凍干機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、冷凍干燥機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)DesignonPLCStorageunkerLiftingSystem畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得安陽(yáng)工學(xué)院及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：日期：日期：使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解安陽(yáng)工學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按

2、照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名：日期：中文摘要、關(guān)鍵詞1英文摘要、關(guān)鍵詞2引言3第1章緒論41.1 課題研究的背景和意義41.2 冷凍干燥技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)51.3 本設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容7第2章控制系統(tǒng)總體方案選擇82.1 冷凍干燥機(jī)的簡(jiǎn)介和冷凍干燥的基本原理82.2 冷凍干燥機(jī)工藝流程92.3 以PLC為核心的冷凍干燥機(jī)控制系統(tǒng)122.3.1 系統(tǒng)的構(gòu)成122.3.2 冷凍干燥機(jī)的控制

3、系統(tǒng)142.4 冷凍干燥機(jī)的系統(tǒng)保障142.4.1 制冷系統(tǒng)的保護(hù)152.4.2 真空系統(tǒng)與其他泵的保護(hù)152.5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案選擇162.5.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較162.5.2 最佳方案的選擇17第3章硬件設(shè)計(jì)183.1 系統(tǒng)概況183.2 PLC處理器選型193.3 傳感器213.3.1 溫度傳感器213.3.2 濕度傳感器223.4 確定I/O點(diǎn)233.5 PLC及其擴(kuò)展板253.5.1 模擬量輸入模塊FX2NH4AD253.5.2 溫度傳感器用模擬量輸入模塊FX2n4AD-TC25第4章控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)274.1 系統(tǒng)軟件主程序設(shè)計(jì)274.2 初始化凍干曲線設(shè)定274.3

4、裝料和全壓塞卸料過(guò)程304.4 冷凍干燥過(guò)程324.5 除霜過(guò)程364.6 在線清洗過(guò)程364.7 報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)39第5章程序調(diào)試40結(jié)論44致謝45參考文獻(xiàn)46附錄A47附錄B49冷凍干燥機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：本論文采用三菱的小型PLC對(duì)整個(gè)冷凍干燥機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)較高的自動(dòng)化程度，并完成智能控制、狀態(tài)顯示和故障報(bào)警等任務(wù)。本控制系統(tǒng)具有干燥機(jī)凍干曲線設(shè)定、除霜、在線清洗、真空控制、干燥狀態(tài)檢測(cè)、故障報(bào)警的功能，控制系統(tǒng)能進(jìn)行全自動(dòng)的凍干控制，包括預(yù)凍、加熱、抽真空、壓塞、放氣、除霜等。采用凍干曲線和設(shè)備運(yùn)行全自動(dòng)方法時(shí)，可由微機(jī)編程，軟件可記錄各運(yùn)行設(shè)備運(yùn)行的時(shí)間和歷史記錄，隨機(jī)

5、和定時(shí)打印數(shù)據(jù)、報(bào)表、曲線等。多點(diǎn)記錄儀可顯示制品、導(dǎo)熱液、真空冷凝器的溫度和干燥腔室、真空泵的真空度，同時(shí)還對(duì)冷凝器的溫度進(jìn)行報(bào)警，必要時(shí)能夠進(jìn)行人工干預(yù)。關(guān)鍵詞：PLC冷凍干燥機(jī)自動(dòng)控制DesignonPLCStorageBunkerLiftingSystemAbstract:ThethesisadoptsthesmallsizePLCofMitsubishitocontroltheoperationsystemofthefreezedryer.Itcanachieveahigherdegreeofautomationandperformthetasksofintelligentcontr

6、ol,statusdisplayandfailurewarning.Thiscontrolsystemofthedryerhasthefunctionsoffreeze-dryingcurvesetting,deforestation,on-linecleaning,vacuumcontrol,Drystatedetectionandfailurewarning.Itcanmaketheautomaticcontrolledlyophilization,includingprecook,heatingup,vacuumize,tamponade,deflationanddefrostation

7、.Inthefreeze-dryingcurveandEquipmentrunningfullyautomaticmethods,itcanmakecomputerprogramming;thesoftwarecanrecordthetimeandhistoryofeachoperationaloutfit,printdata,reportformsandcurverandomlyoratregulartime.Themultipointrecordercandisplaythetemperatureofproduction,thermalfluidandthevacuumcondenser,

8、andthevacuumdegreeofdryingchamberandthevacuumpump.ItcanalsowarntowardsthetemperatureofthecondenserandgivehumaninterventionwhennecessaryKeyword：PLC;frozendyers;automaticcontrol引言目前冷凍干燥機(jī)控制電路的使用壽命大部分與其電路設(shè)計(jì)、元器件選型、工作環(huán)境及控制方式等因素有關(guān)，PLC乍為工業(yè)控制單元，應(yīng)用于各種控制環(huán)境，內(nèi)部電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極為精良，其使用壽命一般可保證在十年以上，性能穩(wěn)定可靠，抗干擾性好；PLC應(yīng)用于各種工

9、業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，其電壓適用范圍很寬，具有極強(qiáng)的抗電磁干擾，抗震動(dòng)、抗高溫、高濕等特性，性能極為穩(wěn)定、可靠。功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)靈活，可擴(kuò)展性好；PLC空制型冷凍干燥機(jī)作為其老型號(hào)的升級(jí)產(chǎn)品，其功能得到極大增強(qiáng)。目前可實(shí)現(xiàn)的功能有：自動(dòng)除霜、自動(dòng)在線清洗、自動(dòng)滅菌、各種情況的自動(dòng)報(bào)警、設(shè)備保護(hù)及故障識(shí)別等川。PLC作為一門控制技術(shù)在我國(guó)已有近二十年的應(yīng)用，并已從工業(yè)控制逐漸向其他行業(yè)擴(kuò)展，相信隨著其本身性能的不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤貙?，了解及掌握這一控制技術(shù)，將使我國(guó)的自動(dòng)化控制技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。凍干機(jī)還存在著許多不足，無(wú)論是國(guó)產(chǎn)還是引進(jìn)設(shè)備其共同的缺點(diǎn)是價(jià)格貴，耗能高回收投資慢。國(guó)產(chǎn)凍干機(jī)

10、擱板溫度不均勻，造成凍干產(chǎn)品含水率不均勻；干燥速率低，干燥箱內(nèi)各點(diǎn)干燥快慢不一致；無(wú)法判斷干燥何時(shí)結(jié)束，這是重要缺欠，因?yàn)樗赡茉斐僧a(chǎn)品含水率高而不合格，也可能造成干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而浪費(fèi)能源。針對(duì)這些問(wèn)題，今后的發(fā)展方向應(yīng)是：食品凍干工藝除擴(kuò)大物料品種外，應(yīng)該著重優(yōu)化工藝參數(shù)剃定出最佳工藝曲線，完善凍干產(chǎn)品質(zhì)量檢查的標(biāo)準(zhǔn)，降低凍干產(chǎn)品的價(jià)格；西藥和生物制品的凍干工藝應(yīng)該走向標(biāo)準(zhǔn)化，以提高凍干產(chǎn)品質(zhì)量為重點(diǎn)，使凍干過(guò)程中所用的保護(hù)劑或添加劑更規(guī)范；開(kāi)展生物體凍干工藝的研究，爭(zhēng)取快出成果，用于提高人類的健康水平。第1章緒論1.1 課題研究的背景和意義冷凍干燥機(jī)起源于19世紀(jì)20年代的真空冷凍干燥技術(shù)經(jīng)

11、歷了幾十年的起伏和徘徊后，在最后的20年中取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。進(jìn)入21世紀(jì)，真空凍干技術(shù)憑借其它干燥方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的青睞，除了在醫(yī)藥、生物制品、食品、血液制品、活性物質(zhì)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用外，其應(yīng)用規(guī)模和領(lǐng)域還在不斷擴(kuò)大中。為此，真空冷凍干燥必將成為21世紀(jì)的重要應(yīng)用技術(shù)。干燥的方法多種多樣，如曬干、煮干、烘干、噴霧干燥和真空干燥等，但普通干燥方法通常都在0c以上或更高的溫度下進(jìn)行。干燥所得的產(chǎn)品一般都存在體積小、質(zhì)地變硬的問(wèn)題，易揮發(fā)的成分大部分會(huì)損失掉，一些熱敏性的物質(zhì)發(fā)生變性、失活，有些物質(zhì)甚至發(fā)生了氧化。因此，干燥后的產(chǎn)品與干燥前相比，在性狀上有很大的差別。凍干法則基本上在

12、0c以下進(jìn)行，即在產(chǎn)品凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行，只在后期降低產(chǎn)品的殘余水份含量時(shí)，才讓產(chǎn)品升至0c以上的溫度，但一般不超過(guò)40Co在真空條件下，當(dāng)水蒸汽直接升華出來(lái)后，藥物剩留在凍結(jié)時(shí)的冰架中，形成類似海綿狀疏松多孔架構(gòu)，因此它干燥后體積大小幾乎不變。再次使用前，只要加入注射用水，又會(huì)立即溶解。相對(duì)常規(guī)方法，凍干機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：許多熱敏性的物質(zhì)不會(huì)發(fā)生變性或失活；在低溫下干燥時(shí)，物質(zhì)中的一些揮發(fā)性成分損失很小；在凍干過(guò)程中，微生物的生長(zhǎng)和酶的作用無(wú)法進(jìn)行，因此能保持原來(lái)的性狀；由于在凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行干燥，因此體積幾乎不變，保持了原來(lái)的結(jié)構(gòu)，不會(huì)發(fā)生濃縮現(xiàn)象；由于物料中水分在預(yù)凍以后以冰晶的形態(tài)存在，原

13、來(lái)溶于水中的無(wú)機(jī)鹽類溶解物質(zhì)被均勻地分配在物料之中，升華時(shí)，溶于水中的溶解物質(zhì)就析出，避免了一般干燥方法中因物料內(nèi)部水分向表面遷移所攜帶的無(wú)機(jī)鹽在表面析出而造成表面硬化的現(xiàn)象；干燥后的物質(zhì)疏松多孔，呈海綿狀，加水后溶解迅速而完全，幾乎立即恢復(fù)原來(lái)的性狀；由于干燥在真空下進(jìn)行，氧氣極少，因此一些易氧化的物質(zhì)得到了保護(hù)；干燥能排除95%-99姒上的水分，使干燥后產(chǎn)品能長(zhǎng)期保存而不致變質(zhì)；因物料處于凍結(jié)狀態(tài)，溫度很低，所以供熱的熱源溫度要求不高，采用常溫或溫度不高的加熱器即可滿足要求；如果冷凍室和干燥室分開(kāi)時(shí)，干燥室不需絕熱，不會(huì)有很多的熱損失，故熱能的利用很經(jīng)濟(jì)。1.2 冷凍干燥技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨

14、勢(shì)1.2.1 國(guó)內(nèi)外干燥設(shè)備的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)干燥技術(shù)是一種古老而通用的單元操作技術(shù)，然而它又是很復(fù)雜的、人類對(duì)其了解還很淺的技術(shù)。目前大多數(shù)干燥設(shè)備設(shè)計(jì)仍然依賴于小規(guī)模試驗(yàn)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)。換句話說(shuō)干燥器設(shè)計(jì)尚屬非標(biāo)設(shè)計(jì)。自70年代以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及各技術(shù)領(lǐng)域的交叉、滲透，干燥設(shè)備、干燥過(guò)程和干燥理論的研究有較大進(jìn)展。尤其是近10多年來(lái),有許多新型干燥器投放市場(chǎng)，但其主要是在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上作了某些改進(jìn)。隨著全球經(jīng)濟(jì)、技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的日趨劇烈，人們對(duì)有效利用能源、提高產(chǎn)品質(zhì)量和加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)等的意識(shí)逐步增強(qiáng)。干燥設(shè)備隨著干燥技術(shù)的變革而革新。革新的內(nèi)容包括：(1)設(shè)計(jì)制造新的干燥設(shè)備或與干

15、燥過(guò)程相配套的設(shè)備；(2)提高干燥產(chǎn)品的質(zhì)量，在干燥產(chǎn)品質(zhì)量控制方面比現(xiàn)有設(shè)備要好；(3)避免或減少對(duì)環(huán)境的污染；(4)操作更安全、可靠；(5)總體上降低能耗，降低設(shè)備制造成本。近期內(nèi)干燥技術(shù)要有突破性進(jìn)展還相當(dāng)困難一般是趨于技術(shù)革新。目前，在世界范圍內(nèi)干燥設(shè)備的主要研究方向是有效利用能源、提高產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量、減少環(huán)境污染、安全操作、易于控制和一機(jī)多用等20具體研究課題為：(1)接式干燥器中使用過(guò)熱蒸汽作為干燥介質(zhì)；(2)使用間接加熱方武；(3)組合式傳熱方式(對(duì)流、傳導(dǎo)與介電或熱輻射的組合)；(4)容積式加熱(微波或高頻場(chǎng))；(5)使用不同類型干燥器；(6)間斷傳熱方式；(7)為有效的供熱方

16、法(如脈沖燃燒、感應(yīng)加熱等)；(8)新型氣固接觸技術(shù)(如二維噴動(dòng)床、旋轉(zhuǎn)噴動(dòng)床等)；(9)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)靈活的、多用途的干燥器；(10)糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)、專家系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)干燥過(guò)程的控制；1.2.2 凍干工藝的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)凍干機(jī)還存在著許多不足，無(wú)論是國(guó)產(chǎn)還是引進(jìn)設(shè)備其共同的缺點(diǎn)是價(jià)格貴，耗能高回收投資慢。因此低成本少能耗是食品凍干機(jī)今后的主攻方向。除此之外國(guó)產(chǎn)凍干機(jī)還存在一些不足之處:(1)擱板溫度不均勻，造成凍干產(chǎn)品含水率不均勻，產(chǎn)品合格率受影響。造成溫度不均勻的原因各不相同。有的是擱板結(jié)構(gòu)和材料質(zhì)量不好；有的是加熱流體分流或流程有缺欠；有的是捕水器在干燥箱內(nèi)絕熱不好。(2)干燥速率低，

17、干燥箱內(nèi)各點(diǎn)干燥快慢不一致，反映在產(chǎn)品上仍然是合格率受影響。其原因除擱板溫度不均勻外，還與真空系統(tǒng)配置得不合理有關(guān)。主要體現(xiàn)在捕水器配置得不合理；水蒸汽噴射泵性能不穩(wěn)定；抽氣口位置不合理等。(3)無(wú)法判斷干燥何時(shí)結(jié)束，這是重要缺欠，因?yàn)樗赡茉斐僧a(chǎn)品含水率高而不合格，也可能造成干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而浪費(fèi)能源。(4)捕水器效率低。主要體現(xiàn)在捕水器面積大而捕水量小，有部分無(wú)效面積，其根本原因是捕水器設(shè)計(jì)不合理。(5)真空度不穩(wěn)定。除操作原因外，可能是真空空系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理。對(duì)于水蒸汽噴射泵而言?？赡艹霈F(xiàn)的問(wèn)題是蒸汽鍋爐壓力不穩(wěn)定。今后凍干工藝的發(fā)展方向應(yīng)該是：(1)食品凍干工藝除擴(kuò)大物料品種外，應(yīng)該著重優(yōu)化

18、工藝參數(shù)剃定出最佳工藝曲線，完善凍干產(chǎn)品質(zhì)量檢查的標(biāo)準(zhǔn)，降低凍干產(chǎn)品的價(jià)格。(2)西藥和生物制品的凍干工藝應(yīng)該走向標(biāo)準(zhǔn)化，以提高凍干產(chǎn)品質(zhì)量為重點(diǎn)，使凍干過(guò)程中所用的保護(hù)劑或添加劑更規(guī)范。加強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)交流，走共同進(jìn)步之路。(3)開(kāi)展生物體凍干工藝的研究，爭(zhēng)取快出成果，用于提高人類的健康水平。1.2.3凍干理論的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)冷凍干燥技術(shù)的理論研究可概括為低壓低溫傳熱傳質(zhì)的理論研究叫瑞態(tài)流場(chǎng)的理論研究和熱物性參數(shù)與其測(cè)量方法研究三大部分。其中低壓低溫傳熱傳質(zhì)的理論研究進(jìn)行得比較早，效果比較明顯,目前公認(rèn)的凍干模型可歸納成三種：一種是1976年Sandall等提出的冰界面均勻后移的穩(wěn)態(tài)模型(URI

19、F);另一種是1968年Drye等提出的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型；第三種是1979年Litchield等提出的吸陰升華模型。這幾種模型都可以描述凍干過(guò)程，但又都存在著不足以述傳熱過(guò)程比較準(zhǔn)確述傳質(zhì)過(guò)程誤差較大。主要問(wèn)題是在傳質(zhì)過(guò)程中要發(fā)生固-汽相變，水蒸氣在多孔的通道中傳遞，通道長(zhǎng)度要隨時(shí)間不同而變化，是非穩(wěn)態(tài)過(guò)程。多孔通道的結(jié)構(gòu)尺寸還與預(yù)凍速度、被凍干物料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)等有關(guān)。從近幾年的研究報(bào)道中還沒(méi)有見(jiàn)到有新的突破。凍干過(guò)程傳熱傳質(zhì)的理論研究重點(diǎn)是研究發(fā)生在被凍干物料內(nèi)部的過(guò)程瑞態(tài)流場(chǎng)的理論研究，重點(diǎn)是研究物料之外、凍干機(jī)之內(nèi)的低壓低溫空間環(huán)境。描述該空間環(huán)境的參數(shù)有溫度、壓力、濕度等，這些參數(shù)形成的溫度場(chǎng)

20、、壓力場(chǎng)、濕度分布等都是隨時(shí)間變化的非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，這些非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的模擬方法至今還是個(gè)難題。凍干機(jī)捕水器中的非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)中又增加了一個(gè)汽一周相變的問(wèn)題研究更加復(fù)雜化。因此，近幾年雖然有人研究并發(fā)表論文，但都沒(méi)有形成有效的理論，仍然是值得深入研究的課題之一。1.3本設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容本課題是在三菱公司的FX系列可編程序控制器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的干燥控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)應(yīng)具有凍干曲線設(shè)定、除霜、在線清洗、真空控制等功能。凍干流程顯示可用熒光屏或模擬板兩種方式，另外在編程器上可顯示溫度、壓力、時(shí)間、周期、狀態(tài)等。本文詳細(xì)介紹了冷凍干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)組成、冷凍干燥的基本原理。根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇合適的PLC、傳感器等元件

21、，設(shè)計(jì)出能滿足控制要求的控制電路、梯形圖、流程圖以及控制程序。第2章控制系統(tǒng)總體方案選擇2.1冷凍干燥機(jī)的簡(jiǎn)介和冷凍干燥的基本原理冷凍干燥是將含水物質(zhì)冷凍結(jié)成固態(tài)，而后使其中的水分從固態(tài)升華成氣態(tài)，以除去水分而保存物質(zhì)的方法。這種干燥方法與通常的曬干、真空干燥等方法相比有許多突出優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)的干燥方法。冷凍干燥能保存許多物品（如食品），雖然很早就為人們所知，但是由于當(dāng)時(shí)科技水平較低，直到1935年第一臺(tái)商用凍干機(jī)問(wèn)世以后防腐方法才開(kāi)始在物品干燥過(guò)程中應(yīng)用。隨著凍干基礎(chǔ)理論的發(fā)展、凍干工藝和設(shè)備的不斷改進(jìn)和完善，物品冷凍向自動(dòng)化、大型化、工業(yè)化方向發(fā)展；現(xiàn)在，一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了物品

22、冷凍干燥加工過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制。在我國(guó)，物品凍干事業(yè)起步較晚，與國(guó)外相比存在較大的差距，特別是在凍干設(shè)備和凍干過(guò)程的自動(dòng)化水平這兩個(gè)方面尤為明顯。凍干過(guò)程的原理是以水的三相平衡圖為基礎(chǔ)的，如圖2.1所示。純水的三相平衡壓力po=610.5pa,溫度To=0.00980C。當(dāng)壓力低于po時(shí)，水就從固態(tài)直接轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，凍干的基本原理就是AB線上的汽周轉(zhuǎn)化過(guò)程。真空冷凍干燥過(guò)程一般分為預(yù)凍結(jié)、升華干燥、解析干燥3個(gè)階段。冷凍干燥在冷凍干燥設(shè)備（簡(jiǎn)稱凍干機(jī)）中實(shí)現(xiàn)。凍干機(jī)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但一般包含凍干倉(cāng)、制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、水汽凝結(jié)器、自動(dòng)加塞系統(tǒng)、自動(dòng)清洗系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾個(gè)部分。冷凍干

23、燥過(guò)程分為預(yù)處理、預(yù)凍、升華、干燥4個(gè)過(guò)程，凍干操作前藥液要經(jīng)過(guò)濾過(guò)處理，最后把處理好的藥液灌裝在小安瓶?jī)?nèi)進(jìn)行冷凍干燥。（1）預(yù)處理預(yù)處理其目的是保證優(yōu)質(zhì)原料以及利于凍干與貯藏。對(duì)于固態(tài)食品，應(yīng)進(jìn)行清洗、篩分、漂燙、切分清洗與篩分是保證凍干原料為合格品；漂燙是鈍化酶活性的最有效方法同時(shí)漂燙也能除去部分水，以減少干燥負(fù)荷；切分利于包裝、食用，同時(shí)切分尺寸及切口方位也會(huì)影響凍干速率。對(duì)于液態(tài)食品應(yīng)進(jìn)行滅菌與濃縮，濃縮利用真空或凍結(jié)方法進(jìn)行。濃縮程度合理與否，將直接影響凍干速率及生產(chǎn)效率。0I。0溫度/e圖2.1純水的三相平衡圖(2)預(yù)凍預(yù)凍是恒壓降溫過(guò)程，藥液隨溫度的下降凍結(jié)成固體，溫度應(yīng)降低至產(chǎn)

24、品共熔點(diǎn)以下10oC20°C,共熔點(diǎn)是指水溶液隨溫度下降，冰和溶質(zhì)同時(shí)析出固體結(jié)晶時(shí)的混合物的溫度。(3)升華升華干燥首先是恒溫減壓過(guò)程，然后是在抽真空條件下，包壓升溫使固態(tài)冰升華逸去可以一次升華，也可以多次升華。(4)再干燥升華完成后，溫度繼續(xù)升高至10oC或室溫，并保持一段時(shí)間可使己升華的水蒸汽或殘留的水分被除盡，即再干燥過(guò)程，再干燥可減少制品凍干后回潮。通過(guò)冷凍干燥得到的產(chǎn)品所具有的優(yōu)點(diǎn)：可避免藥品因高溫分解變質(zhì)，如可使產(chǎn)品中的蛋白質(zhì)不發(fā)生變性；所得產(chǎn)品質(zhì)地疏松，加水后迅速溶解，恢復(fù)藥液原有特性；含水量低，一般在13%左右，同時(shí)干燥在真空中進(jìn)行，故不易氧化，有利于產(chǎn)品長(zhǎng)期貯存；

25、產(chǎn)品中的異物比用常規(guī)方法產(chǎn)生的少，因?yàn)槲廴緳C(jī)會(huì)相對(duì)減少。臨床應(yīng)用效果好，過(guò)敏現(xiàn)象，副作用少。2.2 冷凍干燥機(jī)工藝流程2.2.1 結(jié)構(gòu)介紹冷凍干燥機(jī)由以下幾部分組成：即真空裝置、制冷裝置、離心機(jī)裝置、干燥腔室、真空排氣系統(tǒng)、導(dǎo)熱擱板、加熱裝置、導(dǎo)熱媒體換熱裝置、擱板升降及壓塞系統(tǒng)、溶媒收集裝置、在線自動(dòng)清洗裝置、在線滅菌裝置、運(yùn)行參數(shù)測(cè)定控制系統(tǒng)部分。如圖2.2<=蒸汽進(jìn)水羅茨泵高水位，高水位，僚水位I低水位流量探頭水泵制泠機(jī)進(jìn)水。水環(huán)充福0邪a排汽口排WFI排水U摔水圖2.2凍干機(jī)系統(tǒng)示意圖進(jìn)WFI口真空裝置：真空部分包括真空干燥室、隔離閥、水蒸氣捕集冷凝器、真聯(lián)式旋片真空泵聯(lián)接管道及

26、氣閥等。系統(tǒng)內(nèi)空氣及水蒸氣的抽除是由真空系來(lái)完成的。真空系工作時(shí)，當(dāng)打開(kāi)隔離閥，真空干燥室內(nèi)的空氣及水蒸氣經(jīng)過(guò)水蒸汽捕集冷凝器捕獲水分后進(jìn)入真空泵，由真空泵排氣口排出系統(tǒng)外。為防止經(jīng)水蒸汽捕集冷凝器后抽除的氣體中仍含有極少量的水蒸汽進(jìn)入系內(nèi)，系統(tǒng)配氣鍍閥。冷凍干燥時(shí)，打開(kāi)氣囊閥在真空泵的排氣口裝有油霧捕集器，以防止排出氣體中煙霧污染室內(nèi)環(huán)境。制冷裝置：制冷機(jī)是由回轉(zhuǎn)式壓編機(jī)、風(fēng)冷冷凝器、貯液器、過(guò)濾干燥器、熱力膨脹閥、蒸發(fā)器（盤管）等組成。氣態(tài)工質(zhì)經(jīng)壓縮機(jī)壓編后，溫度和壓力升高，經(jīng)風(fēng)冷冷凝器冷卻后變?yōu)楦邏阂簯B(tài)。過(guò)濾干燥器除去工質(zhì)中的機(jī)械雜質(zhì)及水分。經(jīng)勢(shì)力膨脹閥膨脹，壓力和溫度降低。低壓液態(tài)在蒸

27、發(fā)管內(nèi)蒸發(fā)時(shí)吸收水蒸氣捕獲冷凝器壁面的熱量，使壁面溫度降低，蒸發(fā)后的氣態(tài)再進(jìn)入壓縮機(jī)，如此反復(fù)循環(huán)。轉(zhuǎn)于壓組機(jī)作為制冷機(jī)的主機(jī)，這種壓縮機(jī)具有能效比高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音低、體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。蒸發(fā)器主要是用來(lái)冷卻水蒸氣捕集冷凝器的。在冷凍干燥過(guò)程中，水蒸氣捕集冷凝器的溫度不高于-45°Co為保證蒸發(fā)器與捕集冷凝器衙壁的充分換熱，蒸發(fā)器的紫銅管緊緊纏繞在捕集冷凝器的外壁上，且保證蒸發(fā)器有充足的蒸發(fā)面積，提高換熱效率。離心機(jī)部分：離心機(jī)除具有萃取、分離功能外，在對(duì)制品進(jìn)行抽空（降空）凍結(jié)時(shí)，若將安施貉止地豎直放在干燥室中，安領(lǐng)中的液體制品，由于波面壓力降低會(huì)從頂部沖出。為了這個(gè)問(wèn)題，將放

28、置在托盤上的安領(lǐng)上部向內(nèi)傾斜。當(dāng)離心機(jī)帶動(dòng)安箔旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于離心力會(huì)產(chǎn)生沿安領(lǐng)軸向向下的分力，使安領(lǐng)中液體不會(huì)沖出。離心機(jī)的軸延長(zhǎng)到干燥室內(nèi)，而干燥室內(nèi)為真空，因此，離心機(jī)的軸封至關(guān)重要。由于離心機(jī)的尺寸小，采用其它形式的軸封不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且體積大，為此采用雙“O”形因軸密封。在“O”形圖的選擇及變形考慮上，既不能與軸配合得太緊，又不能太松，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，才確定其結(jié)構(gòu)尺寸。這種密封不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，而且密封非常可靠。干燥腔室：干燥腔室的主要作用是形成一個(gè)密閉的空間，制品在腔室中，在一定的溫度、壓力等條件下完成冷凍、真空干燥、全壓塞等操作。真空排氣系統(tǒng)：在干燥腔室和真空冷凝器形成真空，一方面促

29、使腔室內(nèi)的水分在真空狀態(tài)蒸發(fā)升華，另一方面該真空系統(tǒng)在真空冷凝器和干燥腔室之間形成一個(gè)真空度梯度（壓力差），這個(gè)壓力差將干燥腔室內(nèi)中蒸發(fā)的水蒸氣推向真空冷凝器，并被真空冷凝器的冰面捕集。由于冷凍過(guò)程產(chǎn)生于干燥腔室和真空冷凝器之間的水蒸汽壓力差，只有在真空冷凝器的溫度低于干燥腔室的溫度的條件下，才能形成干燥腔室與真空冷之間的壓力差。因此如果真空冷凝器的性能不佳，前述干燥腔室與真空冷凝器之間對(duì)水蒸汽的推動(dòng)力將減少，真空系統(tǒng)將不可能有效的排除水蒸汽，影響制品質(zhì)量和真空泵的壽命。導(dǎo)熱擱板：擱板的冷卻和加熱是靠導(dǎo)熱媒體在擱板層內(nèi)部的通道中強(qiáng)制循環(huán)得以實(shí)現(xiàn)的，冷或熱的導(dǎo)熱媒體在擱板內(nèi)流動(dòng)，均一地將冷或熱能

30、量傳遞給放置于擱板的制品容器，能量的傳遞貫穿于整個(gè)冷凍過(guò)程。導(dǎo)熱媒體的循環(huán)可通過(guò)機(jī)械泵或磁驅(qū)動(dòng)無(wú)密閉墊式循環(huán)泵來(lái)實(shí)現(xiàn)。加熱裝置：干燥過(guò)程中為制品提供熱量，一般采用電加熱器。導(dǎo)熱媒體換熱裝置：間接的交換來(lái)至制冷或電加熱器的冷或熱量，給導(dǎo)熱擱板上的制品提供能量。擱板升降及壓塞系統(tǒng)：在干燥腔室內(nèi)，一個(gè)凍干周期完成之后，在控制壓力的消毒空氣或特性氣體狀態(tài)下，對(duì)小瓶壓塞封口，壓塞裝置的壓板由設(shè)在箱體的頂部或底部的液壓缸或氣體驅(qū)動(dòng)。隨著壓板的下降或上升，擱板沿著滑竿一層接一層向下或向上移動(dòng)將膠塞壓進(jìn)瓶口，完成壓塞工作。擱板升降系統(tǒng)還可以方便裝料和卸料，即裝料時(shí)將所有擱板降到箱體底部，第一層升到裝料高度，進(jìn)

31、料之后上升給第二層擱板留下位置，這樣依次裝料直到完成裝料。卸料過(guò)程與之相反。擱板液壓裝置位置靠近干燥箱，主要部件還包括電磁閥、控壓閥、壓力開(kāi)關(guān)、安全閥、單向閥和壓力表等。溶媒收集裝置：當(dāng)凍干制品溶液中含有有機(jī)溶劑時(shí)，普通的凍結(jié)溫度和正常真空狀態(tài)下，有機(jī)溶劑混合液不易固相存在，有機(jī)溶劑混合蒸汽不能被普通冷凝盤管凝結(jié)捕獲。為了凝結(jié)捕獲含有機(jī)溶劑的冷凝溶劑，通常在真空冷凝器的底部設(shè)計(jì)配置一有溶劑收集器，收集器內(nèi)配有內(nèi)置蒸發(fā)盤管，通過(guò)制冷壓縮機(jī)制冷，將收集器的溫度降到足夠低，足以在干燥升華階段真空冷凝器中以捕獲的有機(jī)溶劑混合溶液凝冰再次蒸發(fā)。在進(jìn)行第二次干燥時(shí)，通過(guò)關(guān)閉閥門，使有機(jī)溶劑收集器與主冷凝器

32、完全隔離，二次干燥如常進(jìn)行。除此以外，溶劑收集器應(yīng)配有相應(yīng)的閥門，具有排放和進(jìn)氣的功能。在線自動(dòng)清洗裝置運(yùn)行參數(shù)測(cè)定控制系統(tǒng)部分：配置于冷凍干燥腔室和冷凝器內(nèi)的機(jī)械清洗裝置，用于清洗干燥腔室和冷凝器內(nèi)表面殘留物。整個(gè)在線自動(dòng)清洗分為機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩部分，機(jī)外部分由清洗用水貯罐，多級(jí)泵，及一套自動(dòng)控制閥組成。機(jī)體部分主要由真空冷凝器及干燥箱內(nèi)的噴嘴和噴球組成。在線滅菌裝置：在線滅菌裝置的作用是對(duì)干燥腔室和真空冷凝內(nèi)表面滅菌，創(chuàng)造一個(gè)合適生產(chǎn)的無(wú)菌環(huán)境，不至于真空冷凝器和干燥腔室可能與藥品接觸的原因造成微生物污染。運(yùn)行參數(shù)測(cè)定控制系統(tǒng)：溫度測(cè)定系統(tǒng)、真空測(cè)定系統(tǒng)、殘留水分測(cè)控系統(tǒng)、以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

33、圖2.1為凍干機(jī)系統(tǒng)示意圖示意圖。醫(yī)藥用凍干機(jī)必須執(zhí)行GMP標(biāo)準(zhǔn)。真空系統(tǒng)多采用羅茨旋片泵機(jī)組，羅茨泵入口側(cè)與捕水器出口相連。制冷系統(tǒng)多采用雙級(jí)或復(fù)疊式壓縮機(jī)組。一般都具備自動(dòng)壓塞、在位清洗（CIP）、在位蒸汽滅菌（SIP）等功能,清洗后用水環(huán)泵抽真空，蒸汽消毒滅菌時(shí)用氣動(dòng)插銷多點(diǎn)鎖緊箱門。2.3 以PLC為核心的冷凍干燥機(jī)控制系統(tǒng)凍干機(jī)的控制系統(tǒng)可由各種配置方式組成。在充分了解了凍干機(jī)各種控制要求和特點(diǎn)后，提出了一種可編程控制器（PLC）為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其通訊接口采用工業(yè)控制設(shè)備常用的RS-485o該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是可靠性高，配置靈活，測(cè)量準(zhǔn)確，控制靈敏，即可以當(dāng)計(jì)算機(jī)直接接口，也可以

34、與觸摸屏直接接口，能夠滿足凍干工藝的各種需求。2.3.1 系統(tǒng)的構(gòu)成凍干燥機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)象大部分為電機(jī)類負(fù)載。因此我們?cè)谥骰芈飞习惭b了一個(gè)帶有熱繼電器保護(hù)的空氣開(kāi)關(guān)，它功能很強(qiáng)，不但能保護(hù)電機(jī)過(guò)載，還具有缺相保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)，動(dòng)作可靠，反應(yīng)靈敏，且不受電機(jī)起動(dòng)電流的影響。接下來(lái)就是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的接觸器，具線包直接由PLC控制，電路簡(jiǎn)單，易子維護(hù)。其中電加熱回路除了裝有過(guò)流空氣開(kāi)關(guān)外，其驅(qū)動(dòng)采用固態(tài)繼電器，這樣便于PID調(diào)節(jié)后產(chǎn)生PWM輸出接口。PC機(jī)與上述真空測(cè)量與控制儀器、真空?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)、真空泵與閥門聯(lián)用組成凍干機(jī)真空自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，按凍干工藝要求，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)真空測(cè)量與控制，其測(cè)量與控制示意框圖如圖2.3所

35、示。壓電閥是利用壓電晶體材料的逆壓效應(yīng)制作的微調(diào)充氣閥。極化后的壓電材料，在直流電流作用下，利用逆變效應(yīng)，根據(jù)凍干工藝要求，進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)氣量值。圖2.4溫度測(cè)量與控制的框圖食品凍干機(jī)，必須對(duì)凍干室、水汽凝結(jié)器、制冷系統(tǒng)進(jìn)行溫度測(cè)控。當(dāng)水汽凝結(jié)器降溫到一35C左右時(shí)，才能啟動(dòng)真空系統(tǒng)，因此，在凍干過(guò)程中，要隨時(shí)監(jiān)測(cè)擱板溫度、制品溫度、水汽凝結(jié)器的溫度變化。為了滿足上述溫度測(cè)量的要求，選用SL135系列數(shù)字溫度調(diào)節(jié)儀多點(diǎn)巡檢儀，該系列儀表采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)線性校正模塊和電子自動(dòng)冷端補(bǔ)償電路，以及強(qiáng)勁的抗干擾電路設(shè)計(jì)，具有抗干擾、防震、防塵、防潮措施，過(guò)程值由LED顯示，實(shí)現(xiàn)-50l00oC范圍內(nèi)溫度

36、測(cè)量，精度為0.5°C,設(shè)有上下限報(bào)警功能，標(biāo)準(zhǔn)05V,420mA的輸出信號(hào)，可與PC聯(lián)機(jī),滿足控制工藝流程及切換與報(bào)警。為了提高凍干機(jī)運(yùn)行可靠，按分散控制模式，將凍干室各點(diǎn)溫度并聯(lián)設(shè)置一個(gè)回路，為提高精度，采用圖2.4所示的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。2.3.2 冷凍干燥機(jī)的控制系統(tǒng)近年來(lái)，冷凍干燥機(jī)的自動(dòng)化程度發(fā)展最快，冷凍干燥機(jī)都實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)控制，控制方法很多，上位機(jī)可采用PE或以上型號(hào)的工控機(jī)，如果上位機(jī)放在環(huán)境較好的控制室中，可采用質(zhì)量較好的商用甚至家用計(jì)算機(jī)。下位機(jī)由可編程控制器（PLC）、真空壓力檢測(cè)控制儀表、溫度檢測(cè)儀表、濕度檢測(cè)儀表、等組成。上下位機(jī)之間采用工業(yè)RS-485申行總

37、線連接，組成主從式多機(jī)網(wǎng)絡(luò)。下位機(jī)各儀表傳感器可實(shí)現(xiàn)各種模擬信號(hào)的采集、顯示，可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)部分控制功能，也可按上位機(jī)的指令控制。帶485通訊接口的PLC作為上位機(jī)的各輸入輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)的接口，PLC本身具有獨(dú)立的連鎖保護(hù)和部分程控、定時(shí)功能，可在應(yīng)急狀態(tài)下配合手操臺(tái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急操作。上下位機(jī)之間采用工業(yè)RS-485串行總線連接，組成主從式多機(jī)網(wǎng)絡(luò)。下位機(jī)各儀表傳感器可實(shí)現(xiàn)各種模擬信號(hào)的采集、顯示，可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)部分控制功能，也可按上位機(jī)的指令控制。帶485通訊接口的PLC作為上位機(jī)的各輸入輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)的接口，PLC本身具有獨(dú)立的連鎖保護(hù)和部分程控、定時(shí)功能，可在應(yīng)急狀態(tài)下配合手操臺(tái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急操作3。圖2

38、.5凍干設(shè)備控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖2.4 冷凍干燥機(jī)的系統(tǒng)保障凍干機(jī)各個(gè)組成系統(tǒng)的正常工作是凍干機(jī)運(yùn)行的基礎(chǔ)。充分運(yùn)用微處理機(jī)技術(shù)對(duì)各個(gè)組成系統(tǒng)進(jìn)行合理的監(jiān)控是一種節(jié)能而又高效的方法。下面將逐個(gè)分析對(duì)凍干機(jī)各組成系統(tǒng)的控制原理。2.4.1 制冷系統(tǒng)的保護(hù)制冷系統(tǒng)在真空冷凍干燥中是必不可少的組成部件，凍干設(shè)各要求制冷系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。因此，運(yùn)用電氣自動(dòng)控制手段對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)是極其重要的。制冷壓縮機(jī)的常規(guī)保護(hù)主要有：冷卻水水壓、流量、溫度的監(jiān)視；壓縮機(jī)內(nèi)置過(guò)熱裝置動(dòng)作的監(jiān)視；壓縮機(jī)工作時(shí)對(duì)壓縮機(jī)的排氣壓力，吸氣壓力和油壓進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)警并關(guān)機(jī)。其中對(duì)油壓的監(jiān)視要求在一分鐘內(nèi)能恢復(fù)到正

39、常值，若持續(xù)一分鐘仍未恢復(fù)正常值，保護(hù)元件即動(dòng)作等。制冷壓縮機(jī)的收液?jiǎn)栴}：對(duì)較大系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)在停機(jī)時(shí)應(yīng)盡量地收液至冷凝器中。如果一時(shí)不可能全部收清，則在下次開(kāi)機(jī)時(shí)管路內(nèi)的積液有可能沖缸，對(duì)壓縮機(jī)構(gòu)成威脅。可以在停機(jī)狀態(tài)下加裝自動(dòng)收液裝置以對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。其基本原理是；在停機(jī)狀態(tài)下監(jiān)視吸氣壓力，當(dāng)其達(dá)到一定壓力時(shí)，起動(dòng)制冷壓縮機(jī)數(shù)秒鐘，將制冷劑收入冷凝器中。制冷壓縮機(jī)的系統(tǒng)CIC:制冷壓縮機(jī)的系統(tǒng)CIC對(duì)保證制冷壓縮機(jī)在正常工作溫度下運(yùn)行，提高制冷效率有舉足輕重的作用，但是市售的CIC系統(tǒng)常常不能滿足凍干機(jī)系統(tǒng)的工作要求。當(dāng)溫度低于-500oC以下時(shí)往往不能正常工作，電控系統(tǒng)對(duì)此也能助一臂

40、之力。其原理是通過(guò)壓縮機(jī)內(nèi)置二個(gè)溫度傳感器的輸入信號(hào)，經(jīng)處理后輸出一合適的脈動(dòng)信號(hào)。使CIC始終處于正常工作狀態(tài)。2.4.2 真空系統(tǒng)與其他泵的保護(hù)凍干機(jī)的運(yùn)行對(duì)象大部分都是電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械，因此電氣保護(hù)系統(tǒng)必須針對(duì)該類對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中缺相保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、過(guò)流保護(hù)都是必不可少的。羅茨泵應(yīng)在系統(tǒng)真空達(dá)到一定真空度后才能起動(dòng)。過(guò)去用電接點(diǎn)真空表來(lái)解決這一問(wèn)題，現(xiàn)在采用電控方法只需幾條程序就方便地解決了。板層冷、熱媒體的溫度控制：凍干環(huán)境的控制除了對(duì)真空的控制外，對(duì)板層中流動(dòng)的媒體的溫度控制是最重要的。而對(duì)媒體循環(huán)系統(tǒng)溫度產(chǎn)生影響的因素也是很多的。比如循環(huán)泵運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量主要由媒體吸收，媒體在管路中

41、流動(dòng)，摩擦也要產(chǎn)生熱量，制品升華過(guò)程中不同階段所吸收的熱量也不同。在如此復(fù)雜的條件下，用常規(guī)的控制模式很難達(dá)到理想的運(yùn)行要求。但從制品工藝要求和板層的運(yùn)行狀況，以及我們對(duì)溫度的采樣可以達(dá)到1-10次每秒的速度來(lái)講，可以認(rèn)為該系統(tǒng)滿足采樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穿越頻率。因此按連續(xù)的PID調(diào)節(jié)方式完全能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。用雙線性變換和差分法將其離散化，成為數(shù)字PID調(diào)節(jié)器?，F(xiàn)在用微機(jī)或PLC都可以很方便地實(shí)行PID控制，一般都會(huì)提供專用模塊，實(shí)現(xiàn)起來(lái)很方便。順便提一句，除了可采用自整定法確定PID常數(shù)外，采用擴(kuò)充臨界比例法”也能很好地確定PID常數(shù)。凍干曲線的程序控制：可重復(fù)地再現(xiàn)制品工藝，是在批量生產(chǎn)時(shí)

42、保證制品質(zhì)量的重要手段，也是凍干機(jī)主要功能之一。凍干工藝曲線可以分段輸入，程序在執(zhí)行時(shí)自動(dòng)生成瞬時(shí)的設(shè)定值。該設(shè)定值在每個(gè)程序段內(nèi)可以是穩(wěn)定值也可以是上升值或下降值，因此要求凍干機(jī)溫控系統(tǒng)具有良好的跟蹤作用。干燥箱內(nèi)的升華過(guò)程控制和千燥終點(diǎn)判別：為縮短凍干時(shí)間，降低能耗和成本，循環(huán)壓力凍干法是經(jīng)常被采用的一種方法。周期性地提高和降低干燥箱內(nèi)的壓力的調(diào)壓裝置可由真空隔離閥、微調(diào)節(jié)流閥、電磁閥組成。隨不同制品而異可導(dǎo)入無(wú)菌干燥空氣或惰性氣體。電氣系統(tǒng)根據(jù)周期及壓力的設(shè)定大小自動(dòng)調(diào)節(jié)電磁閥達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)真空的目的。試驗(yàn)凍干工藝時(shí)采用氣壓測(cè)量法判別干燥期終點(diǎn)是常用的一種方法。其原理是迅速關(guān)閉前后箱之間的

43、蝶閥。此時(shí)若干燥箱內(nèi)壓力迅速上升并記錄下上升的最終壓力，然后打開(kāi)蝶閥，隔一段時(shí)間再進(jìn)行一次測(cè)量，當(dāng)氣壓上升很慢時(shí)，表示產(chǎn)品中的冰晶己全部消失，可提高溫度進(jìn)入解析干燥過(guò)程。2.5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案選擇2.5.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較根據(jù)冷凍干燥機(jī)自動(dòng)控制方式及特點(diǎn)，常用的控制方式有手動(dòng)控制、繼電器控制、單片機(jī)控制及PLC程序控制。繼電器控制：繼電器問(wèn)世以來(lái)，一直是真空工程控制的主流，目前國(guó)內(nèi)仍有不少?gòu)S家應(yīng)用繼電器控制。其中輸人單元為按鈕開(kāi)關(guān)等主令電器、邏輯單元是支配控制系統(tǒng)的程序”。它是由各種繼電器的觸點(diǎn)通過(guò)導(dǎo)線連接，并具有一定的邏輯功能的控制線路。輸出單元包括各種閥門的控制線圈，控制各類接

44、觸器線圈及信號(hào)指示等執(zhí)行元件。這種控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：價(jià)格便宜、性能價(jià)格比低。因此，存在繼電器抖動(dòng)、打弧、吸合不良等現(xiàn)象，使控制系統(tǒng)壽命短，可靠性差。因?yàn)樗淖詣?dòng)控制功能是靠開(kāi)關(guān)繼電器的輔助觸點(diǎn)動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。而觸點(diǎn)動(dòng)作一次需要幾十毫秒，故控制速度橙，由于需要改變控制邏輯就要改變各開(kāi)關(guān)、觸點(diǎn)間的連線，故倍改控制邏輯復(fù)雜、困難，同時(shí)體積大，耗能高。單片機(jī)控制：用單片機(jī)可以構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)。有不少利用通用PM片機(jī)或通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。大部分都可以用單片機(jī)系統(tǒng)或單片機(jī)加通用機(jī)系統(tǒng)來(lái)代替計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，特別是較大型的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)。除通用外設(shè)（如打印機(jī)、硬盤、磁盤等）外，還有許多外部通信、采集、多路分配管理、驅(qū)動(dòng)

45、控制等接口，而這些外設(shè)與接口完全由主機(jī)進(jìn)行管理，必然造成主機(jī)負(fù)擔(dān)過(guò)重，因而出現(xiàn)了新的控制手段，即可編程控制器。可編程控制器控制：196孫，美國(guó)最大的汽車制造商一通電汽車公司，從國(guó)產(chǎn)角度提出了新一代控制器。我國(guó)緊跟其后，發(fā)展也很快。不少?gòu)S家生產(chǎn)了不同類型的可編控制器已在冷凍干燥機(jī)獲得應(yīng)用。為了適應(yīng)工業(yè)環(huán)境中使用，具有以下特點(diǎn)：(1)靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。平均無(wú)故障時(shí)間可達(dá)30萬(wàn)小時(shí)；(2)控制程序可變，具有很好的柔性。冷凍干燥不同品種的食品或生產(chǎn)設(shè)備更新的情況下，不必改變硬件設(shè)備，只需改變凍干程序或凍干曲線就可以滿足工藝要求；(3)編程簡(jiǎn)單、使用方便。這是PC機(jī)優(yōu)于微機(jī)的另一特點(diǎn)。目前大多數(shù)PC

46、機(jī)采用繼電器控制形式的梯形圖編程方式”，即繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀，又考慮大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)企業(yè)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)損與微機(jī)水平，易于校操作人員接受；(4)功能完善?，F(xiàn)代PC具有數(shù)字和模擬輸入、輸出邏輯及算術(shù)運(yùn)算完成時(shí)，計(jì)數(shù)、順序控制、功率驅(qū)動(dòng)、通信、人機(jī)對(duì)話、自撿、記錄和顯示等功能，使凍干設(shè)備控制水平大大提高。擴(kuò)充方便，組合靈活。PCM有各種擴(kuò)展單元，可以方便地適應(yīng)不同凍干工藝控制的需求，不同輸入輸出點(diǎn)數(shù)及輸入、輸出方式的系統(tǒng)：少了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工的工作量。由于PC采用軟件編程來(lái)達(dá)到控制功能，而不于繼電器控制所采用硬接線來(lái)達(dá)到控制功能，因此，減少了設(shè)計(jì)及施工工作量，PC又事先模擬調(diào)試，減少現(xiàn)場(chǎng)

47、工作量；(5)體積小、質(zhì)量輕。一個(gè)收錄機(jī)大小的PC具有相當(dāng)于三個(gè)1.8m高的繼電柜的功能一般節(jié)電50%以上。PC專為工業(yè)而設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊密、堅(jiān)固、體積小巧，具有很強(qiáng)的抗干擾能力；而裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，PC還可以與監(jiān)控計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)4。2.5.2 最佳方案的選擇最佳方案應(yīng)具有先進(jìn)的控制技術(shù)，經(jīng)濟(jì)節(jié)能為主，還要根據(jù)具體控制系統(tǒng)而確定。當(dāng)前計(jì)算機(jī)控制是主流，特別是現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)方案比較，采用PLC工業(yè)控制機(jī)是最佳方案。第3章硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)概況本控制系統(tǒng)具有干燥機(jī)凍干曲線設(shè)定、除霜、在線清洗、真空控制、干燥狀態(tài)檢測(cè)、故障報(bào)警和維修檢查的功能?？刂葡到y(tǒng)能進(jìn)行全自動(dòng)的凍干控制，包括預(yù)凍、加熱、抽真空、壓塞、放氣、

48、除霜、滅菌等。在編程器上可以顯示溫度、壓力、時(shí)間、周期、狀態(tài)等，也可以顯示報(bào)警信息。采用凍干曲線和設(shè)備運(yùn)行全自動(dòng)方法時(shí)，可由微機(jī)編程，凍干流程顯示可用熒光屏或模擬板兩種方式，可在微機(jī)上對(duì)PLC編程，并能提供所有軟件設(shè)備。軟件可記錄各運(yùn)行設(shè)備運(yùn)行的時(shí)間和歷史記錄，隨機(jī)和定時(shí)打印數(shù)據(jù)、報(bào)表、曲線等，同時(shí)記錄多項(xiàng)故障和事件發(fā)生。多點(diǎn)記錄儀可顯示制品、導(dǎo)熱液、真空冷凝器的溫度和干燥腔室、真空泵的真空度，同時(shí)還對(duì)冷凝器的溫度進(jìn)行報(bào)警。必要時(shí)能夠進(jìn)行人工干預(yù)。傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)是按一定的生產(chǎn)工藝要求而設(shè)計(jì)的，采用硬接線方式安裝而成，只能完成既定的邏輯控制，一旦改變工藝過(guò)程，就要重新配線，適應(yīng)性很差，且體

49、積龐大，而PLC各控制功能是通過(guò)軟件而實(shí)現(xiàn)的，只要改變程序，就可適應(yīng)生產(chǎn)工藝的改變，適應(yīng)性強(qiáng)，它不僅能完成邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能，還能進(jìn)行算術(shù)控制，與計(jì)算機(jī)聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)分級(jí)控制。PLC體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，開(kāi)發(fā)周期短，安裝維護(hù)工作量小，PLC還有自診斷功能，其可靠性極高。因此，在用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)生產(chǎn)的過(guò)程中，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)大多數(shù)將被PLC所取代。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)能夠和工業(yè)對(duì)象的傳感器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接接口，能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境下可靠運(yùn)行，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是由通用微機(jī)推廣應(yīng)用發(fā)展而來(lái)，硬件結(jié)構(gòu)方面總線標(biāo)準(zhǔn)化程度高，品種兼容性強(qiáng)，軟件資源豐富，特別有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，對(duì)要求快速，實(shí)時(shí)

50、性強(qiáng)，模型復(fù)雜的工業(yè)對(duì)象的控制占有優(yōu)勢(shì)，但對(duì)使用者技術(shù)水平要求較高，不如PLC容易推廣。PLC是專門為工廠現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計(jì)的，結(jié)構(gòu)上采用整體密封，采用了一系列的抗干擾措施，可靠性很高，且PLC是電氣廠家研制出來(lái)的，采用梯形圖語(yǔ)言編程，使熟悉電氣控制的技術(shù)人員易學(xué)易懂，易于推廣，但PLC不同于微機(jī)，微機(jī)很多軟件還不能直接應(yīng)用，PLC標(biāo)準(zhǔn)化程度低，各廠家的產(chǎn)品不通用。國(guó)內(nèi)工業(yè)監(jiān)測(cè)、控制、管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而可編程控制器（即PLC）是系統(tǒng)的重要組成部分。PLC作為下位機(jī)，既可以和現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、變送器、自動(dòng)化儀表相連，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控部分，又能和上位PC機(jī)相連進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)處理、數(shù)

51、據(jù)管理。同時(shí)可編程序控制器與單片機(jī)相比具有以下特點(diǎn)：1.編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)；2.功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高；3.硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)；4.無(wú)觸點(diǎn)免配線，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；5.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少；6.維修工作量小，維修方便；7.體積小，能耗低。可編程序控制器的發(fā)展趨勢(shì)是：向高性能、高速度、高容量發(fā)展；大力發(fā)展微型可編程序控制器，不斷增強(qiáng)微型可編程序控制器的功能；可編程序控制器編程語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)化；可編程序控制器與其它工業(yè)控制產(chǎn)品相互融合；大力發(fā)展智能型I/O子系統(tǒng)；可編程序控制器與現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合；增強(qiáng)通信聯(lián)網(wǎng)能力5o綜上所述，PLC控制系統(tǒng)與其它控制系統(tǒng)相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，不

52、但可以很好滿足測(cè)控要求，降低成本，而且能夠使使用者使用方便，所以本系統(tǒng)使用PLC來(lái)進(jìn)行測(cè)控。3.2 PLC處理器選型確定PLC型號(hào)：FX系列是三菱公司近年來(lái)推出的高性能可編程序控制器，具有下列特點(diǎn)：FX0S、FX0N和FX2N系列可編程序控制器的高度為90mm,深度為75mm（FX0s系列）和87mm（FX°n和FX2N系列），很適合于在機(jī)電一體化產(chǎn)品中使用。三菱公司的FX系列可編程序控制器吸收了整體式和模塊式可編程序控制器的優(yōu)點(diǎn)，它的基本單元、擴(kuò)展單元和擴(kuò)展模塊的高度和深度相同，但是寬度不同。它們不用基板，僅用扁平電纜相連接，緊密拼裝后組成一個(gè)整齊的長(zhǎng)方體。FXos的功能簡(jiǎn)單實(shí)用，

53、價(jià)格便宜，可用于小型開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)；FXon可用于要求較高的中小型系統(tǒng)；FX2N的功能最強(qiáng)，可用于要求很高的系統(tǒng)。由于不同的系統(tǒng)可以選用不同的子系列，避免了功能的浪費(fèi)，特別是避免了需要用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的功能的浪費(fèi)，使用戶能用最少的投資來(lái)滿足系統(tǒng)的要求。每臺(tái)FX2N可將一塊功能擴(kuò)展板安裝在基本單元內(nèi)，不需要外部的安裝空間，這種功能擴(kuò)展板的價(jià)格便宜。功能擴(kuò)展板包括8點(diǎn)模擬量設(shè)定單元、RS-232C通信板、RS-485通信板和FXon適配器連接板。FX2N系列有多種特殊模塊，如模擬量輸入輸出模塊、熱電阻/熱電偶溫度傳感器用模擬量輸入模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、1軸/2軸位置控制單元和位置控制模塊、脈沖輸出模塊、

54、MELSECNET/MINI接口模塊和ID接口模塊。FX系列可編程序控制器還有多種規(guī)格的數(shù)據(jù)存取單元，可用來(lái)修改定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的設(shè)定值和數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)，也可以用來(lái)作監(jiān)控裝置，有的顯示字符，有的可以顯示圖畫。下面表3.1是FX2N的基本性能。表3.1FX2N的基本性能項(xiàng)目FX2N運(yùn)算控制方式存儲(chǔ)程序，反復(fù)運(yùn)算方式（專用LSI）輸入輸出控制方式批處理方式（在執(zhí)行END指令時(shí)），有輸入輸出刷新指令運(yùn)算處理指令基本指令0.08W師旨令應(yīng)用指令數(shù)1.52數(shù)百科/指令程序語(yǔ)后繼電器符號(hào)語(yǔ)言+步進(jìn)方式（可用SFC表示）程序容量存儲(chǔ)器形式內(nèi)附8000步EEPROM,最大為16K步（可裝RAM,EEPROM,

55、EPROM存盒）指令數(shù)基本、步進(jìn)指令基本（順控）指令27條，步進(jìn)指令2條應(yīng)用指令128種298條輸入繼電器184點(diǎn)X0X267總共256點(diǎn)輸出繼電器184點(diǎn)丫0丫267輔助繼電器一般用500點(diǎn)M0M499鎖存用2572點(diǎn)M500M3071特殊用256點(diǎn)M8000M8255狀態(tài)初始化用10點(diǎn)S0S9一般用490點(diǎn)S10S499鎖存用400點(diǎn)S500S899報(bào)警用100點(diǎn)S900S9997E時(shí)器100ms200點(diǎn)T0-T19910ms46點(diǎn)T200-T2451ms（積算）4點(diǎn)T246-T249100ms（積算）6點(diǎn)T250-T255模擬1點(diǎn)計(jì)數(shù)器加計(jì)數(shù)一般用16位100點(diǎn)C0C99鎖存用16位10

56、0點(diǎn)01000199加/減計(jì)數(shù)一般用32位20點(diǎn)C200C219鎖存用32位15點(diǎn)C220C234高速計(jì)數(shù)器1相60KHZ2點(diǎn)，1相10KHz4點(diǎn)，2相30KHZ1點(diǎn)，5KHZ1點(diǎn)數(shù)據(jù)寄存器通用數(shù)據(jù)寄存器16位200點(diǎn)D0D199鎖存16位7800點(diǎn)D200D7999將殊小存命16位256點(diǎn)D8000D8255變址寄存器16位16點(diǎn)V0V7,Z0Z7文件寄存器D1000以后以500個(gè)為單位設(shè)置文件寄存器（MAX7000點(diǎn)）跳步指針轉(zhuǎn)移用128點(diǎn)P0P127中斷用15點(diǎn)I0?>I8?頻率8點(diǎn)N0N7常數(shù)十進(jìn)制K16位：-32768+3276732位：-2147483648+21474836471八，進(jìn)制H16位：0FFFF(H)32位：0FFFFFFFF(H)而其它公司的可編程序控制器與FX2N綜合相比沒(méi)具有這么多的優(yōu)勢(shì)，所以選用FX2N的可編程序控制器。由于FX2N系列的PLC的I/O擴(kuò)展相當(dāng)方便，又只要使用擴(kuò)展板很方便就進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信，所以用一臺(tái)PLC控制多臺(tái)電動(dòng)機(jī)只要直接連上信號(hào)線就可以啦。另外，如果一臺(tái)PLC的I/O點(diǎn)數(shù)不夠，只要把電動(dòng)機(jī)群分組，用多臺(tái)PLC來(lái)控制，然后直接把PLC連接起來(lái)組成控制網(wǎng)絡(luò)，或者使用上位機(jī)（工控機(jī)或者微機(jī)