凍干機(jī)板層寬幅控溫系統(tǒng)研究

0 引言

在凍干機(jī)內(nèi)冷凍干燥的產(chǎn)品，首先要進(jìn)行降溫并冷凍成固態(tài)，然后在真空下加熱，使產(chǎn)品中的水從固態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)升華出來(lái)，該過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品降溫和升溫的熱傳遞主要通過(guò)承載產(chǎn)品的板層溫度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。

凍干工藝對(duì)產(chǎn)品的溫度控制要求十分嚴(yán)格，特別是升華階段，熱量過(guò)少會(huì)導(dǎo)致干燥時(shí)間延長(zhǎng)，熱量過(guò)多將造成產(chǎn)品塌陷等問(wèn)題，所以凍干機(jī)對(duì)板層的溫度控制要求很高，必須能長(zhǎng)時(shí)間保持溫度穩(wěn)定。由于產(chǎn)品的預(yù)凍和升華溫度一般低于0℃，特殊產(chǎn)品甚至要求低于 -50℃，而解析干燥溫度又要在 0℃以上，有的甚至在 以上，因此在盡可能寬的高低溫區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控溫是凍干機(jī)設(shè)備需要解決的一個(gè)主要難題。

目前凍干機(jī)板層控溫一般的做法如下：凍干箱內(nèi)的板層為中空結(jié)構(gòu)，板層進(jìn)出口連接硅油循環(huán)管路，循環(huán)管路上安裝循環(huán)泵，循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)硅油流經(jīng)電加熱器和換冷器進(jìn)入板層，通過(guò)循環(huán)的硅油把加熱器的熱量和換冷器的冷量轉(zhuǎn)遞給板層從而實(shí)現(xiàn)板層控溫[2]。

其中電加熱器的控制是通過(guò)PLC采集板層入口溫度探頭信號(hào)，采用PID算法計(jì)算出加熱輸出量3，通過(guò)模擬量輸出模塊輸出相應(yīng)的電流或電壓信號(hào)給周波發(fā)生器，周波發(fā)生器輸出占空比不同的方波信號(hào)給固態(tài)加熱器，固態(tài)加熱器周期性地通斷電加熱器的供電電路，實(shí)現(xiàn)電加熱器不同熱量的輸出。而換冷器低溫側(cè)連接壓縮機(jī)制冷回路，一般根據(jù)制冷量大小分為兩路，一路主冷電磁閥和主冷機(jī)械式膨脹閥組成大冷量回路，另一路輔助制冷電磁閥和輔助制冷機(jī)械式膨脹閥制冷回路冷量較小。大小兩路制冷回路相互配合通斷以適應(yīng)板層低、中、高溫區(qū)的不同冷量需求。

換冷器低溫側(cè)的制冷回路還有一種技術(shù)方案，即膨脹閥使用電子式膨脹閥4，可控制其開(kāi)度調(diào)節(jié)冷量大小，根據(jù)PLC采集板層入口溫度探頭溫度值和設(shè)定溫度的偏差，使用PID算法計(jì)算輸出制冷量百分比，然后通過(guò)模擬量模塊輸出信號(hào)給電子膨脹閥驅(qū)動(dòng)器，電子膨脹閥驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)電子式膨脹閥開(kāi)啟到相應(yīng)開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整冷量適應(yīng)不同工況。

現(xiàn)有方案中，加熱控制方法PLC需要擴(kuò)展模擬量輸出模塊[56]，固態(tài)繼電器要由周波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)，電路相對(duì)復(fù)雜，信號(hào)需要多次轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性不好，而且一旦中間部件故障，系統(tǒng)就無(wú)法正常工作，相對(duì)故障率高并且不易排查。制冷回路采用兩路機(jī)械式膨脹閥的方案，增加了制冷系統(tǒng)的復(fù)雜性和裝配難度，只有兩級(jí)冷量的組合，在高低溫區(qū)域控溫效果并不理想。而采用電子式膨脹閥的方案，需增加一套驅(qū)動(dòng)電路和過(guò)熱度保護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)成本提高，可靠性變差。另外，加熱量和制冷量只通過(guò)板層入口溫度和設(shè)定溫度使用PID算法來(lái)計(jì)算[7-8]，忽略了板層周?chē)鷾囟群桶鍖颖旧頎顟B(tài)的綜合影響，穩(wěn)態(tài)控溫效果還可以，但動(dòng)態(tài)控溫效果就會(huì)變差，而很多工藝是要求板層溫度在凍干過(guò)程中進(jìn)行線性變化的。

鑒于此，擬設(shè)計(jì)一種凍干機(jī)智能溫度控制系統(tǒng)，PLC控制器通過(guò)輸入的板層入口溫度、板層出口溫度、板層環(huán)境溫度等信號(hào)，模糊計(jì)算加熱量和制冷量的輸出百分比，直接驅(qū)動(dòng)加熱控制固態(tài)繼電器和制冷電磁閥的通斷占空比，以期提高凍干過(guò)程中低溫和高溫范圍內(nèi)的溫度控制水平和穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，凍干箱1內(nèi)的板層2進(jìn)出口連接硅油循環(huán)管路，循環(huán)管路上安裝循環(huán)泵3，循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)硅油流經(jīng)電加熱器4、制冷換熱器5進(jìn)入板層，硅油管路靠近板層入口位置安裝有板層入口溫度探頭6，硅油管路靠近板層出口位置增加了板層出口溫度探頭7，板層附近增加了板層環(huán)境溫度探頭8，電加熱器4控制電路由PLC11上的開(kāi)關(guān)量輸出口直接控制固態(tài)加熱器14的通斷，制冷換熱器5低溫側(cè)連接制冷壓縮機(jī)21制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由一路電磁式通斷制冷電磁閥22和機(jī)械式制冷膨脹閥23組成的制冷回路。板層出口溫度探頭7插入焊接在硅油管路上的盲管底部，盲管開(kāi)口向上，底部處于硅油管路中心位置，盲管內(nèi)加注硅油，盲管開(kāi)口處有螺紋安裝約束探頭引線的鎖扣裝置。板層環(huán)境溫度探頭8安裝在板層2和凍干箱1之間的固定板上，探頭前端懸空，后端由鎖扣固定在固定板上。

1—凍干箱；2—板層；3—循環(huán)泵；4—加熱器；5—制冷換熱器；6一板層入口溫度探頭；7一板層出口溫度探頭；8—板層環(huán)境溫度探頭；11—PLC；14—固態(tài)繼電器；21—制冷壓縮機(jī)；22—制冷電磁閥；23一制冷膨脹閥。

2 控制算法

加熱固態(tài)繼電器和制冷電磁閥是通過(guò)PLC的開(kāi)關(guān)量輸出控制，進(jìn)行周期性開(kāi)啟和關(guān)閉動(dòng)作，開(kāi)啟時(shí)間 T 和關(guān)閉時(shí)間 根據(jù)PLC的設(shè)定溫度 和采集到的板層入口溫度 板層出口溫度 板層環(huán)境溫度 綜合計(jì)算出的輸出百分比P來(lái)確定（表1）。

注：表中t為單位時(shí)間系數(shù)，根據(jù)固態(tài)繼電器的性能，其通斷的單位時(shí)間系數(shù)t可選取范圍為（0.1，0.2）s，電磁式通斷制冷閥的單位時(shí)間系數(shù)t可選范圍為

輸出百分比 P 由板層入口溫度和設(shè)定溫度的偏差參數(shù) 偏差的變化率參數(shù) 板層自身溫差參數(shù) 板層環(huán)境溫差參數(shù) 計(jì)算得出，公式如下：

式中： p 為偏差系數(shù)； d 為變化率系數(shù)； s 為板層系數(shù)；

為環(huán)境系數(shù)。

板層入口溫度和設(shè)定溫度的偏差參數(shù) 計(jì)算公式如下：

式中： 為板層入口溫度； 為設(shè)定溫度。

偏差的變化率參數(shù) 計(jì)算公式如下：

式中： 為當(dāng)前采樣周期的板層入口溫度； 為前一采樣周期的板層入口溫度。

板層自身溫差參數(shù) 計(jì)算公式如下：

式中： 為板層入口溫度； 為板層出口溫度。

板層環(huán)境溫差參數(shù) 計(jì)算公式如下：

式中： 為環(huán)境溫度； 為板層入口溫度； 為板層出口溫度。

把公式（2）（3）（4）（5）代入到公式（1）中，得到：

實(shí)際輸出制冷量百分比 和加熱量百分比 ，可通過(guò)輸出百分比 P 和偏差參數(shù) $T_{＼mathfrak{p}}$ 的值進(jìn)行優(yōu)化處理（表2）。

根據(jù)凍干機(jī)板層控溫的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，偏差系數(shù) p 取100，變化率系數(shù) d 取10，板層系數(shù)s取5，環(huán)境系數(shù)e取0.1，固態(tài)繼電器通斷的單位時(shí)間系數(shù)取0.1，電磁式通斷制冷閥的單位時(shí)間系數(shù)取2為宜。

3 測(cè)試結(jié)果

將設(shè)計(jì)的板層溫度智能控制系統(tǒng)應(yīng)用在LAM-0.5F型真空冷凍干燥機(jī)上，在實(shí)際的凍干過(guò)程中測(cè)試凍干機(jī)板層溫度控制情況。把 濃度為 10% 的甘露醇溶液放入凍干箱內(nèi)，板層控制溫度依次設(shè)定為 ，并分別保持 ，對(duì)全過(guò)程的板層溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，將該數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后得到溫度變化曲線如圖2所示。

經(jīng)過(guò)樣機(jī)實(shí)際測(cè)試得知，凍干機(jī)板層溫度在 的控溫過(guò)程中，板層溫度在所設(shè)定值附近上下波動(dòng)最大偏差≤ 。

4結(jié)論

本文根據(jù)凍干機(jī)板層溫度的控制特點(diǎn)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出一種智能的凍干機(jī)板層溫度控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)凍干過(guò)程所需范圍內(nèi)板層溫度的穩(wěn)定控制，與現(xiàn)有的技術(shù)方式相比，凍干箱板層溫度在 范圍內(nèi)的控制精度提高到 以內(nèi)。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有良好的控制效果，操作方便，成本低，根據(jù)板層入口、出口及環(huán)境溫度，快速實(shí)現(xiàn)冷熱量的輸出控制。后續(xù)將進(jìn)一步研究系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)誤差的相互關(guān)系，以進(jìn)一步提高板層溫度的控制性能。

[參考文獻(xiàn)]

[1]邱勛榮，李玉姍，萬(wàn)琴，等.真空冷凍干燥對(duì)中藥材質(zhì)量的影響與調(diào)控技術(shù)研究進(jìn)展[J].中草藥，2024，55（4）：1377-1388.

[2]李俊奇，李保國(guó).藥品真空冷凍干燥過(guò)程監(jiān)控技術(shù)研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2015，34（8）：3128-3132.

[3]厲建國(guó)，萬(wàn)金慶，趙彥峰.冰溫真空干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].食品與機(jī)械，2017，33（11）：89-91.

[4]譚亮.一種凍干機(jī)板層溫度智能控制方法及系統(tǒng)：CN201310293527.3[P].2013-07-12.

[5]邱桐，徐光，李新秋.基于PLC的食品真空冷凍干燥機(jī)的控制[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（19）：11971-11972.

[6]文懷興，張秦權(quán).獼猴桃真空干燥控制系統(tǒng)與工藝的研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，32（12）：1149-1153.

[7]劉麗萍.基于Fuzzy算法的枸杞凍干系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012，34（10）：103-106.

[8]賀成杰，蔡天賜，鄒洪武，等.基于模糊PID的串級(jí)溫度控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)電信息，2024（12）：46-48.