（检测技术与自动化装置专业论文）面向多糖提取的薄膜蒸发器控制系统的研究.pdf

摘要 随着食用菌产业不断发展和市场的扩大，我国食用菌产品正逐步从粗加工向精深加 工的方向迈进。目前我国在食用菌深加工方面与发达国家相比主要存在加工水平低，工艺 技术装备落后、自动化程度低等问题，严重制约了食用菌多糖产品的质量和产量。本课题 将薄膜蒸发工艺引入食用菌多糖的生产，重点研究薄膜蒸发成套的控制系统，这对于提高 食用菌多糖生产的自动化水平有着重大的意义。 本文首先介绍了薄膜蒸发器的工作原理以及相关的辅助设备。并以食用菌多糖提取 液作为研究对象，得出了薄膜蒸发工艺浓缩食用菌多糖提取液的最佳工艺参数。 其次，研究并设计了薄膜蒸发成套设备的控制系统，该控制系统是基于工控机、p l c 和触摸屏的集散控制系统，它以p l c 、传感器和执行单元共同组成了下位机控制系统； 以触摸屏和远程工控机作为上位机控制系统。针对上下位机控制系统的内容和要求，给出 了控制方法和相互的通讯方式。 接着，根据控制要求对控制系统的主辅电路、控制电路进行了设计，并且对控制电 路的数字量和模拟量输入输出进行了分配。研究了下位机p l c 程序的控制方法，应用p l c 实现p i d 算法进行模拟量闭环控制。 最后，应用组态软件m c g s 完成上位机触摸屏和远程工控机的程序设计，实现了生 产过程的流程监控、温度和压力等的控制、实时报警以及历史数据查询等功能。 关键词：食用菌多糖、薄膜蒸发、p l c 、组态软件 ab s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fe d i b l ef u n g ii n d u s t r ya n dt h ee x p a n s i o no fm a r k e t s ， o u re d i b l ef u n g ip r o d u c t sa r em o v i n gf o r w a r df r o mr o u g h i n gt of i n ep r o c e s s i n g a tp r e s e n t ， c o m p a r e dw i t hd e v e l o p e dc o u n t r i e s 。t h ep r o b l e m sh a v em a i n l yb e e ns u c ha st h el o wl e v e lo f p r o c e s s i n gt h eb a c k w a r d n e s so ft e c h n i q u ea n de q u i p m e n t ，t h el o wd e g r e eo fa u t o m a t i o ni nt h e d e e pp r o c e s s i n go f e d i b l ef u n g ii nc h i n a t h e s ep r o b l e m sh a v es e r i o u s l yh a m p e r e dt h eq u a l i t y o fe d i b l ef u n g u sl e n t i n a na n dp r o d u c t s t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h et h i n f i l me v a p o r a t i o nt ot h e p r o d u c t i o no fe d i b l ef u n g u sl e n t i n a n i tf o c u s e do nt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h et h i n f i l m e v a p o r a t i o nc o m p l e t ee q u i p m e n t i th a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h el e v e lo f a u t o m a t i o nf o r t h ee d i b l ef u n g u sl e n t i n a np r o d u c t i o ni nt h ed o m e s t i ce d i b l ef u n g u si n d u s t r ya n d t op r o m o t ei n d u s t r i a l i z a t i o na n dm o d e r n i z a t i o nd e v e l o p m e n t f i r s t l y ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h et h i n - f i l me v a p o r a t o ra n dt h er e l a t e da u x i l i a r y e q u i p m e n tw e r ei n t r o d u c e d t h ee x t r a c t so ft h ee d i b l ef u n g u sl e n t i n a nw a ss e l e c t e dt os t u d y ， a n dt h eb e s tp r o c e s sp a r a m e t e r so ft h ep r o c e s s i n gt h a tc o n d e n s i n gt h ee d i b l ef u n g u sl c n t i n a n e x t r a c t sw e r eo b t a i n e d ，w h i c hp r o v i d e dab a s i sf o ro t h e rl i q u i d s e c o n d l y , t h et h i n f i l me v a p o r a t i o ne q u i p m e n tc o n t r o ls y s t e mw a sr e s e a r c h e da n d d e s i g n e d t h ec o n t r o ls y s t e mw a sb a s e do nt h ei n d u s t r yp e r s o n a lc o m p u t e r ( i p c ) ， p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) a n dt o u c hs c r e e no ft h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ， w h i c hc o n s i s t e do ft h ep l c ，s e n s o r sa n dt h ei m p l e m e n t a t i o nm o d u l e st of o r mal o w e rc o n t r o l s y s t e m ，a n dt of o r m e da nu p p e rc o n t r o ls y s t e mw i t ht h et o u c hs c r e e na n dr e m o t ei n d u s t r i a l c o n t r o lc o m p u t e r a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ec o n t r o lm e t h o d sa n d t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ep l ca n dt o u c hs c r e e n ，a sw e l l 必t o u c hs c r e e na n dr e m o t ei p c s y s t e m ，w e r eg i v e n t h i r d l y , t h em a i nc i r c u i ta n dc o n t r o ls y s t e mg r o u n d i n gw a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t so ft h ec o n t r o ls y s t e m i nt h ec o n t r o lc i r c u i to ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h en u m b e ra n d a n a l o gi n p u t sa n do u t p u t so ft h ep l cw e r ed e s i g n e d t h ec o n t r o lm e t h o df o r t h el o w e rc o n t r o l s y s t e mw a ss t u d i e d t h ep i da l g o r i t h mw a sr e a l i z e dt oc o m p l e t et h ea n a l o gc l o s e d - l o o pc o n t r o l b yu s i n gp l c a tl a s t ，t h ep r o g r a mo ft h et o u c hs c r e e na n dr e m o t ec o m p u t e rw a gd e s i g n e db y c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，t h ef u n c t i o n sw e r ea c h i e v e ds u c ha st h ep r o c e s sm o n i t o r i n g ，t h e t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ec o n t r o l l i n gr e a la l a r m i n ga n dh i s t o r i c a ld a t aq u e r y i n g k e y w o r d s ：e d i b l ef u n g u sl e n t i n a n ，t h i n f i l me v a p o r a t o r , p r o g r a m m i n gl o g i cc o n t r o l l e r , c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果尽我所知，除丈中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由泰人承担。 学位做储( 枞：矿硷拶年石月少日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容 保密口，在年解密后适用本授权书本学位论文属于不保密西 ( 请在以上方框内打。 一 ) 学位论文作者( 本人签名) ： 指导教师( 本人签名) ： 四勿一， 占6 筝 办扩鎏 陋懂 、7、参 致谢 在论文完成之际，我要特别感谢我的导师刘英教授。在三年的求学过程中，我很庆 幸得到了刘英老师的关怀和指导。 本文的研究工作和论文撰写是在刘英老师悉心指导下完成的，所取得的研究成果凝 聚着刘老师大量的心血和汗水。刘老师一丝不苟的作风、严谨求实的态度、踏踏实实的精 神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。刘老师渊博 的知识、严谨的治学态度、活跃的思维方式、敏锐的学术洞察力和兢兢业业的敬业精神深 深地激励着我。在此谨向刘老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 感谢自动化教研组各位老师给予的帮助和指导。 感谢研究生同学李杰、陈利娇、严芳、师妹费叶琦及师姐张磊在课题研究过程中给 予的帮助和支持。感谢同届的同学在三年的求学生涯中给予的关心和支持。 最后，我要感谢我的家人，在我求学期间给了我无尽的关怀和支持，父母是我生活 的动力和奋斗的信念。我所取得的所有成绩是与他们的关心和支持密不可分的。 各方支持，未能尽到，值此论文完成之际，谨以此文献给所有关心支持我的人们! 作者：许杰 2 0 0 9 年6 月于南京林业大学 1 1 课题的研究背景 1 绪论 1 1 1 食用菌多糖的国内外研究现状 我国是一个食用菌大国，食用菌在我国的生产可以追述到公元前2 4 0 年。 改革开放以后，我国的食用菌发展迅速，据2 0 0 6 年统计，我国食用菌产量在 1 4 0 0 万吨，占世界总产量的7 0 以上，我国已经成为一个食用菌生产和出口的 大国。食用菌产业可以为农民增效增收，现在已经逐步发展成为我国三大支柱 产业之一。食用菌的经济效益较高，而食用菌的培养只需农林副产业的废弃物， 因此种植食用菌成本低、收益高，能够有效地促进农民增加收入。 食用菌以其作为绿色、健康和环保的食品而逐渐受到世界的认可。作为食 物，食用菌是高蛋白、低脂肪、富含维生素、矿物质和膳食纤维的优质美味食 物，如香菇不仅含有各种人体必需的氨基酸，还具有降低血液中的胆固醇、治 疗高血压的作用。食用菌也有着很重要的药用价值，研究表明食用菌具有抗肿 瘤、抗病毒、降血脂等作用，是发展功能性食品及抗癌类药物的重要原料之一。 如硫酸化多糖具有抗血栓活性的作用1 ；从除虫菊中提取的多糖具有免疫抑制 活性的作用 2 1 ；从灰树花中提取的多糖具有抗肿瘤活性【3 】：从大豆中提取的多 糖具有抗氧化活性【4 】；灵芝多糖能够加速小鼠身上醋酸所诱导的溃疡的恢复【5 】； 艾菊的胶质多糖对神经细胞膜上的离子通道具有激活效应 6 1 ；类鼻疽伯克霍尔 德菌( 类鼻疽假单孢菌) 的多糖能够减少血液中的c 3 b 补体因子的沉积的作用 7 1 ； 大肠埃希菌中含有的一种多糖具有抑制h i v 病毒的传播作用【8 1 ；桑黄中提取 的多糖具有抑制小鼠黑素瘤生长的作用及抑制小鼠前胃癌的作用【9 】【1 0 1 ；p a t e l 等发现了可以预防a 型流行性乙型脑炎的多糖疫苗【l l 】；l i u 等比较了几种治疗 缺铁性贫血的药物，发现用结合了铁的多糖复合物治疗缺铁性贫血能减少胃肠 道的反应，使患者更容易适应【l 引。 自上世纪六十年代，当人们逐渐发现了多糖具有许多方面的生物活性，且 多无毒，是比较理想的药物，国际上对糖类的研究日新月异，并且相继多次召 开了有关“糖生物学和糖工程一的专题会议。目前，日本、美国及欧盟十分重 视糖类的研究，且在糖的研究与开发处于领先地位，并且欧盟在1 9 9 4 1 9 9 8 年 的研究计划中启动了“欧洲糖研究与开发平台旨在协调欧洲的糖研究与开发， 强化糖的研究成果转化成商品与美国和日本竞争的能力。 对于食用菌多糖的研究始于上世纪6 0 年代，l9 6 8 年日本千原吴郎首先利 用热水从香菇子实体中浸提出6 种胞外香菇多糖【l3 1 。2 0 世纪7 0 年代，日本学 者干原羽田首次证实了香菇多糖的抗肿瘤活性，从此国内外对真菌多糖在生物 学、医学、药理学、食品科学等领域进行了大量的研究【1 4 】。 我国多糖的研究起步较晚，上世纪8 0 年代才开始得到各地的广泛关注和深 入的研究，并且取得了相应的进展，但是在该领域的水平仍然以日本、美国、 德国等国家领先。目前发现的具有价值的食用菌多糖共有2 8 种，有l 5 种多糖 的化学结构比较清楚【1 5 一7 1 。 1 1 2 食用菌多糖生产工艺及浓缩设备 食用菌多糖的提取在实验工艺上已经较为成熟，本论文食用菌多糖的提取 分为以下几步，如图1 1 所示： 图1 1 食用菌多糖提取流程图 其中，( 1 ) 粉碎工段是增加多糖提取的表面积，用来提高多糖提取的效率； ( 2 ) 超声提取工段是利用超声提取工艺将多糖溶解于提取液中；( 3 ) 过滤工段 是将提取液和残渣分开；( 4 ) 离心工段是将提取液中更小的颗粒从提取液中分 离；( 5 ) 浓缩工段是增加提取液的浓度；( 6 ) 醇析工段是将多糖从水中析出； ( 7 ) 干燥工段是将醇析出来的多糖干燥，得到的就是食用菌多糖。 七个工段中，最重要的工艺是提取，其次是浓缩。浓缩工艺的优良直接影 响到多糖的提取效率。目前国内外对于液体浓缩的方法主要可分为常压浓缩、 减压浓缩、薄膜浓缩。 1 ) 常压浓缩 煎煮法：煎煮法是将浓缩液体进行煎煮，从而把液体中的水分挥发，达 到浓缩的目的，这种方法要求被浓缩液体中的有效成分应是耐热的，而且此法 耗时比较长，容易使成分水解破坏。 渗透蒸馏：渗透蒸馏是一种基于渗透与蒸馏概念的膜分离技术，是在两 个水溶液之间进行浓缩的一种方法。此方法依靠微孔疏水膜两侧溶液之间渗透 压的不同，使两种溶液中的同一种可挥发性组分如水蒸气从渗透压高的溶液穿 过膜孔进入渗透压低的溶液，从而使前者达到浓缩的目的。此法的缺点是浓缩 过程非常缓慢，而且只是比较适合浓缩萝b 汁、苹果汁等溶液。 2 2 ) 减压浓缩 减压浓缩是将容器内的压力降低，压力的降低，使得溶液的沸点降低，一 方面能防止或减少热敏性物质的分解；另一方面也增大了传热温度差，蒸发效 率提高，减压浓缩中所用到的容器主要有减压蒸馏器、真空浓缩罐、管式蒸发 器等。但是减压浓缩不适合在连续生产中使用。 3 ) 薄膜浓缩 薄膜浓缩设备主要有以下几种： 升膜式蒸发器：升膜式蒸发器适用于蒸发量较大，粘度适中、有热敏性 和易产生泡沫的料液。升膜式蒸发器在天然碱加工等行业中得到了很好的应用， 但是它不适用高粘度、有结晶析出或易结垢的料液。 降膜式蒸发器：降膜式蒸发器适于蒸发浓度较高、粘度较大的药液，因 为降膜式蒸发器没有液体静压强作用，沸腾传热系数与温度差无关，所以即使 在较低传热温度差下，料液的传热系数也较大，这种蒸发器比较适合热敏性料 液。 刮板式薄膜蒸发器：刮板式薄膜蒸发器又叫旋转薄膜蒸发器，旋转薄膜 蒸发器已经在制药、化工等行业中得到了广泛的应用，是一种比较适于高粘度、 易结垢、热敏性药液的蒸发浓缩设备。 实验室研究表明刮板式薄膜蒸发器能够快速有效地浓缩多糖提取液，相对 于其它的方法具有显著的提高生产效率的作用，将薄膜蒸发器浓缩技术应用于 多糖提取液的浓缩，不仅能够提高多糖提取的效率，另一方面，研究薄膜蒸发 器的自动控制技术，也为工业连续生产提供依据。 1 2 薄膜蒸发器 1 2 1 薄膜蒸发器概述 蒸发设备是一种重要的化工单元设备。旋转薄膜蒸发器，也称机械搅拌薄 膜蒸发器或刮膜蒸发器，它已成为一种高效的蒸发器，因为其具有其它蒸发器 所无法比拟的优点，所以现在已经广泛应用于化工、制药、环保、轻工、食品 等行业，为工业生产带来了巨大的经济收益。它具有传热系数高( 蒸发强度大) 、 低温蒸发效果好、物料的停留时间短、适用的粘度范围宽、操作弹性大、并且 能在真空环境下操作的优点，使得它在热敏性、粘性及有发泡结垢趋势物料的 蒸发浓缩装置等多种行业中得到迅速的推广和发展1 1 8 】1 1 9 】。 1 2 2 薄膜蒸发器的研究现状 瑞士苏黎士的h m u c l l e r 在上世纪4 0 年代初研制出了第一台薄膜蒸发器样 3 机，此后，欧洲人在其基础上发展成了连续式搅拌薄膜蒸发器。目前美国 c h e m e t r o n 、b l a w k n o x 、p f a w d l e r 和k o n t r o n 等公司、瑞士l u w a 公司、日本的 日立制作所、三洋机械、神钢77 - ，f 于一一、日南机械，英国的h e n r yb a l f o u r 公司等都有薄膜蒸发器产品。 国内研究薄膜蒸发器的是在上世纪6 0 年代，但是在8 0 年代才真正让其投 入于生产。19 7 0 年，北京向阳化工厂自行设计了高l0 8 m ，蒸发面积为1 4 平 方米的大型薄膜蒸发器用于苯酚丙酮生产上，运行良好。8 0 年代中期，南京 工业大学与无锡大众化工厂合作，在国内首次将6m 2 薄膜蒸发器用于制取浓碱 液工艺中，获得了初步成功。并从l9 9 4 年起开发研制了l0 2 0m 2 系列的大规 格薄膜蒸发器，现在已经形成系列化产品。本世纪初，南京工业大学对薄膜蒸 发器的传热性能以及流体流动数值等方面做了相关的研究，对薄膜蒸发器性能 的改进做出了很大的贡献【2 0 】【2 。 目前，国外已经能研究和制造出4 0 吖的大型膜薄蒸发器，国内在大型薄膜 蒸发器的研究与制造上还存在一定的差距【2 2 1 。 1 2 3 薄膜蒸发器的发展趋势 如今世界各国已经加强对石油化工等节能工艺的研究，大型薄膜蒸发器的 开发和制造是其中的研究重点。我国近几年在化工机械方面的迅速发展，一些 石油化工机械已经转化为自主研究，并且取得了骄人的成绩，对大型薄膜蒸发 器的开发和研究，也是我国综合国力提高的表现。 1 3 课题研究的意义 由于我国的薄膜蒸发器水平落后，不光在制作大型薄膜蒸发器落后于国外， 在薄膜蒸发器的自动控制水平上也落后于国外。另外，我国食用菌多糖的实际 生产中，生产设备相对落后，不利于我国食用菌多糖行业的国际竞争力。面对 国际市场的激烈竞争，以及经济危机的影响，我国以初级产品为主的食用菌产 业面临着很严峻的挑战。本课题的实施能有效推动国内薄膜蒸发器的发展，为 薄膜蒸发器实现自动控制系统提供依据，也能提高食用菌多糖提取的自动化水 平。高度自动化的过程装备在提高生产率的同时，也节约了生产成本，为我国 食用菌多糖在国际市场竞争中占据很大的价格优势。 本课题的研究对于我国的发展食用菌产业及提高薄膜蒸发水平具有如下意 义： 1 ) 将薄膜蒸发器浓缩技术应用于食用菌多糖的生产，开发一套自动控制系 统，从而提高食用菌多糖提取浓缩工段的效率，提高了食用菌多糖提取的整个 工艺水平，将来面对市场化竞争，具有很高的竞争实力。以香菇多糖为例，进 4 口的香菇多糖针剂支在6 0 一7 0 美元左右，而国产价格在10 0 元左右，昂贵的 价格使得很多肿瘤患者望而却步。本课题研究成功并实施后，能有效的降低成 本，提高产量，每支香菇多糖的价格能保持在1 0 元左右，从而使广大患者受到 很大益处。 2 ) 本论文研究的内容作为2 0 0 6 年南京市科技局科技发展计划项目食( 药) 用菌多糖提取成套装备与关键技术的研究( 项目编号：0 6 s b 2 4 2 0 0 7 ) 的子课 题，重点研究薄膜蒸发浓缩工段的自动化系统，进行薄膜蒸发自动控制系统的 集成开发，并与前期同学研究的食用菌多糖超声浸提工段进行一个很好的衔接。 在生产过程中采用下位机p l c 控制系统进行现场控制和数据采集，上位机触摸 屏与组态软件实现监视和控制，初步完成集散控制系统的最初模型，提高设备 的自动化水平。 3 ) 本课题的研究，能提高我国食用菌多糖提取整体装备的自动化水平，为 实现食用菌多糖高效率、高质量生产打下了基础。 1 4 课题的主要研究内容 课题的研究主要包括以下几个方面： ( 1 ) 薄膜蒸发器生产工艺的确定 通过实验分析和确定薄膜蒸发器生产工艺参数，最终取得以总传热系数k 和浓缩强度为衡量因素的最优生产工艺参数，为工业化连续生产奠定基础。 ( 2 ) 上下位机通讯的实现 本课题下位机采用西门子s 7 2 0 0 p l c ，与上位机通讯的实现采用p p i 通讯 方式，通过与触摸屏的r s 4 8 5 接口实现通讯。触摸屏与远程i p c 工控机利用 局域网，通过m o d b u s 通讯协议实现通讯。 ( 3 ) 下位机控制系统的建立 完成下位机的软硬件设计，分析系统的数字i o 配置与模拟量的配置，并 为变频器、各传感器和执行器等选型。 ( 4 ) 上位机监控系统的建立 利用触摸屏和远程i p c 机实现可视化自动生产监控系统，组态软件m c g s 具有良好的人机交互性，并且完成报警系统、实时数据库存储和自动控制程序 脚本开发等工作，实现对下位机工作状态的实时监控。 5 2 薄膜蒸发器在多糖提取中的工艺及其实验研究 在食用菌多糖提取中，浓缩工段起着很重要的作用，浓缩的效率将直接决 定食用菌多糖提取整个工艺的效率。薄膜蒸发器浓缩的强度主要是由总传热系 数k 和蒸发量日决定的，研究薄膜蒸发器的各个因素水平对总传热系数k 和蒸 发量日的影响，一方面可以确定最佳因素水平使多糖料液的浓缩效率达到最 高，另一方面也可以节约成本，提高我国多糖在国际市场的竞争力。 本章首先介绍了薄膜蒸发器的工作原理，以及相关的实验设备，然后分析 了单因素条件下各个因素水平对蒸发强度的影响。 2 1 薄膜蒸发器组的工作原理 2 1 1 薄膜蒸发器的结构 薄膜蒸发器的基本结构视不同的用途要求有所不同。以最常见的立式薄膜 蒸发器的结构为例，它主要是由加热央套、分离筒、蒸汽室、集液室和排料口、 动力和传动系统、轴承和密封系统、转子和刮板七个部分组成。 其中：( 1 ) 加热夹套是由几个筒节所组成，可以用蒸汽或者导热油进行加 热；( 2 ) 分离筒：当物料从入口进入时，分离筒依靠离心力的作用把物料沿切 向均匀地喷射到加热面的内壁上；( 3 ) 蒸汽室的作用是把蒸发的挥发性气体由 此通过排汽口排出；( 4 ) 集液室和排料口的作用是将浓缩后的物质收集到集液 室并通过排料口排出；( 5 ) 动力和传动系统是由电机、减速器组成，作用是带 动分离筒旋转，产生离心力；( 6 ) 轴承和密封系统是让蒸发器内产生高真空度 系统，一般需要采用双端面机械密封装置；( 7 ) 转子和刮板：刮板把液膜均匀 布在传热面上，同时使液膜流动加速，强化传热，转子的作用是通过其上的捕沫 器将蒸发过程中产生的泡沫破坏。 在实际生产应用中，薄膜蒸发器还需要一定的辅助设备构成一个完整的薄 膜蒸发操作系统。辅助设备一般有加热设备、脱气装备、真空设备、输送液泵、 精馏液罐和物料罐以及相应的加热系统和冷却、冷凝系统等。 其结构简图如图2 1 所示。 6 羁藏 2 1 2 薄膜蒸发器的蒸发原理 l 一也机、减建帆l 2 ， ：臻机城鬻封l 3 一分磁滴： 囊奎4 一赫i 求器： 分稻貉。 分一转1 2 7 躐板l 8 绚体l 铲必奁： i 护“绒薹| 央l l l f 灞街封： 1 2 一是鹰 图2 1 蒸发器结构简图 薄膜蒸发器的原理是利用蒸发筒加热内壁上形成均匀的液体薄膜，液体在 蒸发筒加热的情况下，快速蒸发水分，从而达到浓缩的目的。当预热到设定温 度的料液从薄膜蒸发器的上部入口进了蒸发器，料液被液体分布器分散成几股 料液，分散的料液流入圆筒的内壁，每股分散的料液被圆筒内旋转的刮板均匀 的分散到圆筒上形成液膜。一般用加热蒸汽或导热油加热夹套，夹套又将热量 传导给蒸发圆筒，液膜在圆筒内壁加热的情况下迅速蒸发，形成更薄的薄膜， 在刮板的作用下，又形成新的薄膜，再次蒸发，如此反复进行，料液也会持续 浓缩。蒸发器内壁结构图如图2 2 所示： 刮板与圆筒内壁之间有一定的间隙，当刮板在电机的带动下旋转时，刮板 将推动料液在圆筒内壁形成个液体弓形波。通常情况下，刮板是倾斜或是带 有角度的沟槽，所以液体弓形波会以螺旋状向下流动，在不断旋转的刮板作用 下，形成拖拽涡流，在刮板与劈面之间形成库塔流。在加热表面其它地方的料 液会在重力的作用下慢慢垂直向下流动，形成薄膜流。由于刮板的旋转和搅动， 液体弓形波与薄膜流之间的热量会相互转换，一方面有利于料液的蒸发，另一 方面一些热敏性和高粘性的料液也能够很好的蒸发。 7 l 一央食外嶝 2 一丧套内壤 3 一然发鞠麓外壤 4 一燕发隧麓内缓 ( 簇发表l 衙) 5 一酬扳 6 一刮扳沟鳍 图2 2 蒸发室内部结构原理图 料液蒸发的蒸汽可以通过二次蒸汽出口到外部冷凝器冷凝。冷凝器的冷却 介质为常温下的水。但是蒸发的时候会产生气泡和液体飞溅，所以蒸汽在通过 二次蒸汽出口排到外部之前，需要通过捕沫器和分离器把蒸汽内所带的液滴除 去。本实验所使用的冷凝器是一个水平放置的精馏产品储罐。 一般料液的浓缩的强度主要是由圆筒内的温度和刮板的转速决定的，在圆 筒的任一位置，物料的流动速度是由刮板的转动速度和重力加速度决定的，在 这两种力的作用下，料液在加热表面的时问非常短。因此，研究薄膜蒸发器内 温度、转速和压力对料液的浓缩有着很重要的作用。 在本实验中，薄膜蒸发器还需要和其它一些辅助设备构成薄膜蒸发系统。 辅助设备有加料装置、真空设备、输送液泵、缓冲设备和浓缩物料罐以及相应 的加热系统和冷却冷凝系统等。 2 1 3 真空机组 真空机组由无锡四方真空设备有限公司制造，工作电压3 8 0 v ，频率5 0 h z 。 真空机组由水环泵、循环泵、罗茨泵三级泵组成，三级泵全部开启运行，系统 真空度可达到1 0 0 k p a 以上。根据实验设定的真空度要求，通过下位机p l c 调 节罗茨真空泵出口的电磁阀，以达到实际值。 2 2 薄膜蒸发器工艺研究 2 2 1 设备简介 本论文采用的是o 4m 2 的薄膜蒸发器，辅助设备是由加料釜、蒸发器、接 收罐、冷凝罐、缓冲罐以及加热系统和抽真空设备组成，下文将薄膜蒸发器和 辅助设备统称为薄膜蒸发器组，薄膜蒸发器组如图2 3 所示。 薄膜蒸发器几何尺寸及技术参数见表2 1 ： 表2 1 薄膜蒸发器几何尺寸及技术参数 o 4 m 2 薄膜蒸发器几何尺寸及技术参数表 几何参数 l筒体跃度 内径( m m ) 7 8 2 7 0m m 蒸发面积 壁厚( m m ) 5 o 4 m 2 技术特性参数 设备内夹套 工作压力( m p a ) 真空度7 0 0 m m h g 0 3 工作温度( )8 0 9 0 c o m p o n e t s y s t e mb l o c k 为p l c 设置波特率和站地址，默认的波特率是9 6 0 0 ，站地址为2 。 波特率是数据通过网络传输的速度，在同一个网络中，波特率的大小取决 与该网络上波特率最小的设备，所以为了实现你所想要的波特率，必须在同一 个网络中通讯的器件被配置成相同的波特率。本系统中在p p i 方式通讯下最大 的波特率能达到1 9 2 k b i t s 。 站地址是p l c 提供的数字，用来确定上位计算机在访问哪一台p l c ，在网 络中必须为很一台p l c 设备不同的站地址，而且必须唯一，以确保数据发送到 正确的设备或者来自正确的设备。 在硬件连接上，触摸屏与p l c 之间采用串行通讯的方式实现数据的传输， 由于系统中p l c 与触摸屏的距离很近，因此只需要直接用串行线连接p l c 和 触摸屏的r s 4 8 5 口，即可实现通讯，为了防干扰，建议使用带屏闭的串行线， 以实现两者之间稳定而快速的通讯。 3 4 3 触摸屏与i p c 机通讯的实现 触摸屏与远程电脑的通讯使用的是普通的网络线，并且使用交叉线( 反线) 的连接方式，因为触摸屏采用的嵌入式系统是w i nc e ，所以这可以理解为电 脑与电脑的通讯，而电脑与电脑的通讯就是采用的交叉线方式。触摸屏与远程 电脑分别在组态里设置成主机与客户机，并采用m o d b u s 总线通讯方式，即 可实现通讯。 4 下位机的系统设计及实现 薄膜蒸发器组的下位机控制系统主要是负责接收上位机指令并控制现场设 备，是整个控制的核心部分。由于整个多糖提取的现场环境恶劣，不仅是现场 环境湿度比较大，而且温度也比较高，为了保证下位机的各个部分能够有效稳 定的工作，同时要考虑成本低，抗干扰能力强等因素，故本课题选用的是抗干 扰能力强的可编程控制器p l c 。p l c 在工业环境中能够可靠稳定的运行，平均 无故障时间可以达到几万个小时。 本章述说了下位机控制系统的硬件电路、p l c 的数字量和模拟量i o 口和 变频器接线的设计。 4 1 控制系统的硬件设计 4 1 1 控制系统的主辅电路分析及设计 在控制系统的主电路中，因为搅拌电机、抽真空电机以及加热油电机都是 采用三相电路，故在主电路中采用3 8 0 v 三相电路。并根据各个电机的要求， 接成相应的三角星接法或星形接法。 本系统主电路的每个子电路都安装有交流接触器、热继电器和熔断器，并 根据每个电路的要求不同选用不同型号的交流接触器、热继电器、熔断器。 如图4 1 所示，本系统的辅助电路是2 2 0 v ，为了和三相电路隔离并在安全 方面考虑，在中间选用隔离变压器，能有效的减少对辅助电路，特别是p l c 的 干扰。p l c 和智能温度控制器的输入电压都是2 2 0 v ，p l c 本身有安全保护， 所以没有采用空气开关，根据智能温度控制器和电磁阀的额定电流，选用相应 型号的空气开关，能有效的保护电路安全和电器原安全。压力变送器的输入电 压是2 4 vd c ，并且报警灯和报警器的输入电压也是2 4 v ，所以在其中加入开 关电源。考虑到以后c p u 模块的扩展，而c p u 提供的电流有限，也可以考虑 p l c 扩展模块的电源都用开关电源来提供。在安全方面，为了人身安全和电力 系统的工作的需要，要求电气设备采取适当的接地措施，主要的接地方法有工 作接地、保护接地和保护接零三种方式，本系统采用的是保护接零和工作接地， 如图4 2 所示： ! if u 2舢口 f u a 口肌口虺口 仪器仪表电磁阀辫鬻鬻 图4 1 控制系统主辅电路设计图 图4 2 接地方式图 4 1 2 控制系统的控制电路分析及设计 根据控制系统的总体要求及下位机所要实现的功能，故需要对控制系统做 一个总体的规划与设计，对所有的数字量输入与输出，模拟量输入与输出做一 个整体的统计与设计。 薄膜蒸发器组控制系统中，最主要是薄膜蒸发器的控制，根据所要求的实 验因素得知，蒸发器的温度，压力及搅拌机的转速是控制的重点，同时进料釜 的温度对蒸发强度也有很大的影响。如图所示数字量和模拟量输入与输出，共 需要数字量输入14 个( 包括高速计数器) ，数字量输出9 个；模拟量输入5 个，模拟量输出4 个。在c p u 2 2 4 上有1 4 个数字量输入和1 0 个数字量输出， 所以不用选用额外的数字量扩展模块，就能满足系统要求，模拟量扩展模块 e m 2 3 l 为4 通道模拟量输入模块，e m 2 3 2 为2 通道模拟量输出模块，故要选用 两个e m 2 3l 和两个e m 2 3 2 模块，才能满足系统的要求。系统控制电路分配如 图4 3 所示： 输 入 输 出 i o 4 1 3 控制系统的抗干扰分析 数 字 量 i o 模 拟 量 i o 总电源 加热油组电源开关 抽真空组过载保护 变频器 加热油阀总开关 接收罐加热油开关 报警灯 报警信号 高速计数器 温度控制智能表 压力变送器 变频器 电磁阀 图4 3 系统控制电路分配图 西门子p l c 可编程控制器本身的可靠性很高，但是仍有可能从其它设备引 起干扰，比如：电源线和传输线，从而影响p l c 的安全运行，因此p l c 在安 装配线时，对这些可能产生的干扰，要采取相应的抗干扰措施。 ( 1 ) 使用隔离变压器 变压器的一次绕组和二次绕组之间一般会有接地屏蔽层，最好的是使用三 层静电屏蔽式的，这种方式可抑制共模干扰。单层静电屏蔽的隔离变压器，由 于二次绕组与屏蔽层有寄生电容存在，不能够有效地解决工频干扰的影响，本 课题采用的是双层屏蔽的隔离变压器，则能效地抑制工频干扰。 ( 2 ) 分离控制系统 将控制器，i o 通道和电机等设备的供电分离出来，也能有效的抗干扰。 ( 3 ) 接地 接地一般有三种方式：单独接地、共有接地、串联接地。控制系统的接地 可以使用控制器与其他设备分别采用单独接地的方式，考虑到现场的情况，如 果不能有效的保证每个设备单独接地，也可采用共有接地的方式。但是串联接 地方式，特别应避免与电动机、变压器等动力设备共同接地。 4 2 控制电路的i o 端口的设计 4 2 1 数字量和模拟量i i o 的设计 根据前面一节控制电路的分析和设计，需要对数字量和模拟量输入输出端 口，及辅助寄存器做一个系统的规划，如下表4 1 所示： 表4 1p l ci o 输入输出表 i o 说明数量端口 数字量输入总电源li o 1 ( d i ) 总电源故障 l1 0 2 真空机组电源li o 3 真空机组故障 l1 0 4 加热油组电源l1 0 5 加热油组故障l1 0 6 变频器电源 l1 0 7 变频器急停l1 1 2 变频器运行 l1 1 3 变频器故障11 1 4 频率到达 11 1 5 数字量输出总电源、真空机组电源、加热 4 q 0 0 q o 3 ( d o )油组电源、变频器电源 变频器l q o 4 加热油总阀 l q o 5 接收罐加热油阀 l q 0 6 报警灯和报警信息2 q 1 0 q 1 1 模拟量输入热电偶( 智能温仪) 3 a i w 0a i w 4 ( a i )压力变送器2a i w l o a i w l 2 模拟量输出变频器 la o w 0 ( a o ) 进料釜加热油阀 1a o w 2 蒸发器加热油阀 la o w 4 抽真空阀 1a o w 6 辅助寄存器 总电源故障、真空机组故障、3m 2 0 0 ( m ) 加热油组故障 m 2 0 2 变频器故障、频率到达 2 加料釜温度自动手动控制 1 m 2 0 3 蒸发器温度自动手动控制 lm 2 0 4 高速计数器启停 1 m 1 1 0 加热油总阀启停 lm 1 1 1 接收罐加热油阀启停 l m l o 0 报警允许，报警灯允许禁止， 3m 1 2 0 报警信息允许禁止m 1 3 0 m 1 4 o m 1 4 2 如上表所示，1 4 个数字量输入、9 个数字量输出，输出类型为继电器输出、 5 路模拟量输入，输入电流为4 2 0 m a ，数据范围6 4 0 0 - 3 2 0 0 0 、4 路模拟量 输出，数据范围为6 4 0 0 3 2 0 0 0 ，输出电流为4 - - 2 0 m a 、辅助寄存器是用来显 示现场的运行状态，及报警等相关信息，触摸屏通过检测辅助寄存器并在组态 界面上显示出来，可以节省输出数字量输出口，从而节约成本，上表只是显示 了相关辅助寄存器，其它用于中间过程的并没有列出。 在下位机系统中，p l c 的外部连线直接关系到各种电磁阀，开关等的布置， 以及接线柜的结构设计，所以p l c 外部接线的设计变得非常重要。由于系统中 模拟量的输入输出较多，如果使用一般的接线，将会产生很大的干扰，不仅会 影响到模拟量，而且会直接影响到整个系统稳定可靠的运行，故模拟量输入输 出应该使用专用的屏蔽电缆，并将屏蔽层接地。本节将详细介绍p l c 的外部连 线。 在本章第一节中，分析系统由c p u2 2 4 、两个e m 2 3 l 和e m 2 3 2 共五个模 块组成，四个扩展模块使用模块上的数据线和数据线槽连接，整个p l c 和模块 安装在d i n 导轨上。上一节已经对具体和输入输出口做了一个详细的分配( 高 速计数器除外) ，一共是1 4 个数字量输入；9 个数字量输出，如图所示4 4 和 4 5 ；5 路模拟量输入，如图所示4 6 和4 7 所示；4 路模拟量输出，如图所示 4 8 ： 4 2 2 高速计速器的设计 c p u 2 2 4 集成了高速计数器功能，这些计数器可以记录2 0 h z 的事件，而不 影响c p u 的性能。本文中所使用的是h s c 0 高速计数器，h s c 0 是多功能计数 器，可以设置成八种不同的工作模式的任何一种，使用1 0 o 1 0 2 共三个数字 量输入端口，考虑到现实的使用情况，设置成工作模式0 。因为电机转一圈就 产生一个脉冲，所以用编程软件就很好实现计数功能，这将在下文介绍。 m 1 1c p u 2 2 4 1 2 点i ，10 点o l234567891 21 31 41 51 61 71 8 l l +ol2 3 4 5 670 l2345m 图4 4 数字量输入图 变 频 器 廷 行 变 频 器 故 障 频 盎 到 达 m 1 1c p u 2 2 4 1 2 点i ，1 0 点o l234567891 01 11 4 l l +ol234567 olm 夺 k 1k 2k 3k 4l ( 5k 6k 7k 8k 9 l t 宁 热 收 罐 加 热 油 阀 图4 5 数字量输出图 报 警 灯 报 警 信 号 ；、，i变频器急停 、 变频器电源 -、l。加热油组故障 ；l、，加热油组电源 l：、，；一真空机组故障 ；、；真空机组电源 、l总电源故障 、。总电源 、；器 数 il斟高 加热油总阀 变频器 变频器电源 加热油组电源真空机组电源 总电源 m 2 1e m 2 314 , 点a i l234567891 01 01 0 r a a +a r bb + b r c c +c r d1 01 0 图4 6 模拟量输入图1 m 3 1e m 2 3 14 点a i l234567891 01 0l o r aa + a r b b +b r cc +c -r d 1 01 0 l 11 。 压压 力 力 变变 送送 器1器2 图4 7 模拟量输入图2 m 4 1e m 2 3 22 点a o 12 3 4 56 m 0v oi om lv li l 进 料 变釜 频加 器 执 油 阀 m 5 1e m 2 3 22 点a o l23