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基于PLC控制的真空冻干监控系统的设计

摘要

随着真空冷冻干燥技术的普及和发展，相应提高了对真空冻干设备控制精度和控制稳定性的要求。本论文从这两方面要求入手，提出了“PLC作下位机+PC作上位机十Fuzzy算法”的控制模式。这种模式集PLC控制的稳定性，PC控制的直观、友好性和Fuzzy控制的智能性为一体。论文论述了真空冻干生产线的工作流程，PLC的工作原理，模糊控制器的设计及其在PLC中的实现和PLC与PC上下位机之间通讯的实现。
本系统将模糊控制与PLC结合应用于真空冻干生产线上，解决了加热板温度、物料温度、真空度、冷阱温度相互影响，且影响程度难以确定，从而温度控制模型难以建立，温度曲线超调大、难控制的问题。还充分发挥了PLC控制灵活、稳定、编程方便的优点和上位机具有友好交互界面的优点。这种控制方式的综合控制性能较好，而且在很多类似的工控场合，都是一种比较理想的控制方式。

关键词：真空冻干可编程控制器模糊控制

第一章绪论
1.1引言
真空冻干技术，是一种高档的食品、药品的脱水技术。相比较常见的热风烘干产品，冻干产品的色泽、形状、味道、营养价值和复水性都明显优于烘干产品。用冻干工艺制成的食品，不仅色、香、味、形俱全，而且保存了食品中的维生素、蛋白质等营养物质。冻干食品的优良品质能很好地迎合当今人们对食品“绿色、营养、方便”的三大要求，越来越多的人们选择食用冻干食品。因此，研究真空冻干系统具有很强的实用性。
1.2真空冻干的原理
真空冷冻干燥技术，即真空冻干，是使鲜品在低压、低温下进行脱水，从而得到质量较高的干品的干燥方法。它是一项对食品进行护色、保鲜、保质的高新脱水技术。真空冻干技术利用冰品升华原理，在高真空的条件下，将冻结了的食品中的水分不经过冰的融化而直接从固态冰升华为水蒸汽从而使物料干燥。真空冻干一般分为冷冻、升华、解析三个主要过程。
1.3真空冻干生产线概述
如图1-1所示，真空冻干生产线包括前处理、速冻、升华干燥和包装等环节。配套有制冷系统、抽真空系统、加热系统、设备监控系统和物料运输系统。另外，还配套蒸汽锅炉和循环水。其中加热系统对干燥箱内物料进行加热,以提供食品、药品中水分升华所需热量；制冷系统为干燥箱和冷凝器提供冷源；真空系统提供干燥箱和冷凝器所需的真空度；循环系统为干燥箱和冷凝器中的传热媒质提供循环动力。
食品、药品冻干过程如下：首先，将鲜品送入前处理车间，进行分选、清洗、切分、漂烫、杀菌等必要的前期处理；然后，利用物料运输系统，将物料送入速冻库进行速冻；等物料冻透后，再利用物料运输系统，将物料送入干燥舱，并用真空系统为升华干燥舱建立低气压条件，达到一定的真空度后可启动加热系统，以提供升华潜热；而制冷系统在干燥过程中一直向冷阱提供一定的冷量，以捕获由物料升华出来的水汽；等物料彻底干透后出舱，经物料运输系统送入后处理车间，进行真空包装。
出厂
物料
物料运输系统
前处理
速冻
干燥升华
制冷系统
包装
冷阱捕水系统
加热系统
真
空
泵
机组
设备监控系统
抽真空系统
循环水
热交换器
蒸汽锅炉

图1-1真空冻干食品生产线框图
1.4真空冻干技术国内外研究现状
食品冻干的技术起源于20世纪30年代，是前苏联科学家拉巴期塔罗仁茨基于1921年发明的。1930年Flosdorf开始了食品冻干实验。1940年英国的Fikidd提出了用冷冻干燥方法进行食品处理的技术。1943年，在丹麦出现了最原始的食品冻干技术和设备。1961年，英国食品部公布冷冻干燥法用于食品工业是一种获得优质食品的方法，几乎在同一时期，美、日、德、荷兰、丹麦等国家相继建立了食品冻干加工厂。美国的冻干食品发展最快，在全美方便食品中冻干食品占40%~50%，在20家生产咖啡和茶的工厂中，就有10家采用冻干技术。
我国于上世纪50年代引进真空冷冻干燥技术，主要应用于医药及生物制品。在食品方面的应用起步较晚，到80年代后期才初见成效。当前，在我国运行的冻干设备中，有八成以上是从国外进口的，其中有许多是国际著名的冻干设备生产厂家。如丹麦的ATLAS工业公司、日本的真空株式会社、英国爱德华真空设备公司(ADWADS)、美国赫尔公司(HULL)、德国芬那昆公司(FINNKOAU)等设备制造商。另外，台湾设备也占了很大份额。最近几年，国内相继涌现了不少于的冻干设备生产厂家。

第二章加热系统及PLC概述

一套完整的真空冻干生产线结构复杂，包括有物料清洗系统、物料运输系统、制冷系统、抽真空系统、加热系统和水循环系统等诸多系统。这些系统之间还有相互作用关系，若要对整个生产线进行监控过程很复杂，本论文中仅以加热系统为例介绍控制系统的设计方法。
2.1加热系统
在真空冻干机中，为了使冷冻后物料中的水蒸气不断地从冰晶中升华出来