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河北科技师范学院2009届本科毕业设计

微波干燥机测控系统的现状与发展

赵会新

摘 要：本文阐述了微波干燥的工作原理及特点，介绍了国内外现状及发展趋势，并对目前的集中微波干燥控制方案进行了对比。测控系统是干燥机的中枢，其性能对被干燥产品的质量及公司效益有较大影响。因此，本设计是一个基于单片机的智能化测控系统，从而使得干燥的能耗低，效率高，操作方便，参数控制精度高，保证物料品质，提高物料干燥过程的自动化和智能化水平。

关键词：微波干燥机；现状及发展；单片机；测控系统

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引言

目前，越来越多的农产品需要长期储存，干燥的基本目标是保持干燥过程稳定的前提下，以最低的干燥成本和能耗得到物料最优的烘干品质。

传统的热风加热方式使干燥机热效率比较低，干燥成本高。微波以其独特的加热方式，提高了热能利用率，降低了生产成本，因此微波干燥机被广泛应用于物料干燥中。但不同的物料吸收微波性能和传热传质特性不同以及热敏性能不同，对干燥过程的温度、湿度和干燥时间的控制提出了严格的要求，尤其是变温、间隙式等节能高效干燥方式，对干燥过程参数的控制提出了更高的要求。

测控系统是干燥机的中枢[2]，它具有对工作台、传送带、鼓风机等元件以及对温度、湿度等参量的测控功能，其性能对被干燥产品的质量及公司效益有较大影响。

因此，针对农副产品的干燥要求，并基于现有的一种微波连续干燥机，很有必要设计一个智能化测控系统，使得干燥的能耗低，效率高，操作方便，参数控制精度高，保证物料品质，提高物料干燥过程的自动化和智能化水平。

1 微波干燥机的基本原理及特点

1.1 微波干燥原理

微波是一种波长极短的电磁波，波长在1mm到1m之间，其相应频率在300GHz至300MHz之间。微波加热技术是利用电磁波把能量传播到被加热物体的内部，加热达到生产所需求的一种新技术。为了不干扰雷达和通信设备的正常工作，医用、工业加热和烹调用磁控管的工作频率通常为915±25兆赫及2450±50兆赫[3]。

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微波干燥依赖于微波加热[4]。微波的加热机理完全不同于传统的加热方法（传导、对流、辐射）。当微波照射到含水物料时，由于水分子是极性分子，极性分子排列从杂乱无章非极性状态变成有序排列。当外电场方向反复变动时，极性分子相应随之反复转换，频繁地摆动，在摆动过程中，造成分子间类似摩擦作用而产生大量热量，物料的温度也随之升高。微波加热就是利用介电损耗原理将微波能转化成为物料加热所需要的热能，物料吸收热量与其物料电介质的损耗因子成正比。由于水（或其它溶剂）的电介质损耗因子比其他物质大得多，所以水（或其它溶剂）分子优先吸收微波能，水分子由物料内部向表面移动，继续吸收微波能，水分变成水蒸汽而被排走，从而迅速完成干燥的目的。

1.2 微波干燥设备的特点

（1）均匀快速，这是微波干燥的主要特点。由于微波具有较大的穿透能力，加热时可使介质内部直接产生热量。

（2）具有选择性，微波加热与物质的本身性质有关、在一定频率的微波场中，水由于其介质损耗比其它物料大，故水分比其它干物料的吸热量大得多；同时由于微波加热是表里同时进行，内部水份可以很快地被加热并直接蒸发出来，这样陶瓷坯体可以在很短的时间内经加热而脱模。

（3）热效率高、反应灵敏，由于热量直接来自于干燥物料内部，热量在周围介质中的损耗极少，加上微波加热腔本身不吸热，不吸收微波，全部发射作用于物料，热效率高。

1.3 微波连续干燥机的结构与工作原理

微波连续干燥机由进料斗、干燥腔（微波发生器、波装导置）、输送装置、仪表控制柜、控制系统和机架等组成。5个干燥腔串联在一起，每个干燥腔内均安装有3个微波磁控管和驻波管，物料输送带由变频电机驱动穿过相互串联的5 个微波干燥腔。在每个干燥腔上安装1个红外温度传感器、1个湿度传感器和1个排湿风机。在进料口和排料口各安装1个水分传感器。仪表控制柜上安装有物料表面温度显示仪、空气温湿度显示仪、风机控制开关、水分显示仪、变频调速显示仪、电源开关、磁控管功率调节开关、磁控管工作时间调节开关、输送带电机开关。各显示仪分别与相应的传感器连接[5]。

工作时，物料从进料口落到物料输送带上，物料输送带在电机的驱动下，穿过相互串联的微波干燥腔，在每个干燥腔内物料受到微波加热作用，温度升高，同时物料中的水分向外蒸发，在排湿风机的作用下，干燥腔内的水蒸气不断被排到腔外，被干燥后

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的物料从出料口排出。在干燥过程中，湿度传感器和温度传感器不断采集各个干燥腔内的湿度和物料温度，水分传感器采集物料的水分含量，将这些信息输送到控制系统，从而控制磁控管的输出功率、排湿风速和物料输送带的运行速度，调节干燥腔的温度和湿度以及干燥时间，保证物料干燥品质和干燥效率。控制系统能根据物料在干燥过程中温度、湿度和物料含水率的变化，不断优化控制参数，自动调节系统参数，实现干燥工艺参数的动态优化。

2 国内外研究现状

早在上世纪80年代，美国、加拿大、英国和德国就开始研究微波真空干燥技术，主要集中在美国的威斯康辛大学、加利福尼亚大学，加拿大的British Columbia大学，德国的Karlsruhe大学，英国的Queen’s University，希腊的国立科技大学，法国的Albi研究所等[7]。研究的内容涉及微波真空干燥机理、传热传质、微波真空干燥模拟、微波真空干燥能耗与工艺以及各种不同类型物料（香蕉，萝卜片，土豆，浆果等）的微波真空干燥操作等。

30 年来, 中国的许多干燥技术已得到了工业化应用[8], 主要有喷雾干燥、流态化干燥( 普通流化床,振动流化床, 内加热流化床, 流化床喷雾造粒干燥) 、蒸汽回转干燥、气流干燥、回转圆筒干燥、旋转快速干燥、圆盘干燥、带式干燥、双锥回转真空干燥、桨叶式干燥、冷冻干燥、微波及远红外干燥、粮食干燥等。常规干燥设备基本可以满足生产需要,有部分机型已达到国际当代水平并出口到国外[9]。

干燥单元的重要性不仅在于它对产品生产过程的效率和总能耗有较大的影响, 还在于它往往是生产过程的最后工序, 操作的好坏直接影响产品质量, 从而影响市场竞争力和经济效益。我国有许多产品, 就纯度而言已经达到甚至超过国外产品, 只是因为干燥技术不如国外, 堆积密度、粒度、色泽等物性指标上不去, 在国际市场竞争中处于劣势, 有的售价仅为国外同类产品的三分之一。目前我国某些大型石化干燥装备还依赖进口。椐估计, 我国生产的干燥设备种类仅为国外的30%～40%。由此可见, 我国干燥技术研究仍然是任重而道远。

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3 国内外微波干燥机的发展趋势

微波干燥总的发展趋势是改革创新、节能降耗、降低成本、提高其经济性[10]。 干燥技术随着有关产业的发展有较大进展。干燥技术涉及不同类型产品的品质、形状、干燥前后的物态。干燥设备的能耗在工业发达国家超过其能耗总量的10%, 因此, 降低干燥设备能耗是涉及面广的长远课题。目前, 工业生产对干燥技术的需求剧增, 这就

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促进了干燥设备的发展, 尤其是机电一体化、制造加工标准化、提高调控水平等成了干燥设备研究发展的方向。近期内干燥技术要有突破性进展还相当困难, 一般是趋于技术革新。目前, 在世界范围内干燥设备的主要研究方向是有效利用能源、提高产品质量与产量、减少环境污染、安全操作、易于控制和一机多用等。具体研究课题为[11]: (1) 在直接式干燥器中使用过热蒸汽作为干燥介质。 (2) 大量使用间接加热方式。

(3) 采用组合式传热方式(对流、传导与介电或热辐射的组合)。 (4) 采用容积式加热(微波或高频场)。 (5) 组合使用不同类型干燥器。 (6) 采用间断传热方式[12]。

(7) 运用新型或更为有效的供热方法(如脉冲燃烧、感应加热等)。 (8) 运用新型气固接触技术(如二维喷动床、旋转喷动床等)。 (9) 应用计算机辅助设计，设计灵活的、多用途的干燥器[13]。 (10)使用模糊逻辑、神经网、专家系统等实现干燥过程的控制。

4 方案对比

4.1 基于工控机

工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，其最大的优势是便于管理，而且，机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力[14]。

尽管工控机具有得天独厚的优势，但其劣势也是非常明显的：数据处理能力差，价格较高，具体如下：（1） 配置硬盘容量小；（2）数据安全性低；（3）存储选择性小。

4.2 基于PLC

PLC是英文Programmable Logic Controller的简称,翻译过来就是可编程逻辑控制器。PLC是一种数字运算操作的电子系统，广泛应用于工业控制。它采用可以编制程序的存储器,用来存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等一系列操作的指令，而且还能以数字或模拟的方式输入和输出，控制各类的机械或生产过程[15]。

PLC更注重于工业应用，其最大的特点就是可靠性高，抗干扰能力强，便于维护，但是执行速度慢，投资成本高。

4.3 基于单片机

单片机是指集成在一块芯片上的完整的计算机系统[16]。尽管它的大部分功能集成在

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一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上[17]。

单片机技术含量高，工作量很大的，对于抗干扰、模块化要求低，但是单片机编写的程序更合理，使用灵活，成本低廉，性价比高，应用更广泛。

4.4 方案选择

根据以上方案的具体分析，从工程的角度，对基于PLC、工控机以及单片机测控系统方案进行选择：

（1）工控机虽然便于管理，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力，但是其劣势也是非常明显的：数据处理能力差，成本较高。

（2）对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高，可靠性好，但成本较高。

（3）对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行[18]。

综上所述，基于微波干燥测控系统的改革创新、节能降耗、降低成本、提高其经济性的发展趋势，在保证生产规范化的前提下,为提高产品质量,降低成本,满足需要,保证安全生产，本设计最终选择性价比高、使用灵活、应用广泛的单片机测控系统的方案。

5 总结

随着计算机技术的迅速发展,将微型计算机技术引入测控系统中[19],不仅可以解决传统测控系统不能解决的问题,而且还能简化电路、增加或增强功能、提高测控精度和可靠性[20],显著增强测控系统的自动化、智能化程度。这就在一定程度上实现了微波干燥技术的改革创新、节能降耗、经济效益的提高。

通过参考中外相关文献[21]，我对微波干燥的原理与应用有了较全面的认识，基于国内外微波干燥技术的现状与发展趋势，以及对基于PLC、工控机、单片机等测控系统的分析与方案选择，本文将设计一个基于单片机的智能化测控系统，使得干燥的能耗低，效率高，操作方便，参数控制精度高，保证物料品质，提高物料干燥过程的自动化和智能化水平。

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