基于物联网技术的食用菌高压灭菌仓智能控制系统设计与实现

基于物联网技术的食用菌高压灭菌仓智能控制系统设计与实现

张运钞,翟昱尧,张董

郑州科技学院 

摘要：为延长果汁饮品保存日期、保证果汁食品质量,需要对果汁进行有效灭菌,其中通过高温加热方式可有效对果汁进行杀菌。杀菌工艺中温度变化又具有非线性、时变性等特点,传统PID控制方法并不能满足温度精确高效调节的要求,为此设计一款基于物联网技术的食用菌高压灭菌仓智能控制系统，介绍果汁杀菌工艺流程,在传统PID控制器中引入模糊控制理论,通过模糊控制方法实现PID参数的在线自动调节。仿真结果表明,该控制系统能够快速实现温度的收敛,在尽可能短的时间内达到目标温度,且达到目标温度后温度波动较小,该温度控制方法可有效提高杀菌效果,提升果汁品质。

关键词：物联网技术；智能控制系统；模糊PID

一、引言

果汁是一种以苹果、葡萄、梨等水果为主要原料，以糖及食品添加剂等作为辅料，经过去皮、捣碎、杀菌、灌装等工艺酿造而成的饮品。果汁中含有人体需要的营养成分且口味鲜美，从而受到众多消费者喜欢。果汁在生产过程中，主要工艺包括原料挑选、捣碎、打浆、杀菌、灌装、贴标签等。其中，果汁杀菌工艺主要通过温度进行杀菌，温度越高对于食品的杀菌效果越好、保质期也会越久，但如果温度过高会对果汁中的营养元素造成破坏，从而使得果汁品质较差，因此要保证生产出优质的果汁，需要对杀菌温度进行精确控制。

在果汁杀菌工艺温度控制过程中，通常采用PID进行控制，PID控制方法具有结构简单、响应快速、抗干扰能力强等优点。但果汁在采用套管式杀菌时，系统具有较强的非线性、时变性等特点，单纯PID控制器中参数固定不变不能根据具体情况进行自适应控制，因此在PID控制器中引入模糊控制，模糊控制方法利用模糊规则可以实现PID参数的自动调节，使得果汁杀菌温度能够快速控制在一定的杀菌温度中，从而使得果汁不仅能够有效杀菌而且可以保证质量。为此，对果汁杀菌控制系统进行设计，设计基于PLC的套管杀菌控制系统，利用PLC模拟量采集模块对杀菌温度进行采集并传送到PLC控制器中，利用模糊PID控制算法对温度进行自适应闭环控制。

二、灭菌仓工艺流程

果汁在生产过程中需要对霉菌、色泽、pH等进质量检测。其中霉菌、维生素及可溶性物质含量对于果汁的质量具有重要影响。果汁杀菌装置采用套管热交换式装置对果汁进行高温换热，从而实现杀菌目的。套管杀菌主要包括杀菌、保温以及冷却三大流程。在杀菌阶段需要保证套管式换热器温度快速达到杀菌所需要的目标温度，并始终保持在此值，从而杀死各种微生物及霉菌；保温杀菌后，则需要对果汁进行冷却降温处理，降温处理后开始对果汁进行密封灌装。在杀菌工艺过程中，最为关键的是需要对杀菌温度进行高精度、高速度控制。若杀菌温度达不到设定目标温度，会导致果汁中存在较多的微生物，从而使得果汁保质期大幅降低且存在变质风险；若杀菌温度大大超过杀菌温度，会严重破坏果汁中的营养价值，且会使得其色泽出现下降，从而导致产品质量下降。

三、项目主要研发内容及解决的关键技术

机组应具备自动操作功能，能够对PU值进行设定，可按照设定完成CIP功能；系统可实现灭菌过程的运行曲线，整个工作过程都可以被记录。机组可根据客户的不同要求、物料的不同情况，适当选配板式换热器或者管壳式换热器。高温瞬时杀菌机组以完善的安全技术文件作为支撑，安全性能更高，这也是灭菌机组的一个竞争优势。机组集成灭菌值计算及全自动控制，CIP/SIP自动清洗，专门开发PLC软件，实现不同物料不同杀菌强度控制。

四、模糊PID控制器设计

（一）传统PID控制

传统PID控制算法是利用目标值与实际值之间的误差输出结果，并对执行器进行适当控制以消除误差。该算法并不完全依赖控制对象的输入和输出特性。在工业控制领域中，通过工程人员的现场调试可以确定PID参数的最佳值，从而使得控制器获得良好的静态特性。在果汁杀菌工艺中需要根据套管温度和目标温度值之间的差值，对蒸汽阀开度进行调整，从而使温度保持在一定值。PID控制原理如图1所示。

在图1所示的PID控制框图中，y(t)为杀菌温度的实际测量值；r(t)为杀菌工艺温度控制系统温度的设定值；误差e(t)为温度测量值和目标值的差值。

图1　：PID控制原理

（二）模糊PID控制算法

模糊控制方法是一种智能控制算法，与传统PID控制算法相比，模糊控制可以不依赖数学模型，因此不需要被控对象具有精确的数学模型，这也是模糊控制理论拥有的最大优势，为控制系统设计和应用带来便利。

传统PID控制算法由于参数固定不变，在PID算法中引入模糊控制理论，可使传统PID控制器拥有参数自动变更的能力，从而使得控制器具有自适应能力。模糊PID控制器拥有2个输入和1个输出，其中温度误差和温度误差的变化量为控制器的2个输入，蒸汽阀开度则为控制系统的输出。模糊控制利用模糊规则中的知识库和模糊推理，不断对PID控制器中的参数进行调整，以适应不同情况下导致的系统变化，进而控制各个时刻误差接近于0，从而达到杀菌温度控制工艺要求。模糊自适应PID控制器根据模糊规则表对PID参数进行在线自动调节，通常模糊规则是根据现场的工程人员经验总结而来。

（三）PLC程序实现

在PLC程序中通过检测在线参数查询表，模糊控制方法在PLC中进行实现，这种编程方法可以大幅加快系统的计算速度。在模糊控制规则中，需要不断地查询模糊控制量表，为提高查询速度，采用变址寻址的方式将PID控制器结果按照一定规则分别存储到PLC的数据寄存器DT1~DT700，DT701~DT1401中。通过温度传感器将套管杀菌温度实时传送到温度采集模块中，通过程序计算出温度偏差e(t)及温度偏差de，并对e(t)和de进行模糊化处理，将处理结果存放到固定寄存器中。经过查表后得到模糊控制量，并将优化后的模糊控制参数传送到PID控制器中，最终得到优化后的Kp、Ki、Kd，模糊PID控制器将输出结构通过PLC模拟量输出模块传送到蒸汽阀控制芯片中从而实现蒸汽阀的自动调节。

五、仿真分析

为验证设计的控制系统在杀菌工艺流程中的有效性，利用MATLAB仿真软件进行仿真分析。对被控对象施加阶跃信号，并比较常规PID控制和REF神经网络控制的仿真结果。

仿真结果表明，采用模糊PID控制器时，并没有产生非常大的超调现象，在某种程度上克服常规PID控制的不足。因杀菌温度系统非线性导致的较大跟踪偏差均被减小，说明所述控制系统具有比较好的温度跟随特性和抗干扰性能，即所述控制系统能够很好地提高杀菌温度精度。

六、结论

为提高果汁杀菌温度控制精度，将物联网技术、模糊控制方法引入到传统PID控制器中，通过模糊规则实现PID参数的在线自适应调整，并在PLC中实现控制算法。仿真结果表明，该控制系统能够快速实现温度的收敛，在尽可能短的时间内达到目标温度，且达到目标温度后温度波动较小，该温度控制方法可有效提高杀菌效果，提升果汁品质。

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