【正文】 燥的設備： 最簡單的噴霧干燥的設備是一個具風力傳送系統(tǒng)的噴霧干燥器，見圖 9 圖 1 干燥室 2 空氣加熱器 3 牛乳濃縮缸 4 高壓泵 5 霧化器 6 主旋風分離器 7 旋風分離輸送系統(tǒng) 深藍、淺藍、褐色依次為牛乳、空氣、乳粉。 這一系統(tǒng)建立在一級干燥原理上，即從將濃縮液中的水分脫除至要求的最終濕度的過程全部在噴霧干燥塔室內(nèi) (1)完成。濃縮奶由一個高壓泵（ 4）送至干燥室（ 1）繼續(xù)進入噴霧器（ 5），形成極細小奶滴被噴入混合室與熱空氣進行混合。 空氣由風扇吸入并通過過濾器，然后在加熱器（ 2）處加熱到 150～ 250℃，熱空氣經(jīng)分散進入噴霧塔，在塔內(nèi)，經(jīng)噴霧的乳與熱空氣完全混合蒸發(fā)出奶中的水分。 在干燥過程中奶粉在塔中 沉降到塔底排出。奶粉被冷風冷卻下來并傳送到包裝段，冷風由風扇送至輸送管道，冷卻之后，混著冷風的奶粉流動到排放單元（ 7），在包裝之前奶粉由空氣中分離出來。一些小的、輕的顆粒可能與空氣混在一起離 10 開干燥空間。這些粉在一個或多個旋風分離器（ 7）中分離。經(jīng)分離后，這些粉再混回到包裝奶粉中，干凈干燥的空氣由風扇自工廠抽出。 ： 噴霧干燥物料的霧化方式有壓力噴霧干燥、離心噴霧干燥和氣流噴霧干燥。壓力噴霧干燥時物料在多缸柱塞式高壓泵下經(jīng)噴頭在干燥室中霧化，與干燥介質(zhì)進行熱、質(zhì)交換。壓力噴霧設備的霧化器是 噴頭，它必須使?jié)饪s乳能夠均勻地分散成微小的液滴目前使用最為廣泛的是 M 型和 S 型兩種。M 型噴頭的流通能力大，能適應生產(chǎn)能力較大的噴霧干燥設備，噴頭噴孔精度高，紅寶石噴頭硬度大、耐磨性好，因此，濃乳的霧化情況好，操作穩(wěn)定可靠。S 型噴頭加工較為方便，價格也較便宜，但流通能力較小，用不銹鋼制造的噴頭內(nèi)孔易于磨損，使用壽命較短。 離心噴霧干燥是向水平方向作高速旋轉(zhuǎn)的圓盤上連續(xù)供以濃乳，使?jié)馊缭陔x心力的作用下高速甩出，形成薄膜或液滴，借助于周圍空氣的摩擦、阻礙與撕碎作用使之形成細霧。其設備如下圖所示 濃乳在圓盤上的每 一質(zhì)點均受到歲圓盤旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的切向力與離心力作用而產(chǎn)生的徑向力，其結(jié)果為以合速度在圓盤上運動，其運動軌跡可以設想為一螺旋形，液體沿此螺旋線自圓盤上被拋出后，分散成很微小的液滴，并受到使其沿圓盤的切線方向運動的離心力以及使其沉降的重力的合力作用。由于微粒的大小不一，所以它們受到的作用力也不一樣。這樣，就在不同的距離形成一個以轉(zhuǎn)軸為中心對稱的圓柱體。由于離心噴霧幾乎都是沿水平面作圓周運動，干燥介質(zhì)的流動方向與濃乳液滴的流動方向呈順流或混流。 氣流噴霧干燥則借助于其他氣體的作用挾帶物料并經(jīng)過噴嘴形成微粒再行干燥。 此法在化工生產(chǎn)上應用較為普遍，在乳品生產(chǎn)方面很少使用。 ：噴霧干燥的過程迅速，干燥溫度較低，因此特別適用于熱敏性較強物料的干燥，產(chǎn)品能保持原有的營養(yǎng)成分和性能；噴霧干燥設備可以方便的調(diào)節(jié)及改變干燥條件，能適用于不同質(zhì)量要求產(chǎn)品的干燥；由于干燥介質(zhì)與濕物料在空中瞬間接觸時發(fā)生熱交換，因此，對換熱設備的壁面材料無需過高的要求；設備生產(chǎn)率很高，無需大量操作人員。但噴霧干燥設備的水分蒸發(fā)強度較小，因此，設備體積相當龐大，價格昂貴，所需廠房面積也大；噴霧干燥設備熱效率很低，設備熱效率在 30％ 以下，是 乳品工廠設備中熱效率最低的一種換熱設備。 11 ：不同的產(chǎn)品對濃縮物料的濃度及濃縮物料的進料量、廢氣的相對濕度均有不同的要求。濃縮物料的濃度一定程度上決定著噴霧干燥設備的產(chǎn)量和質(zhì)量，霧化設備的選用隊噴霧干燥的質(zhì)量也有著相當大的影響。在通常情況下，離心噴霧法生產(chǎn)的乳粉顆?？傒^壓力噴霧法生產(chǎn)的大。在壓力噴霧法生產(chǎn)過程中，高壓泵的工作壓力應控制在 10～ 20MPa，不低于 140MPa，噴孔的直徑在 ～ 。使用離心噴霧干燥時，離心機圓盤的轉(zhuǎn)速根據(jù)不同的直徑有所不同，一般在 5000～ 15000rpm，乳品生產(chǎn)所采用的離心機圓盤的圓周速率一般在 100～ 160m/s。進風溫度控制在 130～ 170℃ ，廢氣的排氣溫度約在 74～ 85℃ ，廢氣的相對濕度在 10％～ 13％ 。進風機風量 =干燥室內(nèi)水分蒸發(fā)量? 110％～ 120％ ，排風機排出風量 =干燥室內(nèi)水分蒸發(fā)量 ? 120％～ 140％ ，干燥室內(nèi)形成 2～ 的負壓。產(chǎn)品水分含量不超過 2％ 。 系統(tǒng)控制方案的論證及自動控制變量的確定 正確分析噴霧干燥機理，對自動化控制 方案的最后確定至關重要。 衡量干燥設備應用在特定的工藝條件下成功與否的主要指標是干燥產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量，包括產(chǎn)品的粒徑分布、外觀及產(chǎn)品最終含水量等。產(chǎn)品的產(chǎn)量由生產(chǎn)復合的經(jīng)濟性能及熱空氣發(fā)生器所提供的熱量、干燥器的干燥強度、熱空氣流量、料漿中固形物的含量等條件決定。影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素很多：產(chǎn)品的粒徑及外觀由干燥設備的工藝性能及料漿配置工藝參數(shù)決定，而產(chǎn)品的最終含水量與干燥塔熱風進口溫度、尾氣出口溫度及干燥塔內(nèi)負壓等參數(shù)的選取有直接關系。 在噴霧干燥操作中，干燥溫度是控制干燥產(chǎn)品質(zhì)量的最主要因素。根據(jù)過程的物料 與熱量衡算及霧滴粒子的運動軌跡計算表明，影響干燥溫度的因素有物料流量、空氣流量和入口空氣的溫度。系統(tǒng)中可選作調(diào)解參數(shù)的有：物料流入量、旁路空氣量（改變旁路空氣量可改變熱風溫度）、空氣加熱氣的溫度等。選其中任何一個調(diào)解參數(shù)都能夠構(gòu)成溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，達到控制干燥溫度的目的。如下圖所示，用調(diào)節(jié)閥位置代表 3 種調(diào)節(jié)方案。圖 ～ 是 3 種調(diào)節(jié)方案的方框圖。 12 方案 1（如圖 所示）：將物料流量作為調(diào)節(jié)變量，物料經(jīng)泵送入干燥器，滯后最小，對干燥溫度的校正作用最靈敏，而且干擾位置最靠近調(diào)節(jié)閥，似乎最適 宜作為調(diào)節(jié)參數(shù)，但物料流量是生產(chǎn)負荷，需要維持穩(wěn)定才能保證產(chǎn)量，故它不宜作為調(diào)節(jié)參數(shù)。 方案 2（如圖 所示）：以旁路空氣流量作為調(diào)節(jié)變量，旁路空氣經(jīng)與熱風混合后，再通過風管進入干燥機，比方案 1 將物料流量作為調(diào)節(jié)變量的流量調(diào)節(jié)通道滯后稍大，靈敏度次之。 方案 3（如圖 所示）：是通過加入經(jīng)直接燃燒加熱的空氣而改變空氣加熱器的溫度，熱空氣在調(diào)節(jié)閥處進入系統(tǒng)。選用熱空氣流量作為調(diào)節(jié)參數(shù)，調(diào)節(jié)通道長，容量滯后大，靈敏度最差，所有干擾進入位置都靠近被調(diào)參數(shù)。 圖 13 圖 圖 另外，一個控制系統(tǒng)的確定應該考慮多方面的因素。首先應考慮工藝上的合理性。從上述分析，如果從控制系統(tǒng)的角度來看，方案 1 最好，但由于此方案是以改變生產(chǎn)負荷的方法來達到控制變量溫度不變的目的，在工藝上是不允許的，所以不予考慮。其次應考慮可能性。在確定控制系統(tǒng)時，首先應該考慮是否可以檢測到所需要的信號。有時即使可以測量，但因測量所需的時間過長，同樣可以認為該信號無法測量。另外還應考慮系統(tǒng)是否可以控制。如果所設計的系統(tǒng)基本符合要求，但無法解決控制方法或無法配置調(diào)節(jié)機構(gòu)，則此系統(tǒng)仍然不可采納。最后還需進一步考 慮有關控制系統(tǒng)中被控編變量、負荷變化對控制質(zhì)量影響的評估、調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選用等問題。 只有考慮好了以上問題。才能設計好合理的控制系統(tǒng)。綜上所述，同時考慮在線測量裝置的經(jīng)濟性及必要性，對于噴霧干燥過程，選用第 2 種方案，即采用旁路空氣量作為調(diào)節(jié)參數(shù)為好 [2]。 14 第三章 硬件設計 系統(tǒng)總體設計方案概述 根據(jù)設計要求，系統(tǒng)采用以單片機為核心的直接數(shù)字控制（ DDC） 方式。 與“傳統(tǒng)的溫度傳感器 +溫度檢測電路”相比較數(shù)字型溫度傳感器 有著相當明顯的優(yōu)勢，因此系統(tǒng)采用了數(shù)字型溫度傳感器 DS1820。 在執(zhí)行機構(gòu)的選擇上，通過直流伺服電動機與步進電機的優(yōu)缺點對比，最終決定采用步進電機作為系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。 由于采用了數(shù)字型溫度傳感器 DS1820 故輸入通道非常簡單，只由單線構(gòu)成。而步進電機作為執(zhí)行機構(gòu)也意味著輸出通道僅為一步進電機驅(qū)動電路。在顯示方面系統(tǒng)采用 LED 作為外接顯示裝置。 即硬件電路圖，見附錄。 8031 芯片及其外圍擴展芯片介紹 [3] 芯片介紹 單片機是整個控制系統(tǒng)的核心，它的選擇對整個系統(tǒng)有決定性的影響，選擇它有以下要求： ①字長。字長能影響數(shù)據(jù)的精度，指令的數(shù)目，尋址能力和執(zhí)行操作的時間，在過程控制領域，一般選擇 8 位字長的微處理器。 ②尋址范圍，尋址方式。 ③指令的種類和數(shù)量。 ④內(nèi)部存儲器的種類和數(shù)量。 ⑤運算速度。 ⑥中斷處理能力。 根據(jù)以上要求以及結(jié)合本系統(tǒng)的技術(shù)指標，可以選用 MCS— 51 系列的 8031。 所選 8031 的特點是：片內(nèi)沒有程序存儲器，使用時需外加程序存儲器，使用時靈活方便，成本較低，是我國目前使用最多的一種機型。 以下介紹 8031 的管腳及部分功能： 15 控制口線： PSEN（片外取指控制）、 ALE（地址鎖存控制）、 EA（片外存儲器選擇）、 RESET（復位控制） 電源及時鐘： Vcc， Vss， XTAL1， XTAL2 I/O 口線不能用作用戶 I/O 口線。 P3 口是多功能口。 I/O 口線： P0， P1， P2，P3，共四個 8 位口。 I/O 口驅(qū)動能力， P0 口可驅(qū)動 8 個 TTL 門電路； P1， P2， P3 則只能驅(qū)動 4個 TTL 門。 P3 口是雙重功能口。 圖 8031 管腳圖 一、 8031 單片機片內(nèi)結(jié)構(gòu) 16 圖 8031 片內(nèi)結(jié)構(gòu) 8031 片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖所示。它由 7 個部件組成。即微處理器（ CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）、 I/O 口（ P0 口、 P1 口、 P2 口、 P3 口）、串行口、定時 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器（ SFR）。它們都通過片內(nèi)單一總線連接而成。其基本結(jié)構(gòu)依然是通用 CPU 加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)。 二、存儲器 8031 內(nèi)部沒有程序存儲器，只有數(shù)據(jù)存儲器，其結(jié)構(gòu)圖如圖 所示： FFFFH FFH RAM FFH SFR 存 特殊 儲 80H 功能 器 寄存器 RAM 80H I/O 數(shù)據(jù)緩沖器 位尋址區(qū) 工作寄存器 0000H 內(nèi)部 RAM 外部 RAM 圖 8031 存儲器結(jié)構(gòu)圖 三、特殊功能寄存器 特殊功能寄存器是用來對片內(nèi)各功能模塊進行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器是一個特殊功能的 RAM 區(qū)，位于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器之上。其地址為 80H— FFH 的區(qū)域。特殊功能寄存器主要有： ◆ P0 口鎖存器 P0 80H ◆定時 /計數(shù)控制寄存器 TCON 88H ◆ P1 口鎖存器 P1 90H ◆串行口控制 SCON 98H ◆ P2 口鎖存器 P2 A0H ◆中斷允許寄存器 IE A8H ◆ P3 口鎖存器 P3 B0H ◆中斷優(yōu)先級寄存器 IPC B8H 17 ◆程序狀態(tài)寄存器 PSW D0H ◆ 累加器 ACC E0H ◆定時 /計數(shù)分式寄存器 TMOD 89H SP 81H DPL 82H DPH 83H TL0 BAH TL1 BBH TH 8CH TH 8DH SBUF 99H 四、定時 /計數(shù)器 8031