第一章 緒論

1.1 研究背景及意義
煙草行業(yè)在我國(guó)農(nóng)業(yè)收入板塊中占有相當(dāng)大的份額，每年為我國(guó)帶來(lái)兩千多萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)收入，且呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有著舉足輕重的地位。隨著近年來(lái)我國(guó)人民生活水平的提高，煙草行業(yè)更是得到了長(zhǎng)足得發(fā)展。2008年以來(lái)，我國(guó)煙草行業(yè)高速發(fā)展時(shí)期，銷(xiāo)售量逐日增長(zhǎng)。其中僅2011年上半年，我國(guó)就生產(chǎn)卷煙2550.5萬(wàn)箱，同比增長(zhǎng)3.9%；銷(xiāo)售卷煙2615.9萬(wàn)箱，同比增長(zhǎng)4.3%。2012 年，我國(guó)銷(xiāo)售卷煙實(shí)現(xiàn)收入 7554.20 億元，相比 2011 年銷(xiāo)售量增長(zhǎng)15.13% 。到目前為止，全國(guó)有123個(gè)地區(qū)、518個(gè)縣、4269 個(gè)鄉(xiāng)種植煙草，煙草行業(yè)已經(jīng)在全國(guó)范圍內(nèi)建立了三批22個(gè)農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化示范區(qū)。煙草行業(yè)的穩(wěn)定對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要，而作為煙草行業(yè)的基礎(chǔ)，煙葉的穩(wěn)定為煙草行業(yè)提供必要的安全保障。而煙葉烘烤質(zhì)量的高低直接影響著煙葉的生產(chǎn)效益。烘烤是煙葉生產(chǎn)過(guò)程中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，烘烤過(guò)程中的溫濕度環(huán)境直接導(dǎo)致烤后煙葉的品質(zhì)，因此，溫濕度能否精準(zhǔn)的測(cè)量并跟上預(yù)先設(shè)定的烘烤工藝曲線(xiàn)是煙葉烘烤研究必須面對(duì)的問(wèn)題。煙葉成品的質(zhì)量，不但受新鮮煙葉本身素質(zhì)影響，還與烘烤設(shè)備和烘烤工藝有著密不可分的關(guān)系。
烘烤設(shè)備是煙葉烘烤的基礎(chǔ)，先進(jìn)的烘烤設(shè)備在大大降低生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省煙葉烘烤的生產(chǎn)成本的同時(shí)，還可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)科學(xué)的烘烤工藝，顯著地提高煙葉的烤后品質(zhì)。煙葉只有在烘烤房中經(jīng)過(guò)科學(xué)的烘烤工藝烘烤后，才能顯現(xiàn)出煙葉色、香、味、型的特性，為卷煙提供優(yōu)質(zhì)的原料，因此烘烤房的好壞決定了煙葉的成品質(zhì)量，優(yōu)質(zhì)的新鮮煙葉，在沒(méi)有一個(gè)先進(jìn)烘烤房的情況下，也難以得到優(yōu)質(zhì)的成品煙葉，因此具有一套先進(jìn)系統(tǒng)的烘烤房設(shè)計(jì)對(duì)煙葉的生產(chǎn)至關(guān)重要。

受種植條件以及烘烤技術(shù)的制約，過(guò)去在煙葉烘烤環(huán)節(jié)中均采用生產(chǎn)單元不多的自然通風(fēng)氣流上升式火管烘烤房。這種烘烤房裝煙密集程度不高，工藝控制精確程度不高，對(duì)自動(dòng)化烘烤工藝需求不大，很多還采用完全依靠人工的落后工藝，煙葉烘烤過(guò)程中通過(guò)人工檢測(cè)干球濕球玻璃溫度計(jì)的方式來(lái)采集數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，且因?yàn)榭刂撇粔蚓_導(dǎo)致無(wú)法確保烘烤出優(yōu)質(zhì)的煙葉[2]。隨著近年來(lái)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及烤煙種植技術(shù)的不斷提高，以及烘烤設(shè)施的研發(fā)力度和推廣力度不斷加大，同時(shí)我國(guó)正逐步開(kāi)始發(fā)展農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，逐漸改變過(guò)去的農(nóng)村經(jīng)營(yíng)模式，為使煙草行業(yè)形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)而努力發(fā)展種煙大戶(hù)，提升生產(chǎn)水平，擴(kuò)大種煙規(guī)模效益，使我國(guó)煙葉生產(chǎn)的新形勢(shì)向種植規(guī)�；�、標(biāo)準(zhǔn)化、專(zhuān)業(yè)化轉(zhuǎn)變。

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1.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
1.2.1 國(guó)內(nèi)外密集式煙葉烘烤房的自動(dòng)化研究進(jìn)展
密集式烘烤的研究始于上世紀(jì)五十年代，美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)W.H.Johnson 等人率先提出烤房密集裝煙的“煙葉密集烘烤”工藝，通過(guò)風(fēng)機(jī)強(qiáng)制熱風(fēng)以0.075   0.152m /s的速度通過(guò)煙葉，推出了密集式烘烤房[4,8]。隨后，煙葉密集烘烤的研究和應(yīng)用相繼在美國(guó)和日本等國(guó)推廣開(kāi)來(lái)，1969年，日本鹿兒島煙草試驗(yàn)場(chǎng)山中弘久和川上嘉通在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)了一種新的烘烤工藝，將烤房?jī)?nèi)濕球溫度控制在38℃，并按照一定的工藝提高干球溫度，就可以保證煙葉烘烤質(zhì)量。并根據(jù)這一原理，成功研制了濕球溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了煙葉烘烤一定程度的自動(dòng)化[9]。1976年，美國(guó)POWELL公司將煙葉直接堆積于大箱烘烤，又成功研制了771型煙葉烘烤設(shè)備，省去了用煙夾夾煙這一步驟，并改進(jìn)了自控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了煙葉烘烤的完全機(jī)械化和部分自動(dòng)化。密集烘烤存在普通烘烤一些無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，隨后迅速在巴西、日本、加拿大、美國(guó)等國(guó)家推廣應(yīng)用，使用半自動(dòng)化或自動(dòng)化的密集煙葉烘烤房陸續(xù)淘汰了普通烤房。

我國(guó)最早于20 世紀(jì)60 年代引入煙葉密集烘烤技術(shù)，并根據(jù)各地的實(shí)際情況，在對(duì)國(guó)外煙葉密集烘烤技術(shù)的引進(jìn)、消化和吸收的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一些密集式烘烤房的相關(guān)研究，并推出了一些成型的密集式烘烤房[10]。但由于當(dāng)時(shí)受我國(guó)煙草發(fā)展的實(shí)際情況和烘烤房本身因素的限制，我國(guó)早期研制的這些密集式烘烤房并沒(méi)有配備或僅配備有限的自控系統(tǒng)，應(yīng)用推廣十分有限。1973-1974年間我國(guó)通過(guò)對(duì)加熱系統(tǒng)和熱循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出以煤為燃料、土木結(jié)構(gòu)的密集式煙葉烘烤房，這也成為我國(guó)最早期的密集式烘烤研究成果，但其自動(dòng)化程度很低，歷經(jīng)幾起幾伏，最終沒(méi)有大面積推廣。1981年，中國(guó)農(nóng)科院煙草研究所通過(guò)在煙葉烘烤場(chǎng)實(shí)地研究，推出了以柴油為燃料的5HZK   400型煙葉初烤機(jī)，采用溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)。1990年左右，云南、河南等地先后從美國(guó)、加拿大、日本、南非和希臘等國(guó)家和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)引進(jìn)了多種不同型號(hào)和規(guī)格的如“烤霸”、“金果實(shí)”等密集式自動(dòng)烘烤房，但是這些烘烤房在技術(shù)上存在一些問(wèn)題，且價(jià)格過(guò)高，20世紀(jì)90年代初價(jià)格平均為每臺(tái)40   60萬(wàn)元，不適合我國(guó)國(guó)情，在我國(guó)未能推廣[4,11]。

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第二章 熱載體超高密集煙葉烘烤房及烘烤工藝簡(jiǎn)介

2.1 引言

隨著煙葉基地規(guī)模化集中生產(chǎn)的不斷實(shí)施，煙葉烘烤的裝煙密集程度越來(lái)越高，密集式烘烤房的結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了不斷改進(jìn)。然而在實(shí)際烘烤的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)用的烤煙機(jī)制不夠成熟，且沒(méi)有考慮烘烤房?jī)?nèi)熱循環(huán)氣流速度對(duì)煙葉品質(zhì)有著重要影響，因此也導(dǎo)致了目前的密集式自動(dòng)烘烤房系統(tǒng)同樣沒(méi)有將熱循環(huán)氣流速度設(shè)計(jì)在可控范圍之內(nèi)。本項(xiàng)目課題針對(duì)熱載體超高密集煙葉烘烤房自動(dòng)控制系統(tǒng)展開(kāi)研究。本章首先闡述了熱載體超高密集煙葉烘烤房的基本結(jié)構(gòu)、基本特點(diǎn)和工作原理，以及煙葉三段六步式烘烤工藝的基本要求。然后針對(duì)烘烤房?jī)?nèi)氣流速度對(duì)煙葉烘烤質(zhì)量有著較大影響的問(wèn)題，研究了近年來(lái)的一些試驗(yàn)和調(diào)研成果，得出了煙葉烘烤工藝中風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的基本要求，以為后續(xù)章節(jié)的研究?jī)?nèi)容奠定基礎(chǔ)。

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2.2 熱載體超高密集煙葉烘烤房簡(jiǎn)介

熱載體超高密集煙葉烘烤房是一種新式煙葉烘烤房，從分類(lèi)上屬于密集式煙葉烘烤房，代表著中國(guó)烘烤設(shè)備的發(fā)展方向[4,23]。本項(xiàng)目試驗(yàn)烘烤房規(guī)格5.0m×5.0m×6.0m，結(jié)構(gòu)上包括烤室、加熱水箱、風(fēng)口、集氣口、供熱循環(huán)風(fēng)機(jī)、降濕降溫負(fù)壓風(fēng)機(jī)和換氣風(fēng)機(jī)。烘烤房結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示,烘烤房外形如圖 2-2 所示。

工作原理：烘烤房升溫過(guò)程中，通過(guò)供熱循環(huán)風(fēng)機(jī)循環(huán)空氣進(jìn)入加熱水箱，經(jīng)過(guò)事先加熱的水間接加熱空氣從而往烤房?jī)?nèi)供熱風(fēng)，為煙葉烘烤提供熱量；降濕過(guò)程中，通過(guò)負(fù)壓風(fēng)機(jī)往烘烤房外抽出空氣，使烘烤房?jī)?nèi)部形成負(fù)壓加速水的蒸發(fā)，并且烘烤房?jī)?nèi)外的濕度差讓水蒸氣通過(guò)集氣口經(jīng)降濕負(fù)壓風(fēng)機(jī)抽出，從而達(dá)到降濕的目的；降溫過(guò)程中，由于負(fù)壓風(fēng)機(jī)加速水的蒸發(fā)又會(huì)帶走氣化熱而降溫，所以負(fù)壓風(fēng)機(jī)又充當(dāng)降溫的作用，防止烤室內(nèi)煙葉因?yàn)楹粑饔冒l(fā)熱而導(dǎo)致溫度超標(biāo)；換氣風(fēng)機(jī)每隔一段時(shí)間給烤室內(nèi)輸入新鮮的空氣，給酶化中的煙葉提供呼吸作用所需要的氧氣；另外因?yàn)闊熑~含水量巨大，烘烤過(guò)程中只需將煙葉中水分逐步減少，故烘烤房設(shè)計(jì)不考慮增濕措施。
按照烤煙的工藝，供熱風(fēng)速和降濕風(fēng)速都不可過(guò)快或者過(guò)慢。供熱風(fēng)速度過(guò)快會(huì)燙傷煙葉，導(dǎo)致不可逆損毀；過(guò)慢則會(huì)導(dǎo)致升溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不符合烤煙工藝要求。降濕抽濕速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)溫度流失過(guò)大，室內(nèi)室溫上升困難達(dá)不到預(yù)定溫度；過(guò)慢則會(huì)無(wú)法及時(shí)排除室內(nèi)水分，導(dǎo)致煙葉無(wú)法進(jìn)行呼吸作用而漚爛。二者都會(huì)使烤煙葉達(dá)不到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)，甚至損壞煙葉。

近年來(lái)的一些試驗(yàn)和研究情況表明，風(fēng)速對(duì)煙葉烘烤質(zhì)量有著重要影響，且在感官評(píng)吸和外觀(guān)質(zhì)量上影響尤為顯著[25-27]。詹軍[28]研究表明，煙葉在烘烤過(guò)程中在定色期和干筋期受風(fēng)速影響最大，極易因風(fēng)速的改變而改變其內(nèi)在成分和外觀(guān)特性。因此，對(duì)烘烤系統(tǒng)風(fēng)速的可調(diào)性設(shè)計(jì)顯得尤為重要。變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用在煙葉烘烤工藝中已有少量研究[29-33]，在傳統(tǒng)的烤房中由于沒(méi)有將風(fēng)速設(shè)計(jì)在可調(diào)范圍之內(nèi)，導(dǎo)致煙葉前期升溫過(guò)快、失水速度過(guò)快，煙葉平滑、僵硬的現(xiàn)象比較突出，經(jīng)常出現(xiàn)細(xì)胞壁的大分子物質(zhì)在沒(méi)有得到充分的降解的情況下就已經(jīng)烤干（此時(shí)煙葉還呈現(xiàn)青綠色，即出現(xiàn)青煙的情況）。所以，通過(guò)對(duì)烘烤系統(tǒng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速進(jìn)行調(diào)控，以提升煙葉的烘烤品質(zhì)已經(jīng)成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。

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第三章 烘烤房自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) ..............................15
3.1 引言 .......................................................15
3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo) ...........................................15
第四章 系統(tǒng)溫濕度采集模塊的硬件設(shè)計(jì)及烘烤試驗(yàn) ....................25
4.1 引言 .......................................................25
4.2 溫濕度采集模塊的總體結(jié)構(gòu)....................................25
第五章 烘烤房自動(dòng)控制系統(tǒng)故障診斷模塊設(shè)計(jì) ........................44
5.1 引言 .......................................................44

5.2 系統(tǒng)描述....................................................44

第六章 系統(tǒng)抗干擾措施

6.1 引言
農(nóng)村電網(wǎng)發(fā)展較落后，普通存在電壓不穩(wěn)、供電不正常的現(xiàn)象，且工作環(huán)境較為惡劣，現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)影響較大，在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，出現(xiàn)過(guò)系統(tǒng) PLC發(fā)送錯(cuò)誤指令至電機(jī)錯(cuò)誤啟停的現(xiàn)象。另外現(xiàn)場(chǎng)干擾對(duì)傳感器影響尤為明顯。傳感器受到現(xiàn)場(chǎng)干擾，會(huì)出現(xiàn)如下現(xiàn)象：（1）傳感信號(hào)為零時(shí)，顯示亂跳的隨機(jī)數(shù)字；（2）傳感器的輸出值與被測(cè)參數(shù)實(shí)際值存在的誤差呈現(xiàn)隨機(jī)性、無(wú)規(guī)律的特點(diǎn)；（3）傳感器的輸出值與被測(cè)參數(shù)的實(shí)際值存在的誤差呈現(xiàn)穩(wěn)定或周期性變化的特點(diǎn)；（4）在對(duì)執(zhí)行電機(jī)發(fā)指令時(shí)，執(zhí)行電機(jī)無(wú)規(guī)律啟停。（5）在系統(tǒng)實(shí)測(cè)溫濕度接近設(shè)定值的過(guò)程中或執(zhí)行電機(jī)啟停的瞬間，傳感器輸出值亂跳，至執(zhí)行電機(jī)錯(cuò)誤啟停，，頻繁動(dòng)作，對(duì)電機(jī)有較大沖擊。綜上所述，干擾不但會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)隨機(jī)誤差，使自控系統(tǒng)發(fā)出錯(cuò)誤指令將煙葉烤壞帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失，電機(jī)頻繁性的錯(cuò)誤啟停嚴(yán)重時(shí)還可能燒毀電機(jī)，由此對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾研究非常有必要。

由于煙葉烘烤特殊的工況環(huán)境，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在的電磁場(chǎng)、電網(wǎng)中夾雜的噪聲等因素均會(huì)對(duì)系統(tǒng)中的電路產(chǎn)生影響，從而造成干擾。而干擾總體可分為輻射干擾噪聲和瞬時(shí)干擾噪聲兩大類(lèi)。本章正是對(duì)這兩大類(lèi)干擾展開(kāi)了系統(tǒng)抗干擾措施的研究。

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6.2 輻射干擾噪聲和抑制措施

常見(jiàn)的電磁干擾源有工頻干擾、電源變壓器、變頻器及大功率電動(dòng)機(jī)等，它們所產(chǎn)生電磁場(chǎng)或尖峰脈沖，通過(guò)接線(xiàn)電容耦合、電感耦合或交流電源線(xiàn)等進(jìn)入系統(tǒng)電路，從而引入干擾電壓。如圖 6-1 表示由靜電感應(yīng)造成干擾的原理圖。干擾源和系統(tǒng)的輸入電路（當(dāng)是放大電路時(shí)，對(duì)系統(tǒng)影響更為明顯）之間存在雜散電容C，構(gòu)成了干擾電流的回路。干擾電流將在輸入電阻 Ri上產(chǎn)生干擾電壓。當(dāng)輸入電阻越高或雜散電容越大，干擾電壓也將越大；同時(shí)，系統(tǒng)中的模擬數(shù)字電路部分有公共接地、公共電源時(shí)，數(shù)字信號(hào)的頻繁電流變化在模擬電路中產(chǎn)生噪聲，它們通過(guò)靜電耦合、電磁耦合和漏電電流等形式存在于傳感器的電路中，如圖 6-2所示。

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第七章 總結(jié)與展望

7.1 全文總結(jié)
隨著搭配自動(dòng)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更加高級(jí)的密集式煙葉烘烤房的推廣應(yīng)用，如何提高烘烤房自控系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和控制精度，使自控系統(tǒng)更加適應(yīng)最先進(jìn)的烘烤機(jī)制，并且讓自控系統(tǒng)在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境下更加可靠地工作，是目前迫切需要解決的問(wèn)題。本文正是以此為研究的切入點(diǎn)，從理論方法到技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了較為深入的研究，主要研究?jī)?nèi)容與總結(jié)如下：
1.對(duì)煙葉烘烤房自控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，歸納總結(jié)了目前各種類(lèi)型的密集式煙葉烘烤房系統(tǒng)的主要問(wèn)題，并指出了急需改進(jìn)的方向。
2.針對(duì)本課題研究對(duì)象熱載體超高密集煙葉烘烤房缺失完善的控制系統(tǒng)，以及目前煙葉三段六步式科學(xué)烘烤工藝和風(fēng)速對(duì)煙葉烘烤的重要影響仍然沒(méi)有在控制系統(tǒng)的角度上深入研究的問(wèn)題，提出了相應(yīng)的自控系統(tǒng)所需要達(dá)到的具體設(shè)計(jì)目標(biāo)。
3.根據(jù)具體設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了煙葉烘烤房自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體方案。本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成主控處理器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)、溫濕度采集模塊、故障診斷模塊幾個(gè)部分構(gòu)成，并對(duì)各部分的硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

（1）系統(tǒng)采用 FX2N-32MR 作為主控處理器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送指令，設(shè)計(jì)了基于 FX2N-32MR 的控制電路。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電加熱管組成電加熱管組對(duì)烘烤房加熱水箱加熱以及更適合復(fù)雜工況環(huán)境的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，并采用變頻器通過(guò)面板給定頻率信號(hào)，端子控制啟停的控制方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足烤室內(nèi)煙葉烘烤過(guò)程中對(duì)氣流速度的要求。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：220511