食品十燥可以保持食品不會腐敗變質(zhì)。真空冷凍十燥( Lyophilization )，簡稱凍十，就是把含有大量水分的食品提前進行降溫凍結(jié)成固體，然后在真空的條件下使水直接升華出來，而食品木身剩留在凍結(jié)時的冰架中。食品凍十技術(shù)有諸多優(yōu)點，如營養(yǎng)流失少、方便存儲運輸、復原快等。一般的食品凍十機主要包括真空系統(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)是整個設備的核心指揮機構(gòu)，如圖1所示。凍十需要專用昂貴的設備，因此為了實現(xiàn)耗能少、快速連續(xù)化生產(chǎn)，設計出完善的食品凍十機，特別是有效合適的控制系統(tǒng)，就顯得格外重要。

圖1 食品凍干機系統(tǒng)框圖

1 控制系統(tǒng)簡介

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程中原有形狀保持良好，水分均勻保證物料被凍十。當物料預凍到-30℃左右后應給予充分時間，并且必須低于共熔點。預凍后進行抽真空，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溫度。物料放人十燥倉內(nèi)要保證盡量淺，利于冷熱交換。經(jīng)過一段時間后水分大量升華，在這段時間應減緩升溫速率，防止收縮或起泡。當凍結(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，并進行除霜過程。

圖2 凍干工藝流程

1.2 控制系統(tǒng)的設計要求

    該系統(tǒng)來自于清華大學核能與新能源技術(shù)研究院研制的5 m-小型實驗食品凍十機。具體要求如下:①系統(tǒng)應包括手動、自動;2套完全獨立的控制單元，PLC自動運行狀態(tài)可與手動運行狀態(tài)進行無擾切換;②主要工藝參數(shù)能夠設定、測量、采集、顯示、記錄及打印，主要工藝參數(shù)包括十燥倉真空壓力、物料溫度等;③凍十機采用PLC控制，計算機、觸摸屏模擬顯示各系統(tǒng)設備運行狀況，通過網(wǎng)卡實現(xiàn)場地和遠程監(jiān)控;④各系統(tǒng)運行狀態(tài)、參數(shù)可以集中顯示及報警;⑤凍十機各系統(tǒng)均能按設定的程序自動執(zhí)行，并按給定的參數(shù)自動控制在正常范圍內(nèi);⑥凍十機可以執(zhí)行2種運行狀態(tài)。第1種狀態(tài)為生產(chǎn)狀態(tài):當批量生產(chǎn)時，物料中無需插人溫度傳感器，根據(jù)已經(jīng)確定的工藝曲線，設定各種工藝參數(shù)就可以自動運行。第2種狀態(tài)為試驗狀態(tài):當小批量試驗時，物料中要放人溫度傳感器，在設定工藝參數(shù)后，根據(jù)測量物料溫度傳感器中最高溫度自動調(diào)節(jié)加熱板溫度、倉內(nèi)壓力、十燥時間等，系統(tǒng)可以自動運行。

1.3 控制系統(tǒng)的總體設計

    控制系統(tǒng)保證凍十機的全部電氣設備按凍十工藝要求可靠運行，監(jiān)測和精確控制系統(tǒng)工藝參數(shù)和物料溫度，并對故障狀態(tài)實時報警并自動應急處理，顯示物料在十燥倉內(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:測量現(xiàn)場工藝參數(shù)并將傳感器信號轉(zhuǎn)換為電信號，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)場傳感器的測量信號，顯示工藝參數(shù)，并發(fā)出控制信號的顯示、記錄、控制儀表等，包括指針真空表、壓縮機壓力表等;③執(zhí)行器:將二次儀表的控制輸出信號轉(zhuǎn)化為驅(qū)動設備的可執(zhí)行信號裝置。該食品凍十機控制系統(tǒng)中大部分儀表的控制輸出信號都是開關(guān)信號，可直接驅(qū)動繼電器。三通調(diào)節(jié)閥的控制信號通過閥門定位器轉(zhuǎn)換，接收4-20 mA電流線號，轉(zhuǎn)換為驅(qū)動氣源的供給量，以調(diào)節(jié)三通閥門的開度。④可編程控制器PLC:負責各個系統(tǒng)的順序控制和自動運行，并將各個設備的運行狀態(tài)和凍十各個階段的工藝參數(shù)傳送給上位機，還具有自鎖互鎖、錯誤診斷等功能。⑤上位機:配置組態(tài)軟件與監(jiān)控程序，可記錄、存儲并繪出凍十工藝參數(shù)，圖形化顯示設備運行狀態(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設計

    傳統(tǒng)食品凍十機使用儀表和按鈕控制，控制方式只能手l動，電路內(nèi)部的繼電器通過自鎖、互鎖等邏輯電路實現(xiàn)對電i動機和閥門的簡單邏輯控制，系統(tǒng)運行的報警狀態(tài)和運行狀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，種控制電路設計十分復雜，不便于維護。數(shù)據(jù)需要操作人員定時抄錄或記錄儀自動記錄。由于抄錄工作量和記錄格式2的限制，數(shù)據(jù)不能實時詳細地顯示運行狀況，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)點十分崔突出，抗十擾能力強、可靠性高，簡化了設計，完全可以滿足少凍十系統(tǒng)的實際需要。

該食品凍十機中選用了施耐德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 電氣設備控制

    PLC的主要功能是控制電氣設備，控制的設備包括真空泵、電磁閥、壓縮機等。所有的設備都是通過中間繼電器驅(qū)動的。PLC通過輸人模塊得到繼電器的狀態(tài)，從而能夠監(jiān)視各個設備當前的工作狀況;通過輸出模塊控制繼電器的動作，達到驅(qū)動設備啟停的動作。因為實際的食品凍十機要求自動能無擾切換到手動，PLC也會通過輸人模塊讀取各個手動按鈕的動作，通過邏輯功能用一個按鈕實現(xiàn)啟、停2個動作，提高了操作效率。在主回路上，由于驅(qū)動設備很多是電機(如壓縮機、真空泵)，主回路上一定要配備熱繼電器保護和空氣開關(guān)，保證凍十機的安全性能。

2.2 信號測量

    系統(tǒng)需要遠程測量溫度和壓力。由于強電十擾和PLC的AI模塊精度有限等許多原因，傳回的4 - 20mA電流信號有時受到的十擾很大。同過示波器等查看有時加載信號上的雜波很突出，未解決此問題方法有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與上位機的通訊大多采用串口通訊方式，當數(shù)據(jù)量很大時通訊速度會變慢，數(shù)據(jù)的實時性會受到很大的影響。該食品凍十機沒有采用傳統(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100 M以上，相差極大。③前景廣闊。以太網(wǎng)是目前計算機網(wǎng)絡中最常見的通訊協(xié)議標準，對食品凍十產(chǎn)業(yè)化，形成多層數(shù)字化工廠有很大好處。隨著未來食品工業(yè)規(guī)模的不斷擴大，擁有多臺食品凍十機為了便于管理和監(jiān)控，勢必需要用以太網(wǎng)將設備連接在一起，同時方便與上層管理對接，傳統(tǒng)的串口通訊會遇到很大的問題。

3 監(jiān)控程序設計

    系統(tǒng)監(jiān)控軟件包括梯形圖程序和上位機監(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)確定相應輸出，難點在于必須深刻理解凍十工藝與各個系統(tǒng)的工作流程。重點說明上位機程序開發(fā)平臺Citecto Cited是由澳大利亞CiT公司推出的結(jié)合工廠自動化、SCADA及過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，可以方便地實現(xiàn):①形象逼真的圖形描述出凍十機各個系統(tǒng)設備外形，利用改變顏色或者動問效果表明被控對象的啟停，全面即時反映出凍十機各個溫度、壓力參數(shù)的變化;②擁有趨勢圖和報警問面模板，真實記錄所有測量數(shù)據(jù)，方便繪出凍十溫度曲線，產(chǎn)生報警信息，提醒操作人員及時處理設備故障;③利用數(shù)據(jù)庫控件完成對歷史數(shù)據(jù)的相關(guān)數(shù)據(jù)庫操作，利用較少的SQL代碼實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)的瀏覽和更改;④安全機制強大，不同用戶操作時可擁有不同的安全權(quán)限。結(jié)合實際食品凍十機監(jiān)控程序的設計，Cited的應用結(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的控制系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)，設計出PLC應用于控制系統(tǒng)的解決方案。該方案經(jīng)過硬件設計、軟件編程與現(xiàn)場后續(xù)的模擬試驗，證明方案可行，可靠性高，提升了真空冷凍十燥設備的自動化程度。