果蔬热风真空干燥设备及控制系统的研究与设计

摘要

据统计2017年国内果蔬产量达十亿多吨，但是由于果蔬的高含水率和储藏不当等原因，使得新鲜果蔬更易变质腐烂。将新鲜果蔬干燥后，不仅能提高果蔬的储存时间，还可以较大程度的保留果蔬的营养物质，因此开展果蔬干燥技术研究具有理论意义和应用价值。热风真空组合干燥技术具有结构简单、适应性强、成本低廉等优点。目前干燥设备的控制系统已经实现干燥过程中温湿度的检测功能，但是对于干燥过程中物料含水率的实时检测和色泽形态变化的图像采集方面却鲜有报道。针对现有热风真空组合干燥设备缺乏含水率及物料图像的实时检测问题，设计了具备含水率实时检测和色泽形态变化图像采集功能的热风真空干燥控制系统，以下为具体研究内容： （1）根据常见果蔬的热风干燥和真空干燥以及其组合干燥工艺，提出了果蔬热风真空干燥设备的设计方案，并对干燥设备的主要结构进行了设计，包括干燥箱、真空系统和实时称重装置，并使用SolidWorks软件建立了干燥箱三维模型，利用ANSYS软件对其三维模型进行了静力学有限元分析，模拟了干燥箱在真空环境下的受力和变形情况，其结果显示干燥箱设计符合工作要求。实时称重装置根据其工作环境，将其设计为杠杆式结构，实现了干燥设备的实时称重功能。 （2）根据常见果蔬的干燥实验结果和工艺参数确定了果蔬干燥过程中所需要检测的干燥参数和控制系统的设计要求，提出了控制方案，并设计了果蔬热风真空干燥控制系统。在本系统的硬件设计中，采用了西门子的S7-200SMART系列PLC作为系统的下位机，上位机则采用了搭载WinCC组态软件的工控触摸屏，进行了图像采集和物料质量检测等模块的硬件选型。在软件设计中，分为下位机PLC程序设计和上位机WinCC组态软件设计，PLC程序通过MODBUS通信协议与称重力值仪表建立了通信，将物料质量数据进行处理得出含水率数据，实现了系统的实时含水率检测功能。上位机WinCC组态软件设计中建立了人机界面，完成了图像截取程序和数据库程序，实现了控制系统的图像采集功能，达到了设计要求。 （3）在实验室干燥设备上进行了果蔬热风真空干燥控制系统的试验，对实验室的热风真空组合干燥设备进行改造，使其搭载本控制系统进行了苹果脆片的热风真空组合干燥实验，在干燥过程中温度控制准确、含水率检测正常、图像采集结果清晰。最后对苹果脆片干燥实验结果进行对比分析，其各项检测数据与对比工艺干燥结果基本相同，控制系统达到预期控制效果，性能满足干燥过程检测要求。 本课题进行了果蔬热风真空干燥设备的干燥箱和称重装置的结构设计，并完成了热风真空干燥控制系统的设计，实现了物料含水率的实时检测和物料图像采集功能。为果蔬热风真空干燥技术及其控制系统的进一步研究和推广应用提供了技术支持。

目录

1 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

2 果蔬热风真空干燥设备的设计

2.1 果蔬热风真空干燥加工工艺

2.2 热风真空干燥技术原理

2.3 热风真空干燥设备设计要求

2.4 干燥设备设计方案

2.5 干燥设备的设计

2.6 本章小结

3 果蔬热风真空干燥控制系统总体设计

3.1 果蔬干燥的监控参数

3.2 热风真空干燥控制原理

3.3 控制系统设计要求

3.4 控制系统的总体设计方案

3.5 方案论证

3.6 本章小结

4 干燥控制系统的硬件设计

4.1 下位机设计

4.2 上位机设计

4.3 检测模块设计

4.4 图像采集模块设计

4.5 执行模块设计

4.6 本章小结

5 干燥控制系统的软件设计

5.1 下位机的软件设计

5.2 图像采集功能软件设计

5.3 上位机的软件设计

5.4 本章小结

6 果蔬热风真空干燥控制系统试验与分析

6.1 干燥控制系统试验操作步骤

6.2 干燥控制系统试验研究

6.3 干燥实验结果对比分析

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及专利目录

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