摘要：為改進傳統(tǒng)的肉類解凍方式的不足，提高解凍效率并且保證解凍完成后肉類的營養(yǎng)流失最少，根據(jù)先進的低溫高濕度解凍理論，設(shè)計出低溫高濕度解凍保鮮庫，實現(xiàn)了肉類解凍以及食品保鮮功能。采用西門子S7-1200作為控制器，通過程序控制庫內(nèi)溫濕度在設(shè)定范圍并通過觸摸屏以及計算機進行實時監(jiān)測與控制。通過現(xiàn)場調(diào)試與運行，完善系統(tǒng)的可靠性，達(dá)到預(yù)期解凍效果，實現(xiàn)新型解凍保鮮模式的設(shè)計要求。

　　關(guān)鍵詞：低溫高濕度；解凍與保鮮；PLC；觸摸屏；控制系統(tǒng)

　　在如今的肉類食品處理過程中，解凍與保鮮技術(shù)尚未有突破性的改善與提高。自然解凍、水解凍以及微波解凍依然是主流的冷凍肉處理方式。但以上幾種方式都存在較大缺陷。自然解凍效率過低，并且對環(huán)境溫度有嚴(yán)格要求，溫度過高和過低都不宜采用這種方式。水解凍相較自然解凍效率有所提高但容易造成肉類表面營養(yǎng)成分的流失并且對于數(shù)量過大的冷凍肉類來說，大量水資源的消耗也不是環(huán)保之舉。目前解凍效率最高、速率最快的微波解凍由于其方式的限制，容易在解凍過程中造成解凍不均勻以及肉質(zhì)口感下降。根據(jù)先進的低溫高濕度解凍理論表明，4℃時水的密度最大，有利于熱量的交換。同時，在濕度較高的環(huán)境下，待解凍肉類表面會形成均勻的隔氧水膜，減少解凍過程中的營養(yǎng)流失。據(jù)此，可進行實際解凍系統(tǒng)的設(shè)計。

　　設(shè)計中要求系統(tǒng)通過PLC控制庫內(nèi)溫度在2℃～8℃范圍內(nèi)波動，濕度在90%左右，營造出穩(wěn)定的低溫高濕度的解凍環(huán)境并通過環(huán)境參數(shù)的改變，解凍完成后庫內(nèi)溫度在-2℃左右，實現(xiàn)解凍后的保鮮功能。

　　設(shè)計要求的低溫高濕度解凍庫由硬件系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)組成，采用上位機觸摸屏、計算機共同監(jiān)控和下位機PLC綜合控制的方法。通過溫度、濕度傳感器進行環(huán)境參數(shù)的采集，并由模擬量擴展模塊進行1信號的傳送與處理。制冷片以及冷卻水噴頭、加熱蒸汽噴頭由PLC控制工作實現(xiàn)對庫內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　1.1.1  控制器選型

　　根據(jù)應(yīng)用環(huán)境以及設(shè)計要求，控制系統(tǒng)選用西門子PLC S7-1200-1212C作為控制器，該PLC共有8個數(shù)字量輸入點、6個數(shù)字量輸出點，2個模擬量輸入輸出點。作為工業(yè)級可編程邏輯控制器，S7-1200能夠保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定并且不用借助擴展模塊實現(xiàn)計算機與PLC的無線通訊，實現(xiàn)監(jiān)控與控制功能。

　　1.1.2　輸入輸出確定

　　根據(jù)解凍庫系統(tǒng)功能設(shè)計要求，共需要3個模擬量輸入點、5個數(shù)字量輸出點。具體輸入輸出分配如表1所示。

　　1.1.3  傳感器選型

　　解凍庫內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集需要用到溫度以及濕度傳感器。為實現(xiàn)傳感器信號采集后的傳送與處理，設(shè)計需要增加西門子SM1231模擬量擴展模塊，該模塊具有4路輸入輸出點。濕度傳感器選用HM1500LF電容型濕度傳感器，工作電壓為5CDC，線性電壓輸出1～4V對應(yīng)于0～100% RH濕度范圍。該傳感器具有尺寸小，可靠性高以及極低的溫度依賴性等優(yōu)點。環(huán)境溫度傳感器以及待解凍肉類溫度傳感器皆采用PT100鉑電阻和SBWZ溫度變送器的組合，能夠準(zhǔn)確測量-50℃～100℃范圍內(nèi)溫度的變化，由于鉑金屬的穩(wěn)定性，傳感器可正常工作于多種環(huán)境中。SBWZ溫度變送器接線。

圖2　HM1500LF濕度傳感器以及SBWZ溫度變送器接線圖

　　1.1.4  解凍庫結(jié)構(gòu)組成

　　解凍庫主要采用軌道懸掛式解凍，單體解凍質(zhì)量為65～75kg肉類。主要框架結(jié)構(gòu)由外彩鋼板內(nèi)304不銹鋼組成。庫板夾層使用聚氨酯保溫板填充，減少庫內(nèi)外熱量交換?？刂撇糠滞饨訉Ｓ秒姎饪刂乒?，導(dǎo)線采用防水銅芯電纜，增強系統(tǒng)抗干擾能力。電源部分采用歐姆龍變壓器S8FS-C10024以及S8JC-Z05012C將220V交流電轉(zhuǎn)換為24VDC，12VDC為PLC等裝備供電。設(shè)置低壓斷路器，防止短路造成設(shè)備的損壞。解凍庫設(shè)計中所有輸出加裝繼電器，以提高系統(tǒng)運行的可靠性。

　　1.2  軟件系統(tǒng)

　　控制程序使用博途V13軟件進行編寫與調(diào)試以及實現(xiàn)觸摸屏的組態(tài)與通訊功能。設(shè)計通過程序控制實現(xiàn)解凍保鮮模式的運行與切換、溫濕度曲線的實時監(jiān)控與備份、計算機無線監(jiān)控與控制等功能。

　　1.2.1  解凍與保鮮模式的實現(xiàn)

　　解凍庫設(shè)計中，通過溫濕度傳感器分別采集庫內(nèi)環(huán)境參數(shù)以及待解凍肉體內(nèi)部溫度并將模擬量信號處理為標(biāo)準(zhǔn)單位下數(shù)值。模擬量處理STL程序如下所示：

　　程序1：濕度模擬量處理STL。

　　LD　　 SM0.0

　　ITD　　IW64，VD802

　　DTR　　VD802，VD810

　　LD　　 SM0.0

　　MOVR　 VD810，VD800

　　/R　　 2764.8，VD800

　　MOVR　 VD800，VD804

　　-R　　 1.0，VD804

　　*R　　 100.0，VD808

　　MOVR　 VD808，VD440

　　程序2：溫度模擬量處理STL。

　　LD　　SM0.0

　　ITD　 IW96，VD100

　　DTR　 VD100，VD96

　　LD　　 SM0.0

　　MOVR　 VD96，VD52

　　/R　　 2764.8，VD52

　　MOVR　 VD52，VD56

　　/R　　 0.025，VD56

　　MOVR　 VD56，VD60

　　-R　　 40.0，VD60

　　MOVD　 VD60，VD64

　　*D　　+94，VD64

　　MOVD　 VD64，VD68

　　-D　　+5300，VD68

　　/R　　 100.0，VD68

　　程序控制解凍庫內(nèi)溫度在2℃～8℃范圍，溫度在90%上下。一旦庫內(nèi)溫度過高，制冷片以及冷卻水細(xì)霧噴頭共同工作進行降溫；溫度過低，則僅有熱蒸汽噴頭工作進行升溫。若濕度不滿足要求，冷卻水細(xì)霧噴頭單獨工作。在符合要求的解凍環(huán)境中，風(fēng)扇工作，使待解凍肉類表面形成均勻氣流加快解凍進程。至肉塊中心溫度達(dá)到0℃±1℃時，解凍完成，自動進入保鮮模式。保鮮模式中紫外線燈工作，進行殺菌消毒。針對不同應(yīng)用群體，系統(tǒng)還設(shè)置有肉類保鮮、蔬菜保鮮兩種模式可供選擇。整體系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示。

　　1.2.2  溫濕度曲線的實時監(jiān)控與備份

　　通過博途V13軟件的HMI組態(tài)并與西門子觸摸屏KTP700通訊成功后，可在觸摸屏以及計算機上查看溫濕度的實時變化曲線。并且，程序支持曲線數(shù)據(jù)的導(dǎo)出，可通過便攜式存儲設(shè)備備份數(shù)據(jù)，以便進一步的分析與調(diào)整。解凍試驗采集的數(shù)據(jù)經(jīng)MATLAB處理后如圖4所示。

　　1.2.3  計算機無線監(jiān)控與控制

　　1) 計算機無線通訊連接：在博途V13軟件中進行工作站即PLC與計算機的無線通訊組態(tài)與配置，設(shè)置計算機的IP地址與PLC在同一局域網(wǎng)內(nèi)。在計算機系統(tǒng)控制面板中進行PG/PC接口的設(shè)置，選取S7ONLINE選項卡，即可完成無線通訊。

　　2) 觸摸屏通訊：在博途V13軟件中選取對應(yīng)的觸摸屏型號，設(shè)計所選取的型號為西門子精簡系列觸摸屏6AV2-123-2GA03-0AX0，進行硬件的組態(tài)后即可連接并進行HMI界面的繪制。觸摸屏顯示畫面如圖5所示。

圖5　觸摸屏界面

　　經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試，保證設(shè)備正常運行后，進行冷凍牛肉的解凍效果試驗。設(shè)備正常工作，庫內(nèi)溫濕度均滿足設(shè)計要求，解凍過程順利進，并且解凍完成后自動進入肉類保鮮模式。解凍完成后，解凍庫內(nèi)的凍品解凍的效果均勻一致，無氧化與黑線現(xiàn)象出現(xiàn)。與自然解凍方式對比下，低溫高濕度解凍法所解凍肉類更貼近原有色澤，肉質(zhì)更有彈性。在具體解凍參數(shù)對比中，基于S7-1200的低溫高濕度解凍法蛋白質(zhì)以及水分流失最少，并在保持了最高效解凍同時能耗最低，對環(huán)境影響極小。解凍效果如圖6所示。

圖6　試驗解凍效果與自然解凍效果對比展示

　　經(jīng)實際解凍試驗，多種解凍過程以及解凍結(jié)果相關(guān)參數(shù)對比如表2所示。

　　針對傳統(tǒng)解凍模式的不足，依據(jù)全新的低溫高濕度解凍理論基礎(chǔ)，并創(chuàng)新性的增加保鮮模式，通過西門子PLC S7-1200作為主控制器實現(xiàn)了低溫高濕度解凍保鮮庫的設(shè)計。配合西門子KTP700觸摸屏實現(xiàn)了模式切換、溫度設(shè)置、數(shù)據(jù)監(jiān)控以及多庫控制等功能，友好的人機界面有利于設(shè)備的廣泛推廣與使用，具有良好的實用性。