食品十燥可以保持食品不會(huì)腐敗變質(zhì)。真空冷凍十燥( Lyophilization )，簡(jiǎn)稱凍十，就是把含有大量水分的食品提前進(jìn)行降溫凍結(jié)成固體，然后在真空的條件下使水直接升華出來(lái)，而食品木身剩留在凍結(jié)時(shí)的冰架中。食品凍十技術(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn)，如營(yíng)養(yǎng)流失少、方便存儲(chǔ)運(yùn)輸、復(fù)原快等。一般的食品凍十機(jī)主要包括真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)、除霜系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)備的核心指揮機(jī)構(gòu)，如圖1所示。凍十需要專用昂貴的設(shè)備，因此為了實(shí)現(xiàn)耗能少、快速連續(xù)化生產(chǎn)，設(shè)計(jì)出完善的食品凍十機(jī)，特別是有效合適的控制系統(tǒng)，就顯得格外重要。

圖1 食品凍干機(jī)系統(tǒng)框圖

1 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

    1.1 工藝流程

    凍十工藝流程如圖2所示。前處理是指清潔物料，這樣物料表面附著水分能夠保證在凍十過(guò)程中原有形狀保持良好，水分均勻保證物料被凍十。當(dāng)物料預(yù)凍到-30℃左右后應(yīng)給予充分時(shí)間，并且必須低于共熔點(diǎn)。預(yù)凍后進(jìn)行抽真空，部分升華要吸熱，因此要給予加熱，保持物料溫度接近并低于共熔點(diǎn)溫度。物料放人十燥倉(cāng)內(nèi)要保證盡量淺，利于冷熱交換。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后水分大量升華，在這段時(shí)間應(yīng)減緩升溫速率，防止收縮或起泡。當(dāng)凍結(jié)水分全部蒸發(fā)，產(chǎn)品已定型后，加熱速度可加快。要求物料溫度到3035℃后停留2一3h即可結(jié)束，破真空取成品，并進(jìn)行除霜過(guò)程。

圖2 凍干工藝流程

    1.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

    該系統(tǒng)來(lái)自于清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院研制的5 m-小型實(shí)驗(yàn)食品凍十機(jī)’。具體要求如下:①系統(tǒng)應(yīng)包括“手動(dòng)”、“自動(dòng)”2套完全獨(dú)立的控制單元，PLC自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)可與手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行無(wú)擾切換;②主要工藝參數(shù)能夠設(shè)定、測(cè)量、采集、顯示、記錄及打印，主要工藝參數(shù)包括十燥倉(cāng)真空壓力、物料溫度等;③凍十機(jī)采用PLC控制，計(jì)算機(jī)、觸摸屏模擬顯示各系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀況，通過(guò)網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地和遠(yuǎn)程監(jiān)控;④各系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)可以集中顯示及報(bào)警;⑤凍十機(jī)各系統(tǒng)均能按設(shè)定的程序自動(dòng)執(zhí)行，并按給定的參數(shù)自動(dòng)控制在正常范圍內(nèi);⑥凍十機(jī)可以執(zhí)行2種運(yùn)行狀態(tài)。第1種狀態(tài)為生產(chǎn)狀態(tài):當(dāng)批量生產(chǎn)時(shí)，物料中無(wú)需插人溫度傳感器，根據(jù)已經(jīng)確定的工藝曲線，設(shè)定各種工藝參數(shù)就可以自動(dòng)運(yùn)行。第2種狀態(tài)為試驗(yàn)狀態(tài):當(dāng)小批量試驗(yàn)時(shí)，物料中要放人溫度傳感器，在設(shè)定工藝參數(shù)后，根據(jù)測(cè)量物料溫度傳感器中最高溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱板溫度、倉(cāng)內(nèi)壓力、十燥時(shí)間等，系統(tǒng)可以自動(dòng)運(yùn)行。

    1.3 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

    控制系統(tǒng)保證凍十機(jī)的全部電氣設(shè)備按凍十工藝要求可靠運(yùn)行，監(jiān)測(cè)和精確控制系統(tǒng)工藝參數(shù)和物料溫度，并對(duì)故障狀態(tài)實(shí)時(shí)報(bào)警并自動(dòng)應(yīng)急處理，顯示物料在十燥倉(cāng)內(nèi)凍十的各階段特性�？刂葡到y(tǒng)主要包括以下部分:①傳感器:測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)并將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，包括PT100鉑電阻、真空薄膜規(guī)、壓力傳感器等;②二次儀表:接受現(xiàn)場(chǎng)傳感器的測(cè)量信號(hào)，顯示工藝參數(shù)，并發(fā)出控制信號(hào)的顯示、記錄、控制儀表等，包括指針真空表、壓縮機(jī)壓力表等;③執(zhí)行器:將二次儀表的控制輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)設(shè)備的可執(zhí)行信號(hào)裝置。該食品凍十機(jī)控制系統(tǒng)中大部分儀表的控制輸出信號(hào)都是開關(guān)信號(hào)，可直接驅(qū)動(dòng)繼電器。三通調(diào)節(jié)閥的控制信號(hào)通過(guò)閥門定位器轉(zhuǎn)換，接收4-20 mA電流線號(hào)，轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)氣源的供給量，以調(diào)節(jié)三通閥門的開度。④可編程控制器PLC:負(fù)責(zé)各個(gè)系統(tǒng)的順序控制和自動(dòng)運(yùn)行，并將各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和凍十各個(gè)階段的工藝參數(shù)傳送給上位機(jī)，還具有自鎖互鎖、錯(cuò)誤診斷等功能。⑤上位機(jī):配置組態(tài)軟件與監(jiān)控程序，可記錄、存儲(chǔ)并繪出凍十工藝參數(shù)，圖形化顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。此外還包括指示燈、開關(guān)、低壓電器元件、控制柜等。整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3凍干控制系統(tǒng)框圖

2 控制系統(tǒng)核心PLC設(shè)計(jì)

    傳統(tǒng)食品凍十機(jī)使用儀表和按鈕控制，控制方式只能手l動(dòng)，電路內(nèi)部的繼電器通過(guò)自鎖、互鎖等邏輯電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電i動(dòng)機(jī)和閥門的簡(jiǎn)單邏輯控制，系統(tǒng)運(yùn)行的報(bào)警狀態(tài)和運(yùn)行狀i態(tài)由指示燈顯示，溫度、真空和壓力等數(shù)據(jù)由儀表顯示。這，種控制電路設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，不便于維護(hù)。數(shù)據(jù)需要操作人員定時(shí)抄錄或記錄儀自動(dòng)記錄。由于抄錄工作量和記錄格式2的限制，數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)詳細(xì)地顯示運(yùn)行狀況，也不利于后期的數(shù)據(jù)分析。PLC作為工業(yè)控制常用的控制元件，優(yōu)點(diǎn)十分崔突出，抗十?dāng)_能力強(qiáng)、可靠性高，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，完全可以滿足少凍十系統(tǒng)的實(shí)際需要。

    該食品凍十機(jī)中選用了施耐德Modicon M340可編程控刁制器，其配置如表1所示。

表1施耐德M340配置

    2.1 電氣設(shè)備控制

    PLC的主要功能是控制電氣設(shè)備，控制的設(shè)備包括真空泵、電磁閥、壓縮機(jī)等。所有的設(shè)備都是通過(guò)中間繼電器驅(qū)動(dòng)的。PLC通過(guò)輸人模塊得到繼電器的狀態(tài)，從而能夠監(jiān)視各個(gè)設(shè)備當(dāng)前的工作狀況;通過(guò)輸出模塊控制繼電器的動(dòng)作，達(dá)到驅(qū)動(dòng)設(shè)備啟停的動(dòng)作。因?yàn)閷?shí)際的食品凍十機(jī)要求自動(dòng)能無(wú)擾切換到手動(dòng)，PLC也會(huì)通過(guò)輸人模塊讀取各個(gè)手動(dòng)按鈕的動(dòng)作，通過(guò)邏輯功能用一個(gè)按鈕實(shí)現(xiàn)啟、停2個(gè)動(dòng)作，提高了操作效率。在主回路上，由于驅(qū)動(dòng)設(shè)備很多是電機(jī)(如壓縮機(jī)、真空泵)，主回路上一定要配備熱繼電器保護(hù)和空氣開關(guān)，保證凍十機(jī)的安全性能。

    2.2 信號(hào)測(cè)量

    系統(tǒng)需要遠(yuǎn)程測(cè)量溫度和壓力。由于強(qiáng)電十?dāng)_和PLC的AI模塊精度有限等許多原因，傳回的4 - 20mA電流信號(hào)有時(shí)受到的十?dāng)_很大。同過(guò)示波器等查看有時(shí)加載信號(hào)上的雜波很突出，未解決此問(wèn)題方法有2種，一種是多組電容并聯(lián)可減小紋波，電容大小需現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，另一種是利用軟件濾波。

    2.3 通信

    傳統(tǒng)上PLC與上位機(jī)的通訊大多采用串口通訊方式，當(dāng)數(shù)據(jù)量很大時(shí)通訊速度會(huì)變慢，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性會(huì)受到很大的影響。該食品凍十機(jī)沒有采用傳統(tǒng)的基于串口的通訊方式，而是采用工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議，其優(yōu)點(diǎn)2在于:①即插即用。串口不能隨意熱插拔，而以太網(wǎng)口不存在這一問(wèn)題。②通訊速度更快。一般串口通訊速度為9 600kbps，以太網(wǎng)速可達(dá)100 M以上，相差極大。③前景廣闊。以太網(wǎng)是目前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中最常見的通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)食品凍十產(chǎn)業(yè)化，形成多層數(shù)字化工廠有很大好處。隨著未來(lái)食品工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，擁有多臺(tái)食品凍十機(jī)為了便于管理和監(jiān)控，勢(shì)必需要用以太網(wǎng)將設(shè)備連接在一起，同時(shí)方便與上層管理對(duì)接，傳統(tǒng)的串口通訊會(huì)遇到很大的問(wèn)題。

3 監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)監(jiān)控軟件包括梯形圖程序和上位機(jī)監(jiān)控程序2部分。梯形圖程序使用施耐德Unity Pro XL軟件編寫，PLC梯形圖程序需要根據(jù)輸人狀態(tài)確定相應(yīng)輸出，難點(diǎn)在于必須深刻理解凍十工藝與各個(gè)系統(tǒng)的工作流程。重點(diǎn)說(shuō)明上位機(jī)程序開發(fā)平臺(tái)Citecto  Cited是由澳大利亞CiT公司推出的結(jié)合工廠自動(dòng)化、SCADA及過(guò)程控制的操作員界面軟件包，是一種可視化的監(jiān)控組態(tài)軟件，可以方便地實(shí)現(xiàn):①形象逼真的圖形描述出凍十機(jī)各個(gè)系統(tǒng)設(shè)備外形，利用改變顏色或者動(dòng)問(wèn)效果表明被控對(duì)象的啟停，全面即時(shí)反映出凍十機(jī)各個(gè)溫度、壓力參數(shù)的變化;②擁有趨勢(shì)圖和報(bào)警問(wèn)面模板，真實(shí)記錄所有測(cè)量數(shù)據(jù)，方便繪出凍十溫度曲線，產(chǎn)生報(bào)警信息，提醒操作人員及時(shí)處理設(shè)備故障;③利用數(shù)據(jù)庫(kù)控件完成對(duì)歷史數(shù)據(jù)的相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)操作，利用較少的SQL代碼實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)的瀏覽和更改;④安全機(jī)制強(qiáng)大，不同用戶操作時(shí)可擁有不同的安全權(quán)限。結(jié)合實(shí)際食品凍十機(jī)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)，Cited的應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4   CILCCL監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)

4 小結(jié)

    介紹了一種食品凍十機(jī)的控制系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出PLC應(yīng)用于控制系統(tǒng)的解決方案。該方案經(jīng)過(guò)硬件設(shè)計(jì)、軟件編程與現(xiàn)場(chǎng)后續(xù)的模擬試驗(yàn)，證明方案可行，可靠性高，提升了真空冷凍十燥設(shè)備的自動(dòng)化程度。

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本文標(biāo)題：基于PLC的食品真空冷凍干燥機(jī)的控制

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