冻干机控制系统设计.docx
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冻干机控制系统设计
冷冻干燥机的控制系统设计
DesignonPLCStorageBunkerLiftingSystem
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
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指导教师签名：
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使用授权说明
本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
第2章控制系统总体方案选择8
2.1冷冻干燥机的简介和冷冻干燥的基本原理8
2.2冷冻干燥机工艺流程9
2.3以PLC为核心的冷冻干燥机控制系统12
2.3.1系统的构成12
2.3.2冷冻干燥机的控制系统14
2.4冷冻干燥机的系统保障14
2.5控制系统设计的总体方案选择16
2.5.1系统设计方案的比较16
2.5.2最佳方案的选择17
冷冻干燥机的控制系统设计
摘要：
本论文采用三菱的小型PLC对整个冷冻干燥机运行系统进行控制，可实现较高的自动化程度，并完成智能控制、状态显示和故障报警等任务。
本控制系统具有干燥机冻干曲线设定、除霜、在线清洗、真空控制、干燥状态检测、故障报警的功能，控制系统能进行全自动的冻干控制，包括预冻、加热、抽真空、压塞、放气、除霜等。
采用冻干曲线和设备运行全自动方法时，可由微机编程，软件可记录各运行设备运行的时间和历史记录，随机和定时打印数据、报表、曲线等。
多点记录仪可显示制品、导热液、真空冷凝器的温度和干燥腔室、真空泵的真空度，同时还对冷凝器的温度进行报警，必要时能够进行人工干预。
关键词：
PLC冷冻干燥机自动控制
DesignonPLCStorageBunkerLiftingSystem
Abstract：
ThethesisadoptsthesmallsizePLCofMitsubishitocontroltheoperationsystemofthefreezedryer.Itcanachieveahigherdegreeofautomationandperformthetasksofintelligentcontrol,statusdisplayandfailurewarning.Thiscontrolsystemofthedryerhasthefunctionsoffreeze-dryingcurvesetting,deforestation,on-linecleaning,vacuumcontrol,Drystatedetectionandfailurewarning.Itcanmaketheautomaticcontrolledlyophilization,includingprecook,heatingup,vacuumize,tamponade,deflationanddefrostation.Inthefreeze-dryingcurveandEquipmentrunningfullyautomaticmethods,itcanmakecomputerprogramming;thesoftwarecanrecordthetimeandhistoryofeachoperationaloutfit,printdata,reportformsandcurverandomlyoratregulartime.Themultipointrecordercandisplaythetemperatureofproduction,thermalfluidandthevacuumcondenser,andthevacuumdegreeofdryingchamberandthevacuumpump.Itcanalsowarntowardsthetemperatureofthecondenserandgivehumaninterventionwhennecessary
Keyword：
PLC;frozendyers;automaticcontrol
引言
目前冷冻干燥机控制电路的使用寿命大部分与其电路设计、元器件选型、工作环境及控制方式等因素有关，PLC作为工业控制单元，应用于各种控制环境，内部电路、机械结构设计极为精良，其使用寿命一般可保证在十年以上，性能稳定可靠，抗干扰性好；PLC应用于各种工业控制现场，其电压适用范围很宽，具有极强的抗电磁干扰,抗震动、抗高温、高湿等特性，性能极为稳定、可靠。
功能强大，实现灵活，可扩展性好；PLC控制型冷冻干燥机作为其老型号的升级产品，其功能得到极大增强。
目前可实现的功能有：
自动除霜、自动在线清洗、自动灭菌、各种情况的自动报警、设备保护及故障识别等[1]。
PLC作为一门控制技术在我国已有近二十年的应用，并已从工业控制逐渐向其他行业扩展，相信随着其本身性能的不断提高，其应用领域将不断拓宽，了解及掌握这一控制技术，将使我国的自动化控制技术得到更广泛的应用与发展。
冻干机还存在着许多不足，无论是国产还是引进设备其共同的缺点是价格贵，耗能高回收投资慢。
国产冻干机搁板温度不均匀，造成冻干产品含水率不均匀；干燥速率低，干燥箱内各点干燥快慢不一致；无法判断干燥何时结束，这是重要缺欠，因为它可能造成产品含水率高而不合格，也可能造成干燥时间过长而浪费能源。
针对这些问题，今后的发展方向应是：
食品冻干工艺除扩大物料品种外，应该着重优化工艺参数剃定出最佳工艺曲线，完善冻干产品质量检查的标准，降低冻干产品的价格；西药和生物制品的冻干工艺应该走向标准化，以提高冻干产品质量为重点，使冻干过程中所用的保护剂或添加剂更规范；开展生物体冻干工艺的研究，争取快出成果，用于提高人类的健康水平。
第1章绪论
1.1课题研究的背景和意义
冷冻干燥机起源于19世纪20年代的真空冷冻干燥技术经历了几十年的起伏和徘徊后，在最后的20年中取得了长足进展。
进入21世纪，真空冻干技术凭借其它干燥方法无法比拟的优点，越来越受到人们的青睐，除了在医药、生物制品、食品、血液制品、活性物质领域得到广泛应用外，其应用规模和领域还在不断扩大中。
为此，真空冷冻干燥必将成为21世纪的重要应用技术。
干燥的方法多种多样，如晒干、煮干、烘干、喷雾干燥和真空干燥等,但普通干燥方法通常都在0℃以上或更高的温度下进行。
干燥所得的产品一般都存在体积小、质地变硬的问题，易挥发的成分大部分会损失掉，一些热敏性的物质发生变性、失活，有些物质甚至发生了氧化。
因此，干燥后的产品与干燥前相比，在性状上有很大的差别。
冻干法则基本上在0℃以下进行，即在产品冻结的状态下进行，只在后期降低产品的残余水份含量时，才让产品升至0℃以上的温度，但一般不超过40℃。
在真空条件下，当水蒸汽直接升华出来后，药物剩留在冻结时的冰架中，形成类似海绵状疏松多孔架构，因此它干燥后体积大小几乎不变。
再次使用前，只要加入注射用水，又会立即溶解。
相对常规方法，冻干机具有如下优点：
许多热敏性的物质不会发生变性或失活；在低温下干燥时，物质中的一些挥发性成分损失很小；在冻干过程中，微生物的生长和酶的作用无法进行，因此能保持原来的性状；由于在冻结的状态下进行干燥，因此体积几乎不变，保持了原来的结构，不会发生浓缩现象；由于物料中水分在预冻以后以冰晶的形态存在，原来溶于水中的无机盐类溶解物质被均匀地分配在物料之中，升华时，溶于水中的溶解物质就析出，避免了一般干燥方法中因物料内部水分向表面迁移所携带的无机盐在表面析出而造成表面硬化的现象；干燥后的物质疏松多孔，呈海绵状，加水后溶解迅速而完全，几乎立即恢复原来的性状；由于干燥在真空下进行，氧气极少，因此一些易氧化的物质得到了保护；干燥能排除95%～99%以上的水分，使干燥后产品能长期保存而不致变质；因物料处于冻结状态，温度很低，所以供热的热源温度要求不高，采用常温或温度不高的加热器即可满足要求；如果冷冻室和干燥室分开时，干燥室不需绝热，不会有很多的热损失，故热能的利用很经济。
1.2冷冻干燥技术的现状及发展趋势
1.2.1国内外干燥设备的现状与发展趋势
干燥技术是一种古老而通用的单元操作技术，然而它又是很复杂的、人类对其了解还很浅的技术。
目前大多数干燥设备设计仍然依赖于小规模试验和实际操作经验。
换句话说干燥器设计尚属非标设计。
自70年代以来，随着科学技术的迅猛发展以及各技术领域的交叉、渗透，干燥设备、干燥过程和干燥理论的研究有较大进展。
尤其是近10多年来，有许多新型干燥器投放市场，但其主要是在原有结构的基础上作了某些改进。
随着全球经济、技术竞争的日趋剧烈，人们对有效利用能源、提高产品质量和加强环境保护等的意识逐步增强。
干燥设备随着干燥技术的变革而革新。
革新的内容包括：
（1）设计制造新的干燥设备或与干燥过程相配套的设备；
（2）提高干燥产品的质量，在干燥产品质量控制方面比现有设备要好；
（3）避免或减少对环境的污染；
（4）操作更安全、可靠；
（5）总体上降低能耗，降低设备制造成本。
近期内干燥技术要有突破性进展还相当困难一般是趋于技术革新。
目前，在世界范围内干燥设备的主要研究方向是有效利用能源、提高产品质量与产量、减少环境污染、安全操作、易于控制和一机多用等[2]。
具体研究课题为：
（1）接式干燥器中使用过热蒸汽作为干燥介质；
（2）使用间接加热方武；
（3）组合式传热方式（对流、传导与介电或热辐射的组合）；
（4）容积式加热（微波或高频场）；
（5）使用不同类型干燥器；
（6）间断传热方式；
（7）为有效的供热方法（如脉冲燃烧、感应加热等）；
（8）新型气固接触技术（如二维喷动床、旋转喷动床等）；
（9）计算机辅助设计；设计灵活的、多用途的干燥器；
（10）糊逻辑、神经网、专家系统等实现干燥过程的控制；
1.2.2冻干工艺的现状及发展趋势
冻干机还存在着许多不足，无论是国产还是引进设备其共同的缺点是价格贵，耗能高回收投资慢。
因此低成本少能耗是食品冻干机今后的主攻方向。
除此之外国产冻干机还存在一些不足之处：
（1）搁板温度不均匀，造成冻干产品含水率不均匀，产品合格率受影响。
造成温度不均匀的原因各不相同。
有的是搁板结构和材料质量不好；有的是加热流体分流或流程有缺欠；有的是捕水器在干燥箱内绝热不好。
（2）干燥速率低，干燥箱内各点干燥快慢不一致，反映在产品上仍然是合格率受影响。
其原因除搁板温度不均匀外，还与真空系统配置得不合理有关。
主要体现在捕水器配置得不合理；水蒸汽喷射泵性能不稳定；抽气口位置不合理等。
（3）无法判断干燥何时结束，这是重要缺欠，因为它可能造成产品含水率高而不合格，也可能造成干燥时间过长而浪费能源。
（4）捕水器效率低。
主要体现在捕水器面积大而捕水量小，有部分无效面积，其根本原因是捕水器设计不合理。
（5）真空度不稳定。
除操作原因外，可能是真空空系统设计不合理。
对于水蒸汽喷射泵而言。
可能出现的问题是蒸汽锅炉压力不稳定。
今后冻干工艺的发展方向应该是：
（1）食品冻干工艺除扩大物料品种外，应该着重优化工艺参数剃定出最佳工艺曲线，完善冻干产品质量检查的标准，降低冻干产品的价格。
（2）西药和生物制品的冻干工艺应该走向标准化，以提高冻干产品质量为重点，使冻干过程中所用的保护剂或添加剂更规范。
加强经验交流，走共同进步之路。
（3）开展生物体冻干工艺的研究，争取快出成果，用于提高人类的健康水平。
1.2.3冻干理论的研究现状及发展趋势
冷冻干燥技术的理论研究可概括为低压低温传热传质的理论研究叫瑞态流场的理论研究和热物性参数与其测量方法研究三大部分。
其中低压低温传热传质的理论研究进行得比较早，效果比较明显,目前公认的冻干模型可归纳成三种：
一种是1976年Sandall等提出的冰界面均匀后移的稳态模型（URIF）；另一种是1968年Drye等提出的准稳态模型；第三种是1979年Litchield等提出的吸阴升华模型。
这几种模型都可以描述冻干过程，但又都存在着不足以述传热过程比较准确述传质过程误差较大。
主要问题是在传质过程中要发生固－汽相变，水蒸气在多孔的通道中传递，通道长度要随时间不同而变化，是非稳态过程。
多孔通道的结构尺寸还与预冻速度、被冻干物料的物质结构等有关。
从近几年的研究报道中还没有见到有新的突破。
冻干过程传热传质的理论研究重点是研究发生在被冻干物料内部的过程瑞态流场的理论研究，重点是研究物料之外、冻干机之内的低压低温空间环境。
描述该空间环境的参数有温度、压力、湿度等，这些参数形成的温度场、压力场、湿度分布等都是随时间变化的非稳态流场，这些非稳态流场的模拟方法至今还是个难题。
冻干机捕水器中的非稳态流场中又增加了一个汽－固相变的问题研究更加复杂化。
因此，近几年虽然有人研究并发表论文，但都没有形成有效的理论，仍然是值得深入研究的课题之一。
1.3本设计研究的主要内容
本课题是在三菱公司的FX系列可编程序控制器的基础上设计的干燥控制系统，该控制系统应具有冻干曲线设定、除霜、在线清洗、真空控制等功能。
冻干流程显示可用荧光屏或模拟板两种方式，另外在编程器上可显示温度、压力、时间、周期、状态等。
本文详细介绍了冷冻干燥机的结构组成、冷冻干燥的基本原理。
根据系统要求，选择合适的PLC、传感器等元件，设计出能满足控制要求的控制电路、梯形图、流程图以及控制程序。
第2章控制系统总体方案选择
2.1冷冻干燥机的简介和冷冻干燥的基本原理
冷冻干燥是将含水物质冷冻结成固态，而后使其中的水分从固态升华成气态，以除去水分而保存物质的方法。
这种干燥方法与通常的晒干、真空干燥等方法相比有许多突出优点，是一种优质的干燥方法。
冷冻干燥能保存许多物品（如食品），虽然很早就为人们所知，但是由于当时科技水平较低，直到1935年第一台商用冻干机问世以后防腐方法才开始在物品干燥过程中应用。
随着冻干基础理论的发展、冻干工艺和设备的不断改进和完善，物品冷冻向自动化、大型化、工业化方向发展；现在，一些经济发达的国家己经实现了物品冷冻干燥加工过程的计算机控制。
在我国，物品冻干事业起步较晚，与国外相比存在较大的差距，特别是在冻干设备和冻干过程的自动化水平这两个方面尤为明显。
冻干过程的原理是以水的三相平衡图为基础的,如图2.l所示。
纯水的三相平衡压力pO=610.5pa，温度To=0.0098oC。
当压力低于pO时，水就从固态直接转化为气态，冻干的基本原理就是AB线上的汽固转化过程。
真空冷冻干燥过程一般分为预冻结、升华干燥、解析干燥3个阶段。
冷冻干燥在冷冻干燥设备（简称冻干机）中实现。
冻干机的结构形式多种多样，但一般包含冻干仓、制冷系统、真空系统、加热系统、水汽凝结器、自动加塞系统、自动清洗系统、控制系统等几个部分。
冷冻干燥过程分为预处理、预冻、升华、干燥4个过程，冻干操作前药液要经过滤过处理，最后把处理好的药液灌装在小安瓶内进行冷冻干燥。
（1）预处理
预处理其目的是保证优质原料以及利于冻干与贮藏。
对于固态食品，应进行清洗、筛分、漂烫、切分清洗与筛分是保证冻干原料为合格品；漂烫是钝化酶活性的最有效方法,同时漂烫也能除去部分水，以减少干燥负荷；切分利于包装、食用，同时切分尺寸及切口方位也会影响冻干速率。
对于液态食品应进行灭菌与浓缩，浓缩利用真空或冻结方法进行。
浓缩程度合理与否，将直接影响冻干速率及生产效率。
图2.1纯水的三相平衡图
（2）预冻
预冻是恒压降温过程，药液随温度的下降冻结成固体，温度应降低至产品共熔点以下10oC～20oC，共熔点是指水溶液随温度下降，冰和溶质同时析出固体结晶时的混合物的温度。
（3）升华
升华干燥首先是恒温减压过程，然后是在抽真空条件下，恒压升温使固态冰升华逸去。
可以一次升华，也可以多次升华。
（4）再干燥
升华完成后，温度继续升高至10oC或室温，并保持一段时间可使己升华的水蒸汽或残留的水分被除尽，即再干燥过程，再干燥可减少制品冻干后回潮。
通过冷冻干燥得到的产品所具有的优点：
可避免药品因高温分解变质，如可使产品中的蛋白质不发生变性；
所得产品质地疏松，加水后迅速溶解，恢复药液原有特性；
含水量低，一般在1％～3％左右，同时干燥在真空中进行，故不易氧化，有利于产品长期贮存；
产品中的异物比用常规方法产生的少，因为污染机会相对减少。
临床应用效果好，过敏现象，副作用少。
2.2冷冻干燥机工艺流程
2.2.1结构介绍
冷冻干燥机由以下几部分组成：
即真空装置、制冷装置、离心机装置、干燥腔室、真空排气系统、导热搁板、加热装置、导热媒体换热装置、搁板升降及压塞系统、溶媒收集装置、在线自动清洗装置、在线灭菌装置、运行参数测定控制系统部分。
如图2.2
图2.2冻干机系统示意图
真空装置：
真空部分包括真空干燥室、隔离阀、水蒸气捕集冷凝器、真联式旋片真空泵联接管道及气阀等。
系统内空气及水蒸气的抽除是由真空系来完成的。
真空系工作时，当打开隔离阀，真空干燥室内的空气及水蒸气经过水蒸汽捕集冷凝器捕获水分后进入真空泵，由真空泵排气口排出系统外。
为防止经水蒸汽捕集冷凝器后抽除的气体中仍含有极少量的水蒸汽进入系内，系统配气镀阀。
冷冻干燥时，打开气囊阀在真空泵的排气口装有油雾捕集器，以防止排出气体中烟雾污染室内环境。
制冷装置：
制冷机是由回转式压编机、风冷冷凝器、贮液器、过滤干燥器、热力膨胀阀、蒸发器（盘管）等组成。
气态工质经压缩机压编后，温度和压力升高，经风冷冷凝器冷却后变为高压液态。
过滤干燥器除去工质中的机械杂质及水分。
经势力膨胀阀膨胀，压力和温度降低。
低压液态在蒸发管内蒸发时吸收水蒸气捕获冷凝器壁面的热量，使壁面温度降低，蒸发后的气态再进入压缩机，如此反复循环。
转于压组机作为制冷机的主机,这种压缩机具有能效比高、运转平稳、噪音低、体积小、质量轻的特点。
蒸发器主要是用来冷却水蒸气捕集冷凝器的。
在冷冻干燥过程中，水蒸气捕集冷凝器的温度不高于-45oC。
为保证蒸发器与捕集冷凝器衙壁的充分换热，蒸发器的紫铜管紧紧缠绕在捕集冷凝器的外壁上，且保证蒸发器有充足的蒸发面积，提高换热效率。
离心机部分：
离心机除具有萃取、分离功能外，在对制品进行抽空（降空）冻结时，若将安施貉止地竖直放在干燥室中，安领中的液体制品，由于波面压力降低会从顶部冲出。
为了这个问题，将放置在托盘上的安领上部向内倾斜。
当离心机带动安箔旋转时，由于离心力会产生沿安领轴向向下的分力，使安领中液体不会冲出。
离心机的轴延长到干燥室内，而干燥室内为真空，因此，离心机的轴封至关重要。
由于离心机的尺寸小，采用其它形式的轴封不仅结构复杂，而且体积大，为此采用双“O”形因轴密封。
在“O”形图的选择及变形考虑上，既不能与轴配合得太紧，又不能太松，经反复实验，才确定其结构尺寸。
这种密封不仅结构简单、体积小，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个密闭的空间，制品在腔室中，在一定的温度、压力等条件下完成冷冻、真空干燥、全压塞等操作。
真空排气系统：
在干燥腔室和真空冷凝器形成真空，一方面促使腔室内的水分在真空状态蒸发升华，另一方面该真空系统在真空冷凝器和干燥腔室之间形成一个真空度梯度（压力差），这个压力差将干燥腔室内中蒸发的水蒸气推向真空冷凝器，并被真空冷凝器的冰面捕集。
由于冷冻过程产生于干燥腔室和真空冷凝器之间的水蒸汽压力差，只有在真空冷凝器的温度低于干燥腔室的温度的条件下，才能形成干燥腔室与真空冷之间的压力差。
因此如果真空冷凝器的性能不佳，前述干燥腔室与真空冷凝器之间对水蒸汽的推动力将减少，真空系统将不可能有效的排除水蒸汽，影响制品质量和真空泵的寿命。
导热搁板：
搁板的冷却和加热是靠导热媒体在搁板层内部的通道中强制循环得以实现的，冷或热的导热媒体在搁板内流动，均一地将冷或热能量传递给放置于搁板的制品容器，能量的传递贯穿于整个冷冻过程。
导热媒体的循环可通过机械泵或磁驱动无密闭垫式循环泵来实现。
加热装置：
干燥过程中为制品提供热量，一般采用电加热器。
导热媒体换热装置：
间接的交换来至制冷或电加热器的冷或热量，给导热搁板上的制品提供能量。
搁板升降及压塞系统：
在干燥腔室内，一个冻干周期完成之后，在控制压力的消毒空气或特性气体状态下，对小瓶压塞封口，压塞装置的压板由设在箱体的顶部或底部的液压缸或气体驱动。
随着压板的下降或上升，搁板沿着滑竿一层接一层向下或向上移动将胶塞压进瓶口，完成压塞工作。
搁板升降系统还可以方便装料和卸料，即装料时将所有搁板降到箱体底部，第一层升到装料高度，进料之后上升给第二层搁板留下位置，这样依次装料直到完成装料。
卸料过程与之相反。
搁板液压装置位置靠近干燥箱，主要部件还包括电磁阀、控压阀、压力开关、安全阀、单向阀和压力表等。
溶媒收集装置：
当冻干制品溶液中含有有机溶剂时，普通的冻结温度和正常真空状态下，有机溶剂混合液不易固相存在，有机溶剂混合蒸汽不能被普通冷凝盘管凝结捕获。
为了凝结捕获含有机溶剂的冷凝溶剂，通常在真空冷凝器的底部设计配置一有溶剂收集器，收集器内配有内置蒸发盘管，通过制冷压缩机制冷，将收集器的温度降到足够低，足以在干燥升华阶段真空冷凝器中以捕获的有机溶剂混合溶液凝冰再次蒸发。
在进行第二次干燥时，通过关闭阀门，使有机溶剂收集器与主冷凝器完全隔离，二次干燥如常进行。
除此以外，溶剂收集器应配有相应的阀门，具有排放和进气的功能。
在线自动清洗装置运行参数测定控制系统部分：
配置于冷冻干燥腔室和冷凝器内的机械清洗装置，用于清洗干燥腔室和冷凝器内表面残留物。
整个在线自动清洗分为机内和机外两部分，机外部分由清洗用水贮罐，多级泵，及一套自动控制阀组成。
机体部分主要由真空冷凝器及干燥箱内的喷嘴和喷球组成。
在线灭菌装置：
在线灭菌装置的作用是对干燥腔室和真空冷凝内表面灭菌，创造一个合适生产的无菌环境，不至于真空冷凝器和干燥腔室可能与药品接触的原因造成微生物污染。
运行参数测定控制系统：
温度测定系统、真空测定系统、残留水分测控系统、以及计算机控制系统。
图2.1为冻干机系统示意图示意图。
医药用冻干机必须执行GMP标准。
真空系统多采用罗茨旋片泵机组，罗茨泵入口侧与捕水器出口相连。
制冷系统多采用双级或复叠式压缩机组。
一般都具备自动压塞、在位清洗（CIP）、在位蒸汽灭菌（SIP）等功能，清洗后用水环泵抽真空，蒸汽消毒灭菌时用气动插销多点锁紧箱门。
2.3以PLC为核心的冷冻干燥机控制系统
冻干机的控制系统可由各种配置方式组成。
在充分了解了冻干机各种控制要求和特点后，提出了一种可编程控制器（PLC）为核心的自动控制系统，其通讯接口采用工业控制设备常用的RS－485。
该系统的最大特点是可靠性高，配置灵活，测量准确，控制灵敏，即可以当计算机直接接口，也可以与触摸屏直接接口，能够满足冻干工艺的各种需求。
2.3.1系统的
升级会员 