1 选题的意义和研究现状
1.1 选题的意义
随着工业自动化和科技的不断发展,热泵控制系统在工农业等各个领域中的应用越来越广泛。在干燥行业中,干燥技术在生产过程中起着非常重要的作用,传统的干燥方式都是以燃煤为主,存在着能源利用率低,消耗能源高,控制精度差,操作复杂,对环境污染严重等问题。而热泵干燥技术在保证干燥品质的同时,提高干燥效率,降低设备的运行成本,提高能源的利用率,实现干燥过程的精确控制,对环境友好等优点。对与传统的干燥系统来说,干燥模式相对比较单一,不能满足产品在不同阶段对烦躁温度湿度的要求。本课题将PLC控制技术应用在热泵干燥系统中,增加了干燥过程中的精度与各阶段的控制要求,并用触摸屏实现操控监视和数据记录。实现热泵干燥系统的自动化控制,推动干燥行业及自动化领域的发展。
1.2 本课题所涉及问题在国内外设计或研究的现状
在20世纪中叶,国外对于热泵干燥技术就已经有了相关探索。例如,1943年德国的 公司在地下室除湿装置中采用了热泵技术。这为后续热泵干燥技术的发展奠定了基础,经过多年的不断改进和优化,其技术体系相对成熟。美国等国家的一些企业和研究机构开发了先进的热泵干燥设备,并采用PLC进行控制,实现了高效、稳定的干燥过程。此外,国外学者还对热泵干燥系统的优化控制、能源管理等方面进行了深入研究。
对热泵干燥型制冷剂进行了系统的研究,以提高热泵系统的性能和能效。积极开展热泵烘干装置的研制工作,研发出了多种类型、适用于不同物料的热泵干燥设备。这些设备在结构设计、性能参数、控制方式等方面能够满足不同用户的需求。新型的化学热泵及吸收热泵技术的研制也是国外的研究热点之一。例如通过将太阳能与热泵技术相结合,可以充分利用太阳能这一可再生能源,降低对传统能源的依赖,提高能源的利用效率,同时也减少了对环境的影响。这些新型热泵技术具有更高的能效比和更好的环保性能,为热泵干燥技术的进一步发展提供了新的思路和方法。
我国对热泵干燥技术的研究始于二十世纪八十年代,相比国外起步较晚。但近年来发展迅速,取得了不少研究成果。例如,上海市能源研究所自1985年以来一直致力于开发热泵式的木头干燥设备,这是我国热泵干燥技术在木材加工中的首次应用。
随着PLC技术在工业自动化领域的广泛应用,国内对于基于PLC的热泵干燥控制系统的研究也日益增多。研究人员不断探索如何将PLC技术与热泵干燥技术相结合,以提高系统的自动化程度和控制精度。国内许多科研单位和学者对多种物料的热泵干燥性能进行了大量较为详细的研究。例如,一些高校和科研机构开展了相关的理论研究和实验验证,设计出了基PLC的热泵干燥控制系统,并对其性能进行了测试和优化。国内的企业、高校和科研机构之间的产学研合作不断加强,共同开展热泵干燥技术的研究和开发。企业为高校和科研机构提供实践平台和资金支持,高校和科研机构为企业提供技术支持和人才培养,形成了良好的合作模式。通过产学研合作,加快了技术的转化和应用,推动了热泵干燥行业的发展。
我国政府对节能环保技术的支持力度不断加大,热泵干燥技术作为一种高效、节能的干燥方式,受到了政府的重视和支持。政府出台了一系列政策和措施,鼓励企业采用热泵干燥技术,推动了热泵干燥技术在国内的广泛应用。
2 课题设计或研究的内容、预期目标和实施计划
2.1 要设计或研究的主要内容方案论证分析
2.1.1研究的主要内容
为实现物料的干燥,本项目将热泵技术应用于干燥系统中,设计了一种带热回收的热泵干燥系统。通过控制空气的湿度和温度以达到最佳干燥效果,并回收排湿过程中的余热以提高能源利用效率。分析不同类型制冷剂在不同工作压力和温度下的物理特性及其对热泵干燥效率的影响,同时通过PLC实现对压缩机的启停等操作,满足不同干燥阶段的需求。通过优化气流组织提高热传递效率,并对不同品牌和型号的 PLC进行性能比较和评估,以选择最适合热泵干燥控制系统的PLC。根据系统控制要求选择合适的传感器,如温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。编写数据采集模块实现对温度、湿度、压力等传感器信号的实时采集,设计逻辑控制模块依据采集数据和预设控制逻辑实现对热泵干燥系统的自动控制,对编写的PLC控制程序进行测试以验证其逻辑功能和控制效果。采用触摸屏技术和PLC通过RS485总线进行连接,对系统进行组态画面的绘制,显示系统监控画面以及系统实时数据,同时能够对参数进行设定。PLC能够实时通过以太网不断向监控中心进行数据交换,同时能够接受远程指令,系统出现故障,能够及时进行故障报警并且自动切换如图1.1。

图1.1系统的流程框图
2.1.2方案的可行性分析
技术可行性:PLC在工业自动化领域已经有了广泛的应用,技术成熟度高。其具有稳定性强、抗干扰能力好、编程灵活等优点,能够适应复杂的工业环境。热泵干燥系统的关键部件如压缩机、冷凝器、蒸发器等的性能不断提升,使得系统的能效比更高、干燥效果更好。传感器和执行器技术也已经非常先进,能够满足高精度、高可靠性的要求。
经济可行性:通过PLC控制,可以实现对热泵系统的优化运行,进一步降低能源消耗,实现运行过程的自动化,减少人工干预,提高生产效率。
操作可行性:基于PLC的热泵干燥控制系统采用触摸屏等先进的实时监控设备,提供直观、简洁的操作界面。企业只需要对操作人员进行短期的培训即可掌握系统的使用方法。而且基于PLC的热泵干燥控制系统具有良好的可维护性。PLC本身具有自诊断功能,可以实时监测系统的运行状态,发现故障并及时报警。同时,系统的硬件设备如传感器、执行器等也比较容易更换和维修。
2.2 本课题选题特色及预期的目标
本课题将PLC技术与热泵干燥技术相结合,实现了工业自动化控制与高效节能干燥的完美融合。不仅充分发挥了PLC精确控制、稳定可靠的优势,还利用了热泵干燥节能高效、环保无污染的特点,为干燥行业带来了新的技术突破。同时该系统将通过就地控制站与触摸屏相结合,实现全自动控制与远程监控操作,具有以下特色及预期目标:
技术融合创新:通过对PLC编程的优化和热泵干燥系统的改进,可以实现对干燥过程中温度、湿度、风速等参数的精准调控,确保干燥效果的一致性和高质量。
节能环保优势:热泵干燥技术本身就是一种节能环保的干燥方式,而基于PLC设计和实现的热泵干燥控制系统可以降低生产成本,提高经济效益,同时也为保护环境、实现可持续发展做出贡献。
适用性广泛:基于PLC的热泵干燥控制系统可以适用于多种不同类型的物料干燥,此外,该系统还可以根据不同的生产规模和场地条件进行定制化设计,具有很强的灵活性和适应性。
智能化发展趋势:随着工业智能制造的不断发展,可以实现对干燥过程的实时监测,还可以长时间储存历史数据,为干燥行业的智能化发展提供有力支持。
预期目标:实现基于PLC的热泵干燥控制系统运行过程的稳定可靠,提高能源利用效率,节能减排,降低运行成本。该系统能够精确控制干燥过程中的温度、湿度、风速等参数,确保干燥效果的一致性和高质量。
2.3本课题实施计划
表2.1 毕业论文进度计划安排
完成时限
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具体工作内容
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第1周
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查阅课题相关资料,熟悉内容,拟定方案
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第2周
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完成开题报告和开题PPT
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第3周
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完成外文翻译
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第4周
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热泵干燥控制系统的整体设计方案设计
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第5周
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IO表制作,电气部品选型
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第6周
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绘制控制系统原理图
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第7周
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系统流程图制作
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第8周
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热泵干燥控制系统PLC的设计
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第9周
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热泵干燥控制系统触摸屏的设计
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第10周
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软件进行仿真调试并且实现程序硬件调试
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第11周
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对设计总体进行调试,改正不足
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第12周
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完成毕业论文撰写,修改
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第13周
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完成答辩PPT制作,进行预答辩
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第14周
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答辩
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第15周
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资料归档
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3 主要参考文献
[1] 王前,杨祚翔,杨恒乐,等. 新型热泵干燥系统恒温干燥模式下的性能研究[J].制冷, 2024, 43 (02): 39-45.
[2] 鲁宇星,穆永超,张杰,等. 热泵干燥系统性能模拟及优化研究[J].山西建筑, 2024, 50 (04): 13-16. DOI:10.13719/j.cnki.1009-6825.2024.04.004.
[3] 孙乐平,郭小璇,韩帅,等. 基于模糊控制的高温热泵果脯干燥系统设计[J].节能, 2024, 43 (05): 98-102.
[4] 郭小璇,郭敏,韩帅,等. 空气源热泵芒果干燥系统变结构智能控制技术[J].食品与机械, 2023, 39 (10): 100-104+145. DOI:10.13652/j.spjx.1003.5788.2023.80197.
[5] 李全军. 山药热泵干燥装置设计及其性能优化研究[D].天津科技大学, 2023. DOI:10.27359/d.cnki.gtqgu.2023.001161.
[6] 史天宇. 箱式热泵干燥系统控制策略优化的研究[D].天津科技大学, 2023. DOI:10.27359/d.cnki.gtqgu.2023.000318.
[7] 孟照峰,张帆,刘寅,等. 闭式热泵干燥系统热力性能研究[J].制冷学报, 2023, 44 (04): 120-126+158.
[8] 谢欢,刘晓艳,杨淑纯,等. 热泵联合干燥技术在果蔬干燥工艺中的应用进展[J].农产品加工, 2022, (16): 75-78+83. DOI:10.16693/j.cnki.1671-9646(X).2022.08.049.
[9] 丁宇. 高温热泵干燥技术在谷物烘干中的应用研究[D].合肥工业大学, 2022. DOI:10.27101/d.cnki.ghfgu.2022.001484.
[10] 张静峰. 基于PLC的热泵干燥控制系统设计与研究[D].烟台大学, 2022. DOI:10.27437/d.cnki.gytdu.2022.000065.
[11] 王国杰. 海带太阳能-热泵干燥自适应控制系统研究[D].大连海洋大学, 2022. DOI:10.27821/d.cnki.gdlhy.2022.000135.
[12] 李金. 低温工况下太阳能补能与热泵耦合干燥系统性能研究[D].云南师范大学, 2022. DOI:10.27459/d.cnki.gynfc.2022.000081.
[13] 胡铌. 新型热泵干燥系统在物料干燥中的应用研究[D].西南科技大学, 2022. DOI:10.27415/d.cnki.gxngc.2022.000238.
[14] 刘静,吴小恬,赵亚,等. 果蔬热泵联合干燥技术的研究进展[J].中国果菜, 2022, 42 (01): 8-15. DOI:10.19590/j.cnki.1008-1038.2022.01.002.
[15] 王国杰. 海带太阳能-热泵干燥自适应控制系统研究[D].大连海洋大学, 2022. DOI:10.27821/d.cnki.gdlhy.2022.000135.
[16] Kang C ,Zhang G ,Mu G , et al. Solar-heat pump combined drying with phase change heat storage: Multi-energy self-adaptive control [J]. Renewable Energy, 2024, 230 120867-120867.