【正文】 從國(guó)產(chǎn)角度提出了新一代控制器。我國(guó)緊跟其后，發(fā)展也很快。不少?gòu)S家生產(chǎn)了不同類型的可編控制器已在冷凍干燥機(jī)獲得應(yīng)用。為了適應(yīng)工業(yè)環(huán)境中使用，具有以下特點(diǎn)： 1） 靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。平均無(wú)故障時(shí)間可達(dá)30萬(wàn)小時(shí)； 2）控制程序可變，具有很好的柔性。冷凍干燥不同品種的食品或生產(chǎn)設(shè)備更新的情況下，不必改變硬件設(shè)備，只需改變凍干程序或凍干曲線就可以滿足工藝要求； 3） 編程簡(jiǎn)單、使用方便。這是PC機(jī)優(yōu)于微機(jī)的另一特點(diǎn)。目前大多數(shù)PC機(jī)采用繼電器控制形式的“梯形圖編程方式”，即繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀，又考慮大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)企業(yè)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)損與微機(jī)水平，易于校操作人員接受； 4）功能完善?，F(xiàn)代PC具有數(shù)字和模擬輸入、輸出邏輯及算術(shù)運(yùn)算完成時(shí)，計(jì)數(shù)、順序控制、功率驅(qū)動(dòng)、通信、人機(jī)對(duì)話、自撿、記錄和顯示等功能，使凍干設(shè)備控制水平大大提高。擴(kuò)充方便，組合靈活。PC具有各種擴(kuò)展單元，可以方便地適應(yīng)不同凍干工藝控制的需求，不同輸入輸出點(diǎn)數(shù)及輸入、輸出方式的系統(tǒng)：少了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工的工作量。由于PC采用軟件編程來(lái)達(dá)到控制功能，而不于繼電器控制所采用硬接線來(lái)達(dá)到控制功能，因此，減少了設(shè)計(jì)及施工工作量，PC又事先模擬調(diào)試，減少現(xiàn)場(chǎng)工作量； 5）體積小、質(zhì)量輕。一個(gè)收錄機(jī)大小的PC具有相當(dāng)于三個(gè)1．8M高的繼電柜的功能一般節(jié)電50％以上。PC專為工業(yè)而設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊密、堅(jiān)固、體積小巧，具有很強(qiáng)的抗干擾能力；而裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，PC還可以與監(jiān)控計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。 最佳方案的選擇 最佳方案應(yīng)具有先進(jìn)的控制技術(shù)，經(jīng)濟(jì)節(jié)能為主，還要根據(jù)具體控制系統(tǒng)而確定。當(dāng)前計(jì)算機(jī)控制是主流，特別是現(xiàn)場(chǎng)，采用PLC工業(yè)控制機(jī)是最佳方案。因?yàn)樗哂锌垢蓴_能力強(qiáng)、靈活、應(yīng)變能力強(qiáng)，但也不是唯一的方案。因?yàn)槟壳皣?guó)內(nèi)不少?gòu)S家還是繼電器控制，特別是小型系統(tǒng)，型系統(tǒng)，在利用和改造原設(shè)備的條件下，做到物盡其用的原則，采用能耗低的可控硅電子式相結(jié)合的繼電器控制方案也是行之有效的方案。根據(jù)人員狀況，設(shè)備條件，經(jīng)濟(jì)實(shí)力而采用相應(yīng)的控制方法也就是好的控制方案。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量采用先進(jìn)的控制技術(shù)與方法，選定低能耗，性能價(jià)格比高，使用維修方便的設(shè)計(jì)方案。 （1）使用壽命長(zhǎng)：從目前反饋情況看，目前冷凍干燥機(jī)控制電路的使用壽命大部分與其電路設(shè)計(jì)、元器件選型、工作環(huán)境及控制方式等因素有關(guān)，是其本身無(wú)法克服的固有缺點(diǎn)。PLC作為工業(yè)控制單元，應(yīng)用于各種控制環(huán)境，內(nèi)部電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極為精良，所用器件均選用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，其使用壽命一般可保證在十年以上。 （2）性能穩(wěn)定可靠，抗干擾性好：PLC應(yīng)用于各種工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，其硬件及軟件設(shè)計(jì)均考慮到各種生產(chǎn)環(huán)境，其電壓適用范圍很寬，具有極強(qiáng)的抗電磁干擾、抗震動(dòng)、抗高溫、高濕等特性，性能極為穩(wěn)定、可靠。 （3）功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)靈活，可擴(kuò)展性好：PLC控制型冷凍干燥機(jī)作為其老型號(hào)的升級(jí)產(chǎn)品，其功能得到極大增強(qiáng)，目前可實(shí)現(xiàn)的功能有：自動(dòng)除霜、自動(dòng)在線清洗、自動(dòng)滅菌、各種情況的自動(dòng)報(bào)警、設(shè)備保護(hù)及故障識(shí)別等。以上功能可實(shí)現(xiàn)各種組合，并可根據(jù)實(shí)際需要改變上述功能的控制過(guò)程及方式，并可根據(jù)使用者要求在不增加或少增加硬件的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)新的控制功能。 （4）良好的性價(jià)比：雖然PLC型冷凍干燥機(jī)性能及功能較現(xiàn)有冷凍干燥機(jī)有極大提高，但其成本的增加與其性能的提高并非成線性關(guān)系，所以無(wú)論將其作為整機(jī)用于新品開(kāi)發(fā)，還是作為老設(shè)備改進(jìn)均有其良好的性價(jià)比。 PLC作為一門控制技術(shù)在我國(guó)已有近二十年的應(yīng)用，并已從工業(yè)控制逐漸向其他行業(yè)擴(kuò)展，相信隨著其本身性能的不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤貙?，了解及掌握這一控制技術(shù)，將使我國(guó)的自動(dòng)化控制技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。冷凍干燥機(jī)可分為五大部分：即真空裝置、制冷裝置、離心機(jī)裝置、干燥腔室、真空排氣系統(tǒng)、導(dǎo)熱擱板、加熱裝置、導(dǎo)熱媒體換熱裝置、擱板升降及壓塞系統(tǒng)、溶媒收集裝置、在線自動(dòng)清洗裝置、在線滅菌裝置、運(yùn)行參數(shù)測(cè)定控制系統(tǒng)部分。如圖41 圖41凍干機(jī)系統(tǒng)示意圖1. 真空裝置真空部分包括真空干燥室、隔離閥、水蒸氣捕集冷凝器、真聯(lián)式旋片真空泵聯(lián)接管道及氣閥等。系統(tǒng)內(nèi)空氣及水蒸氣的抽除是由真空系來(lái)完成的。真空系工作時(shí)，當(dāng)打開(kāi)隔離閥，真空干燥室內(nèi)的空氣及水蒸氣經(jīng)過(guò)水蒸汽捕集冷凝器捕獲水分后進(jìn)入真空泵，由真空泵排氣口排出系統(tǒng)外。為防止經(jīng)水蒸汽捕集冷凝器后抽除的氣體中仍含有極少量的水蒸汽進(jìn)入系內(nèi)，系統(tǒng)配氣鍍閥。冷凍干燥時(shí)，打開(kāi)氣囊閥在真空泵的排氣口裝有油霧捕集器，以防止排出氣體中煙霧污染室內(nèi)環(huán)境。2制冷裝置制冷機(jī)是由回轉(zhuǎn)式壓編機(jī)、風(fēng)冷冷凝器、貯液器、過(guò)濾干燥器、熱力膨脹閥、蒸發(fā)器(盤管)等組成。氣態(tài)工質(zhì)經(jīng)壓縮機(jī)壓編后，溫度和壓力升高，經(jīng)風(fēng)冷冷凝器冷卻后變?yōu)楦邏阂簯B(tài)。過(guò)濾干燥器除去工質(zhì)中的機(jī)械雜質(zhì)及水分。經(jīng)勢(shì)力膨脹閥膨脹，壓力和溫度降低。低壓液態(tài)在蒸發(fā)管內(nèi)蒸發(fā)時(shí)吸收水蒸氣捕獲冷凝器壁面的熱量，使壁面溫度降低，蒸發(fā)后的氣態(tài)再進(jìn)入壓縮機(jī)，如此反復(fù)循環(huán)。轉(zhuǎn)于壓組機(jī)作為制冷機(jī)的主機(jī),這種壓縮機(jī)具有能效比高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音低、體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。蒸發(fā)器主要是用來(lái)冷卻水蒸氣捕集冷凝器的。在冷凍干燥過(guò)程中，水蒸氣捕集冷凝器的溫度不高于一45oC。為保證蒸發(fā)器與捕集冷凝器衙壁的充分換熱，蒸發(fā)器的紫銅管緊緊纏繞在捕集冷凝器的外壁上，且保證蒸發(fā)器有充足的蒸發(fā)面積，提高換熱效率。3 離心機(jī)部分離心機(jī)除具有萃取、分離功能外，在對(duì)制品進(jìn)行抽空(降空)凍結(jié)時(shí)，若將安施貉止地豎直放在干燥室中，安領(lǐng)中的液體制品，由于波面壓力降低會(huì)從頂部沖出。為了這個(gè)問(wèn)題，將放置在托盤上的安領(lǐng)上部向內(nèi)傾斜。當(dāng)離心機(jī)帶動(dòng)安箔旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于離心力會(huì)產(chǎn)生沿安領(lǐng)袖向向下的分力，使安領(lǐng)中液體不會(huì)沖出。離心機(jī)的軸延長(zhǎng)到干燥室內(nèi)，而干燥室內(nèi)為真空，因此，離心機(jī)的軸封至關(guān)重要。由于離心機(jī)的尺寸小，采用其它形式的軸封不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且體積大，為此采用雙“O”形因軸密封。在“O”形圖的選擇及變形考慮上，既不能與軸配合得太緊，又不能太松，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，才確定其結(jié)構(gòu)尺寸。這種密封不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，而且密封非?？煽?。干燥腔室的主要作用是形成一個(gè)密閉的空間，制品在腔室中，在一定的溫度、壓力等條件下完成冷凍、真空干燥、全壓塞等操作。在干燥腔室和真空冷凝器形成真空，一方面促使腔室內(nèi)的水分在真空狀態(tài)蒸發(fā)升華，另一方面該真空系統(tǒng)在真空冷凝器和干燥腔室之間形成一個(gè)真空度梯度（壓力差），這個(gè)壓力差將干燥腔室內(nèi)中蒸發(fā)的水蒸氣推向真空冷凝器，并被真空冷凝器的冰面捕集。由于冷凍過(guò)程產(chǎn)生于干燥腔室和真空冷凝器之間的水蒸汽壓力差，只有在真空冷凝器的溫度低于干燥腔室的溫度的條件下，才能形成干燥腔室與真空冷之間的壓力差。因此如果真空冷凝器的性能不佳，前述干燥腔室與真空冷凝器之間對(duì)水蒸汽的推動(dòng)力將減少，真空系統(tǒng)將不可能有效的排除水蒸汽，影響制品質(zhì)量和真空泵的壽命。擱板的冷卻和加熱是靠導(dǎo)熱媒體在擱板層內(nèi)部的通道中強(qiáng)制循環(huán)得以實(shí)現(xiàn)的，冷或熱的導(dǎo)熱媒體在擱板內(nèi)流動(dòng)，均一地將冷或熱能量傳遞給放置于擱板的制品容器，能量的傳遞貫穿于整個(gè)冷凍過(guò)程。導(dǎo)熱媒體的循環(huán)可通過(guò)機(jī)械泵或磁驅(qū)動(dòng)無(wú)密閉墊式循環(huán)泵來(lái)實(shí)現(xiàn)。干燥過(guò)程中為制品提供熱量，一般采用電加熱器。8. 導(dǎo)熱媒體換熱裝置間接的交換來(lái)至制冷或電加熱器的冷或熱量，給導(dǎo)熱擱板上的制品提供能量。9. 擱板升降及壓塞系統(tǒng)在干燥腔室內(nèi)，一個(gè)凍干周期完成之后，在控制壓力的消毒空氣或特性氣體狀態(tài)下，對(duì)小瓶壓塞封口，壓塞裝置的壓板由設(shè)在箱體的頂部或底部的液壓缸或氣體驅(qū)動(dòng)。隨著壓板的下降或上升，擱板沿著滑竿一層接一層向下或向上移動(dòng)將膠塞壓進(jìn)瓶口，完成壓塞工作。擱板升降系統(tǒng)還可以方便裝料和卸料，即裝料時(shí)將所有擱板降到箱體底部，第一層升到裝料高度，進(jìn)料之后上升給第二層擱板留下位置，這樣依次裝料直到完成裝料。卸料過(guò)程與之相反。擱板液壓裝置位置靠近干燥箱，主要部件還包括電磁閥、控壓閥、壓力開(kāi)關(guān)、安全閥、單向閥和壓力表等。當(dāng)凍干制品溶液中含有有機(jī)溶劑時(shí)，普通的凍結(jié)溫度和正常真空狀態(tài)下，有機(jī)溶劑混合液不易固相存在，有機(jī)溶劑混合蒸汽不能被普通冷凝盤管凝結(jié)捕獲。為了凝結(jié)捕獲含有機(jī)溶劑的冷凝溶劑，通常在真空冷凝器的底部設(shè)計(jì)配置一有溶劑收集器，收集器內(nèi)配有內(nèi)置蒸發(fā)盤管，通過(guò)制冷壓縮機(jī)制冷，將收集器的溫度降到足夠低，足以在干燥升華階段真空冷凝器中以捕獲的有機(jī)溶劑混合溶液凝冰再次蒸發(fā)。在進(jìn)行第二次干燥時(shí)，通過(guò)關(guān)閉閥門，使有機(jī)溶劑收集器與主冷凝器完全隔離，二次干燥如常進(jìn)行。除此以外，溶劑收集器應(yīng)配有相應(yīng)的閥門，具有排放和進(jìn)氣的功能。11. 在線自動(dòng)清洗裝置運(yùn)行參數(shù)測(cè)定控制系統(tǒng)部分配置于冷凍干燥腔室和冷凝器內(nèi)的機(jī)械清洗裝置，用于清洗干燥腔室和冷凝器內(nèi)表面殘留物。整個(gè)在線自動(dòng)清洗分為機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩部分，機(jī)外部分由清洗用水貯罐，多級(jí)泵，及一套自動(dòng)控制閥組成。機(jī)體部分主要由分布在真空冷凝器及干燥箱內(nèi)的噴嘴和噴球組成。在線滅菌裝置的作用是對(duì)干燥腔室和真空冷凝內(nèi)表面滅菌，創(chuàng)造一個(gè)合適生產(chǎn)的無(wú)菌環(huán)境，不至于真空冷凝器和干燥腔室可能與藥品接觸的原因造成微生物污染。溫度測(cè)定系統(tǒng)、真空測(cè)定系統(tǒng)、殘留水分測(cè)控系統(tǒng)、以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。圖2為凍干機(jī)系統(tǒng)示意圖示意圖。醫(yī)藥用凍干機(jī)必須執(zhí)行GMP標(biāo)準(zhǔn)。真空系統(tǒng)多采用羅茨旋片泵機(jī)組，羅茨泵入口側(cè)與捕水器出口相連。制冷系統(tǒng)多采用雙級(jí)或復(fù)疊式壓縮機(jī)組。一般都具備自動(dòng)壓塞、在位清洗(CIP)、在位蒸汽滅菌(SIP)等功能，清洗后用水環(huán)泵抽真空，蒸汽消毒滅菌時(shí)用氣動(dòng)插銷多點(diǎn)鎖緊箱門。 凍干機(jī)各個(gè)組成系統(tǒng)的正常工作是凍干機(jī)運(yùn)行的基礎(chǔ)。充分運(yùn)用微處理機(jī)技術(shù)對(duì)各個(gè)組成系統(tǒng)進(jìn)行合理的監(jiān)控是一種節(jié)能而又高效的方法。下面將逐個(gè)分析對(duì)凍干機(jī)各組成系統(tǒng)的控制原理。..1制冷系統(tǒng)的保護(hù) 制冷系統(tǒng)在真空冷凍干燥中是必不可少的組成部件，凍干設(shè)各要求制冷系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。因此，運(yùn)用電氣自動(dòng)控制手段對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)是極其重要的。1制冷壓縮機(jī)的常規(guī)保護(hù) 制冷壓縮機(jī)的常規(guī)保護(hù)主要有： 冷卻水水壓、流量、溫度的監(jiān)視；壓縮機(jī)內(nèi)置過(guò)熱裝置動(dòng)作的監(jiān)視；壓縮機(jī)工作時(shí)對(duì)壓縮機(jī)的排氣壓力，吸氣壓力和油壓進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)警并關(guān)機(jī)。其中對(duì)油壓的監(jiān)視要求在一分鐘內(nèi)能恢復(fù)到正常值，若持續(xù)一分鐘仍未恢復(fù)正常值，保護(hù)元件即動(dòng)作等。2制冷壓縮機(jī)的收液?jiǎn)栴} 對(duì)較大系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)在停機(jī)時(shí)應(yīng)盡量地收液至冷凝器中。如果一時(shí)不可能全部收清，則在下次開(kāi)機(jī)時(shí)管路內(nèi)的積液有可能沖缸，對(duì)壓縮機(jī)構(gòu)成威脅?？梢栽谕C(jī)狀態(tài)下加裝自動(dòng)收液裝置以對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。其基本原理是；在停機(jī)狀態(tài)下監(jiān)視吸氣壓力，當(dāng)其達(dá)到一定壓力時(shí)，起動(dòng)制冷壓縮機(jī)數(shù)秒鐘，將制冷劑收入冷凝器中。3制冷壓縮機(jī)的系統(tǒng)CIC制冷壓縮機(jī)的系統(tǒng)CIC對(duì)保證制冷壓縮機(jī)在正常工作溫度下運(yùn)行，提高制冷效率有舉足輕重的作用，但是市售的CIC系統(tǒng)常常不能滿足凍干機(jī)系統(tǒng)的工作要求。當(dāng)溫度低于5000C以下時(shí)往往不能正常工作，電控系統(tǒng)對(duì)此也能助一臂之力。其原理是通過(guò)壓縮機(jī)內(nèi)置二個(gè)溫度傳感器的輸入信號(hào)，經(jīng)處理后輸出一合適的脈動(dòng)信號(hào)。使CIC始終處于正常工作狀態(tài)。 凍干機(jī)的運(yùn)行對(duì)象大部分都是電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械，因此電氣保護(hù)系統(tǒng)必須針對(duì)該類對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中缺相保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、過(guò)流保護(hù)都是必不可少的。 羅茨泵應(yīng)在系統(tǒng)真空達(dá)到一定真空度后才能起動(dòng)。過(guò)去用電接點(diǎn)真空表來(lái)解決這一問(wèn)題，現(xiàn)在采用電控方法只需幾條程序就方便地解決了。、熱媒體的溫度控制 凍干環(huán)境的控制除了對(duì)真空的控制外，對(duì)板層中流動(dòng)的媒體的溫度控制是最重要的。而對(duì)媒體循環(huán)系統(tǒng)溫度產(chǎn)生影響的因素也是很多的。比如循環(huán)泵運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量主要由媒體吸收，媒體在管路中流動(dòng)，摩擦也要產(chǎn)生熱量，制品升華過(guò)程中不同階段所吸收的熱量也不同。在如此復(fù)雜的條件下，用常規(guī)的控制模式很難達(dá)到理想的運(yùn)行要求。 但從制品工藝要求和板層的運(yùn)行狀況，以及我們對(duì)溫度的采樣可以達(dá)到 110次渺的速度來(lái)講?？梢哉J(rèn)為該系統(tǒng)滿足采樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穿越頻率。因此按連續(xù)的PID調(diào)節(jié)方式完全能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。用雙線性變換和差分法將其離散化，成為數(shù)字PID調(diào)節(jié)器?，F(xiàn)在用微機(jī)或PLC都可以很方便地實(shí)行PID控制，一般都會(huì)提供專用模塊，實(shí)現(xiàn)起來(lái)很方便。 順便提一句，除了可采用自整定法確定PID常數(shù)外，采用“擴(kuò)充臨界比例法”也能很好地確定PID常數(shù)?？芍貜?fù)地再現(xiàn)制品工藝，是在批量生產(chǎn)時(shí)保證制品質(zhì)量的重要手段，也是凍干機(jī)主要功能之一。凍干工藝曲線可以分段輸入，程序在執(zhí)行時(shí)自動(dòng)生成瞬時(shí)的設(shè)定值。該設(shè)定值在每個(gè)程序段內(nèi)可以是穩(wěn)定值也可以是上升值或下降值，因此要求凍干機(jī)溫控系統(tǒng)具有良好的跟蹤作用。為縮短凍干時(shí)間，降低能耗和成本，循環(huán)壓力凍干法是經(jīng)常被采用的一種方法。周期性地提高和降低干燥箱內(nèi)的壓力的調(diào)壓裝置可由真空隔離閥、微調(diào)節(jié)流閥、電磁閥組成。隨不同制品而異可導(dǎo)入無(wú)菌干燥空氣或惰性氣體。電氣系統(tǒng)根據(jù)周期及壓力的設(shè)定大小自動(dòng)調(diào)節(jié)電磁閥達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)真空的目的。試驗(yàn)凍干工藝時(shí)采用氣壓測(cè)量法判別干燥期終點(diǎn)是常用的一種方法。其原理是迅速關(guān)閉前后箱之間的蝶閥。此時(shí)若干燥箱內(nèi)壓力迅速上升并記錄下上升的最終壓力，然后打開(kāi)蝶閥，隔一段時(shí)間再進(jìn)行一次測(cè)量，當(dāng)氣壓上升很慢時(shí)，表示產(chǎn)品中的冰晶己全部消失，可提高溫度進(jìn)入解析干燥過(guò)程。 凍干機(jī)的控制系統(tǒng)可由各種配置方式組成。筆者在充分了解了凍千機(jī)各種控制要求和特點(diǎn)后，提出了一種可編程控制器（PLC）為核心的分布式遠(yuǎn)程通訊控制系統(tǒng)。其通訊接口采用工業(yè)控制設(shè)備常用的RS－485。該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是可靠性高，配置靈活，測(cè)量準(zhǔn)確，控制靈敏，即可以當(dāng)計(jì)算機(jī)直接接口，也可以與觸摸屏直接接口，能夠滿足凍干工藝的各種需求。該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是可靠性高，配置靈活，測(cè)量準(zhǔn)確，控制靈敏，即可以當(dāng)計(jì)算機(jī)直接接口，也可以與觸摸屏直接接口，能夠滿足凍干工藝的各種需求，其通訊接口采用工業(yè)控制設(shè)備常用的RS－485。在充分了