(q1, q2,…,qn),微波功率(W1, W2,…,Wn)。干燥物料的初始湿基含水率ω0提前设定并储存到计算机(12)中。这一部分的数据传输方式与预热阶段相似,计算机编译结束后指令寄存在可编程控制器(11)。
[0024] 3.天平调零。取5g样品放入进料口(1)内,并立刻关闭进料口腔门。在计算机(12)中操作对天平进行清零。可编程控制器(11)接收计算机的指令后,控制天平进行调零。
[0025] 4.物料干燥。计算机(12)启动干燥后,控制器(11)接收到计算机(12)的命令,传输给气动卸料阀(2)使进料器中的物料沿溜管滑落到吊篮(4)上,同时天平将物料的初始质量m0传输回控制器(11),在计算器(12)中进行储存。以后每隔5s传输储存一次实时质量mt。同时,温度传感器、加热器、加热驱动装置三者之间通过类似与预热阶段的指令传输过程,控制热风温度和筒壁温度。不同的是,可编程控制器(11)会将热风温度传感器、筒壁温度传感器监测到的物料表面温度Ts、筒壁温度Td传输回计算机(12),并在计算机(12)中进行保存和显示。微波驱动装置(14)接受到控制中心发出的指令后,驱动微波发生器(13)启动对物料进行微波干燥,微波的功率的数据也将由控制器收集并传输回计算机(12)。
[0026] 5.工段改变。干燥工艺的改变主要参考两种模式:水分比MR模式和时间t模式。干燥程序一旦启动,便开始计时。
[0027] 当选择以水分比模式作为干燥工艺改变的依据的模式时,控制器(11)实时收集计算物料水分比MR,当检测到MR2
[0028] 当在计算机(12)中选择以时间模式作为干燥工段改变的依据时,控制原理与水分比模式相同,即干燥时间达到预设值时,可编程控制器(11)启动下一干燥工段。具体控制方法可以参考图3。
[0029] 6.异常报警。当干燥过程中可编程控制器(11)接收到热风温度、热风流量、筒壁温度以及微波功率等参数异常时,控制器(11)将立刻关闭整个干燥装置,并发出指令给警报器(15),以警报形式提醒操作人员及时检查设备。
[0030] 结束提醒。当控制器(11)监测到物料MR
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