基于PID調節的可連續改變加熱速率的加熱板控制系統研制*
2022-03-08 08:20:04李瑞李寧李玉龍宋星儀寇小希王紹金
中國農機化學報 2022年2期
李瑞，李寧，李玉龍，宋星儀，寇小希，王紹金, 3
(1. 西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西楊凌，712100； 2. 陜西省榆林市子洲縣教學研究室，陜西榆林，718499； 3. 華盛頓州立大學生物系統工程系，美國普爾曼，99164-6120)
0 引言
因感染致病性微生物引起食品安全事故屢有發生，2018年，美國發生了因食用感染沙門氏菌的雞蛋使45人致病；同年，美國再次發生了因食用感染鼠傷寒沙門氏菌的椰子干以及沙門氏菌感染的牛肉造成食物中毒事件；被微生物污染的食品若發生霉變，品質將會降低，嚴重時霉變產生的毒素會引起食用者的健康安全問題[1]。因此在農產品加工、貯藏以及運輸過程中控制致病菌非常重要和迫切。
研究致病菌的控制技術需要能精確測試致病性微生物熱致死動力學的方法或設備，以測定特定有害微生物的熱致死動力學特性，從而選擇最佳處理工藝參數，如熱致死溫度、熱致死速率和熱致死時間等，實現食品的安全滅菌。由于密封加熱單元TDT cell具有熱導率高、耐腐蝕性好、切削加工性能好等特性，被國內外研究人員廣泛用來研究液體、半固體和固體中微生物的熱致死動力學[2-10]。研究表明影響微生物熱致死動力學的因素包括加熱溫度、加熱時間及加熱速率[4, 11-13]。常規的水浴鍋加熱TDT cell可控制加熱溫度和加熱時間，但無法對升溫速率這一重要參數進行精確控制。郭文川等[14]和李瑞等[15-16]分別研發了可控制溫度和加熱速率的試驗裝置，但這些裝置只適用于研究害蟲的熱致死動力學，不能用于研究微生物的熱致死動力學。因此本實驗室于2016年研發了一套用于建立微生物熱致死動力學的可控加熱速率的加熱板系統[17-20]。
該加熱板系統在研究微生物熱致死動力學方面具有很好的性能，有很大的應用潛力，但其所使用的控制系統由Ikediala等[21]在2000年所研發，其個別功能不能很好的幫助研究人員準確探究微生物的熱致死動力學模型，具體問題如下：(1)不能連續改變加熱速率對加熱板進行加熱。使用熱處理技術實際加熱食品時，加熱速率是變化的。而實驗室現有加熱板系統只能設置一種恒定加熱速率對加熱板進行加熱，因此該加熱板系統無法幫助研究人員模擬真實熱處理的加熱環境。(2)溫度上沖量大。加熱板在加熱不同樣品時，會出現不同程度的溫度上沖現象。通過大量試驗發現，加熱板控制系統在以較大的加熱速率加熱低水分樣品時，溫度上沖量大，無法實現熱處理殺菌環境下的真實溫度，不能保證數據的有效性。(3)上位機軟件人機交互感差。上位機軟件部分功能有待完善，比如軟件缺少對用戶的提醒功能；上位機軟件只有英文界面，部分功能缺乏詳細的使用說明，不方便我國用戶的使用。(4)價格昂貴。目前實驗室使用的加熱板系統的上位機軟件是由美國研發，價格昂貴。
因此本文自主開發了一套新加熱板控制系統，在滿足原有加熱板控制系統所有功能的前提下，新增可連續改變加熱速率模塊、智能模式(自動對加熱過程預處理，保證溫度上沖量在0.5 ℃內，解決上沖量大的問題)和一些人性化的輔助功能，如提醒功能，為研究微生物熱致死動力學提供了真實的熱處理加熱環境，保證了數據的有效性。
1 加熱板系統的組成與功能
圖1是加熱板系統整體結構示意圖，該加熱板系統包括計算機、控制器、溫度傳感器和加熱板等模塊。計算機用來提供實現人機交互界面以及系統控制功能的軟件(上位機軟件)；控制器是控制加熱板加熱的黑箱；溫度傳感器用來實時檢測上、下加熱板的溫度；加熱板是直接對加熱單元中樣品進行加熱。
加熱板系統的工作原理是溫度傳感器實時監測上、下加熱板的溫度并通過RS-485串口通信模塊將兩個溫度值傳輸到上位機軟件。上位機軟件可設置恒定加熱速率、保溫溫度和保溫時間等參數，通過串口傳輸到控制器，控制器實現對加熱板的精準加熱。該控制器主要由兩個PID溫度控制器、兩個固態繼電器、RS-485通信模塊和電源模塊構成。PID的輸入為T型熱電偶，是溫度傳感器；輸出為10 V，20 mA的脈沖，連接固態繼電器。PID溫度控制器的前面板提供用戶兩種不同的操作模式：運行模式和菜單配置模式。運行模式用以顯示過程變量的值，即顯示當前傳感器檢測到的加熱板的溫度；菜單配置模式用于瀏覽菜單選項并配置控制器。PID溫度控制器的后面板提供控制器的輸入和輸出連線方式，后面板輸出接線圖、輸入接線圖分別如圖2、圖3所示。后面板輸出接線方式中的“NO”表示常開端，“NC”表示常閉端，“C”表示公共端。“電源”端輸入是為90～240 V交流電，“輸出1”端的“NO”和“C”端口分別連接固態繼電器的輸入端；后面板輸入接線方式中的“輸入”端的“1(-)”和“2”端口分別接T型熱電偶的紅線和藍線，“RS485”端的“RTN”、“Rx”和“Tx”分別接RS-485模塊的GND、Tx和Rx。
圖2 后面板輸出接線圖
圖3 后面板輸入接線圖
控制器與上位機軟件的通信參數為波特率9 600、奇校驗、7位數據位、1位停止位。控制器的“寫入”命令控制格式為“*nnccc[]
2 上位機軟件的組成與功能
上位機軟件以Visual Basic 6.0語言作為開發工具。根據加熱板控制系統的功能設計，上位機軟件分為登錄界面和主界面。主界面(圖4)作為上位機軟件的主要功能界面，輔助用戶對加熱板進行參數設置，主要模塊包括菜單欄、溫度顯示、參數設置、參數顯示和提醒。軟件工作總體流程圖如圖5所示，其中串口通信模塊用以連接上位機軟件和控制器，實現兩者之間的數據通信。
圖4 主界面
圖5 軟件工作總體流程圖
從圖4可以看出，菜單欄模塊設置“調節方式”“校準”“使用手冊”和“退出”4個子菜單。“調節方式”提供“普通”和“智能”兩種模式；“普通模式”針對溫度上沖在誤差范圍內的加熱情況使用，“智能模式”針對加熱時溫度上沖量大的情況使用。溫度顯示模塊用以實時顯示上、下極板的溫度，幫助研究人員觀察上、下極板的溫度變化情況。參數設置模塊用于設置加熱速率、保溫溫度和保溫時間等參數，并可選擇連續加熱模式。參數顯示模塊顯示設置的加熱參數和加熱過程中的時間變化值。提醒模塊在加熱即將結束前發聲提醒。上位機軟件主要實現對加熱板的溫度檢測和控制，具體包括實時檢測并顯示上、下極板的溫度；設置加熱板所需的加熱速率、保溫溫度和保溫時間等溫度參數；實時保存溫度數據等功能。
3 上位機軟件關鍵技術
根據第2節的敘述，上位機軟件的開發主要涉及以下關鍵子程序的設計：傳感器校準、加熱速率、保溫溫度、數據保存和預處理。
3.1 傳感器校準子程序
傳感器校準子程序主要包括兩方面設計：偏移量補償和重置偏移量。偏移量補償程序設計原理如圖6所示。
圖6 溫度偏移量補償程序設計原理
首先通過軟件重置PID溫度控制器，將傳感器的溫度補償量設置為0；用戶手動將檢測上、下加熱板的T型熱電偶放于冰水混合物中，軟件自動讀取傳感器反饋回的溫度值，將溫度值取顯示溫度值的相反值作為溫度的補償量；再次重置PID控制器。此時傳感器放于冰水中，檢測到的溫度值應為0。重置偏移量的程序設計原理采用圖6所示的偏移量補償程序設計原理中的前兩步，首先使用軟件將傳感器的溫度補償量設置為0，其次重置PID溫度控制器。
3.2 加熱速率子程序
查閱PID溫度控制器的使用手冊可知：當用戶輸入PID溫度控制器的溫度設定值(Setpoint)時，PID溫度控制器根據其內部的PID控制算法輸出一定量的電壓脈沖控制固態繼電器的通斷。本程序采用定時器(Timer)控件，Timer每隔一定時間間隔自動觸發一個定時器事件；Interval屬性設置定時器的時間間隔，即決定每隔多長時間觸發一次Timer時間(ms)。基于以上原理，加熱速率子程序采用溫度設定值實時更新的方法進行設計。試驗中測試了2種方案：(1)每隔1 min，程序在當前的溫度值上加一個加熱速率的絕對值作為溫度設定值(Setpoint)賦給PID溫度控制器；(2)每隔0.1 min，程序在當前的溫度值上加一個加熱速率的絕對值的十分之一作為溫度設定值(Setpoint)賦給PID溫度控制器。通過預試驗，得出當加熱速率較大時，方案1中的加熱板溫度會出現較大的溫度上沖量，而方案2的溫度上沖量小。因此本程序采用方案2，如圖7所示。
圖7 加熱速率子程序設計示意圖
定時器(Timer)控件的Interval屬性設為6 000，即6 s加熱速率程序執行一次。程序運行后，用戶在參數列表中輸入的加熱速率Rate(℃/min)，在程序內部實際已被處理為原來的十分之一作為內部加熱速率0.1Rate(℃/min)，此時加熱板的初始溫度值為當前的環境溫度。當程序運行6 s后，程序就將初始溫度值與內部加熱速率相加后作為輸入到PID溫度控制器的溫度設定值(Setpoint)，并將新生成的溫度設定值(Setpoint)賦給初始溫度值。此時，溫度設定值(Setpoint)比環境溫度高了0.1Rate(℃)；當再經過 6 s后，程序繼續執行上述過程。在此循環下，程序每隔10個6 s，即間隔1 min后，溫度設定值(Setpoint)便在原來的基礎上增加10個0.1Rate(℃)，即每隔1 min 加熱板目標溫度上升Rate(℃)。
3.3 保溫溫度子程序
由保溫溫度對于研究微生物的熱致死動力學具有至關重要的作用，因此能否精準控制加熱板的保溫溫度是評價該控制系統控制精度的重要指標。保溫溫度程序設計原理如式(1)所示，上位機軟件控制加熱板完成加熱過程后，如果程序檢測到加熱板當前溫度(Temp)比用戶輸入的原始保溫溫度(Set_Temp)高0.2 ℃以上,則將保溫溫度值變為(Set_Temp-0.2) ℃；若低0.2 ℃以上，則恢復為(Set_Temp+0.2) ℃。該設計保證了保溫溫度在一定誤差范圍區間內波動，減少固態繼電器的切換頻率，提高其使用壽命。
(1)
3.4 數據保存子程序
本子程序保存加熱過程中上、下加熱板的過程溫度值及其對應的時間。完成本程序設計主要用通用對話框控件的Show屬性，當其值為2時，表示“另存為”對話框；DialogTitle屬性用來設置對話框的標題；Filter屬性用來指定對話框中顯示的文件類型；DefaultExt屬性用來設置默認文件類型，即擴展名。通用對話框類型選擇“另存為”對話框，對話框標題為“保存數據文件”，默認文件類型為“CSV”文件類型。
3.5 智能模式子程序
智能模式的工作原理如圖8所示，第一次試驗默認為預試驗，加熱結束后軟件自動記錄預試驗中的溫度最大上沖量upto；第二次試驗為正式試驗，用戶設置加熱板所需的目標溫度Set_Temp后，程序自動將目標溫度Set_Temp減去預試驗中記錄的溫度最大上沖量upto作為新目標溫度Set_Temp_1；當加熱板以一定速率加熱到新目標溫度Set_Temp_1后，加熱板將以一個較低的加熱速率平滑加熱到原始目標溫度Set_Temp，隨后加熱板進入保溫過程。
圖8 智能模式子程序工作原理
4 控制系統精度測試
為驗證新加熱板系統的性能，分別對該控制系統的加熱速率范圍、加熱速率、目標溫度、連續改變加熱速率、智能模式的控制精度進行了測試。
4.1 試驗材料
本試驗選擇牛奶、土豆泥和核桃外殼碾碎后的粉末(以下簡稱核桃外殼粉)為代表性的液體、半固體和固體樣品。在樣品制備過程中，牛奶是在陜西楊凌某超市購得的蒙牛純牛奶；土豆泥由15%的三花馬鈴薯全粉和85%煮沸的純凈水混合制得；核桃是在陜西楊凌某超市購得的新疆脆皮核桃，取核桃外殼，用JYL-D022型粉碎機將核桃外殼碾碎。使用美國的熱特性分析儀KD2 Pro測定了牛奶，土豆泥和核桃外殼粉的比熱容和傳熱系數，每種樣品試驗重復3次。表1為牛奶，土豆泥和核桃外殼粉在25 ℃的比熱容和傳熱系數。
表1 牛奶、土豆泥和核桃外殼粉在25 ℃的比熱容和傳熱系數
4.2 試驗方法
研究微生物的熱致死動力學，需要將微生物的初始溫度保持一致；加熱速率在0.1 ℃/min到最大加熱速率，并保證其控制精度在±0.1 ℃/min范圍；保溫溫度在25 ℃～100 ℃之間，并使其控制精度在±0.3 ℃范圍；實現連續改變微生物加熱速率，并使其控制精度在±0.3 ℃范圍；加熱不同樣品時，會出現加熱滯后性，要求控制系統可自動調整溫度上沖量，使其最大的溫度上沖仍保持在±0.5 ℃。根據上述要求，對加熱速率、目標溫度等的精度進行測試，每次測試重復3次。
4.2.1 加熱速率范圍精度測試
本研究設定3種樣品均從25 ℃加熱到60 ℃，加熱板的最大加熱速率假定為15 ℃/min，將獲得的實時溫度數據繪制成曲線，找到斜率最大的一段直線，通過線性擬合的方法，得到每種樣品的最大加熱速率。
4.2.2 加熱速率控制精度測試
根據設定的加熱板加熱速率范圍為0.1 ℃/min至15 ℃/min，本試驗選擇0.1 ℃/min、0.5 ℃/min、1 ℃/min、5 ℃/min和10 ℃/min五種試驗常用加熱速率，將3種樣品分別從25 ℃加熱到50 ℃，檢測樣品加熱速率的控制精度。
4.2.3 目標溫度控制精度測試
選擇50 ℃、70 ℃和90 ℃為目標溫度，以10 ℃/min加熱速率分別加熱牛奶、土豆泥和核桃外殼粉，觀察3種樣品的加熱曲線，探究保溫溫度是否控制在目標溫度的±0.3 ℃誤差范圍，由此來檢測目標溫度的控制精度。
4.2.4 連續改變加熱速率的控制精度測試
用10 ℃/min、5 ℃/min和1 ℃/min作為3段不同的加熱速率分別加熱牛奶、土豆泥和核桃外殼粉，用于檢測連續改變加熱速率的控制精度；3種樣品最終的保溫溫度同為90 ℃，表2為3種樣品每個加熱速率對應的目標溫度。
表2 牛奶、土豆泥和核桃外殼粉在不同加熱速率下的目標溫度
4.2.5 智能模式下的控制精度測試
經過大量預試驗可知，對于液體，目標溫度上沖量在可控制精度范圍±0.5 ℃以內。但對半固體和固體，加熱時溫度不均勻性較大，在以較大的加熱速率加熱時，溫度上沖量超過±0.5 ℃。因此智能模式下能否精準控制加熱板的目標溫度，對研究者使用智能模式控制上沖量較大的樣品加熱具有重大意義。一般而言，加熱速率越大，溫度滯后性越大；因此選擇10 ℃/min作為加熱速率，將核桃外殼粉分別加熱到50 ℃、70 ℃和90 ℃，觀察目標溫度是否出現溫度上沖過大的情況。
4.3 結果與分析
4.3.1 加熱速率范圍精度測試結果與分析
圖9顯示了加熱板以最大功率15 ℃/min加熱牛奶、土豆泥和核桃外殼粉的加熱曲線。由圖9可知，雖然加熱板的加熱速率設置為15 ℃/min，但3種樣品在加熱板下的最大加熱速率均未達到設定值。比較三者的加熱速率可得出：牛奶的最大加熱速率為13.35 ℃/min，土豆泥的最大加熱速率為13.08 ℃/min，核桃外殼粉的最大加熱速率為12.61 ℃/min。因此本上位機軟件控制下的加熱速率范圍為0.1 ℃/min至13.35 ℃/min，這與美國研發的加熱板系統的上位機軟件控制的加熱速率范圍(0.1 ℃/min～13.1 ℃/min)精度相同[17-18]。該加熱速率范圍足以模擬微生物在受到熱風、熱水和射頻處理時的熱致死特性[22-25]。
(a) 牛奶
4.3.2 加熱速率控制精度測試結果與分析
表3顯示了以5種加熱速率分別將牛奶、土豆泥和核桃外殼粉從25 ℃左右加熱到50 ℃的實際加熱速率。
表3 不同加熱速率控制精度試驗結果
由表3可知，當加熱速率不大于1 ℃/min時，實際加熱速率與設置的加熱速率相同，最大標準差為0.002 ℃/min；當加熱速率設置為5 ℃/min時，牛奶和核桃外殼粉的實際加熱速率為5.0 ℃/min，土豆泥的實際加熱速率為4.9 ℃/min，最大標準差為0.09 ℃/min。當加熱速率設置為10 ℃/min時，牛奶的實際加熱速率為9.9 ℃/min，土豆泥和核桃外殼粉的實際加熱速率為10.1 ℃/min，最大標準差為0.2 ℃/min。即當加熱速率大于1 ℃/min時，加熱速率被控制在目標加熱速率的±0.1 ℃/min以內。說明隨著加熱速率的增加，該上位機軟件的加熱速率控制精度稍有降低，但仍符合控制系統的控制精度要求(目標加熱速率的±0.1 ℃/min)。因此，用該上位機軟件控制的加熱板加熱以牛奶、土豆泥和核桃外殼粉為代表的液體、半固體和固體時，加熱速率可在設定的加熱速率誤差范圍內，上升到目標溫度值，與美國研發的加熱板系統以及Ikediala等和Wang等的研究結果(加熱速率在目標加熱速率的±0.1 ℃/min)相同[17-19, 26-27]。為精確研究微生物的熱致死動力學提供了理論基礎。
4.3.3 目標溫度控制精度測試結果與分析
加熱速率越大，剛進入保溫階段的溫度波動越大[17-18, 26-27]。寇小希等[18, 20]用美國研發的加熱板控制系統以1 ℃/min、5 ℃/min和10 ℃/min的加熱速率分別加熱牛奶到50 ℃、62.2 ℃、75 ℃和牛肉碎到50 ℃、70 ℃。得出以1 ℃/min加熱牛奶、牛肉碎時，最大溫差范圍分別為0.07 ℃～0.25 ℃和0.11 ℃～0.14 ℃；以5 ℃/min加熱時，最大溫差范圍分別為0.14 ℃～0.25 ℃和0.18 ℃～0.39 ℃；以10 ℃/min加熱時，最大溫差范圍分別為0.35 ℃～0.39 ℃和0.35 ℃～0.71 ℃。因此，本試驗選擇最大加熱速率測試目標溫度的控制精度。圖10和圖11分別顯示了以10 ℃/min的加熱速率將牛奶、土豆泥和核桃外殼粉從25 ℃加熱到50 ℃、70 ℃和90 ℃的加熱曲線和剛進入保溫階段的溫度波動曲線。
(a) 牛奶
圖11 不同目標溫度控制精度試驗結果
由圖10和圖11可知，以10 ℃/min加熱3種樣品到保溫溫度時，牛奶和土豆泥樣品的溫度上沖到目標溫度的±0.3 ℃以內；而以核桃外殼粉為代表的固體樣品溫度上沖到目標溫度的0.5 ℃，20 s內溫度降到目標溫度的0.3 ℃以內，比寇小希等[18]用美國研發的加熱板控制系統溫度上沖小，而且符合保溫溫度在設定的目標溫度的±0.3 ℃區間內波動；這樣的區間波動對致病微生物的熱耐性影響很小[28]，可忽略不計。
4.3.4 連續改變加熱速率的控制精度測試結果與分析
圖12顯示了以10 ℃/min、5 ℃/min和1 ℃/min三段加熱牛奶、土豆泥和核桃外殼粉的加熱曲線。表4和圖13分別顯示了以10 ℃/min、5 ℃/min和1 ℃/min 三段加熱牛奶、土豆泥和核桃外殼粉的加熱曲線的實際加熱速率和剛進入保溫階段的溫度波動曲線。
結合圖12，圖13和表4可知：連續加熱模式下，牛奶、土豆泥和核桃外殼粉的實際加熱速率均控制±0.1 ℃/min范圍以內；3種樣品的保溫溫度同樣保持在目標溫度的±0.3 ℃ 以內，符合研究微生物熱致死動力學對試驗精度的要求；說明該上位機軟件控制下的連續加熱模式具有很好的控制性能。
(a) 牛奶
表4 連續改變加熱速率的實際加熱速率控制精度試驗結果
圖13 連續改變加熱速率的最終目標溫度控制精度試驗結果
4.3.5 智能模式下的控制精度測試結果與分析
圖14顯示了以10 ℃/min的加熱速率將核桃外殼粉分別加熱到50 ℃、70 ℃和90 ℃的曲線。由圖14可知：加熱板在加熱核桃外殼粉時，第一次預試驗出現了很大的溫度上沖量；但在第二次的正式試驗中，該軟件很好地將目標溫度控制在誤差范圍內。因此，由該上位機軟件開發的智能模式，能夠實現自動調整溫度上沖，將最終保溫溫度控制在目標溫度的誤差范圍內。
圖14 智能模式下不同目標溫度的加熱曲線
5 結論
本研究利用VB語言編寫了加熱板控制系統的上位機軟件。該上位機軟件可實現對加熱板的恒定加熱速率加熱、連續改變加熱速率加熱、保溫溫度和保溫時間的實時監控和顯示，并且具有調整溫度上沖，保存數據等功能。以牛奶、土豆泥和核桃外殼粉為代表性的液體、半固體和固體樣品，對加熱板控制系統的控制精度進行了測試。結果表明：(1)該加熱板的加熱速率范圍為0.1～13.35 ℃/min；(2)加熱速率的控制精度為±0.1 ℃/min；(3)保溫溫度的控制精度為±0.3 ℃；(4)連續改變加熱速率模式時，各個加熱段的加熱速率和保溫溫度也滿足上述精度；(5)智能模式下加熱板可精確控制在目標溫度的±0.3 ℃誤差范圍內。因此，設計的加熱板控制系統的上位機軟件能準確控制食品微生物在加熱過程中的溫度變化情況，為研究人員探究微生物的熱致死動力學提供重要依據。
