CN110531799B - 一种热杀菌自动纠偏智能盒 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单片机的热杀菌自动纠偏智能盒，包括实现智能盒与杀菌釜、个人电脑通信的方法、通过杀菌釜温度计算食品中心冷点温度，计算杀菌值，并改变杀菌釜温度控制序列的方法及相应电路设计。在保证食品最小杀菌值符合食品安全规定的情况下，缩短热杀菌时间，提升食品品质、节约能源，且适用于多种杀菌设备。
Description
技术领域
本发明涉及食品加工领域，具体涉及一种基于单片机的热杀菌自动纠偏智能盒。
背景技术
热力杀菌简称热杀菌，通常以蒸汽或热水作为介质，因其方便性及可靠性被广泛运用于食品工业中，用以杀灭食品中的微生物，延长食品保质期。通常用在基准温度中杀死一定数量对象菌所需要热处理的时间(min)即该产品的杀菌值F来衡量食品中的微生物致死情况，低酸性食品的基准温度常用121.1℃。工业上用食品内温度变化最缓慢的点即冷点的温度计算累计致死率值作为食品的最小杀菌值来衡量特定杀菌条件下的总体杀菌效果。
由于高温会影响食品的营养价值及风味物质，在实际热杀菌过程中，存在过度杀菌现象。若能在保证杀菌强度达到所需要求的情况下，杀菌时间越短、保温杀菌温度越低，则对食品品质的破坏越小。若能在食品的最小杀菌值达到保证食品安全的要求值后，立刻结束杀菌过程，即能最大程度地节约能源，保留食品品质。
实际热杀菌过程中由于热源短暂失效、设备压力泄露等造成杀菌釜温度意外升高或降低等偏离预设热杀菌工艺参数的情况，为避免此类情况，减少浪费，需采取一定的纠偏手段。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明基于单片机开发了一种自动纠偏智能盒，在不改变杀菌釜的原有电路及控制系统的情况下，对热杀菌过程进行工艺自动调整并实现自动纠偏，在保证食品最小杀菌值符合食品安全规定的情况下，缩短热杀菌时间，提升食品品质、节约能源。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是基于单片机开发的一种热杀菌自动纠偏智能盒，用于纠正已搭载可编程逻辑控制器PLC的杀菌釜中的杀菌过程；包括：
(1)PLC/单片机通信单元：实时读取PLC采集的杀菌釜温度序列TRi和运行状态并传输至信号处理单元；同时将信号处理单元处理的反馈信号传输至PLC。
(2)单片机信号处理单元：根据PLC/单片机通信单元获得的参数计算冷点温度Ti、实时杀菌值F2和预计杀菌值F1，将其与设定杀菌值F0比较，根据结果对杀菌釜杀菌温度进行纠偏；具体步骤如下：
(2.1)获取设置的杀菌参数，包括保温温度、冷却温度、升温时间、保温时间、冷却时间和设定杀菌值F0，生成杀菌釜的预期温度序列TRi。在杀菌过程进行中，通过读取PLC得到当前时序的实时温度T′Ri，对温度序列TRi进行更新，并根据更新后的杀菌釜温度序列T′Ri计算杀菌釜中食品中心的冷点温度Ti，计算公式如下：
其中，下标i为自然数，表示序号，T0是初始温度，k和j是杀菌釜中食品的温变因子和滞后因子。
(2.2)根据步骤(2.1)，取i为当前时刻，计算得到的冷点温度Ti计算实时杀菌值F2：
其中，Tref是低酸食品的基准温度，通常为121.1摄氏度。
当冷却时间结束时，得到的温度序列为完整杀菌序列TRI，进一步计算得到预计杀菌结束后可达到的预计总杀菌值F1：
其中，I为冷却时间结束时得到的完整杀菌序列TRI的序号。
(2.3)比较实时杀菌值F2、预计杀菌值F1与设定杀菌值F0的大小：
若F2,大于F0，则控制杀菌釜即刻进入冷却段；
若F1小于F0，当保温温度不大于设定最高温度时，保温段的杀菌温度循环上升0.5度直至其与设定杀菌值偏差为5s以内。
若F2小于F0、F1大于F0，则循环缩短保温时间10s直至其与F0偏差为5s以内；
(2.4)将纠偏方式通过PLC/单片机通信单元传输至PLC对杀菌釜杀菌过程进行纠偏。
(3)单片机/PC通信单元；将单片机中的运行记录传输至PC显示；将PLC通信参数、纠偏参数传输至单片机。
进一步地，所述PLC/单片机通信单元的硬件包括RS485或RS422串行总线和MAX232芯片，实时读取PLC数据经MAX232芯片调平后再传输至单片机。
进一步地，所述单片机/PC通信单元的硬件为FT232芯片。
进一步地，所述热杀菌自动纠偏智能盒还包括EEPROM。
本发明的有益效果在于：
通过该装置可实时读取杀菌釜的温度，计算食品中心冷点的杀菌值，与设定值比较，对热杀菌过程进行修正，以获取最为合适的保温温度和保温时间，避免过度杀菌。当热杀菌过程中由于热源不稳定出现热杀菌参数偏离设定值时，可进行纠偏调节，使最终获取的杀菌值符合预期，保证食品安全，避免了全批次报废或热力资源的浪费。该装置可与不同型号的杀菌釜进行通信，可移植性好，操作方便。
附图说明
图1是单片机、PLC与PC通信的示意图；
图2是杀菌釜智能盒维护软件的运行界面；
图3是实施例中该装置的电路图；
图4本发明中自动纠偏算法的流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种热杀菌自动纠偏智能盒，用于纠正已搭载可编程逻辑控制器PLC的杀菌釜中的杀菌过程；如图1所示，本发明的热杀菌自动纠偏智能盒包括：
(1)PLC/单片机通信单元：实时读取PLC采集的杀菌釜温度序列TRi运行状态(处于升温、保温、冷却段)并传输至信号处理单元；同时将信号处理单元处理的反馈信号传输至PLC。
(2)单片机信号处理单元：根据PLC/单片机通信单元获得的参数计算冷点温度Ti、实时杀菌值F2和预计杀菌值F1，将其与设定杀菌值F0比较，根据结果对杀菌釜杀菌温度进行纠偏；
(3)单片机/PC通信单元；将单片机中的运行记录传输至PC显示；将PLC通信参数、纠偏参数传输至单片机。
作为优选，PLC/单片机通信单元硬件包括RS485或RS422串行总线和MAX232芯片，实时读取PLC数据经MAX232芯片调平后再传输至单片机、单片机/PC通信单元硬件为FT232芯片、单片机为ATmega128芯片，其电路图如图3所示，ATmega128芯片的半双工信号RXD0、TXDO通过RS485串行总线,经MAX232芯片调节电平后，传入单片机的PE0和PE1管脚，实现与PLC之间的实时通信。在开机后每隔1s读取杀菌釜的运行状态，在杀菌程序运行时每隔10s读取PLC上的杀菌釜温度，当改变保温时间或温度时，将结果写入PLC上的相应存储位。同时利用FT232芯片，做USB转串口的驱动，实现与个人电脑的通信。如图2所示的杀菌釜智能盒维护软件，可以实现温度、时间、设定杀菌值、温度及时间在PLC上的存储位置、杀菌不同阶段的标志位等参数的写入，及杀菌完成后实际杀菌釜、温度历程等数据的读取与保存。PE2与PE3与控制器经MODBUS通信协议传递的信号相连。另外还包含了一个EEPROM，可在掉电后存储相关数据。还可以再设置三个LED灯，与PD5、PD6、PD7相连，当绿灯闪烁时说明单片机上电，当黄灯闪烁时表明正在进行通信，当红灯亮时表明出现错误。
本发明的热杀菌自动纠偏智能盒的纠偏过程如图4所示：
(2.1)获取设置的杀菌参数，包括保温温度、冷却温度、升温时间、保温时间、冷却时间和设定杀菌值F0(本实施案例中，设定杀菌值为50s)，生成杀菌釜的预期温度序列TRi。通过读取PLC得到当前时序的实时温度T′Ri，对温度序列TRi进行更新，并根据更新后的杀菌釜温度序列TRi计算杀菌釜中食品中心的冷点温度Ti，计算公式如下：
其中，下标i为自然数，表示序号，T0是初始温度，k和j是杀菌釜中食品的温变因子和滞后因子(本实施案例中，k＝0.02270，j＝10)。
(2.2)根据步骤(2.1)，取i为当前时刻，计算得到的冷点温度Ti计算实时杀菌值F2：
其中，Tref是低酸食品的基准温度，通常为121.1摄氏度。
当冷却时间结束时，得到的温度序列为完整杀菌序列TRI，进一步计算得到预计杀菌结束后可达到的预计总杀菌值F1：
其中，I为冷却时间结束时得到的完整杀菌序列TRI的序号。
(2.3)比较实时杀菌值F2、预计杀菌值F1与设定杀菌值F0的大小：
若F2,大于F0，则控制杀菌釜即刻进入冷却段；
若F1小于F0，当保温温度不大于设定最高温度时，保温段的杀菌温度循环上升0.5度直至其与设定杀菌值偏差为5s以内。
若F2小于F0、F1大于F0，则循环缩短保温时间10s直至其与F0偏差为5s以内；
(2.4)将纠偏方式通过PLC/单片机通信单元传输至PLC对杀菌釜杀菌过程进行纠偏。
在原设定温度为121摄氏度、设定保温时间为750s的情况下应用本装置进行自动纠偏。设定杀菌值为50s。在不出现温度较大偏差的情况下，运行560s时，预计杀菌值达到设定值，进入冷却段，最终食品冷点杀菌值为52.3s，达到杀菌效果节约了杀菌时间。若在杀菌过程中，由于热源短暂失效，出现实际温度低于设定控制温度的情况，该装置对杀菌釜的温度进行调节，最终在650s时进入冷却点，热杀菌过程结束后食品冷点杀菌值为51.8s符合要求。
该智能盒通过电缆直接与杀菌釜上的PLC相连，操作简单。可实时读取杀菌釜的温度，计算食品中心冷点的杀菌值，与设定值比较，对热杀菌过程进行修正，以获取最为合适的保温温度和保温时间，避免过度杀菌。相比未连接该智能盒，杀菌时间有所缩短，且最终获取的杀菌值符合预期，减小了热力资源的浪费。若出现温度偏差，也可对温度控制序列进行实时调节，实现最终杀菌值符合设定杀菌值的要求，避免了全批次报废，保证食品安全。
Claims (4)
1.一种热杀菌自动纠偏智能盒，用于纠正已搭载可编程逻辑控制器PLC的杀菌釜中的杀菌过程；其特征在于，包括：
(1)PLC/单片机通信单元：实时读取PLC采集的杀菌釜温度序列T′Ri和运行状态并传输至信号处理单元；同时将信号处理单元处理的反馈信号传输至PLC；
(2)单片机信号处理单元：根据PLC/单片机通信单元获得的参数计算冷点温度Ti、实时杀菌值F2和预计杀菌值F1，将其与设定杀菌值F0比较，根据结果对杀菌釜杀菌温度进行纠偏；具体步骤如下：
(2.1)获取设置的杀菌参数，包括保温温度、冷却温度、升温时间、保温时间、冷却时间和设定杀菌值F0，生成杀菌釜的预期温度序列TRi；在杀菌过程进行中，通过读取PLC得到当前时序的实时温度T′Ri，对温度序列TRi进行更新，并根据更新后的杀菌釜温度序列T′Ri计算杀菌釜中食品中心的冷点温度Ti，计算公式如下：
其中，下标i为自然数，表示序号，T0是初始温度，k和j是杀菌釜中食品的温变因子和滞后因子；
(2.2)根据步骤(2.1)，取i为当前时刻，计算得到的冷点温度Ti计算实时杀菌值F2：
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当冷却时间结束时，得到的温度序列为完整杀菌序列TRI，进一步计算得到预计杀菌结束后可达到的预计总杀菌值F1：
其中，I为冷却时间结束时得到的完整杀菌序列TRI的序号；
(2.3)比较实时杀菌值F2、预计杀菌值F1与设定杀菌值F0的大小：
若F2大于F0，则控制杀菌釜即刻进入冷却段；
若F1小于F0，当保温温度不大于设定最高温度时，保温段的杀菌温度循环上升0.5度直至其与设定杀菌值偏差为5s以内；
若F2小于F0、F1大于F0，则循环缩短保温时间10s直至其与F0偏差为5s以内；
(2.4)将纠偏方式通过PLC/单片机通信单元传输至PLC对杀菌釜杀菌过程进行纠偏；
(3)单片机/PC通信单元；将单片机中的运行记录传输至PC显示；将PLC通信参数、纠偏参数传输至单片机。
2.根据权利要求1所述的热杀菌自动纠偏智能盒，其特征在于，所述PLC/单片机通信单元的硬件包括RS485或RS422串行总线和MAX232芯片，实时读取PLC数据经MAX232芯片调平后再传输至单片机。
3.根据权利要求1所述的热杀菌自动纠偏智能盒，其特征在于，所述单片机/PC通信单元的硬件为FT232芯片。
4.根据权利要求1所述的热杀菌自动纠偏智能盒，其特征在于，所述热杀菌自动纠偏智能盒还包括EEPROM。
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