食品十燥可以保持食品不會腐敗變質。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時的冰架中。食品凍十技術有諸多優點，如營養流失少、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、加熱系統、制冷系統、冷凝系統、除霜系統和控制系統，其中控制系統是整個設備的核心指揮機構，如圖1所示。凍十需要專用昂貴的設備，因此為了實現耗能少、快速連續化生產，設計出完善的食品凍十機，特別是有效合適的控制系統，就顯得格外重要。

圖1 食品凍干機系統框圖

1 控制系統簡介

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。物料放人十燥倉內要保證盡量淺，利于冷熱交換。經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。當凍結水分全部蒸發，產品已定型后，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 控制系統的設計要求

    該系統來自于清華大學核能與新能源技術研究院研制的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自動運行狀態可與手動運行狀態進行無擾切換;②主要工藝參數能夠設定、測量、采集、顯示、記錄及打印，主要工藝參數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設備運行狀況，通過網卡實現場地和遠程監控;④各系統運行狀態、參數可以集中顯示及報警;⑤凍十機各系統均能按設定的程序自動執行，并按給定的參數自動控制在正常范圍內;⑥凍十機可以執行2種運行狀態。第1種狀態為生產狀態:當批量生產時，物料中無需插人溫度傳感器，根據已經確定的工藝曲線，設定各種工藝參數就可以自動運行。第2種狀態為試驗狀態:當小批量試驗時，物料中要放人溫度傳感器，在設定工藝參數后，根據測量物料溫度傳感器中最高溫度自動調節加熱板溫度、倉內壓力、十燥時間等，系統可以自動運行。

1.3 控制系統的總體設計

    控制系統保證凍十機的全部電氣設備按凍十工藝要求可靠運行，監測和精確控制系統工藝參數和物料溫度，并對故障狀態實時報警并自動應急處理，顯示物料在十燥倉內凍十的各階段特性。控制系統主要包括以下部分:①傳感器:測量現場工藝參數并將傳感器信號轉換為電信號，包括PT100鉑電阻、真空薄膜規、壓力傳感器等;②二次儀表:接受現場傳感器的測量信號，顯示工藝參數，并發出控制信號的顯示、記錄、控制儀表等，包括指針真空表、壓縮機壓力表等;③執行器:將二次儀表的控制輸出信號轉化為驅動設備的可執行信號裝置。該食品凍十機控制系統中大部分儀表的控制輸出信號都是開關信號，可直接驅動繼電器。三通調節閥的控制信號通過閥門定位器轉換，接收4-20 mA電流線號，轉換為驅動氣源的供給量，以調節三通閥門的開度。④可編程控制器PLC:負責各個系統的順序控制和自動運行，并將各個設備的運行狀態和凍十各個階段的工藝參數傳送給上位機，還具有自鎖互鎖、錯誤診斷等功能。⑤上位機:配置組態軟件與監控程序，可記錄、存儲并繪出凍十工藝參數，圖形化顯示設備運行狀態。此外還包括指示燈、開關、低壓電器元件、控制柜等。整套系統結構如圖3所示。

圖3凍干控制系統框圖

2 控制系統核心PLC設計

    傳統食品凍十機使用儀表和按鈕控制，控制方式只能手l動，電路內部的繼電器通過自鎖、互鎖等邏輯電路實現對電i動機和閥門的簡單邏輯控制，系統運行的報警狀態和運行狀i態由指示燈顯示，溫度、真空和壓力等數據由儀表顯示。這，種控制電路設計十分復雜，不便于維護。數據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，數據不能實時詳細地顯示運行狀況，也不利于后期的數據分析。PLC作為工業控制常用的控制元件，優點十分崔突出，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動的。PLC通過輸人模塊得到繼電器的狀態，從而能夠監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啟、停2個動作，提高了操作效率。在主回路上，由于驅動設備很多是電機(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，保證凍十機的安全性能。

2.2 信號測量

    系統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可減小紋波，電容大小需現場調試，另一種是利用軟件濾波。

2.3 通信

    傳統上PLC與上位機的通訊大多采用串口通訊方式，當數據量很大時通訊速度會變慢，數據的實時性會受到很大的影響。該食品凍十機沒有采用傳統的基于串口的通訊方式，而是采用工業以太網TCP/IP協議，其優點2在于:①即插即用。串口不能隨意熱插拔，而以太網口不存在這一問題。②通訊速度更快。一般串口通訊速度為9 600kbps，以太網速可達100 M以上，相差極大。③前景廣闊。以太網是目前計算機網絡中最常見的通訊協議標準，對食品凍十產業化，形成多層數字化工廠有很大好處。隨著未來食品工業規模的不斷擴大，擁有多臺食品凍十機為了便于管理和監控，勢必需要用以太網將設備連接在一起，同時方便與上層管理對接，傳統的串口通訊會遇到很大的問題。

3 監控程序設計

    系統監控軟件包括梯形圖程序和上位機監控程序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輸人狀態確定相應輸出，難點在于必須深刻理解凍十工藝與各個系統的工作流程。重點說明上位機程序開發平臺Citecto Cited是由澳大利亞CiT公司推出的結合工廠自動化、SCADA及過程控制的操作員界面軟件包，是一種可視化的監控組態軟件，可以方便地實現:①形象逼真的圖形描述出凍十機各個系統設備外形，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據，方便繪出凍十溫度曲線，產生報警信息，提醒操作人員及時處理設備故障;③利用數據庫控件完成對歷史數據的相關數據庫操作，利用較少的SQL代碼實現工藝數據的瀏覽和更改;④安全機制強大，不同用戶操作時可擁有不同的安全權限。結合實際食品凍十機監控程序的設計，Cited的應用結構如圖4所示。

圖4 CILCCL監控程序結構

4 小結

    介紹了一種食品凍十機的控制系統的組成與結構，設計出PLC應用于控制系統的解決方案。該方案經過硬件設計、軟件編程與現場后續的模擬試驗，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。