吳朋來+胡志超+吳峰+顏建春+吳惠昌

摘要：為提高微波真空冷凍干燥設(shè)備的自動(dòng)化程度，采取LabVIEW和可編程邏輯控制器（PLC）技術(shù)開發(fā)出一套基于物料溫度的微波功率控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)依據(jù)光纖溫度傳感器檢測(cè)到的物料溫度信號(hào)，上位機(jī)LabVIEW程序發(fā)出磁控管電壓調(diào)控指令，下位機(jī)PLC程序執(zhí)行以磁控管陽極作為負(fù)載的單相交流可控硅移相調(diào)壓器的輸入電壓的調(diào)節(jié)任務(wù)，達(dá)到改變磁控管陽極電壓的目的，進(jìn)而改變陽極電流來實(shí)現(xiàn)微波功率的調(diào)控。茭白凍干試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，能夠明顯縮短凍干時(shí)間。

關(guān)鍵詞：微波干燥；冷凍干燥；微波功率；PLC；LabVIEW；控制

中圖分類號(hào)： TS205.7；TS203 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2017）20-0209-04

微波真空冷凍干燥是以微波作為熱源的冷凍干燥技術(shù)，具有加熱迅速、節(jié)能高效、營(yíng)養(yǎng)破壞少等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，但由于存在“低壓放電”“加熱不均勻”以及“工藝優(yōu)化與控制難”等技術(shù)難題[2-3]，至今還未滿足工業(yè)化應(yīng)用的要求。其中，微波凍干設(shè)備控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)在推進(jìn)微波真空冷凍干燥技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用，它不但能夠有效降低發(fā)生“低壓放電”“加熱不均勻”等現(xiàn)象的頻率，還能夠減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。微波功率可快速調(diào)整且無慣性，理論上易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制[4]，而至今仍未實(shí)現(xiàn)，其中一個(gè)很重要的原因就是現(xiàn)有的微波冷凍干燥試驗(yàn)設(shè)備測(cè)試功能還很不齊全和完善，在物料溫度測(cè)定上多采用紅外線測(cè)溫法，測(cè)溫部位有限，測(cè)量精度不高；微波功率仍然依靠人工調(diào)節(jié)接觸式調(diào)壓器來分別改變各個(gè)磁控管陽極上的加載電壓，進(jìn)而改變陽極電流來調(diào)節(jié)微波加熱功率[5]。

本研究提供了1套基于物料溫度反饋的微波功率控制系統(tǒng)：采用光纖傳感器檢測(cè)物料溫度提高了測(cè)量精度；選用單相交流可控硅移相固態(tài)調(diào)壓器調(diào)控磁控管陽極電壓進(jìn)而改變陽極電流來實(shí)現(xiàn)微波功率的調(diào)控，操作便捷，便于實(shí)現(xiàn)微波功率自動(dòng)化控制；以可編程邏輯控制器（PLC）作為上位機(jī)、以裝有LabVIEW軟件的工控機(jī)作為上位機(jī)開發(fā)微波功率控制系統(tǒng)，既提升了系統(tǒng)的抗干擾能力，又便于交互操作；系統(tǒng)還能夠?qū)崟r(shí)記錄物料溫度和陽極電流數(shù)據(jù)，可為建立微波功率與物料溫度間的相關(guān)模型提供支撐。

1 微波功率特性及其控制原理

微波是指頻率為300 MHz～300 GHz的電磁波，由微波發(fā)生器產(chǎn)生。微波發(fā)生器包括將直流電能轉(zhuǎn)變成微波能的微波管和將交流電能變成直流電能的微波管電源2個(gè)部分，磁控管因具有輸出功率高、效率高、頻率穩(wěn)定的特點(diǎn)而常在微波加熱中被用作微波管[6]。根據(jù)磁控管的工作原理[7]，微波輸出功率近似滿足下式：

P出=η×Ua×Ia。

式中：Ia是磁控管內(nèi)由陰極到達(dá)陽極的電子流形成的陽極電流；Ua是加在磁控管陽極和陰極之間的高電壓；Ua×Ia是磁控管的輸入功率；η是轉(zhuǎn)換效率系數(shù)。

由上式可知，磁控管微波能實(shí)際轉(zhuǎn)換量P出與陽極電流Ia、磁控管陽極上的加載電壓Ua以及轉(zhuǎn)換系數(shù)η均成正比例關(guān)系。其中，η因設(shè)備而異為常數(shù)，Ua可通過對(duì)高壓器的輸入電壓采取穩(wěn)壓措施而基本維持不變（目前，多數(shù)商用磁控管都能實(shí)現(xiàn)該功能，本系統(tǒng)中所用磁控管也具有此功能），因此，改變磁控管的微波功率P出就是對(duì)陽極電流的調(diào)節(jié)，且該調(diào)節(jié)過程是線性的，在磁控管額定功率的范圍內(nèi)可進(jìn)行任意功率點(diǎn)的設(shè)定與調(diào)節(jié)。陽極電流的調(diào)節(jié)可通過調(diào)節(jié)磁控管勵(lì)磁線圈中磁場(chǎng)電流的大小來實(shí)現(xiàn)，由于磁控管勵(lì)磁線圈中的電流是經(jīng)過全波整流后的脈動(dòng)直流電[6]，故采用具備調(diào)節(jié)可控硅器件導(dǎo)通角功能的移相式可控制硅調(diào)壓器就能實(shí)現(xiàn)陽極電流的調(diào)節(jié)，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)微波加熱功率的目的。

當(dāng)然，也可以通過改變占空比來調(diào)節(jié)微波加熱功率，但在此控制方式下的微波加熱功率是呈脈沖跳動(dòng)的，不能保證在微波工作全過程中的每個(gè)瞬時(shí)功率密度均能控制在所需的范圍內(nèi)。

基于上述分析，在設(shè)計(jì)本微波系統(tǒng)時(shí)，選用6只移相可控硅單相交流固態(tài)調(diào)壓器來分別改變各個(gè)磁控管陽極上的加載電壓，進(jìn)而改變陽極電流來達(dá)到調(diào)節(jié)微波加熱功率的目的，并分別測(cè)定各個(gè)磁控管陽極電流大小來監(jiān)測(cè)每只磁控管微波能饋入功率。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1為農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所自主研發(fā)的多功能微波-熱油聯(lián)合真空冷凍干燥設(shè)備，該設(shè)備可單獨(dú)進(jìn)行微波真空冷凍干燥、熱油真空冷凍干燥以及微波-熱油分段聯(lián)合干燥試驗(yàn)。在該設(shè)備的筒形微波凍干倉(cāng)的筒壁外側(cè)分別布置有6只微波發(fā)生器、光纖測(cè)溫傳感器等器件，6只微波發(fā)生器呈上下左右不對(duì)稱交錯(cuò)布置，單只功率為900 W，對(duì)每只磁控管進(jìn)行單獨(dú)控制。光纖測(cè)溫器件有6根探頭，能夠同時(shí)測(cè)量6處物料溫度，且?guī)в蠷S485通信接口，從站地址允許修改。

選用6只單相交流可控硅移相調(diào)壓器來分別控制6只磁控管陽極電壓。該調(diào)壓器內(nèi)部集移相觸發(fā)電路、單向或雙向可控硅、RC阻容吸收回路及電源電路等于一體，各輸入控制端與強(qiáng)電主回路之間為全隔離設(shè)計(jì)，抗電磁干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，接線方便，操作簡(jiǎn)單，只需自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)，負(fù)載上的電壓跟著改變，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出功率。在本控制系統(tǒng)中，輸入信號(hào)為0～10 V，線性可調(diào)。依據(jù)輸入信號(hào)為0～10 V的模擬信號(hào)，且增強(qiáng)軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選用西門子公司S7-200系列的CPU226作為PLC的基礎(chǔ)模塊，3個(gè)帶2路模擬信號(hào)輸出的EM232模擬量輸出模塊作為調(diào)壓器的控制入口，每個(gè)EM232模塊的2個(gè)電壓輸出接口分別連接2個(gè)調(diào)壓器的電壓輸入接口。光纖溫度傳感器通過RS485接口與PLC的通信端口相連實(shí)現(xiàn)通信。由圖2可知，功率調(diào)控控制電路中，PLC采集光纖溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)后，處理并發(fā)出電壓調(diào)節(jié)指令，經(jīng)EM232傳入調(diào)壓器，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出功率，實(shí)現(xiàn)基于溫度反饋的微波功率控制功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

以分段控制物料溫度為目標(biāo)，設(shè)計(jì)微波功率調(diào)控系統(tǒng)，具體設(shè)計(jì)思想：控制微波功率發(fā)生器啟閉使物料溫度每次提升（5±1） ℃后保溫約1 h，直至物料溫度高于物料凍干所允許的最高溫度，完成物料凍干。由圖3可知，程序啟動(dòng)后，首先將預(yù)設(shè)溫度T0置為0，將計(jì)時(shí)器T計(jì)置為1；接著進(jìn)行模式選擇，選擇手動(dòng)控制，則每個(gè)環(huán)節(jié)都由人工依據(jù)觀察的情況手工操作溫度調(diào)控系統(tǒng)，操作靈活，調(diào)控精度高，但工作強(qiáng)度大；選擇自動(dòng)控制后，控制程序?qū)⒆詣?dòng)實(shí)現(xiàn)溫度的分段控制，每段為（5±1） ℃，每段工作1 h，直至物料溫度高于物料凍干所允許的最高溫度Tmax，程序結(jié)束。endprint

在程序開發(fā)過程中，為增強(qiáng)軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性、交互性以及提升開發(fā)效率，以西門子s7-200 PLC作為下位機(jī)、裝有LabVIEW 2012的PC作為上位機(jī)開發(fā)軟件系統(tǒng)。PLC是測(cè)控系統(tǒng)的核心，其程序涉及PLC與傳感器之間的通信和PC中的LabVIEW開發(fā)平臺(tái)與PLC之間的通信2個(gè)方面，在上位機(jī)與PLC之間的通信中，采用PPI協(xié)議進(jìn)行通信，PLC可以不用編程，而且上位機(jī)可以讀寫PLC的所有數(shù)據(jù)區(qū)，快捷方便[6]；在PLC與傳感器之間的通信中，首選Modbus RTU主從站協(xié)議（PLC作為主站，傳感器作為從站），這樣可以在Micro/Win Step 7中使用Modbus協(xié)議庫編寫讀取傳感器數(shù)據(jù)的程序，編程簡(jiǎn)單高效，而不像使用完全由用戶自定義的協(xié)議進(jìn)行通信那樣，需要編寫循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）校驗(yàn)程序、發(fā)送完成中斷程序、接收完成中斷程序以及初始化某些PLC中的特殊寄存器（SMB30、SMB87、SMB88等）程序；當(dāng)然，這會(huì)對(duì)傳感器的選取提出新要求，選取的傳感器必需具有RS485輸出接口，支持Modbus RTU協(xié)議，若系統(tǒng)中涉及多路傳感器時(shí)，還需滿足從站地址可以修改[7]。

在本系統(tǒng)中，由于采用PPI協(xié)議[8]作為PLC與上位機(jī)的通信協(xié)議，故PLC程序只需采用Modbus RTU主從站協(xié)議編寫實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖傳感器件6通道數(shù)據(jù)輪流獲取并存儲(chǔ)功能的代碼，程序燒至PLC后，只要給PLC通電，PLC獲取傳感器數(shù)據(jù)程序就一直在進(jìn)行著。上位機(jī)LabVIEW程序[9]實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、儲(chǔ)存、界面顯示以及設(shè)備控制功能。采用多線程來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)功能，其中數(shù)據(jù)采集、處理、儲(chǔ)存及界面顯示功能占用一個(gè)線程，設(shè)備控制功能占用另一個(gè)線程。為避免通信紊亂，設(shè)備控制線程占用較先級(jí)，當(dāng)其因事件觸發(fā)而啟動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)采集線程暫停工作直至設(shè)備控制線程執(zhí)行完成后再啟動(dòng)。圖4為數(shù)據(jù)采集線程算法流程，圖中標(biāo)志符的設(shè)置巧妙地解決了兩線程通信紊亂問題，如圖5所示。

當(dāng)設(shè)備控制線程因事件觸發(fā)而啟動(dòng)時(shí)，將標(biāo)志符置1再定時(shí)2 s的用意在于，若數(shù)據(jù)采集線程此時(shí)未執(zhí)行數(shù)據(jù)獲取指令，則無法執(zhí)行獲取數(shù)據(jù)子VI；若數(shù)據(jù)采集線程此時(shí)正在執(zhí)行數(shù)據(jù)獲取指令，則留足夠時(shí)間讓其運(yùn)行完成。再調(diào)用開關(guān)量輸出子VI或調(diào)壓器電壓調(diào)整子VI執(zhí)行設(shè)備控制任務(wù)就不會(huì)出現(xiàn)通信紊亂問題，最后再將標(biāo)志符置0，讓數(shù)據(jù)采集線程重新能夠調(diào)用獲取數(shù)據(jù)子VI完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。在LabVIEW中，采用VISA串口通信函數(shù)實(shí)現(xiàn)PC與PLC間的通信， 將功能代碼塊設(shè)計(jì)成子VI， 本系統(tǒng)中包括獲取設(shè)備預(yù)警信號(hào)子VI、獲取光纖傳感器溫度數(shù)據(jù)子VI、開關(guān)量輸出子VI和調(diào)壓器電壓調(diào)整子VI。依據(jù)PPI協(xié)議規(guī)范，各功能子VI的算法流程有所不同，如獲取光纖傳感器溫度數(shù)據(jù)子VI的算法流程：發(fā)送完1條正確的讀取命令幀后，若PC與PLC通信正常，則PLC返回E5；再發(fā)送確認(rèn)指令“10 02 00 5C 5E 16”，若PC與PLC通信正常，則返回1條包含所需數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀。

4 試驗(yàn)結(jié)果

以茭白為試驗(yàn)物料對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，將備好的茭白放入微波倉(cāng)體內(nèi)后啟動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，運(yùn)行數(shù)據(jù)采集功能，檢測(cè)到倉(cāng)門關(guān)閉信號(hào)后運(yùn)行設(shè)備控制功能，點(diǎn)擊壓縮機(jī)啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)壓縮機(jī)制冷至約-35 ℃，點(diǎn)擊真空泵啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)真空泵抽真空至真空度約為40 Pa開啟微波加熱系統(tǒng)。系統(tǒng)顯示，壓縮機(jī)、真空泵、微波加熱器件和數(shù)據(jù)采集均正常工作，說明數(shù)據(jù)采集線程和設(shè)備控制線程協(xié)作良好，通信無故障。剛開啟微波加熱系統(tǒng)時(shí)，軟件界面顯示給調(diào)壓器的輸入電壓為 10.00 V，此時(shí)用萬用表測(cè)量調(diào)壓器輸出負(fù)載電壓為 232.00 V，陽極電流為414.5 mA，說明磁控管基本滿負(fù)荷工作。過了10 min左右后，出現(xiàn)放電現(xiàn)象。為了消除放電現(xiàn)象，手動(dòng)修改調(diào)壓器的輸入電壓至6.61 V，放電現(xiàn)象消失，此時(shí)用萬用表測(cè)量調(diào)壓器的輸出負(fù)載電壓為202.00 V，陽極電流為345.3 mA。放電現(xiàn)象的出現(xiàn)與消失說明凍干初期不適宜采用滿功率微波加熱，且調(diào)壓器反應(yīng)靈敏、工作良好。將茭白的含水率降至約4.5%時(shí)，共花了5 h 40 min，較常規(guī)熱油冷凍干燥縮短了近3 h的凍干時(shí)間。

5 結(jié)論

實(shí)現(xiàn)微波功率的自動(dòng)化控制對(duì)促進(jìn)微波真空冷凍干燥設(shè)備的工業(yè)化應(yīng)用具有極其重要的意義。本研究所提出的單相交流移相可控硅調(diào)壓器調(diào)壓精度高、可靠性好且能與PLC進(jìn)行RS485通信，方便了微波功率自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)。采用PLC作為下位機(jī)、LabVIEW作為上位機(jī)開發(fā)的基于溫度的微波功率控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，且便于交互操作，改善了茭白凍干品質(zhì)，大大縮短了凍干時(shí)間。本研究基于溫度的微波功率控制系統(tǒng)還需進(jìn)一步完善，如何兼顧低壓放電對(duì)微波功率調(diào)控的影響是接下來研究的重點(diǎn)。

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