作者：张毅
番茄酱生产包括原料卸料、流送、刮板提升、挑选、破碎、预热、打浆精制、蒸发、杀菌、灌装、成品等十一个工艺过程，是典型的流程工业。其中蒸发工段是把番茄酱中的水分除去使其达到规定的浓度。其目的一是蒸发浓缩可以去除番茄酱中大量的水分，从而减少番茄酱的质量和体积，这样就可以大幅减少食品包装材料的使用、贮藏空间的需求和运输费用；二是食品浓缩后浓度增大渗透压升高，降低了水分活度，从而对微生物的生长环境产生影响，达到延长制品保质期的效果；三是番茄酱蒸发工段所采用的真空浓缩技术利用真空度的提高来降低加热温度，可以减少热敏性营养物质的损失，能更好的保持番茄酱的新鲜度和色泽。
番茄酱蒸发浓缩工段的出口料液浓度是该过程的重要生产指标，蒸发过程的出口料液浓度与原料参数有关，受控于蒸发过程中的液位、温度、真空度等控制变量。而真空度以及影响温度的主要因素（生蒸汽流量）均已被预先设定并保持恒定，于是番茄酱流量的大小就成为影响出口成品浓度的主要因素。进入蒸发器内的较低温度的番茄酱流量增加，在导致液位上升的同时还会降低蒸发器内番茄酱的温度，致使蒸发速率下降，出口番茄酱的浓度亦随之下降，反之亦然。由此可见，维持蒸发器内番茄酱的液位恒定不仅有利于蒸发浓缩过程的平稳高效进行，并且对于确保番茄酱浓度值稳定具有重要意义。试验以此为研究背景，在对新疆某番茄酱生产线进行调研的基础上，结合实验室的三效蒸发器模拟装置，通过对番茄酱蒸发浓缩工艺过程的模拟，完成了基于S7-300PLC的番茄酱蒸发浓缩过程中的液位控制系统设计。
1 三效蒸发器工艺特点及技术指标
三效逆流蒸发器是一种复杂的传热设备，如图1所示。由三效、二效、一效、电动调节阀、真空泵、冷凝釜、电动机等主要部件组成。其工艺流程如下：番茄经打浆精制后生成的茄汁被送入果汁罐，然后被果汁泵泵人三效。料液从三效蒸发器底端流出被循环泵l打入三效蒸发器加热室的管程中，与进入壳程的二次蒸汽进行热交换，在蒸发浓缩至一定浓度后利用出料泵1将料液送入二效蒸发器。与在三效中进行的蒸发浓缩过程类似，在二效蒸发器中料液与二次蒸汽换热，当浓缩达到要求后料液被送入一效蒸发器，一效蒸发器中的料液在管程中与壳程中的生蒸汽进行换热并在循环泵3的作用下持续在效内循环，当以旁通管路方式安装在一效循环泵出口的番茄酱浓度仪在线检测到料液满足浓度要求时番茄酱会被输出端子泵送至杀菌工段进行闪蒸杀菌，如不满足要求则继续在一效内循环，待蒸发浓缩至满足浓度要求后再输出。在蒸发浓缩过程中，生蒸汽进入一效蒸发器的壳程中对在管程中循环的番茄酱加热，由于番茄酱蒸发产生的二次蒸汽中夹带有雾沫和液滴，故应实施汽液分离，分离出的料液在管程中继续循环直至浓度达到要求后被送出蒸发浓缩工段，而蒸汽则进入二效蒸发器继续进行加热浓缩，产生的二次蒸汽进入三效对刚被果汁泵泵入三效的新鲜茄汁加热，生成的二次蒸汽经汽液分离后进入冷凝釜与冷却水换热产生冷凝，冷凝液进入贮槽后由泵送出蒸发系统。另外，在蒸发过程中不凝性气体的存在会降低系统真空度，从而导致各效料
液沸点提高，汽耗增加。并且不凝性气体会在管程外壁附着形成气膜使得蒸汽和料液之间的传热速率下降。因此，对于蒸发系统中存在的不凝性气体，应在冷却后及时用真空泵抽出。
为了能够对番茄酱蒸发浓缩过程的各项重要指标有一个深入全面的了解，对新疆某番茄酱生产线进行了现场实地调研，由现场测量数据可知：从果汁罐经由果汁泵泵入三效的番茄汁浓度约为4.5%Brix，经蒸发浓缩后番茄酱浓度为27% Brix，后又经杀菌工段高温闪蒸杀菌，最终产品浓度为28%Brix。三效的料液温度为49.1℃，压力为-0.83 Bar;二效料液温度为
63.5℃，压力为-0.71 Bar；一效料液温度为76.4℃，压力为-0.56 Bar。效与效之间的温差均大于12℃，能有效保证各效的蒸发强度。通过上述数据可以看出从一效至三效真空度逐次升高，蒸发器内压力将随之降低，汽化潜热随之增加，对节约汽耗不利，但随着真空度的提高，蒸发器内料液的沸点降低，料液加热至沸点所需热量和浓缩后料液带走的热量相比会显著减少，因此真空度越高对节约气耗越有利，但真空度过高会增大设备能耗，且操作困难。因此在蒸发过程中应保持比较合理的真空度，以使蒸发系统稳定运行，所以要统筹兼顾，寻求最优值，经由现场反复调试，得出上述番茄酱蒸发浓缩过程中各效的合理压力值。三效的液位设定值如表l所示（表内各项指标均为液位与效体高度之比的百分数）。
通过以上列举的各项参数不难看出进入蒸发器各效的蒸汽温度及各效压力存在一定差值，料液会由于压差的存在及密度的不同（因各效料液温度不同所致）而产生自动循环，从而使料液在蒸发过程中的可操纵性变差，结果会对料液流量产生影响，这必将给各效的液位带来扰动使得蒸发浓缩过程难以平稳进行，并会对番茄酱浓度产生影响。因此必须确保番茄酱的液位保持在设定值，而传统的PID算法不能有效控制像三效蒸发这样具有非线性、时变、耦合、时滞、干扰大和不确定因素多等特点的复杂过程，故本系统采用Fuzzy-PID控制器，将模糊控制器和PID控制器相结合，利用模糊控制规则和模糊推理，来设定或改变模糊控制的量化因子和比例因子，以及PID控制的比例、积分、微分系数，以求取最优控制效果。
2液位控制系统硬件设计
液位控制系统由PC机、HMI、PLC、传感器、执行器、以太网交换机等部件组成。其中，PC机作为上位机，安装有STEP7编程软件和组态王监控软件，为系统提供了良好的人机界面，可实现控制算法编程，并能在系统运行时对参数做在线设定。系统采用西门子S7-300PLC作为下位机，通过模拟量输入模块采集现场信号并进行实时处理，通过模拟量输出模块对执
行装置进行实时控制。对被控参数进行实时采集、记录，用来对控制策略的实际运行效果进行分析，并针对在系统运行过程中出现的具体问题提出解决方案。由以太网及现场总线实现上位机、HMI、PLC以及现场各传感器、执行器之间的通讯。系统拓扑图如图2所示。
3 系统控制器设计
试验仅以一效液位为研究对象进行论述，控制液位使其稳定在表1所示的设定值，上下波动范围在±1%内，其余两效液位控制原理与一效相同。
3.1对象数学模型
蒸发器模拟装置一效液位的传递函数为一阶惯性环节，表达式为：
3.2 Fuzzy-PID控制器原理及设计
在模糊控制器中U和e之间可以看成一种非线性变换，记为：U=f(e(t)，e(f))，U和u之间的关系为：U(t)=Kuu，式中Ku为比例因子。U(t)与e(t)的关系可看成非线性的比例与微分关系，即模糊控制器相当于非线性PD控制器。Fuzzy-PID控制是把模糊控制和PID控制进行结合，使控制器具有较高的控制精度以及快速、灵活、适应性强的特点，能更好的应用到液位控制系统中去。控制系统框图如图3所示。
模糊控制器采用两输入、一输出，输入量为液位的误差e及其变化率ec，输出为调节阀开度u。e，ec，u分别模糊化为E，EC，U。E的模糊子集为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，论域为{-6，6}，量化因子为0.06；EC的模糊子集为fNB，NM，NS，Z，PS，PM，PB)，论域为{-3，3}，量化因子为0.003；U的模糊子集为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，论
域为{-3，3}，比例因子为11，E，EC，U的隶属度函数如图所示。模糊控制规则采用Mamdani模糊法进行推理，如：if Ei and ECi then Ui。模糊控制规则是对控制经验的总结，规则的好坏直接影响控制效果。在设计控制规则时，要考虑到规则的完备性、交互性和一致性。解模糊法采用重心法，计算公式为：
模糊控制规则表如表2所示。
3.3控制程序设计
以液位设定值为控制目标，把液位设定值与实际值的误差大小作为改变电动调节阀开度的依据，通过控制进、出料液流量大小使被控量的液位值稳定在工艺要求的范围内，确保系统具有良好的控制品质。控制程序设计主要依据控制算法流程图来完成，具体算法流程图如图5所示。
4 PLC硬件组态
按照PLC控制屏进行硬件组态，其中PLC与上位机的通信采用以太网通信方式。硬件组态如图6所示。
5监控系统设计
采用组态王软件通过组态方法实现系统远程监控，通过组态王与PLC进行通信，从而实现对系统各相关参数的在线实时监控。根据控制策略组态的需要进行监控系统设计，实践证明，该系统具有运行稳定、可靠性高、界面友好、操作简单灵活等优点，并能实现控制器参数实时在线调整、控制液位实时曲线输出等功能。液位控制系统的监控界面如图7所示。
由于良好的抗干扰能力是生产过程实现平稳运行的重要保证，故通过对系统添加扰动的方式来加以验证，由图8可知，系统液位初始稳定运行于设定值35cm处，在运行至23 min 16 s时（监控界面纵坐标单位为cm，横坐标单位为min）遇到外界突加扰动，系统立即作出调整，由液位曲线变化情况不难看出液位能迅速趋于设定值并继续保持稳定。
6结语
基于PLC及组态技术的番茄酱蒸发浓缩过程中的液位模糊PID控制系统，可以在线实现PID参数的调整，使系统获得较理想的动静态性能，并实现了远程监控、实时数据浏览、实时和历史数据趋势曲线显示等功能。目前该系统在实验室三效蒸发器模拟装置上调试成功，液位控制能满足设计要求，同时提高了生产效率，并能精确控制蒸发浓缩工段番茄酱的浓度，有效保证了生产过程的稳定性和产品质量的一致性。
7摘要
为了实现对蒸发浓缩过程中番茄酱液位的实时控制，设计了一种基于S7-300PLC的番茄酱液位控制系统，并利用组态王软件制作人机对话界面，实现对整个系统的远程实时监控。用户可以在监控界面中对液位高度和PID参数进行设定，还可以在上位机中浏览到液位的历史变化曲线及数据，并可通过在线调整现场相关参数实现对番茄酱液位的有效控制。
