凍干機控制系統(tǒng)設(shè)計

1、冷凍干燥機的控制系統(tǒng)設(shè)計 Design on PLC Storage Bunker Lifting System畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo) 下進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)表或公布過的研究成果，也不包含我為 獲得安陽工學(xué)院及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提 供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了 謝意。 使用授權(quán)說明 本人完全了解安陽工學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī) 定，即

2、：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（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（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)校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。 作者簽名： _ 日 期： _ 作者簽名： _ 指導(dǎo)教師簽名： _ 日 期： _ 日 期： _ 目錄 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 . 4 1.1 課題研究的背景和意義 . 4 1.2 冷凍干燥技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 . 5 1.3 本設(shè)計研究的內(nèi)容 . 7 第 2 章 控制系統(tǒng)總體方案選擇 . 8 2

3、.1 冷凍干燥機的簡介和冷凍干燥的基本原理 . 8 2.2 冷凍干燥機工藝流程 . 9 2.3以PLC為核心的冷凍干燥機控制系統(tǒng) . 12 2.3.1 系統(tǒng)的構(gòu)成 . 12 2.3.2 冷凍干燥機的控制系統(tǒng) . 14 2.4 冷凍干燥機的系統(tǒng)保障 . 14 2.4.1 制冷系統(tǒng)的 保護 . 15 2.4.2 真空系統(tǒng)與其他泵的 保護 . 15 2.5 控制系統(tǒng)設(shè)計的總體方案選擇 . 16 2.5.1 系統(tǒng)設(shè)計方案的比較 . 16 2.5.2 最佳方案的選擇 . 17 第 3 章 硬件設(shè)計 . 18 3.1 系統(tǒng)概況 . 18 3.2 PLC 處理器選型 . 19 3.3 傳感器 . 21 3.

4、3.1 溫度傳感器 . 21 3.3.2 濕度傳感器 . 22 3.4 確定 I/O 點 . 23 3.5 PLC及其擴展板 . 25 3.5.1 模擬量輸入模塊 FX2N4AD . 25 3.5.2 溫度傳感器用模擬量輸入模塊FX2N4ADTC . 25 第 4 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 . 27 4.1 系統(tǒng)軟件主程序設(shè)計 . 27 4.2 初始化凍干曲線設(shè)定 . 27 4.3 裝料和全壓塞卸料過程 . 30 4.4 冷凍干燥過程 . 32 4.5 除霜過程 . 36 4.6 在線清洗過程 . 36 4.7 報警監(jiān)控系統(tǒng) . 39 第 5 章 程序調(diào)試 . 40 結(jié)論 . 44 致謝 . 45

5、 參考文獻 . 46 附錄 A . 47 附錄 B . 49冷凍干燥機的控制系統(tǒng)設(shè)計 摘 要：本論文采用三菱的小型 PLC 對整個冷凍干燥機運行系統(tǒng)進行控制， 可實現(xiàn)較高的 自動化程度，并完成智能控制、狀態(tài)顯示和故障報警等任務(wù)。本控制系統(tǒng)具有干燥機凍干 曲線設(shè)定、除霜、在線清洗、真空控制、干燥狀態(tài)檢測、故障報警的功能，控制系統(tǒng)能進 行全自動的凍干控制，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)備運行全自動方法時，可由微機編程，軟件可記錄各運行設(shè)備運行的時間和歷史記錄， 隨機和定時打印數(shù)據(jù)、報表、曲線等。多點記錄儀可顯示制品、導(dǎo)熱液、真空冷凝器的溫 度和干燥腔室、真空泵的真空

6、度，同時還對冷凝器的溫度進行報警，必要時能夠進行人工 干預(yù)。 關(guān)鍵詞 ：PLC 冷凍干燥機 自動控制Design on PLC Storage Bunker Lifting System Abstract：The thesis adopts the small size PLC of Mitsubishi to control the operation system of the freeze dryer. It can achieve a higher degree of automation and perform the tasks of intelligent control, st

7、atus display and failure warning. This control system of the dryer has the functions of freeze-drying curve setting, deforestation, on-line cleaning, vacuum control, Dry state detection and failure warning. It can make the automatic controlled lyophilization, including precook, heating up, vacuumize

8、, tamponade, deflation and defrostation. In the freeze-drying curve and Equipment running fully automatic methods, it can make computer programming; the software can record the time and history of each operational outfit, print data, report forms and curve randomly or at regular time. The multipoint

9、 recorder can display the temperature of production, thermal fluid and the vacuum condenser, and the vacuum degree of drying chamber and the vacuum pump. It can also warn towards the temperature of the condenser and give human intervention when necessary Keyword： PLC; frozen dyers; automatic control

10、引言 目前冷凍干燥機控制電路的使用壽命大部分與其電路設(shè)計、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、機械結(jié) 構(gòu)設(shè)計極為精良，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)用于各種工業(yè)控制現(xiàn)場，其電壓適用范圍很寬，具有極強的抗電磁干擾 , 抗震動、抗高 溫、高濕等特性，性能極為穩(wěn)定、可靠。功能強大，實現(xiàn)靈活，可擴展性好； PLC空制型 冷凍干燥機乍為其老型號的升級產(chǎn)品，其功能得到極大增強。目前可實現(xiàn)的功能有：自動 除霜、自動在線清洗、自動滅菌、各種情況的自動報警、設(shè)備保護及故障識別等 1 。 PLC 乍為一門控制技術(shù)

11、在我國已有近二十年的應(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粩嗤貙挘私饧罢莆者@一控制技術(shù)，將使 我國的自動化控制技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。 凍干機還存在著許多不足， 無論是國產(chǎn)還是引進設(shè)備其共同的缺點是價格貴， 耗能高 回收投資慢。國產(chǎn)凍干機擱板溫度不均勻，造成凍干產(chǎn)品含水率不均勻；干燥速率低，干 燥箱內(nèi)各點干燥快慢不一致；無法判斷干燥何時結(jié)束，這是重要缺欠，因為它可能造成產(chǎn) 品含水率高而不合格，也可能造成干燥時間過長而浪費能源。針對這些問題，今后的發(fā)展 方向應(yīng)是：食品凍干工藝除擴大物料品種外， 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

12、干產(chǎn)品質(zhì)量檢查的標(biāo)準(zhǔn)，降低凍干產(chǎn)品的價格；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，使凍干過程中所用的保護劑或添加劑更規(guī)范；開 展生物體凍干工藝的研究，爭取快出成果，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 冷凍干燥機起源于19世紀(jì)20年代的真空冷凍干燥技術(shù)經(jīng)歷了幾十年的起伏和徘徊 后，在最后的20年中取得了長足進展。進入21世紀(jì)，真空凍干技術(shù)憑借其它干燥方法無 法比擬的優(yōu)點，越來越受到人們的青睞，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)域還在不斷擴大中。為此，真空冷凍干燥必將 成為21世紀(jì)的重要應(yīng)

13、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行。干燥所得的產(chǎn)品一般都存在體積小、質(zhì)地變硬 的問題，易揮發(fā)的成分大部分會損失掉，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0C以下進行，即在產(chǎn)品凍結(jié)的狀態(tài)下進行，只在后期降低產(chǎn)品的殘余水份含量 時，才讓產(chǎn)品升至0C以上的溫度，但一般不超過 40C。在真空條件下，當(dāng)水蒸汽直接升 華出來后，藥物剩留在凍結(jié)時的冰架中，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，

14、只要加入注射用水，又會立即溶解。相對常規(guī)方法，凍干 機具有如下優(yōu)點：許多熱敏性的物質(zhì)不會發(fā)生變性或失活；在低溫下干燥時，物質(zhì)中的一 些揮發(fā)性成分損失很?。辉趦龈蛇^程中，微生物的生長和酶的作用無法進行，因此能保持 原來的性狀；由于在凍結(jié)的狀態(tài)下進行干燥，因此體積幾乎不變，保持了原來的結(jié)構(gòu)，不 會發(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，原來溶于水中的無機鹽 類溶解物質(zhì)被均勻地分配在物料之中，升華時，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機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)

15、原來的性 狀；由于干燥在真空下進行，氧氣極少，因此一些易氧化的物質(zhì)得到了保護；干燥能排除 95%- 99鳩上的水分，使干燥后產(chǎn)品能長期保存而不致變質(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時，干燥室不需絕熱，不會有很多的熱損失，故熱能的利用很經(jīng)濟。1.2 冷凍干燥技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1.2.1 國內(nèi)外干燥設(shè)備的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 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、人類對其了解還 很淺的技術(shù)。目前大多數(shù)干燥設(shè)備設(shè)計仍然依賴于小規(guī)模試驗和實際操作經(jīng)驗。換句話說 干燥器設(shè)計尚屬非標(biāo)設(shè)計。自

16、70 年代以來，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、干燥過程和干燥理論的研究有較大進展。尤其是近 10 多年來， 有許多新型干燥器投放市場，但其主要是在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上作了某些改進。 隨著全球經(jīng)濟、技術(shù)競爭的日趨劇烈，人們對有效利用能源、提高產(chǎn)品質(zhì)量和加強環(huán) 境保護等的意識逐步增強。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)計制造新的干燥設(shè)備或與干燥過程相配套的設(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

17、突破性進展還相當(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、易于控制和一機多用等 2 。具體研究課題為： （1）接式干燥器中使用過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） ； （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)（如二維噴動床、旋轉(zhuǎn)噴動床等） ； （9）計算機輔助設(shè)計；設(shè)計靈活的、多用途的干燥器； （10）糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)、專

18、家系統(tǒng)等實現(xiàn)干燥過程的控制； 1.2.2 凍干工藝的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 凍干機還存在著許多不足，無論是國產(chǎn)還是引進設(shè)備其共同的缺點是價格貴，耗能高 回收投資慢。因此低成本少能耗是食品凍干機今后的主攻方向。除此之外國產(chǎn)凍干機還存 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，干燥箱內(nèi)各點干燥快慢不一致，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

19、合理；水蒸汽噴射泵性能不穩(wěn)定；抽氣口位置不合理等。 （3）無法判斷干燥何時結(jié)束，這是重要缺欠，因為它可能造成產(chǎn)品含水率高而不合 格，也可能造成干燥時間過長而浪費能源。 （4）捕水器效率低。主要體現(xiàn)在捕水器面積大而捕水量小，有部分無效面積，其根 本原因是捕水器設(shè)計不合理。 （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)計不合理。對于水蒸汽噴 射泵而言。可能出現(xiàn)的問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)品的價格。 （2）西藥和生物制品的凍干工藝應(yīng)該走向標(biāo)準(zhǔn)化

20、，以提高凍干產(chǎn)品質(zhì)量為重點，使 凍干過程中所用的保護劑或添加劑更規(guī)范。加強經(jīng)驗交流，走共同進步之路。 （3）開展生物體凍干工藝的研究，爭取快出成果，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 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)流場的理論 研究和熱物性參數(shù)與其測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 （URIF） ;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 Litch

21、ield 等提出的吸陰升華模型。這幾種模型都可以描述凍干過程，但 又都存在著不足以述傳熱過程比較準(zhǔn)確述傳質(zhì)過程誤差較大。主要問題是在傳質(zhì)過程中要 發(fā)生固汽相變，水蒸氣在多孔的通道中傳遞，通道長度要隨時間不同而變化，是非穩(wěn)態(tài) 過程。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 究報道中還沒有見到有新的突破。 凍干過程傳熱傳質(zhì)的理論研究重點是研究發(fā)生在被凍干物料內(nèi)部的過程瑞態(tài)流場的 理論研究，重點是研究物料之外、凍干機之內(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、壓力場、濕度分布等都是隨時間變化 的非穩(wěn)態(tài)流場，這些非穩(wěn)態(tài)流場的

22、模擬方法至今還是個難題。凍干機捕水器中的非穩(wěn)態(tài)流 場中又增加了一個汽固相變的問題研究更加復(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、時間、周期、狀態(tài)等。 本文詳細介紹了冷凍干燥機的結(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，設(shè)計出能滿足控制要求的控制電路、梯形

23、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 冷凍干燥機的簡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，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)時科技水平較低，直到 1935 年第一臺商用凍干機問世以后防腐方法才開 始在物品干燥過程中應(yīng)用。 隨著凍干基礎(chǔ)理論的發(fā)展、 凍干工藝和設(shè)備的不斷改進和完善， 物品冷凍向自動化、大型化、工業(yè)化方向發(fā)展；現(xiàn)在，一些經(jīng)濟發(fā)達的國家己經(jīng)實現(xiàn)了物 品冷

24、凍干燥加工過程的計算機控制。在我國，物品凍干事業(yè)起步較晚，與國外相比存在較 大的差距，特別是在凍干設(shè)備和凍干過程的自動化水平這兩個方面尤為明顯。 凍干過程的原理是以水的三相平衡圖為基礎(chǔ)的 , 如圖 2.l 所示。 純水的三相平衡壓力 po=610.5pa，溫度To=0.0098C。當(dāng)壓力低于po時，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 線上的汽固轉(zhuǎn)化過程。真空冷凍干燥過程一般分為預(yù)凍結(jié)、升華干燥、 解析干燥 3 個階段。冷凍干燥在冷凍干燥設(shè)備（簡稱凍干機）中實現(xiàn)。凍干機的結(jié)構(gòu)形式 多種多樣，但一般包含凍干倉、制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、水汽凝結(jié)器、自動加塞 系統(tǒng)、自動清洗系統(tǒng)

25、、控制系統(tǒng)等幾個部分。 冷凍干燥過程分為預(yù)處理、預(yù)凍、升華、干燥 4 個過程，凍干操作前藥液要經(jīng)過濾過 處理，最后把處理好的藥液灌裝在小安瓶內(nèi)進行冷凍干燥。 （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。對于固態(tài)食品，應(yīng)進行清洗、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，同時切分尺寸及切口 方位也會影響凍干速率。 對于液態(tài)食品應(yīng)進行滅菌與濃縮， 濃縮利用真空或凍結(jié)方法進行。 濃縮程度合理與否，將直接影響凍干速率及生產(chǎn)效率。 圖 2.1 純水的三相平衡圖 (2) 預(yù)凍 預(yù)凍是恒壓降

26、溫過程，藥液隨溫度的下降凍結(jié)成固體，溫度應(yīng)降低至產(chǎn)品共熔點以下 10C20oC，共熔點是指水溶液隨溫度下降，冰和溶質(zhì)同時析出固體結(jié)晶時的混合物的溫 度。 (3) 升華 升華干燥首先是恒溫減壓過程，然后是在抽真空條件下，恒壓升溫使固態(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，并保持一段時間可使己升華的水蒸汽或 殘留的水分被除盡，即再干燥過程，再干燥可減少制品凍干后回潮。 通過冷凍干燥得到的產(chǎn)品所具有的優(yōu)點： 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

27、在1 %3 %左右，同時干燥在真空中進行，故不易氧化，有利于產(chǎn) 品長期貯存； 產(chǎn)品中的異物比用常規(guī)方法產(chǎn)生的少，因為污染機會相對減少。臨床應(yīng)用效果好，過 敏現(xiàn)象，副作用少。 2.2 冷凍干燥機工藝流程 2.2.1 結(jié)構(gòu)介紹 冷凍干燥機由以下幾部分組成：即真空裝置、制冷裝置、離心機裝置、干燥腔室、真 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)接管道及氣閥等。系統(tǒng)內(nèi)空氣及水蒸氣的抽除是由真空系來完成的。真空系工作時， 當(dāng)打開隔離閥，真空干燥室內(nèi)的空氣及水蒸氣經(jīng)過水蒸汽捕集冷凝器捕獲水分后進入真空 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

28、體中仍含有極少 量的水蒸汽進入系內(nèi)，系統(tǒng)配氣鍍閥。冷凍干燥時，打開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：制冷機是由回轉(zhuǎn)式壓編機、風(fēng)冷冷凝器、貯液器、過濾干燥器、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)。過濾干燥器除去工質(zhì)中的機械雜質(zhì)及水分。經(jīng)勢力膨脹閥膨脹，壓力 和溫度降低。低壓液態(tài)在蒸發(fā)管內(nèi)蒸發(fā)時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)再進入壓縮機，如此反復(fù)循環(huán)。轉(zhuǎn)于壓組機作為制冷機的主機 ，這種 壓縮機具有能效比高、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音低、體積小、質(zhì)量輕的特點

29、。蒸發(fā)器主要是用來冷 卻水蒸氣捕集冷凝器的。在冷凍干燥過程中，水蒸氣捕集冷凝器的溫度不高于 -45C。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、在線自動清洗裝置、在線滅菌裝置、運行參數(shù)測定控制系統(tǒng)部分。如圖 2.2 空丸 =-1 - - ， - 仆 N2 r 一*1“ - - 進水 進WFI 凍干機系統(tǒng)示意圖 加挺議 換熱君 逵木 0 圖 2.2 制冷機 M 羅茨泵 高水崔 咼水檢 L. 貝空泵 潦量探頭 a 排汽 c & 排 WFI怫水 低水檢 蒸

30、發(fā)器有充足的蒸發(fā)面積，提高換熱效率。 離心機部分：離心機除具有萃取、分離功能外，在對制品進行抽空 （降空） 凍結(jié)時，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從頂部沖出。 為了這個問題，將放置在托盤上的安領(lǐng)上部向內(nèi)傾斜。當(dāng)離心機帶動安箔旋轉(zhuǎn)時，由于離 心力會產(chǎn)生沿安領(lǐng)軸向向下的分力， 使安領(lǐng)中液體不會沖出。 離心機的軸延長到干燥室內(nèi)， 而干燥室內(nèi)為真空，因此，離心機的軸封至關(guān)重要。由于離心機的尺寸小，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“ 0”形因軸密封。在“ 0”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)實驗，才確定其結(jié)

31、構(gòu)尺寸。這 種密封不僅結(jié)構(gòu)簡單、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真空度梯度 （壓力差），這個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

32、器的性能不佳，前述干燥腔室與真空冷凝器之間對水蒸汽的推動力 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)部的通道中強制循環(huán)得以實現(xiàn) 的，冷或熱的導(dǎo)熱媒體在擱板內(nèi)流動， 均一地將冷或熱能量傳遞給放置于擱板的制品容器， 能量的傳遞貫穿于整個冷凍過程。導(dǎo)熱媒體的循環(huán)可通過機械泵或磁驅(qū)動無密閉墊式循環(huán) 泵來實現(xiàn)。 加熱裝置：干燥過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)，一個凍干周期完成之后，在控制壓力的消

33、毒空 氣或特性氣體狀態(tài)下，對小瓶壓塞封口，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。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將膠塞 壓進瓶口，完成壓塞工作。擱板升降系統(tǒng)還可以方便裝料和卸料，即裝料時將所有擱板降 到箱體底部，第一層升到裝料高度，進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溶劑時，普通的凍結(jié)溫度和正常真空狀態(tài) 下，有機溶劑混合液不易固相存在，有機溶劑混合蒸汽不能被普通冷凝盤管凝

34、結(jié)捕獲。為 了凝結(jié)捕獲含有機溶劑的冷凝溶劑，通常在真空冷凝器的底部設(shè)計配置一有溶劑收集器， 收集器內(nèi)配有內(nèi)置蒸發(fā)盤管，通過制冷壓縮機制冷，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溶劑混合溶液凝冰再次蒸發(fā)。在進行第二次干燥 時，通過關(guān)閉閥門，使有機溶劑收集器與主冷凝器完全隔離，二次干燥如常進行。除此以 外，溶劑收集器應(yīng)配有相應(yīng)的閥門，具有排放和進氣的功能。 在線自動清洗裝置運行參數(shù)測定控制系統(tǒng)部分：配置于冷凍干燥腔室和冷凝器內(nèi)的機 械清洗裝置，用于清洗干燥腔室和冷凝器內(nèi)表面殘留物。整個在線自動清洗分為機內(nèi)和機 外兩部分，機外部分由清洗用水貯罐，多級泵，及一套自動控制

35、閥組成。機體部分主要由 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干燥腔室和真空冷凝內(nèi)表面滅菌，創(chuàng)造一個 合適生產(chǎn)的無菌環(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。 運行參數(shù)測定控制系統(tǒng)：溫度測定系統(tǒng)、真空測定系統(tǒng)、殘留水分測控系統(tǒng)、以及計 算機控制系統(tǒng)。圖 2.1 為凍干機系統(tǒng)示意圖示意圖。醫(yī)藥用凍干機必須執(zhí)行 GMP 標(biāo)準(zhǔn)。 真空系統(tǒng)多采用羅茨旋片泵機組，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 或復(fù)疊式壓縮機組。一般都具備自動壓塞、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

36、滅菌時用氣動插銷多點鎖緊箱門。 2.3 以 PLC 為核心的冷凍干燥機控制系統(tǒng) 凍干機的控制系統(tǒng)可由各種配置方式組成。在充分了解了凍干機各種控制要求和特點 后，提出了一種可編程控制器(PLC )為核心的自動控制系統(tǒng)，其通訊接口采用工業(yè)控制 設(shè)備常用的RS-485。該系統(tǒng)的最大特點是可靠性高，配置靈活，測量準(zhǔn)確，控制靈敏， 即可以當(dāng)計算機直接接口，也可以與觸摸屏直接接口，能夠滿足凍干工藝的各種需求。 2.3.1 系統(tǒng)的構(gòu)成 凍干燥機驅(qū)動對象大部分為電機類負(fù)載。因此我們在主回路上安裝了一個帶有熱繼電 器保護的空氣開關(guān)，它功能很強，不但能保護電機過載，還具有缺相保護和過電流保護， 動作可靠，反應(yīng)靈敏

37、，且不受電機起動電流的影響。接下來就是驅(qū)動電機的接觸器，其線 包直接由PLC控制，電路簡單，易子維護。其中電加熱回路除了裝有過流空氣開關(guān)外，其 驅(qū)動采用固態(tài)繼電器，這樣便于 PID調(diào)節(jié)后產(chǎn)生PWM輸出接口。 PC機與上述真空測量與控制儀器、真空執(zhí)行機構(gòu)、真空泵與閥門聯(lián)用組成凍干機真空 自動測控系統(tǒng)，按凍干工藝要求，自動實現(xiàn)真空測量與控制，其測量與控制示意框圖如圖 2.3所示。 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，進行控制和調(diào)節(jié)氣量值。 圖 2.4 溫度測量與控制的框圖 食品凍干機，必須對凍干室、水汽凝結(jié)器、制

38、冷系統(tǒng)進行溫度測控。當(dāng)水汽凝結(jié)器降 溫到一35C左右時，才能啟動真空系統(tǒng)，因此，在凍干過程中，要隨時監(jiān)測擱板溫度、制 品溫度、水汽凝結(jié)器的溫度變化。 為了滿足上述溫度測量的要求，選用SL135系列數(shù)字溫度調(diào)節(jié)儀多點巡檢儀，該系列儀 表采用先進的網(wǎng)絡(luò)線性校正模塊和電子自動冷端補償電路，以及強勁的抗干擾電路設(shè)計, 具有抗干擾、防震、防塵、防潮措施，過程值由 LED顯示，實現(xiàn)-50IOOC范圍內(nèi)溫度測 量，精度為0.5C,設(shè)有上下限報警功能，標(biāo)準(zhǔn)05V，420mA的輸出信號，可與PC聯(lián)機, 滿足控制工藝流程及切換與報警。為了提高凍干機運行可靠，按分散控制模式，將凍干室 各點溫度并聯(lián)設(shè)置一個回路，為提

39、高精度，采用圖 2.4所示的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 2.3.2冷凍干燥機的控制系統(tǒng) 近年來，冷凍干燥機的自動化程度發(fā)展最快，冷凍干燥機都實現(xiàn)了全自動控制，控制 方法很多，上位機可采用PE或以上型號的工控機，如果上位機放在環(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算機。下位機由可編程控制器 (PLC)、真空壓力檢測控 制儀表、溫度檢測儀表、濕度檢測儀表、等組成。上下位機之間米用工業(yè) RS485串行總 線連接，組成主從式多機網(wǎng)絡(luò)。下位機各儀表傳感器可實現(xiàn)各種模擬信號的采集、顯示， 可獨立實現(xiàn)部分控制功能，也可按上位機的指令控制。帶485通訊接口的PLC作為上位機 的各輸入輸出開關(guān)量信號的接口，

40、PLC本身具有獨立的連鎖保護和部分程控、定時功能， 可在應(yīng)急狀態(tài)下配合手操臺實現(xiàn)應(yīng)急操作。上下位機之間采用工業(yè) RS 一 485串行總線連 接，組成主從式多機網(wǎng)絡(luò)。下位機各儀表傳感器可實現(xiàn)各種模擬信號的采集、顯示，可獨 立實現(xiàn)部分控制功能，也可按上位機的指令控制。帶485通訊接口的PLC作為上位機的各 輸入輸出開關(guān)量信號的接口， PLC本身具有獨立的連鎖保護和部分程控、定時功能，可在 應(yīng)急狀態(tài)下配合手操臺實現(xiàn)應(yīng)急操作3。 圖 2.5 凍干設(shè)備控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 2.4 冷凍干燥機的系統(tǒng)保障 凍干機各個組成系統(tǒng)的正常工作是凍干機運行的基礎(chǔ)。充分運用微處理機技術(shù)對各個 組成系統(tǒng)進行合理的監(jiān)控是一種

41、節(jié)能而又高效的方法。下面將逐個分析對凍干機各組成系 統(tǒng)的控制原理。 2.4.1 制冷系統(tǒng)的保護 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)長期穩(wěn)定 地工作。因此，運用電氣自動控制手段對制冷系統(tǒng)進行保護是極其重要的。 制冷壓縮機的常規(guī)保護主要有：冷卻水水壓、流量、溫度的監(jiān)視；壓縮機內(nèi)置過熱裝 置動作的監(jiān)視；壓縮機工作時對壓縮機的排氣壓力，吸氣壓力和油壓進行監(jiān)視。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異 常及時報警并關(guān)機。其中對油壓的監(jiān)視要求在一分鐘內(nèi)能恢復(fù)到正常值，若持續(xù)一分鐘仍 未恢復(fù)正常值，保護元件即動作等。 制冷壓縮機的收液問題：對較大系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)在停機時應(yīng)盡量地收液至冷凝器中。 如果一時不可能

42、全部收清， 則在下次開機時管路內(nèi)的積液有可能沖缸， 對壓縮機構(gòu)成威脅。 可以在停機狀態(tài)下加裝自動收液裝置以對制冷系統(tǒng)進行保護。其基本原理是；在停機狀態(tài) 下監(jiān)視吸氣壓力， 當(dāng)其達到一定壓力時， 起動制冷壓縮機數(shù)秒鐘， 將制冷劑收入冷凝器中。 制冷壓縮機的系統(tǒng)CIC :制冷壓縮機的系統(tǒng)CIC對保證制冷壓縮機在正常工作溫度下 運行，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系統(tǒng)的 工作要求。當(dāng)溫度低于 -500oC 以下時往往不能正常工作，電控系統(tǒng)對此也能助一臂之力。 其原理是通過壓縮機內(nèi)置二個溫度傳感器的輸入信號，經(jīng)處理后輸出一合適的脈動信號。 使 CIC 始終處于正

43、常工作狀態(tài)。 2.4.2 真空系統(tǒng)與其他泵的保護 凍干機的運行對象大部分都是電機驅(qū)動機械，因此電氣保護系統(tǒng)必須針對該類對象進 行設(shè)計，其中缺相保護、過載保護、過流保護都是必不可少的。羅茨泵應(yīng)在系統(tǒng)真空達到 一定真空度后才能起動。過去用電接點真空表來解決這一問題，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)境的控制除了對真空的控制外，對板層中流動的 媒體的溫度控制是最重要的。而對媒體循環(huán)系統(tǒng)溫度產(chǎn)生影響的因素也是很多的。比如循 環(huán)泵運行中產(chǎn)生的熱量主要由媒體吸收，媒體在管路中流動，摩擦也要產(chǎn)生熱量，制品升 華過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

44、，用常規(guī)的控制模式很難達 到理想的運行要求。但從制品工藝要求和板層的運行狀況，以及我們對溫度的采樣可以達 到 1-10 次每秒的速度來講 ,可以認(rèn)為該系統(tǒng)滿足采樣頻率遠遠大于穿越頻率。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)在用微機或 PLC 都可以很方便地實行 PID 控制，一般都會提供專用模 塊，實現(xiàn)起來很方便。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)時保證制品質(zhì)量的重要 手段，也是凍干機

45、主要功能之一。凍干工藝曲線可以分段輸入，程序在執(zhí)行時自動生成瞬 時的設(shè)定值。該設(shè)定值在每個程序段內(nèi)可以是穩(wěn)定值也可以是上升值或下降值，因此要求 凍干機溫控系統(tǒng)具有良好的跟蹤作用。 干燥箱內(nèi)的升華過程控制和千燥終點判別：為縮短凍干時間，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)定大小自動調(diào)節(jié)電磁閥達到自動調(diào)節(jié)真空的目的。試驗 凍干工藝時采用氣壓測量法判別干燥期終點是常用的一種方法。其原理是迅速關(guān)閉前后箱 之間的蝶閥。此時若干燥箱

46、內(nèi)壓力迅速上升并記錄下上升的最終壓力，然后打開蝶閥，隔 一段時間再進行一次測量，當(dāng)氣壓上升很慢時，表示產(chǎn)品中的冰晶己全部消失，可提高溫 度進入解析干燥過程。 2.5 控制系統(tǒng)設(shè)計的總體方案選擇 2.5.1 系統(tǒng)設(shè)計方案的比較 根據(jù)冷凍干燥機自動控制方式及特點，常用的控制方式有手動控制、繼電器控制、單 片機控制及 PLC 程序控制。 繼電器控制：繼電器問世以來，一直是真空工程控制的主流，目前國內(nèi)仍有不少廠家 應(yīng)用繼電器控制。其中輸人單元為按鈕開關(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通過導(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

47、圈，控制各類接觸器線圈及信號指示等執(zhí)行元件。這種控制系統(tǒng) 的特點是：價格便宜、性能價格比低。因此，存在繼電器抖動、打弧、吸合不良等現(xiàn)象， 使控制系統(tǒng)壽命短，可靠性差。因為它的自動控制功能是靠開關(guān)繼電器的輔助觸點動作來 實現(xiàn)。而觸點動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 開關(guān)、觸點間的連線，故倍改控制邏輯復(fù)雜、困難，同時體積大，耗能高。 單片機控制：用單片機可以構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)。有不少利用通用 PC單片機或通用 計算機系統(tǒng)。大部分都可以用單片機系統(tǒng)或單片機加通用機系統(tǒng)來代替計算機系統(tǒng)，特別 是較大型的工業(yè)測控系統(tǒng)。除通用外設(shè) （如打印機、硬盤、磁盤等 ）外，還有許

48、多外部通信、 采集、多路分配管理、驅(qū)動控制等接口，而這些外設(shè)與接口完全由主機進行管理，必然造 成主機負(fù)擔(dān)過重，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： 1968年，美國最大的汽車制造商一通電汽車公司，從國產(chǎn)角度提 出了新一代控制器。我國緊跟其后，發(fā)展也很快。不少廠家生產(chǎn)了不同類型的可編控制器 已在冷凍干燥機獲得應(yīng)用。為了適應(yīng)工業(yè)環(huán)境中使用，具有以下特點： （1）靠性高，抗干擾能力強。平均無故障時間可達 30萬小時； （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

49、程簡單、使用方便。這是PC機優(yōu)于微機的另一特點。目前大多數(shù) PC機采用繼 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) 場企業(yè)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)損與微機水平，易于校操作人員接受； （4） 功能完善。現(xiàn)代PC具有數(shù)字和模擬輸入、輸出邏輯及算術(shù)運算完成時，計數(shù)、 順序控制、功率驅(qū)動、通信、人機對話、自撿、記錄和顯示等功能，使凍干設(shè)備控制水平 大大提高。擴充方便，組合靈活。PC具有各種擴展單元，可以方便地適應(yīng)不同凍干工藝控 制的需求，不同輸入輸出點數(shù)及輸入、輸出方式的系統(tǒng)：少了控制系統(tǒng)設(shè)計及施工的工作 量。由于PC采用軟件編程來達到控制功能，而不于繼電器控制

50、所采用硬接線來達到控制功 能，因此，減少了設(shè)計及施工工作量，PC又事先模擬調(diào)試，減少現(xiàn)場工作量； （5） 體積小、質(zhì)量輕。一個收錄機大小的 PC具有相當(dāng)于三個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，結(jié)構(gòu)緊密、堅固、體積小巧，具有很強的抗干擾 能力；而裝入機械設(shè)備內(nèi)部，PC還可以與監(jiān)控計算機聯(lián)網(wǎng)。 2.5.2 最佳方案的選擇 最佳方案應(yīng)具有先進的控制技術(shù)，經(jīng)濟節(jié)能為主，還要根據(jù)具體控制系統(tǒng)而確定。當(dāng) 前計算機控制是主流，特別是現(xiàn)場，通過方案比較，采用 PLC工業(yè)控制機是最佳方案。第 3 章 硬件設(shè)計 3.1 系統(tǒng)概況 本控制系統(tǒng)具有干燥機凍干曲線設(shè)定、除霜、在線清洗、真

51、空控制、干燥狀態(tài)檢測、 故障報警和維修檢查的功能?？刂葡到y(tǒng)能進行全自動的凍干控制，包括預(yù)凍、加熱、抽真 空、壓塞、放氣、除霜、滅菌等。在編程器上可以顯示溫度、壓力、時間、周期、狀態(tài)等， 也可以顯示報警信息。采用凍干曲線和設(shè)備運行全自動方法時，可由微機編程，凍干流程 顯示可用熒光屏或模擬板兩種方式，可在微機上對 PLC 編程，并能提供所有軟件設(shè)備。 軟 件可記錄各運行設(shè)備運行的時間和歷史記錄，隨機和定時打印數(shù)據(jù)、報表、曲線等，同時 記錄多項故障和事件發(fā)生。多點記錄儀可顯示制品、導(dǎo)熱液、真空冷凝器的溫度和干燥腔 室、真空泵的真空度，同時還對冷凝器的溫度進行報警。必要時能夠進行人工干預(yù)。 傳統(tǒng)的繼電

52、器控制系統(tǒng)是按一定的生產(chǎn)工藝要求而設(shè)計的，采用硬接線方式安裝而 成，只能完成既定的邏輯控制，一旦改變工藝過程，就要重新配線，適應(yīng)性很差，且體積 龐大，而 PLC 各控制功能是通過軟件而實現(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，它不僅能完成邏輯運算、定時、計數(shù)等功能，還能進行算術(shù)控制，與計算機聯(lián) 成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)分級控制。 PLC 體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，開發(fā)周期短，安裝維護工作量 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)控制計算機能夠和工業(yè)對象的傳感器，執(zhí)行機構(gòu)直接接口，能夠在惡

53、劣的工業(yè)環(huán) 境下可靠運行，工業(yè)控制計算機是由通用微機推廣應(yīng)用發(fā)展而來，硬件結(jié)構(gòu)方面總線標(biāo)準(zhǔn) 化程度高，品種兼容性強，軟件資源豐富，特別有實時操作系統(tǒng)的支持，對要求快速，實 時性強，模型復(fù)雜的工業(yè)對象的控制占有優(yōu)勢，但對使用者技術(shù)水平要求較高，不如 PLC 容易推廣。PLC是專門為工廠現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計的，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的，采用梯形圖語言編程，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，微機很多軟件還不能 直接應(yīng)用，PLC標(biāo)準(zhǔn)化程度低，各廠家的產(chǎn)品不通用。 國內(nèi)工業(yè)監(jiān)測、控制、管理系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用越來

54、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，既可以和現(xiàn)場的傳感器、變送器、自動化儀表相 連，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控部分，又能和上位 PC 機相連進行數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管 理。同時可編程序控制器與單片機相比具有以下特點： 1.編程方法簡單易學(xué)； 2.功能強， 性能價格比高； 3.硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強； 4.無觸點免配線，可靠性高， 抗干擾能力強； 5.系統(tǒng)的設(shè)計、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?？删幊绦蚩刂破鞯陌l(fā)展趨勢是：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，不斷增強微型可編程序控

55、制器的功能；可編程序控制器編程語言的 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)場總線相結(jié)合；增強通信聯(lián)網(wǎng)能力 5。 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，不但可以很好滿足測控 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 來進行測控。 3.2 PLC 處理器選型 確定PLC型號：FX系列是三菱公司近年來推出的高性能可編程序控制器，具有下列 特點： FXos、FXON和FX2N系列可編程序控制器的高度為 90mm,深度為75mm（ FXos系列） 和 87mm（ FX0N 和 FX2N 系列）

56、，很適合于在機電一體化產(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， 它的基本單元、擴展單元和擴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整齊的長方體。 FXos的功能簡單實用，價格便宜，可用于小型開關(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，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，特別是避免了需要用硬件來實現(xiàn)的功能的浪費，使 用戶能用最少的投資來滿足系統(tǒng)的要求。 每臺 FX2N 可將一塊功能擴展板安裝在基本單元內(nèi)，不需要外部的安裝

57、空間，這種功 能擴展板的價格便宜。功能擴展板包括 8點模擬量設(shè)定單元、RS-232C通信板、RS-485 通信板和 FX0N 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、 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， 可用來修改定時器、 計數(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 3.1 FX2N 的

58、基本性能 項 目 FX2N 運算控制方式 存儲程序，反復(fù)運算方式（專用 LSI） 輸入輸出控制方式 批處理方式（在執(zhí)行 END 指令時），有輸入輸出刷新指令 運算處理 指令 基本指令 0.08 諾旨令 應(yīng)用指令 數(shù) 1.52數(shù)百 譏指令 程序語言 繼電器付號語言+步進方式（可用 SFC 表示） 程序容量存儲器形式 內(nèi)附 8000 步 EEPROM，最大為 16K 步（可裝 RAM , EEPROM , EPROM 存儲器卡盒） 指令 數(shù) 基本、步進指令 基本（順控）指令 27 條，步進指令 2 條 應(yīng)用指令 128 種 298 條 輸入繼電器 184 點 X0X267 總共 256 點 輸出繼

59、電器 184 點 Y0Y267 輔助 繼電 器 一般用 500 點 M0M499 鎖存用 2572 點 M500M3071 特殊用 256 點 M8000M8255 狀態(tài) 初始化用 10 點 S0S9 一般用 490 點 S10S499 鎖存用 400 點 S500S899 報警用 100 點 S900S999 疋時 器 100ms 200 點 T0T199 10ms 46 點 T200T245 1ms （積算） 4 點 T246T249 100ms （積算） 6 點 T250T255 模 擬 1 點 計數(shù) 器 加計數(shù) 一般用 16 位 100 點 C0C99 鎖存用 16 位 100 點 C

60、100C199 加/減計數(shù) 一般用 32 位 20 點 C200C219 鎖存用 32 位 15 點 C220C234 咼速計數(shù)器 1 相 60KHZ2 點，1 相 10KHZ4 點，2 相 30KHZ1 點，5KHZ1 點 數(shù)據(jù) 寄存 器 通用數(shù)據(jù)寄 存器 一般 16 位 200 點 D0D199 鎖存 16 位 7800 點 D200D7999 特殊寄存器 16 位 256 點 D8000D8255 變址寄存器 16 位 16 點 V0V7，Z0Z7 文件寄存器 D1000 以后以 500 個為單位設(shè)置文件寄存器（ MAX7000 點） 跳步 指針 轉(zhuǎn)移用 128 點 P0P127 中斷用 15