曾令輝，曾建成

（1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081；2.寧夏大學(xué) 物電學(xué)院，銀川 750021）

0 研究背景

羊胎素是從羊胎盤的活化細(xì)胞中提取出來的一種具有極高生物活性的營養(yǎng)物質(zhì)。它通過提高人體組織細(xì)胞的分裂速度，活化人體細(xì)胞，加速老化細(xì)胞的分解排除，有效地改善人體內(nèi)分泌，促使人體機(jī)能恢復(fù)到最佳狀態(tài)。羊胎素的神奇功效已被越來越多的人所證實。

寧夏是國內(nèi)羊胎素的主產(chǎn)地，目前，其生產(chǎn)規(guī)模多為實驗室小樣機(jī)的小規(guī)模生產(chǎn)，即使有少量企業(yè)級規(guī)模的生產(chǎn)設(shè)備，其控制方式也是傳統(tǒng)的人工控制，生產(chǎn)成本高，產(chǎn)量也有限。本項目將仿人智能控制系統(tǒng)引入真空冷凍干燥倉的控制，期望通過大量企業(yè)級試驗，采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，給出酶解羊胎盤粉制備羊胎素粉劑量產(chǎn)工藝的控制曲線，為羊胎素產(chǎn)業(yè)升級提供幫助。

一般凍干工藝的主要過程包括前期處理、速凍、升華干燥、解析干燥、封裝、輻射滅菌等操作。凍干工藝應(yīng)在確保被凍干產(chǎn)品的質(zhì)量的基礎(chǔ)上，縮短凍干時間，減少凍干機(jī)的耗能量，實現(xiàn)自動化智能控制，解放勞動力。本項目嘗試采用溫度趨近法和壓力法并用的方法，力求精確判斷干燥結(jié)束時間，為企業(yè)提高大型干燥機(jī)的工作效率、降低能耗提供幫助。

1 凍干工藝流程

1.1 真空冷凍干燥技術(shù)

圖1 水的三相圖

水有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種態(tài)相。如圖1所示，當(dāng)壓力降到一定的真空度，在低于O點的固、氣兩相平衡線上時，若給以足夠的熱量（升華潛熱），冰就可以不經(jīng)液態(tài)而直接汽化為氣態(tài)，這一過程稱為升華。由此可知：如果將被干燥物品（簡稱物料）中的水分先凍結(jié)成冰，然后將其置于三相點以下的低溫、低壓條件下，并給以必要的升華熱，物料中的水分將由冰直接轉(zhuǎn)化為水汽，在蒸汽壓的推力下排出，從而達(dá)到脫水的目的。這種脫水技術(shù)稱為真空冷凍干燥技術(shù)，簡稱凍干技術(shù)。

1.2 真空凍干技術(shù)工藝流程

真空冷凍干燥機(jī)外形如圖2所示，其真空系統(tǒng)由多級蒸汽噴射真空泵串聯(lián)組成。真空冷凍干燥機(jī)實物如圖3所示。

圖2 真空冷凍干燥機(jī)外形圖

圖3 真空冷凍干燥機(jī)實物圖

圖4 凍干工藝流程圖

如圖4所示，凍干工藝流程主要包括：前處理、預(yù)凍、升華干燥、解析干燥和后處理等過程。

1）前處理階段：將酶解后的羊胎素漿濾去殘留物后分裝，準(zhǔn)備實施凍干。

2）預(yù)凍階段：生產(chǎn)中，對羊胎素生物活性的要求很高，因此，在該階段，需要低溫速凍，快速形成冰晶，為水汽升華提供暢通的路徑。預(yù)凍溫度控制在-20℃左右。

3）升華干燥階段：升華階段是剔除水分的主要階段，此階段可抽取物料95%以上的水分。在干燥倉與水分離器的壓力差持續(xù)接近、箱內(nèi)壓力上升速率與滲漏速率接近的時候，就可以結(jié)束升華干燥。

4）解析干燥階段：解析干燥的時間大約是升華干燥時間的1/3～1/2。升華干燥結(jié)束后，物料中仍含4%左右結(jié)合水，此時必須將物料的溫度由-20℃上升到45℃，使結(jié)合水以水蒸氣的方式排出。當(dāng)物料的溫度與板層溫度接近時，解析干燥過程即可結(jié)束。

5）后處理階段：凍干后的物料需要在干燥無菌環(huán)境中打粉、封裝，之后再進(jìn)行鈷60輻照滅菌、入庫，成品樣送檢。

2 控制算法

2.1 模糊控制器的規(guī)則設(shè)計

在本設(shè)計中，我們將輸入變量的實測值與給定值的誤差E分成如下八檔：負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟S）、負(fù)零（NZ）、正零（PZ）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB），將誤差的變化EC以及輸出變量U分成如下七檔：負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟S）、零（Z）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）。通過設(shè)定誤差量化因子KE，誤差變化量化因子KC，把誤差和誤差變化從基本論域轉(zhuǎn)化到模糊子集論域中。

根據(jù)隸屬關(guān)系，推算干燥倉溫控器模糊控制規(guī)則表。

創(chuàng)建控制規(guī)則表遵循的基本思想是：“若溫度高于給定值，則降低熱液泵的速度，溫差越大，速度降低得越快，但不是線性的”；“若溫度低于給定值，則提高熱液泵的速度，溫差越大，速度提高得越快，但不是線性的”，總結(jié)為：當(dāng)溫度實測值與預(yù)定值誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主，而當(dāng)誤差小或較小時，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點。

2.2 模糊查詢表的建立

根據(jù)系統(tǒng)的控制規(guī)則所決定的模糊關(guān)系R，應(yīng)用推理合成規(guī)則，計算出在Ei和ECj情況時反映控制量變化的模糊集合Uij，即。

對論域E，EC中全部元素的所有組合，計算出相應(yīng)的控制量的精確值。寫成矩陣形式就構(gòu)成了模糊查詢表（決策庫）。表1為模糊控制查詢表。

3 智能控制器硬件設(shè)計

如圖5所示為智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，整個系統(tǒng)分為四大塊，分別是制冷系統(tǒng)、制熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的核心采用Rabbit 3000微處理器，控制器與上位機(jī)通信通過WIFI實現(xiàn)，由于工藝流程對工作環(huán)境的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求很高，所以要盡可能避免操作人員頻繁出入干燥機(jī)工作環(huán)境，為此，控制器設(shè)計了SIM900A模塊，以便通過手機(jī)短信遠(yuǎn)程設(shè)置控制參數(shù)。

3.1 MCU——RABBIT3000

Rabbit 3000處理器是Z-World公司推出的一款低成本嵌入式控制系統(tǒng)的核心器件。該處理器工作電壓范圍是1.8～3.6V；其時鐘速度可達(dá)54MHz；有7個并行口，每個8位，總共有56個I/O；有6個串行口，這6個串口都可以在多種操作模式下實現(xiàn)異步工作；有一個內(nèi)置的看門狗定時器。

3.2 傳感器

干燥倉溫度傳感器使用經(jīng)濟(jì)耐用的熱電偶，在倉內(nèi)分上、中、下三層，每層左、中、右三個，共計設(shè)計九個熱電偶，分別對擱板、物料進(jìn)行分布式測溫。通過試驗，確定傳感器的數(shù)量及最佳安裝位置。

圖5 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

濕度傳感器使用HS1101，HS1101工作溫度為-40℃～100℃，測控濕度范圍為0～100%RH，供電電壓為DC10V。其輸出電壓與濕度對應(yīng)參數(shù)如表2所示。

真空度檢測采用氣壓傳感器HM30，該傳感器具有獨特的傳感器應(yīng)力隔離技術(shù)，檢測信號經(jīng)溫度補償及高穩(wěn)定性放大處理后被轉(zhuǎn)換成4～20mA DC或1～5V DC標(biāo)準(zhǔn)信號。該傳感器的測量范圍為0～700kPa，使用24V直流電源。由于干燥倉內(nèi)環(huán)境潮濕，在安裝時，需使用配套的干燥過濾器。

表1 模糊控制查詢表

表2 HS1101輸出電壓與濕度對應(yīng)參數(shù)參照表

表3 控制器控制下干燥倉實測數(shù)據(jù)(溫度單位：℃，真空度單位：Pa)

3.3 參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置模塊——SIM900A

本項目設(shè)計使用SIM900A模塊實施手機(jī)短信遠(yuǎn)程設(shè)置控制端參數(shù)（如溫度上、下限等），相當(dāng)于鍵盤。

ATK-SIM900A模塊是ALIENTEK開發(fā)的一款高性能工業(yè)級GSM/GPRS模塊，接口豐富，功能完善，尤其適用于需要語音/短信/GPRS數(shù)據(jù)服務(wù)的各種領(lǐng)域。

3.4 WIFI——ATK-RM04

本項目設(shè)計使用ATK-RM04模塊實施下位機(jī)與上位機(jī)間的實時通信。

ATK-RM04是ALIENTEK推出的一款高性能串口-以太網(wǎng)-無線網(wǎng)模塊。該模塊采用串口（RS232/LVTTL）與MCU通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧。能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)3個接口之間的轉(zhuǎn)換。

4 實驗結(jié)果

通過多次實驗，反復(fù)調(diào)整量化因子，當(dāng)Ke=1/4，Kec=2/3時，保持比例因子ku=1/3不變，采集到一組相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，如表3所示。由此得到控制曲線，該控制曲線與人工控制曲線非常相似，如圖6、圖7所示。由此曲線確定的運行周期可以縮短2小時。

圖6 控制器控制下干燥倉的溫度曲線

圖7 控制器控制下干燥倉的真空度曲線

5 結(jié)束語

1）優(yōu)化真空凍干機(jī)控制系統(tǒng)，通過反復(fù)試驗，繪制量產(chǎn)羊胎素的工藝曲線。

對于參數(shù)相對比較穩(wěn)定的物料（如漿料） ，有針對性地就某系列的凍干機(jī)給出優(yōu)化后的凍干工藝曲線，可以對企業(yè)的生產(chǎn)產(chǎn)生指導(dǎo)意義。

2）實時監(jiān)控溫度和真空度，采用溫度趨近法和壓力法并用的方法，判斷干燥結(jié)束時間，及時終止干燥過程，節(jié)約能源，提高效率。

3）構(gòu)建仿人智能控制系統(tǒng)，解放勞動力，提高成品率。

人工控制冷凍干燥機(jī)，為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，往往人為地在整個干燥的時間上留有較大的經(jīng)驗系數(shù)，這就增加了無謂的凍干時間，整個生產(chǎn)工藝長達(dá)25個小時之久，生產(chǎn)成本很高。模糊控制系統(tǒng)中使用了語言型規(guī)則和模糊概念，規(guī)則表的產(chǎn)生，仿效了熟練工程師的操作經(jīng)驗，克服了干燥倉人工控制的不足之處，能提高干燥倉的生產(chǎn)效率，使干燥倉溫度、濕度的控制更精確。該控制器將使干燥倉節(jié)能、高效、成品率高。

4）為大型干燥倉設(shè)計制冷系統(tǒng)。

酶解漿對環(huán)境衛(wèi)生指標(biāo)的要求很高。在倉外速凍、運輸?shù)倪^程中，容易造成物料被污染。本項目為大型干燥倉設(shè)計了壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)。由于干燥倉內(nèi)是密閉、保溫的環(huán)境，所以倉內(nèi)實施壓縮機(jī)制冷方式效果會很好。