食品十燥可以保持食品不会腐败变质。真空冷冻十燥( Lyophilization )，简称冻十，就是把含有大量水分的食品提前进行降温冻结成固体，然后在真空的条件下使水直接升华出来，而食品木身剩留在冻结时的冰架中。食品冻十技术有诸多优点，如营养流失少、方便存储运输、复原快等。一般的食品冻十机主要包括真空系统、加热系统、制冷系统、冷凝系统、除霜系统和控制系统，其中控制系统是整个设备的核心指挥机构，如图1所示。冻十需要专用昂贵的设备，因此为了实现耗能少、快速连续化生产，设计出完善的食品冻十机，特别是有效合适的控制系统，就显得格外重要。
图1 食品冻干机系统框图
1 控制系统简介
1.1 工艺流程
冻十工艺流程如图2所示。前处理是指清洁物料，这样物料表面附着水分能够保证在冻十过程中原有形状保持良好，水分均匀保证物料被冻十。当物料预冻到-30℃左右后应给予充分时间，并且必须低于共熔点。预冻后进行抽真空，部分升华要吸热，因此要给予加热，保持物料温度接近并低于共熔点温度。物料放人十燥仓内要保证尽量浅，利于冷热交换。经过一段时间后水分大量升华，在这段时间应减缓升温速率，防止收缩或起泡。当冻结水分全部蒸发，产品已定型后，加热速度可加快。要求物料温度到3035℃后停留2一3h即可结束，破真空取成品，并进行除霜过程。
图2 冻干工艺流程
1.2 控制系统的设计要求
该系统来自于清华大学核能与新能源技术研究院研制的5 m-小型实验食品冻十机。具体要求如下:①系统应包括手动、自动;2套完全独立的控制单元，PLC自动运行状态可与手动运行状态进行无扰切换;②主要工艺参数能够设定、测量、采集、显示、记录及打印，主要工艺参数包括十燥仓真空压力、物料温度等;③冻十机采用PLC控制，计算机、触摸屏模拟显示各系统设备运行状况，通过网卡实现场地和远程监控;④各系统运行状态、参数可以集中显示及报警;⑤冻十机各系统均能按设定的程序自动执行，并按给定的参数自动控制在正常范围内;⑥冻十机可以执行2种运行状态。第1种状态为生产状态:当批量生产时，物料中无需插人温度传感器，根据已经确定的工艺曲线，设定各种工艺参数就可以自动运行。第2种状态为试验状态:当小批量试验时，物料中要放人温度传感器，在设定工艺参数后，根据测量物料温度传感器中最高温度自动调节加热板温度、仓内压力、十燥时间等，系统可以自动运行。
1.3 控制系统的总体设计
控制系统保证冻十机的全部电气设备按冻十工艺要求可靠运行，监测和精确控制系统工艺参数和物料温度，并对故障状态实时报警并自动应急处理，显示物料在十燥仓内冻十的各阶段特性。控制系统主要包括以下部分:①传感器:测量现场工艺参数并将传感器信号转换为电信号，包括PT100铂电阻、真空薄膜规、压力传感器等;②二次仪表:接受现场传感器的测量信号，显示工艺参数，并发出控制信号的显示、记录、控制仪表等，包括指针真空表、压缩机压力表等;③执行器:将二次仪表的控制输出信号转化为驱动设备的可执行信号装置。该食品冻十机控制系统中大部分仪表的控制输出信号都是开关信号，可直接驱动继电器。三通调节阀的控制信号通过阀门定位器转换，接收4-20 mA电流线号，转换为驱动气源的供给量，以调节三通阀门的开度。④可编程控制器PLC:负责各个系统的顺序控制和自动运行，并将各个设备的运行状态和冻十各个阶段的工艺参数传送给上位机，还具有自锁互锁、错误诊断等功能。⑤上位机:配置组态软件与监控程序，可记录、存储并绘出冻十工艺参数，图形化显示设备运行状态。此外还包括指示灯、开关、低压电器元件、控制柜等。整套系统结构如图3所示。
图3冻干控制系统框图
2 控制系统核心PLC设计
传统食品冻十机使用仪表和按钮控制，控制方式只能手l动，电路内部的继电器通过自锁、互锁等逻辑电路实现对电i动机和阀门的简单逻辑控制，系统运行的报警状态和运行状i态由指示灯显示，温度、真空和压力等数据由仪表显示。这，种控制电路设计十分复杂，不便于维护。数据需要操作人员定时抄录或记录仪自动记录。由于抄录工作量和记录格式2的限制，数据不能实时详细地显示运行状况，也不利于后期的数据分析。PLC作为工业控制常用的控制元件，优点十分崔突出，抗十扰能力强、可靠性高，简化了设计，完全可以满足少冻十系统的实际需要。
该食品冻十机中选用了施耐德Modicon M340可编程控刁制器，其配置如表1所示。
表1施耐德M340配置
2.1 电气设备控制
PLC的主要功能是控制电气设备，控制的设备包括真空泵、电磁阀、压缩机等。所有的设备都是通过中间继电器驱动的。PLC通过输人模块得到继电器的状态，从而能够监视各个设备当前的工作状况;通过输出模块控制继电器的动作，达到驱动设备启停的动作。因为实际的食品冻十机要求自动能无扰切换到手动，PLC也会通过输人模块读取各个手动按钮的动作，通过逻辑功能用一个按钮实现启、停2个动作，提高了操作效率。在主回路上，由于驱动设备很多是电机(如压缩机、真空泵)，主回路上一定要配备热继电器保护和空气开关，保证冻十机的安全性能。
2.2 信号测量
系统需要远程测量温度和压力。由于强电十扰和PLC的AI模块精度有限等许多原因，传回的4 - 20mA电流信号有时受到的十扰很大。同过示波器等查看有时加载信号上的杂波很突出，未解决此问题方法有2种，一种是多组电容并联可减小纹波，电容大小需现场调试，另一种是利用软件滤波。
2.3 通信
传统上PLC与上位机的通讯大多采用串口通讯方式，当数据量很大时通讯速度会变慢，数据的实时性会受到很大的影响。该食品冻十机没有采用传统的基于串口的通讯方式，而是采用工业以太网TCP/IP协议，其优点2在于:①即插即用。串口不能随意热插拔，而以太网口不存在这一问题。②通讯速度更快。一般串口通讯速度为9 600kbps，以太网速可达100 M以上，相差极大。③前景广阔。以太网是目前计算机网络中最常见的通讯协议标准，对食品冻十产业化，形成多层数字化工厂有很大好处。随着未来食品工业规模的不断扩大，拥有多台食品冻十机为了便于管理和监控，势必需要用以太网将设备连接在一起，同时方便与上层管理对接，传统的串口通讯会遇到很大的问题。
3 监控程序设计
系统监控软件包括梯形图程序和上位机监控程序2部分。梯形图程序使用施耐德Unity Pro XL软件编写，PLC梯形图程序需要根据输人状态确定相应输出，难点在于必须深刻理解冻十工艺与各个系统的工作流程。重点说明上位机程序开发平台Citecto Cited是由澳大利亚CiT公司推出的结合工厂自动化、SCADA及过程控制的操作员界面软件包，是一种可视化的监控组态软件，可以方便地实现:①形象逼真的图形描述出冻十机各个系统设备外形，利用改变颜色或者动问效果表明被控对象的启停，全面即时反映出冻十机各个温度、压力参数的变化;②拥有趋势图和报警问面模板，真实记录所有测量数据，方便绘出冻十温度曲线，产生报警信息，提醒操作人员及时处理设备故障;③利用数据库控件完成对历史数据的相关数据库操作，利用较少的SQL代码实现工艺数据的浏览和更改;④安全机制强大，不同用户操作时可拥有不同的安全权限。结合实际食品冻十机监控程序的设计，Cited的应用结构如图4所示。
图4 CILCCL监控程序结构
4 小结
介绍了一种食品冻十机的控制系统的组成与结构，设计出PLC应用于控制系统的解决方案。该方案经过硬件设计、软件编程与现场后续的模拟试验，证明方案可行，可靠性高，提升了真空冷冻十燥设备的自动化程度。
(审核编辑: 智汇李)
