微波凍干過程中微波功率控制技術(shù)的研究

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到的物料溫度信號，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現(xiàn)微波功率的調(diào)控。茭白凍干試驗表明，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： TS205.7；TS203 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：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、營養(yǎng)破壞少等優(yōu)點[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強(qiáng)度。微波功率可快速調(diào)整且無慣性，理論上易于實現(xiàn)自動化控制[4]，而至今仍未實現(xiàn)，其中一個很重要的原因就是現(xiàn)有的微波冷凍干燥試驗設(shè)備測試功能還很不齊全和完善，在物料溫度測定上多采用紅外線測溫法，測溫部位有限，測量精度不高；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物料溫度提高了測量精度；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現(xiàn)微波功率的調(diào)控，操作便捷，便于實現(xiàn)微波功率自動化控制；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個部分，磁控管因具有輸出功率高、效率高、頻率穩(wěn)定的特點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)磁控管勵磁線圈中磁場電流的大小來實現(xiàn)，由于磁控管勵磁線圈中的電流是經(jīng)過全波整流后的脈動直流電[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的，不能保證在微波工作全過程中的每個瞬時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)計本微波系統(tǒng)時，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，并分別測定各個磁控管陽極電流大小來監(jiān)測每只磁控管微波能饋入功率。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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。在該設(shè)備的筒形微波凍干倉的筒壁外側(cè)分別布置有6只微波發(fā)生器、光纖測溫傳感器等器件，6只微波發(fā)生器呈上下左右不對稱交錯布置，單只功率為900 W，對每只磁控管進(jìn)行單獨(dú)控制。光纖測溫器件有6根探頭，能夠同時測量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，抗電磁干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，接線方便，操作簡單，只需自動或手動調(diào)節(jié)輸入信號，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，輸入信號為0～10 V，線性可調(diào)。依據(jù)輸入信號為0～10 V的模擬信號，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個帶2路模擬信號輸出的EM232模擬量輸出模塊作為調(diào)壓器的控制入口，每個EM232模塊的2個電壓輸出接口分別連接2個調(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

以分段控制物料溫度為目標(biāo)，設(shè)計微波功率調(diào)控系統(tǒng)，具體設(shè)計思想：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，程序啟動后，首先將預(yù)設(shè)溫度T0置為0，將計時器T計置為1；接著進(jìn)行模式選擇，選擇手動控制，則每個環(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；選擇自動控制后，控制程序?qū)⒆詣訉崿F(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)平臺與PLC之間的通信2個方面，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)冗余校驗碼（CRC）校驗程序、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，這會對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，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)議編寫實現(xiàn)對光纖傳感器件6通道數(shù)據(jù)輪流獲取并存儲功能的代碼，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]實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、儲存、界面顯示以及設(shè)備控制功能。采用多線程來實現(xiàn)上位機(jī)功能，其中數(shù)據(jù)采集、處理、儲存及界面顯示功能占用一個線程，設(shè)備控制功能占用另一個線程。為避免通信紊亂，設(shè)備控制線程占用較先級，當(dāng)其因事件觸發(fā)而啟動時，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。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)而啟動時，將標(biāo)志符置1再定時2 s的用意在于，若數(shù)據(jù)采集線程此時未執(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)采集線程此時正在執(zhí)行數(shù)據(jù)獲取指令，則留足夠時間讓其運(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)實現(xiàn)PC與PLC間的通信， 將功能代碼塊設(shè)計成子VI， 本系統(tǒng)中包括獲取設(shè)備預(yù)警信號子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 試驗結(jié)果

以茭白為試驗物料對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，將備好的茭白放入微波倉體內(nèi)后啟動測控系統(tǒng)，運(yùn)行數(shù)據(jù)采集功能，檢測到倉門關(guān)閉信號后運(yùn)行設(shè)備控制功能，點擊壓縮機(jī)啟動按鈕啟動壓縮機(jī)制冷至約-35 ℃，點擊真空泵啟動按鈕啟動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，軟件界面顯示給調(diào)壓器的輸入電壓為 10.00 V，此時用萬用表測量調(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，手動修改調(diào)壓器的輸入電壓至6.61 V，放電現(xiàn)象消失，此時用萬用表測量調(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，共花了5 h 40 min，較常規(guī)熱油冷凍干燥縮短了近3 h的凍干時間。

5 結(jié)論

實現(xiàn)微波功率的自動化控制對促進(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控制的實現(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微波功率調(diào)控的影響是接下來研究的重點。

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