食品裝備過程控制的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

黃志剛, 劉 科, 劉 凱, 江玥芃

(北京工商大學材料與機械工程學院,北京 100048)

“十二五”時期是我國全面建設小康社會的關鍵時期,根據(jù)我國“十二五”規(guī)劃的總體部署,國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部聯(lián)合印發(fā)了《食品工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》,為我國未來五年內食品工業(yè)的發(fā)展指明了方向,突出體現(xiàn)了我國加快食品工業(yè)結構調整、促進產(chǎn)業(yè)轉型升級、建設持續(xù)健康發(fā)展的具有中國特色的現(xiàn)代食品工業(yè)體系的目標和決心.文件明確提出“十二五”的主要任務是,提高我國食品工業(yè)的裝備研制水平,突破目前食品裝備數(shù)字化設計與先進制造、智能控制與過程檢測、節(jié)能減排、質量控制、監(jiān)測與檢測、安全衛(wèi)生共性技術與標準等關鍵裝備與配套技術方面的瓶頸,加快我國食品裝備的自主化進程,滿足我國食品工業(yè)長期的發(fā)展需求[1].

1 食品裝備的現(xiàn)狀

根據(jù)《中華人民共和國食品安全法》,食品是指各種供人食用或者飲用的成品和原料以及按照傳統(tǒng)既是食品又是藥品的物品,但是不包括以治療為目的的物品[2].結合現(xiàn)代社會對裝備的概念界定,食品裝備可定義為在把可食用或者可飲用的原料加工成食品(或半成品)過程中所應用的機械裝置和設備.隨著信息技術的發(fā)展,食品裝備也逐漸在傳統(tǒng)的機械裝備中嵌入了傳感器、集成電路、操作軟件等等的信息元器件,形成依賴軟件控制的機電信息一體化的食品加工裝備、系統(tǒng)或生產(chǎn)線.

1.1 食品裝備的分類

食品裝備,主要是在食品的加工環(huán)節(jié)中應用的機械設備和裝置,大致可分為以下幾類：物料輸送、攪拌、微?；饪s、干燥、殺菌、冷凍、疊層和輥壓、成型、焙烤、包裝等幾個方面的機械設備[3].

1)物料輸送機械：對原料和廢料進行輸送的裝置.按物料的特性可分為液體和固體物料輸送機械;按輸送原理和形式可分為帶式、螺旋式、刮板式、提升斗式、振動式和懸浮氣力式輸送機,氣推式輸送槽和流送槽,真空吸料裝置,液料泵等[4].

2)物料攪拌機械：對原料進行混合的設備.主要有通用型攪拌機、調和機、打蛋機、真空和面機、干料混合機(旋轉式和固定式)等[4].

3)微?；瘷C械：通過離心、剪切、碰撞、摩擦等外力作用把物料變成微小顆粒狀的設備.常見的有均質機(高壓式、離心式、超聲波式及噴射式[5])、膠體磨、粉碎機(沖擊式和研磨式)、切割機等.

4)濃縮機械：減少物料中不需要的部分而使需要部分的含量相對增加的設備.主要方法有過濾、蒸發(fā)、沉積、離心、壓榨等.主要的設備包括過濾器、分選機(氣流式和重力式)、真空濃縮設備(升膜式、降膜式、離心式、片式及刮板薄膜式)、榨汁機、榨油機等.

5)干燥機械：減少物料中水分的設備.食品干燥設備包括噴霧干燥機(高溫式、冷凝式)、箱式干燥機、帶式干燥機(真空)、流化床干燥設備、滾筒干燥設備、微波干燥設備、真空冷凍干燥設備、氣流干燥設備、太陽能熱泵干燥機、懸浮烘干機、低溫循環(huán)式烘干機等等.近年來還發(fā)展出一些組合干燥技術和新理論.微波真空冷凍干燥是將高效的微波輻射加熱技術和真空冷凍干燥技術相結合的一項組合式新技術.超臨界CO2干燥則是利用在超臨界條件下CO2的氣液界面消失(不存在表面張力)的現(xiàn)象使被干燥物料得以最大程度地保留食品營養(yǎng)成分和最大限度地脫除食品水分的低溫干燥技術,這種技術因為不存在物料內部因毛細管表面張力作用下導致其微觀結構改變而非常受到食品、制藥行業(yè)的追捧[6].超聲波真空噴霧干燥可以用于生產(chǎn)高活性的益生菌,可用于乳品行業(yè)[7].

6)殺菌機械：殺滅物料中致病菌的設備.常見的有直接加熱殺菌設備,管式殺菌設備,板(片)式、螺旋板式和刮板式殺菌器,儲槽式殺菌器,高壓殺菌設備,微波殺菌裝置,食品超高壓殺菌裝置,歐姆殺菌裝置,CIP清洗系統(tǒng)(又稱定位清洗線)等等[5].目前由于熱殺菌對食品品質的影響,像前面提到的高壓殺菌、微波殺菌還有放射線殺菌、紫外線殺菌、臭氧殺菌、超聲波等都屬于冷殺菌技術.冷殺菌由于殺菌條件易于控制,外界環(huán)境影響較小,由于殺菌過程中食品的溫度并不升高或升高很低,既有利于保持食品功能成分的生理活性,又有利于保持色、香、味及營養(yǎng)成分,在包裝與食品機械的設計與制造上得到廣泛的應用[8].

7)冷凍機械：使物料凍結、凝固的設備.常見的低溫制冷設備有隧道式連續(xù)速凍機、螺旋式速凍機、升降式速凍設備、帶式凍結機、流態(tài)化速凍裝置、平板式速凍機、回轉式速凍機、液氮速凍裝置、液體CO2速凍設備等.

8)輥壓和疊層機械：把散粒狀物料擠壓成餅片狀,將之交錯重疊在一起的設備.常見的機器有臥式輥壓機、立式輥壓機、輥壓夾酥機、疊層機等.

9)成型機械：把物料制成一定規(guī)則形狀的機械.按成型原理可分為：沖印、輥印和輥切成型機,膨化擠壓成型機,包餡成型機,擦圓成型機,卷繞成型機.按食物類型可分為：餅干、面包、糕點、餛飩、饅頭、餃子、通心粉、餡餅、面條等等各種食品成型機.

10)焙烤機械：在物料燃點之下通過干熱的方式使物料脫水變干變硬的烤爐.按結構可分為箱式、隧道式、風車式和旋轉式烤爐;按熱源可分為普通電爐、紅外烤爐、微波爐、煤爐、燃氣爐、木炭爐等.

11)包裝機械：是指能完成全部或部分食品包裝過程的機械.按主要功能可分為充填機、封口機、裹包機、多功能包裝機、封箱機.

1.2 食品裝備的國內外發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)代食品工業(yè)的發(fā)展離不開食品裝備的發(fā)展,食品裝備是食品工業(yè)的物質保障,為食品工業(yè)提供強有力的支撐.中國的食品裝備工業(yè)經(jīng)歷了從完全依賴進口、到引進模仿、再到自主創(chuàng)新的過程.作為新興行業(yè),食品裝備工業(yè)在我國食品工業(yè)強勁需求的推動下取得了長足的進步.2010年,全國包裝與食品機械實現(xiàn)產(chǎn)值1 825億元,增長23%,進口32.5億元,出口19.1億元.而1986年,全國包裝機械的產(chǎn)值為8.6億元,1998年產(chǎn)值為100億元[9].

近年來,我國食品工業(yè)裝備應用了諸如冷殺菌、超高壓、微膠囊等新技術.一些主要農(nóng)副產(chǎn)品(大米、小麥、油脂、肉類及果汁)的成套加工設備及技術也取得突破性進展.同時,我國食品裝備市場出現(xiàn)了一些很有特點的優(yōu)秀企業(yè).其中有數(shù)十家大型優(yōu)質裝備的龍頭企業(yè),如煙臺冰輪、廣州達意隆、杭州中亞、南京輕機等;也有十幾家以技術為優(yōu)勢的中小型企業(yè),如成都經(jīng)緯生產(chǎn)的方便面后端自動化設備,青島?？萍训膾烀孀詣影b生產(chǎn)線,上海遠安生產(chǎn)的流體設備及不銹鋼管件,湖南福馬科生產(chǎn)的雙螺桿擠壓機可與國際知名品牌相媲美,廣州勝川生產(chǎn)的中小型高檔特種包裝機.這些企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品大量應用了伺服控制、微機控制、智能診斷、柔性制造以及計算機圖像控制等先進的過程控制技術,憑借這些優(yōu)良的企業(yè)和他們的產(chǎn)品,我國在食品裝備的自動化道路上奪回了部分國內市場,并成功出口創(chuàng)匯.根據(jù)中國機械工業(yè)聯(lián)合會預計,從2011到2015年中國食品裝備工業(yè)的總產(chǎn)值有望突破60 000億元人民幣,并以16%的年平均增速繼續(xù)發(fā)展.

發(fā)展形勢喜人,但存在的問題也很突出.目前我國食品和包裝機械在高端技術方面,特別是大量高科技的成套自動化設備仍主要依賴進口.例如塑料薄膜雙向拉伸設備,一條生產(chǎn)線近1億元人民幣,截止到目前,國內先后引進此類生產(chǎn)線共110條.國內乳品業(yè)大量使用的無菌包裝盒、灌裝設備幾乎都為瑞典利樂公司一家提供.而大型無菌冷灌裝、肉制品加工關鍵裝備、柑橘汁加工關鍵裝備、高效分離裝備、大型乳品生產(chǎn)線、食品品質在線監(jiān)測以及食品分析與檢測裝備等長期依賴進口[1].由于我國食品裝備行業(yè)起步比較晚,而且相配套的原材料和加工工業(yè)技術相對薄弱,加之研發(fā)隊伍力量不足,同時長期缺乏政府的高度重視和政策、資金的支持,造成了目前國內食品裝備工業(yè)普遍存在整體加工能力低下、加工技術落后,食品裝備的穩(wěn)定性和安全性較差、效率低、能耗高、環(huán)境污染嚴重.在2011年我國在食品科技方面的投入強度僅為0.4%,不僅遠低于發(fā)達國家2%以上的水平,也比新興工業(yè)化國家1.5%的投入力度小,而且各類技術的標準化程度低、覆蓋面小、標準類型不配套,標準覆蓋率僅為20%,國內尚不能生產(chǎn)而又迫切需求的食品裝備占總數(shù)的40%之多[1].食品裝備已經(jīng)整體滯后于高速發(fā)展的中國食品工業(yè),而食品工業(yè)規(guī)?；?、自動化和精細化的發(fā)展要求只好轉投國際知名食品裝備制造強國,從而造成目前我國食品裝備工業(yè)對國外高端技術過度依賴的局面.

由于食品裝備工業(yè)的相對落后,我國食物資源特別是大宗農(nóng)產(chǎn)品深加工比例低,半成品多,制成品少,增值轉化程度不高.2008年我國食品工業(yè)總產(chǎn)值與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值之比為0.95∶1,而發(fā)達國家這一比例約為2∶1至3∶1[10].從機械出口量看,意大利、德國和美國是目前世界上出口食品機械最多的國家,主要出口市場在歐盟區(qū)、亞洲的新工業(yè)化國家、南北美洲和非洲較為發(fā)達的地區(qū).目前全球食品包裝機械強國主要是德國、法國、美國、日本和意大利.德國的食品機械行業(yè)雖然以中小型企業(yè)為主,但其產(chǎn)品的技術含量、制造及加工的等級卻很高.法國的食品機械主要集中在保鮮、儲藏方面,把食品的工業(yè)化生產(chǎn)與傳統(tǒng)工藝進行完美結合.意大利的食品裝備工業(yè)特別重視研發(fā)投入,整個行業(yè)高于60%的從業(yè)人員在做產(chǎn)品的研發(fā)實驗工作,只有不到40%的從業(yè)人員在進行產(chǎn)品的生產(chǎn)工作.美國的食品裝備工業(yè)的發(fā)展從引進歐洲先進技術生產(chǎn)線開始,逐步發(fā)展為一套工業(yè)化標準生產(chǎn)模式.而日本的食品裝備工業(yè)則突出了食品安全和檢測方面的發(fā)展.雖然這些國家生產(chǎn)的食品裝備各具特色,各有所長,但都在設計和制造上采用了大量的先進技術,他們的設備集機電光和微機控制與一體,實現(xiàn)在食品生產(chǎn)過程中的柔性化、數(shù)字化、智能化和系統(tǒng)化.憑借這些先進技術的應用形成了全球化的知名品牌及其核心競爭力.近年來,由發(fā)達國家倡導出現(xiàn)了世界各國的食品機械相關標準紛紛向國際標準(或歐洲標準)靠攏的熱潮,即采用國際標準或區(qū)域標準作為本國技術標準的主要內容.這種熱潮實際上推進了全球性的食品機械技術標準的一致性和協(xié)調性,直接促進了國際間食品機械技術交流和貿易往來的順暢.據(jù)中國包裝機械網(wǎng)統(tǒng)計,至2005年底約有100多個國家已經(jīng)等效采用國際標準或歐洲標準,使國際標準的趨同化成為世界食品機械發(fā)展的一大主流.

2 過程控制的現(xiàn)狀

根據(jù)全國科學技術名詞審定委員會審定公布的定義可知,過程控制(process control)是為達到規(guī)定的目標而對影響過程狀況的變量進行的操縱.在機械工程里,需要控制的變量一般為溫度、壓力、流量、液位和成分等等的工藝參數(shù).在食品工業(yè)生產(chǎn)中,過程控制作為解決食品安全方面的主要技術手段,得益于其控制技術最優(yōu)化與管理調度自動化相結合的多級計算機控制系統(tǒng).

2.1 最新的過程控制技術

無論是在大規(guī)模的結構復雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中,還是在傳統(tǒng)工業(yè)過程改造中,過程控制技術對于提高產(chǎn)品質量以及節(jié)省能源等方面均起著十分重要的作用.盡管不同的自動控制裝置執(zhí)行的任務各不相同,但其本質都是通過控制物理參量來控制受控對象,讓其自動保持設置的規(guī)律[11].作為現(xiàn)代工業(yè)自動化控制的重要分支,過程控制開始應用于20世紀30年代,在控制方式上經(jīng)歷了從人工到自動,在控制內容上先后經(jīng)歷了3個發(fā)展階段：分散控制階段、集中控制階段和集散控制階段.從技術上歸納,目前成功運用的過程控制技術有：

1)簡單過程控制：主要應用于一些只有一個控制器的單回路控制或PID控制系統(tǒng)中[12],是最簡單最基本的一種反饋控制系統(tǒng).

2)復雜過程控制：是在簡單過程控制系統(tǒng)的基礎上再增加計算環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)或者其他環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng).主要的復雜過程控制技術有串級控制、前饋控制、大滯后補償控制、比值與均勻控制、分程與選擇性控制、多變量解耦控制等[12].

3)先進過程控制：是指基于數(shù)學模型且必須使用計算機來實現(xiàn)的控制系統(tǒng).目前主要集中在預測控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制3個方面.例如自適應諧振神經(jīng)網(wǎng)絡控制,面向時間有序的過程辨識控制,故障診斷檢測及容錯控制,模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡控制等[13].

4)聚類融合控制：是融合多個傳感器的數(shù)據(jù)信息,將其聚類成反映過程運行狀況的類別,根據(jù)每一類別所描述的過程行為特點采取相應的控制策略的控制系統(tǒng).主要的聚類融合方法有模式窗口與時間序列融合、模糊聚類融合、集中與分布的時間序列信息融合等[14].

5)計算機集散控制：是相對于集中式控制而言的一種新型分布式計算機控制系統(tǒng).這種隨網(wǎng)絡技術發(fā)展起來的控制系統(tǒng)綜合了計算機、通訊、顯示及控制4方面的技術,以通信網(wǎng)絡為紐帶可以形成一個龐大的多級過程控制和過程監(jiān)控的計算機分散控制系統(tǒng)[14].目前廣泛應用的網(wǎng)絡技術是環(huán)網(wǎng)和總線網(wǎng).

目前,過程控制正朝高級階段發(fā)展,不論是從過程控制的歷史和現(xiàn)狀看,還是從過程控制發(fā)展的必要性、可能性來看,過程控制總是朝綜合化、智能化方向發(fā)展成為計算機集成制造系統(tǒng).一種以智能控制理論為基礎,以計算機及網(wǎng)絡為主要手段,對企業(yè)的經(jīng)營、計劃、調度、管理和生產(chǎn)等進行全方面的綜合控制,實現(xiàn)從原料進庫到產(chǎn)品出廠的自動化和整個生產(chǎn)系統(tǒng)信息管理的最優(yōu)化[12].食品工業(yè)生產(chǎn)線若集成了先進的加工工藝數(shù)學模型和過程控制技術,就可以使食品質量得到極大的提高,同時使企業(yè)的生產(chǎn)管理更加方便而增強企業(yè)的核心競爭力.近年來,自動化儀表及裝置向著智能化、數(shù)字化、模塊化、高精度化和小型化的方向發(fā)展.其中智能化是最重要的特點,與常規(guī)儀表相比,智能儀表具有測量精度高、自動校準、自動修正誤差和自診斷的能力,允許靈活地改變功能,實現(xiàn)高級控制,其最終將替代常規(guī)儀表[15].

2.2 過程控制在食品裝備方面的應用

過程控制技術應用于食品工業(yè),始于20世紀70年代.由于食品生產(chǎn)中可能會有致病微生物污染的危險,制成品有可能不符合食品內的微生物含量要求或違反了食品法律等,過程控制技術開始從使生產(chǎn)過程中的一些參量保持不變從而保證食品產(chǎn)量和質量穩(wěn)定,發(fā)展到利用各種組合儀表和巡回檢測裝置進行食品生產(chǎn)過程的集中監(jiān)視、操作和控制,再到基于計算機技術的自動化生產(chǎn)線與企業(yè)組織管理調度的完美結合,直到發(fā)展為過程控制系統(tǒng)開始與過程信息系統(tǒng)相結合后,具備過程控制技術的食品裝備有了更多的功能[16].

目前,過程控制技術在食品裝備工業(yè)的應用非常廣泛,包括物料輸送、攪拌、微?；?、濃縮、干燥、殺菌、冷凍、輥壓和疊層、成型、焙烤、包裝等等食品裝備上基本都有過程控制系統(tǒng),如：

采用模糊集和神經(jīng)網(wǎng)絡技術來決定食品工藝過程中的各項參數(shù),在神經(jīng)網(wǎng)絡模型用于分析過程控制和檢測變量之間的關系時,應用模糊集來解釋檢測到的變量[15].

基于變頻技術的食品輸送帶變速控制,相比傳統(tǒng)手動機械式變速,利用變頻技術的交流調速技術可以大大減少傳送帶變速時物料位置、姿態(tài)的改變.

由芯片控制的新型脈沖式氣流混合設備,相比于常見的機械式雙螺旋錐形混合設備具有批處理能力大、混合速度快、混合均勻度高、單位能耗低等特點,特別適合于大批量物料的短時間均勻混合操作.

在傳統(tǒng)的均質機上增加于HMI、PLC、變頻器等控制單元,采用模糊控制與PLC控制算法復合,可以有效解決傳統(tǒng)均質機控制系統(tǒng)在加熱控制時溫度超調量過大、加熱控制時間過長的問題.

集散控制系統(tǒng)在真空濃縮設備上的應用,有效解決了使用中對溫度、壓力、流量、液位等過程參數(shù)的監(jiān)視和控制問題.這種控制系統(tǒng)還可以進行多個過程參數(shù)的串級控制以實現(xiàn)不同的濃縮需求.

復雜控制技術,應用于真空冷凍干燥機上可實現(xiàn)對真空、加熱、制冷、冷凝、除霜等工作部件的控制,應用于噴動床干燥設備上可實現(xiàn)對物品顆粒懸浮控制,應用于真空帶式干燥機上可以實現(xiàn)膏類物料的干燥顆粒的可控性,應用于微波干燥機上可以實現(xiàn)微波干燥的溫度恒定控制,應用于普通流化床干燥機上可以實現(xiàn)干燥介質與物料的溫濕條件的聯(lián)動控制,應用于太陽能熱泵上可以控制太陽能與其他熱源的耦合干燥應用.計算機集散控制技術,使受阻于控制低氣壓氣體放電難題的微波真空冷凍干燥系統(tǒng)得到較快的發(fā)展,并促進了超臨界CO2干燥技術的發(fā)展.

在以往食品加壓殺菌設備上增加集成控制電路,可以實現(xiàn)低壓、高壓以及超高壓殺菌之間的轉換.利用高壓電子脈沖輸出控制電路及過流過壓保護電路可以進行食品的非熱殺菌技術控制.對現(xiàn)有的食品蒸汽殺菌鍋安裝PID控制單元就可以監(jiān)控殺菌鍋工作時全程的溫度變化,對多臺不同性能的殺菌鍋都安裝控制器可以通過聚類融合技術或現(xiàn)場總線技術監(jiān)控所有殺菌過程.

3 發(fā)展與展望

3.1 我國食品裝備的發(fā)展目標

根據(jù)國家“十二五”規(guī)劃,我國食品裝備的發(fā)展主要集中在兩個方面[1].

在通用裝備方面,重點集中在：1)在食品的殺菌方面,重點發(fā)展大型的智能化連續(xù)超高溫瞬時滅菌,粉類殺菌,微波殺菌,膜除菌,超高壓殺菌等設備;2)在食品的節(jié)能干燥方面,重點發(fā)展太陽能干燥,真空微波組合新型干燥設備,熱風高效節(jié)能干燥;3)在食品高效分離和濃縮方面,重點發(fā)展膜式錯流過濾及高效蒸發(fā)濃縮,大型高速碟片離心,芳香物質分離提純,臥螺離心等設備;4)在食品冷藏方面,重點開發(fā)鋼帶速凍,高效制冰,真空冷卻流態(tài)化速凍,雙螺旋速凍等裝備;5)在食品裝備方面,重點發(fā)展高速無菌灌裝,高速吹瓶設備等.在行業(yè)專用裝備方面,重點開發(fā)油料加工,乳制品加工,畜禽屠宰加工,糧食加工,水產(chǎn)品加工,果蔬加工,飲料制造,食品包裝及食品檢測與控制等裝備.

具體來講：在油料加工上,主要以大型油料加工裝備為主,重點發(fā)展節(jié)能脫臭設備和木本油料加工裝備、高溫輸送泵、高壓蒸汽爐、低溫脫溶裝備的關鍵技術.在乳制品加工上,自動控制和機電一體化對于乳品加工技術的改進和乳品加工效率的提高都具有重要的影響作用,而且自動控制技術和機電一體化也是未來的發(fā)展趨勢[17],主要以發(fā)展大型機械化擠奶系統(tǒng)及牛奶預處理、長貨架期酸奶包裝、牛奶高速紙包裝、大型低溫制粉、大型牛奶加工成套(5 000～10 000包/h)以及大型干酪生產(chǎn)裝備為主.在畜禽屠宰加工上,主要發(fā)展隧道式蒸汽燙毛機、連續(xù)自動去毛、多工位扒皮裝備,家禽自動化掏膛和稱量分級裝備,全自動低壓高頻三點式致昏裝備,畜禽胴體分級裝備,畜禽肉冷卻排酸、低溫分割裝備,病害畜禽及其產(chǎn)品無害化處理裝備,畜禽胴體激光打碼裝備,以及大型真空斬拌、滾揉、全自動定量灌裝裝備.在糧食加工上,主要發(fā)展大型雙螺桿擠壓食品加工裝備,食品工業(yè)化生產(chǎn)裝備為主.在水產(chǎn)品加工上,以遠洋捕撈船載超低溫急凍冷藏、魚類加工、貝類的凈化與加工、海藻加工及綜合利用、優(yōu)質名貴水產(chǎn)品的保鮮?；钸\輸裝備為主.在果蔬加工上,主要以發(fā)展果蔬高速商品化處理、果蔬節(jié)能干燥、凈菜加工、傳統(tǒng)菜制品加工、果蔬預冷和冷鏈配送以及柑橘汁加工裝備為主.在飲料制造上,主要發(fā)展高速磚型包裝和高速自立袋灌裝封口裝備,超輕PET制瓶灌裝一體化成套裝備,20 000瓶/h以上的無菌或超潔凈灌裝生產(chǎn)線和飲料后包裝生產(chǎn)線,大型節(jié)能糖化裝備以及75 000瓶/h高速貼標裝備.在食品包裝上,主要發(fā)展高速連續(xù)真空(充氣)包裝設備,較高黏度食品物料快速灌裝設備,高速模塑環(huán)保包裝設備,紙塑料薄膜裹包設備,高速高精度稱重填充設備,多層復合共擠膜生產(chǎn)線和高阻隔、耐熱、耐壓性包裝材料成型裝備,低碳、環(huán)保、抗菌塑料也在食品包裝工業(yè)中得到廣泛應用[18].在食品檢測與控制上,主要發(fā)展食品加工的高效節(jié)能干燥技術,高效分離、高效殺菌和高效冷卻裝備,農(nóng)產(chǎn)品品質檢測與在線監(jiān)控裝備產(chǎn)業(yè)化,以及方便食品、大宗傳統(tǒng)食品加工專用裝備和中餐菜肴的成套專用加工裝備等的研發(fā).

3.2 食品裝備過程控制的發(fā)展趨勢

為了實現(xiàn)我國食品裝備工業(yè)的發(fā)展目標,食品裝備過程控制技術將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

1)過程控制技術的柔性化.無論何種控制技術都是希望在食品裝備和食品工業(yè)的生產(chǎn)過程中實現(xiàn)柔性制造,即通過統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲運系統(tǒng)和數(shù)字控制加工設備,過程控制系統(tǒng)能快速切換、適應加工對象和加工要求的變換.未來食品裝備過程控制技術的柔性化將集中在機器、工藝、產(chǎn)品、維護、擴展、運行以及生產(chǎn)能力等多個方面.

2)過程控制技術的對象化.在食品裝備和食品工業(yè)的生產(chǎn)中采用多態(tài)、繼承、封裝、抽象的設計思想,對生產(chǎn)需求進行合理分層,構建相對獨立的模塊,并通過整合各模塊,達到高內聚、低耦合的效果,從而以高效優(yōu)化的控制流程完成對生產(chǎn)需求的滿足.這種對象化的控制系統(tǒng)的設計布局將在今后長期存在,直至計算機軟件設計技術有新的跨越.

3)過程控制技術的智能化.食品裝備的智能化控制技術已經(jīng)引領了這個工業(yè)的發(fā)展方向.智能化控制技術使國內的制造商在生產(chǎn)中重視監(jiān)控食品機械制造過程的材質、加工精度和配套元器件的質量,把穩(wěn)定性和自動化控制始終貫穿于食品裝備制造過程,實現(xiàn)了高質量高效率高產(chǎn)量食品加工成套設備的研發(fā)與應用,特別是研發(fā)食品精深加工設備和有機加工設備.智能化控制技術的發(fā)展得益于每項新原理、新技術、新材料、新工藝的應用,也是未來高端食品裝備的主要特征.例如,在國外食品裝備中有采用光譜圖像來檢測食品工藝設備中的有機物殘留[19];采用超聲波和光學技術實現(xiàn)設備中污垢的在線檢測與清洗[20];采用數(shù)字模擬技術對液體食品遠紅外加熱巴氏殺菌過程進行建模優(yōu)化設計[21].

4)過程控制技術的綜合化.大型食品加工成套設備生產(chǎn)線的出現(xiàn)已經(jīng)預示著控制技術在食品裝備工藝的綜合化運用.特別是計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展帶動了食品裝備向著智能、安全、環(huán)保、節(jié)能和省材等前沿科技的綜合發(fā)展.而隨著社會節(jié)約效應的突顯和市場品味的提升,食品裝備過程控制技術的綜合將越明顯.

5)過程控制技術的標準化.由于食品機械國際標準的趨同化發(fā)展,以食品安全衛(wèi)生為準則來推進的標準化和工業(yè)化,也將延伸到食品裝備過程控制技術上.這種標準化對食品裝備和食品工業(yè)生產(chǎn)的全球暢通提供平臺,對過程控制中漏洞、誤差能做到及時地防范和糾正,也可增強產(chǎn)品、過程和服務的適用性和溯源性.

目前,對我國食品裝備工業(yè)而言,由于我國食品科技研發(fā)投入嚴重不足,過程控制技術在食品裝備上的應用有限,以上“五化”對我國食品裝備過程控制將是項任重道遠的工作.

[1] 國家發(fā)展改革委,工業(yè)和信息化部.關于印發(fā)食品工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃的通知[EB/OL].(2011-12 31)[2012-10-09]http：∥www.sdpc.gov/.cn/.

[2] 全國人民代表大會常務委員會.中華人民共和國食品安全法[EB/OL].(2009-02-28)[2012-10-09]http：∥www.npc.gov.cn.

[3] 姜曄.淺談我國食品機械的發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)科技與信息,2011(20)：61-62.

[4] 張國治.食品加工機械與設備[M].北京：中國輕工業(yè)出版社,2011：29-32.

[5] 曹小紅.食品裝備發(fā)展方向及重點技術[J].農(nóng)產(chǎn)品加工：學刊,2007(5)：46-47.

[6] 劉書成,張常松,張良,等.羅非魚片的超臨界CO2干燥動力學及模型[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2012,28(4)：264 268.

[7] David Semyonov.Using ultrasonic vacuum spray dryer to produce highly viable dry probiotics[J].LWT,2011,44(9)：1844-1852.

[8] 梁彥,趙鵬,宋人楷.冷殺菌技術及其在包裝與食品加工機械上的應用[J].包裝與食品機械,2003,21(2)：23-26.

[9] 許德群,肖衡.我國包裝與食品機械發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].包裝與食品機械,2011(5)：47-50.

[10]國家發(fā)改委產(chǎn)業(yè)司課題組.我國食品工業(yè)“十二五”發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].經(jīng)濟研究參考,2013,2492(4)：3 23.

[11]朱雪璇.工業(yè)過程控制自動化中智能控制的應用研究[J].無線互聯(lián)科技,2012(9)：121.

[12]安愛民.基于預測控制的先進過程控制技術研究[D].甘肅：蘭州理工大學,2010.

[13]姜琳.過程控制優(yōu)化中的智能方法研究[D].吉林：吉林大學,2010.

[14]牛培峰.過程控制系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011：45-52.

[15]陳夕松,張景勝.過程控制發(fā)展綜述與教學探討[J].南京工程學院學報：社會科學版,2002,2(1)：49-52.

[16]凌善康.食品工業(yè)中的過程控制[J].計量技術,2002(3)：52-54.

[17]徐文龍.自動控制和機電一體化在乳品加工生產(chǎn)中的應用[J].科技促進發(fā)展：應用版,2012(6)：125-126.

[18]李畢忠,李澤國,陽文,等.食品包裝技術的最新發(fā)展和抗菌塑料的應用[J].塑料制造,2012(3)：17-22.

[19]Qin Jianwei,Jun Won,Kim Moon S,et al.Detection of organic residues on food processing equipment surfaces by spectral imaging method[C]∥SPIE.Sensing for Agriculture and Food Quality and Safety II,April 20,2010.Orlando,Florida.Florida：2010.

[20]Withers P M.Ultrasonic,acoustic and optical techniques for the non-invasive detection of fouling in food processing equipment[J].Trends in Food Science&Technology,1996(7)：293-298.

[21]Weijie MaoYuko Oshima,Youko YamanakaMika Fukuoka,Noboru Sakai.Mathematical simulation of liquid food pasteurization using far infrared radiation heating equipment[J].Journal of Food Engineering,2011,107(1)：127-133.