黃志剛, 劉 科, 劉 凱, 江玥芃

(北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院,北京 100048)

“十二五”時期是我國全面建設(shè)小康社會的關(guān)鍵時期,根據(jù)我國“十二五”規(guī)劃的總體部署,國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部聯(lián)合印發(fā)了《食品工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》,為我國未來五年內(nèi)食品工業(yè)的發(fā)展指明了方向,突出體現(xiàn)了我國加快食品工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、建設(shè)持續(xù)健康發(fā)展的具有中國特色的現(xiàn)代食品工業(yè)體系的目標(biāo)和決心.文件明確提出“十二五”的主要任務(wù)是,提高我國食品工業(yè)的裝備研制水平,突破目前食品裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造、智能控制與過程檢測、節(jié)能減排、質(zhì)量控制、監(jiān)測與檢測、安全衛(wèi)生共性技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)等關(guān)鍵裝備與配套技術(shù)方面的瓶頸,加快我國食品裝備的自主化進(jìn)程,滿足我國食品工業(yè)長期的發(fā)展需求[1].

1 食品裝備的現(xiàn)狀

根據(jù)《中華人民共和國食品安全法》,食品是指各種供人食用或者飲用的成品和原料以及按照傳統(tǒng)既是食品又是藥品的物品,但是不包括以治療為目的的物品[2].結(jié)合現(xiàn)代社會對裝備的概念界定,食品裝備可定義為在把可食用或者可飲用的原料加工成食品(或半成品)過程中所應(yīng)用的機(jī)械裝置和設(shè)備.隨著信息技術(shù)的發(fā)展,食品裝備也逐漸在傳統(tǒng)的機(jī)械裝備中嵌入了傳感器、集成電路、操作軟件等等的信息元器件,形成依賴軟件控制的機(jī)電信息一體化的食品加工裝備、系統(tǒng)或生產(chǎn)線.

1.1 食品裝備的分類

食品裝備,主要是在食品的加工環(huán)節(jié)中應(yīng)用的機(jī)械設(shè)備和裝置,大致可分為以下幾類：物料輸送、攪拌、微?；?、濃縮、干燥、殺菌、冷凍、疊層和輥壓、成型、焙烤、包裝等幾個方面的機(jī)械設(shè)備[3].

1)物料輸送機(jī)械：對原料和廢料進(jìn)行輸送的裝置.按物料的特性可分為液體和固體物料輸送機(jī)械;按輸送原理和形式可分為帶式、螺旋式、刮板式、提升斗式、振動式和懸浮氣力式輸送機(jī),氣推式輸送槽和流送槽,真空吸料裝置,液料泵等[4].

2)物料攪拌機(jī)械：對原料進(jìn)行混合的設(shè)備.主要有通用型攪拌機(jī)、調(diào)和機(jī)、打蛋機(jī)、真空和面機(jī)、干料混合機(jī)(旋轉(zhuǎn)式和固定式)等[4].

3)微?；瘷C(jī)械：通過離心、剪切、碰撞、摩擦等外力作用把物料變成微小顆粒狀的設(shè)備.常見的有均質(zhì)機(jī)(高壓式、離心式、超聲波式及噴射式[5])、膠體磨、粉碎機(jī)(沖擊式和研磨式)、切割機(jī)等.

4)濃縮機(jī)械：減少物料中不需要的部分而使需要部分的含量相對增加的設(shè)備.主要方法有過濾、蒸發(fā)、沉積、離心、壓榨等.主要的設(shè)備包括過濾器、分選機(jī)(氣流式和重力式)、真空濃縮設(shè)備(升膜式、降膜式、離心式、片式及刮板薄膜式)、榨汁機(jī)、榨油機(jī)等.

5)干燥機(jī)械：減少物料中水分的設(shè)備.食品干燥設(shè)備包括噴霧干燥機(jī)(高溫式、冷凝式)、箱式干燥機(jī)、帶式干燥機(jī)(真空)、流化床干燥設(shè)備、滾筒干燥設(shè)備、微波干燥設(shè)備、真空冷凍干燥設(shè)備、氣流干燥設(shè)備、太陽能熱泵干燥機(jī)、懸浮烘干機(jī)、低溫循環(huán)式烘干機(jī)等等.近年來還發(fā)展出一些組合干燥技術(shù)和新理論.微波真空冷凍干燥是將高效的微波輻射加熱技術(shù)和真空冷凍干燥技術(shù)相結(jié)合的一項(xiàng)組合式新技術(shù).超臨界CO2干燥則是利用在超臨界條件下CO2的氣液界面消失(不存在表面張力)的現(xiàn)象使被干燥物料得以最大程度地保留食品營養(yǎng)成分和最大限度地脫除食品水分的低溫干燥技術(shù),這種技術(shù)因?yàn)椴淮嬖谖锪蟽?nèi)部因毛細(xì)管表面張力作用下導(dǎo)致其微觀結(jié)構(gòu)改變而非常受到食品、制藥行業(yè)的追捧[6].超聲波真空噴霧干燥可以用于生產(chǎn)高活性的益生菌,可用于乳品行業(yè)[7].

6)殺菌機(jī)械：殺滅物料中致病菌的設(shè)備.常見的有直接加熱殺菌設(shè)備,管式殺菌設(shè)備,板(片)式、螺旋板式和刮板式殺菌器,儲槽式殺菌器,高壓殺菌設(shè)備,微波殺菌裝置,食品超高壓殺菌裝置,歐姆殺菌裝置,CIP清洗系統(tǒng)(又稱定位清洗線)等等[5].目前由于熱殺菌對食品品質(zhì)的影響,像前面提到的高壓殺菌、微波殺菌還有放射線殺菌、紫外線殺菌、臭氧殺菌、超聲波等都屬于冷殺菌技術(shù).冷殺菌由于殺菌條件易于控制,外界環(huán)境影響較小,由于殺菌過程中食品的溫度并不升高或升高很低,既有利于保持食品功能成分的生理活性,又有利于保持色、香、味及營養(yǎng)成分,在包裝與食品機(jī)械的設(shè)計(jì)與制造上得到廣泛的應(yīng)用[8].

7)冷凍機(jī)械：使物料凍結(jié)、凝固的設(shè)備.常見的低溫制冷設(shè)備有隧道式連續(xù)速凍機(jī)、螺旋式速凍機(jī)、升降式速凍設(shè)備、帶式凍結(jié)機(jī)、流態(tài)化速凍裝置、平板式速凍機(jī)、回轉(zhuǎn)式速凍機(jī)、液氮速凍裝置、液體CO2速凍設(shè)備等.

8)輥壓和疊層機(jī)械：把散粒狀物料擠壓成餅片狀,將之交錯重疊在一起的設(shè)備.常見的機(jī)器有臥式輥壓機(jī)、立式輥壓機(jī)、輥壓夾酥機(jī)、疊層機(jī)等.

9)成型機(jī)械：把物料制成一定規(guī)則形狀的機(jī)械.按成型原理可分為：沖印、輥印和輥切成型機(jī),膨化擠壓成型機(jī),包餡成型機(jī),擦圓成型機(jī),卷繞成型機(jī).按食物類型可分為：餅干、面包、糕點(diǎn)、餛飩、饅頭、餃子、通心粉、餡餅、面條等等各種食品成型機(jī).

10)焙烤機(jī)械：在物料燃點(diǎn)之下通過干熱的方式使物料脫水變干變硬的烤爐.按結(jié)構(gòu)可分為箱式、隧道式、風(fēng)車式和旋轉(zhuǎn)式烤爐;按熱源可分為普通電爐、紅外烤爐、微波爐、煤爐、燃?xì)鉅t、木炭爐等.

11)包裝機(jī)械：是指能完成全部或部分食品包裝過程的機(jī)械.按主要功能可分為充填機(jī)、封口機(jī)、裹包機(jī)、多功能包裝機(jī)、封箱機(jī).

1.2 食品裝備的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)代食品工業(yè)的發(fā)展離不開食品裝備的發(fā)展,食品裝備是食品工業(yè)的物質(zhì)保障,為食品工業(yè)提供強(qiáng)有力的支撐.中國的食品裝備工業(yè)經(jīng)歷了從完全依賴進(jìn)口、到引進(jìn)模仿、再到自主創(chuàng)新的過程.作為新興行業(yè),食品裝備工業(yè)在我國食品工業(yè)強(qiáng)勁需求的推動下取得了長足的進(jìn)步.2010年,全國包裝與食品機(jī)械實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值1 825億元,增長23%,進(jìn)口32.5億元,出口19.1億元.而1986年,全國包裝機(jī)械的產(chǎn)值為8.6億元,1998年產(chǎn)值為100億元[9].

近年來,我國食品工業(yè)裝備應(yīng)用了諸如冷殺菌、超高壓、微膠囊等新技術(shù).一些主要農(nóng)副產(chǎn)品(大米、小麥、油脂、肉類及果汁)的成套加工設(shè)備及技術(shù)也取得突破性進(jìn)展.同時,我國食品裝備市場出現(xiàn)了一些很有特點(diǎn)的優(yōu)秀企業(yè).其中有數(shù)十家大型優(yōu)質(zhì)裝備的龍頭企業(yè),如煙臺冰輪、廣州達(dá)意隆、杭州中亞、南京輕機(jī)等;也有十幾家以技術(shù)為優(yōu)勢的中小型企業(yè),如成都經(jīng)緯生產(chǎn)的方便面后端自動化設(shè)備,青島海科佳的掛面自動包裝生產(chǎn)線,上海遠(yuǎn)安生產(chǎn)的流體設(shè)備及不銹鋼管件,湖南福馬科生產(chǎn)的雙螺桿擠壓機(jī)可與國際知名品牌相媲美,廣州勝川生產(chǎn)的中小型高檔特種包裝機(jī).這些企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品大量應(yīng)用了伺服控制、微機(jī)控制、智能診斷、柔性制造以及計(jì)算機(jī)圖像控制等先進(jìn)的過程控制技術(shù),憑借這些優(yōu)良的企業(yè)和他們的產(chǎn)品,我國在食品裝備的自動化道路上奪回了部分國內(nèi)市場,并成功出口創(chuàng)匯.根據(jù)中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會預(yù)計(jì),從2011到2015年中國食品裝備工業(yè)的總產(chǎn)值有望突破60 000億元人民幣,并以16%的年平均增速繼續(xù)發(fā)展.

發(fā)展形勢喜人,但存在的問題也很突出.目前我國食品和包裝機(jī)械在高端技術(shù)方面,特別是大量高科技的成套自動化設(shè)備仍主要依賴進(jìn)口.例如塑料薄膜雙向拉伸設(shè)備,一條生產(chǎn)線近1億元人民幣,截止到目前,國內(nèi)先后引進(jìn)此類生產(chǎn)線共110條.國內(nèi)乳品業(yè)大量使用的無菌包裝盒、灌裝設(shè)備幾乎都為瑞典利樂公司一家提供.而大型無菌冷灌裝、肉制品加工關(guān)鍵裝備、柑橘汁加工關(guān)鍵裝備、高效分離裝備、大型乳品生產(chǎn)線、食品品質(zhì)在線監(jiān)測以及食品分析與檢測裝備等長期依賴進(jìn)口[1].由于我國食品裝備行業(yè)起步比較晚,而且相配套的原材料和加工工業(yè)技術(shù)相對薄弱,加之研發(fā)隊(duì)伍力量不足,同時長期缺乏政府的高度重視和政策、資金的支持,造成了目前國內(nèi)食品裝備工業(yè)普遍存在整體加工能力低下、加工技術(shù)落后,食品裝備的穩(wěn)定性和安全性較差、效率低、能耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重.在2011年我國在食品科技方面的投入強(qiáng)度僅為0.4%,不僅遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家2%以上的水平,也比新興工業(yè)化國家1.5%的投入力度小,而且各類技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化程度低、覆蓋面小、標(biāo)準(zhǔn)類型不配套,標(biāo)準(zhǔn)覆蓋率僅為20%,國內(nèi)尚不能生產(chǎn)而又迫切需求的食品裝備占總數(shù)的40%之多[1].食品裝備已經(jīng)整體滯后于高速發(fā)展的中國食品工業(yè),而食品工業(yè)規(guī)模化、自動化和精細(xì)化的發(fā)展要求只好轉(zhuǎn)投國際知名食品裝備制造強(qiáng)國,從而造成目前我國食品裝備工業(yè)對國外高端技術(shù)過度依賴的局面.

由于食品裝備工業(yè)的相對落后,我國食物資源特別是大宗農(nóng)產(chǎn)品深加工比例低,半成品多,制成品少,增值轉(zhuǎn)化程度不高.2008年我國食品工業(yè)總產(chǎn)值與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值之比為0.95∶1,而發(fā)達(dá)國家這一比例約為2∶1至3∶1[10].從機(jī)械出口量看,意大利、德國和美國是目前世界上出口食品機(jī)械最多的國家,主要出口市場在歐盟區(qū)、亞洲的新工業(yè)化國家、南北美洲和非洲較為發(fā)達(dá)的地區(qū).目前全球食品包裝機(jī)械強(qiáng)國主要是德國、法國、美國、日本和意大利.德國的食品機(jī)械行業(yè)雖然以中小型企業(yè)為主,但其產(chǎn)品的技術(shù)含量、制造及加工的等級卻很高.法國的食品機(jī)械主要集中在保鮮、儲藏方面,把食品的工業(yè)化生產(chǎn)與傳統(tǒng)工藝進(jìn)行完美結(jié)合.意大利的食品裝備工業(yè)特別重視研發(fā)投入,整個行業(yè)高于60%的從業(yè)人員在做產(chǎn)品的研發(fā)實(shí)驗(yàn)工作,只有不到40%的從業(yè)人員在進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)工作.美國的食品裝備工業(yè)的發(fā)展從引進(jìn)歐洲先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)線開始,逐步發(fā)展為一套工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)模式.而日本的食品裝備工業(yè)則突出了食品安全和檢測方面的發(fā)展.雖然這些國家生產(chǎn)的食品裝備各具特色,各有所長,但都在設(shè)計(jì)和制造上采用了大量的先進(jìn)技術(shù),他們的設(shè)備集機(jī)電光和微機(jī)控制與一體,實(shí)現(xiàn)在食品生產(chǎn)過程中的柔性化、數(shù)字化、智能化和系統(tǒng)化.憑借這些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用形成了全球化的知名品牌及其核心競爭力.近年來,由發(fā)達(dá)國家倡導(dǎo)出現(xiàn)了世界各國的食品機(jī)械相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)紛紛向國際標(biāo)準(zhǔn)(或歐洲標(biāo)準(zhǔn))靠攏的熱潮,即采用國際標(biāo)準(zhǔn)或區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)作為本國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容.這種熱潮實(shí)際上推進(jìn)了全球性的食品機(jī)械技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的一致性和協(xié)調(diào)性,直接促進(jìn)了國際間食品機(jī)械技術(shù)交流和貿(mào)易往來的順暢.據(jù)中國包裝機(jī)械網(wǎng)統(tǒng)計(jì),至2005年底約有100多個國家已經(jīng)等效采用國際標(biāo)準(zhǔn)或歐洲標(biāo)準(zhǔn),使國際標(biāo)準(zhǔn)的趨同化成為世界食品機(jī)械發(fā)展的一大主流.

2 過程控制的現(xiàn)狀

根據(jù)全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會審定公布的定義可知,過程控制(process control)是為達(dá)到規(guī)定的目標(biāo)而對影響過程狀況的變量進(jìn)行的操縱.在機(jī)械工程里,需要控制的變量一般為溫度、壓力、流量、液位和成分等等的工藝參數(shù).在食品工業(yè)生產(chǎn)中,過程控制作為解決食品安全方面的主要技術(shù)手段,得益于其控制技術(shù)最優(yōu)化與管理調(diào)度自動化相結(jié)合的多級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).

2.1 最新的過程控制技術(shù)

無論是在大規(guī)模的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中,還是在傳統(tǒng)工業(yè)過程改造中,過程控制技術(shù)對于提高產(chǎn)品質(zhì)量以及節(jié)省能源等方面均起著十分重要的作用.盡管不同的自動控制裝置執(zhí)行的任務(wù)各不相同,但其本質(zhì)都是通過控制物理參量來控制受控對象,讓其自動保持設(shè)置的規(guī)律[11].作為現(xiàn)代工業(yè)自動化控制的重要分支,過程控制開始應(yīng)用于20世紀(jì)30年代,在控制方式上經(jīng)歷了從人工到自動,在控制內(nèi)容上先后經(jīng)歷了3個發(fā)展階段：分散控制階段、集中控制階段和集散控制階段.從技術(shù)上歸納,目前成功運(yùn)用的過程控制技術(shù)有：

1)簡單過程控制：主要應(yīng)用于一些只有一個控制器的單回路控制或PID控制系統(tǒng)中[12],是最簡單最基本的一種反饋控制系統(tǒng).

2)復(fù)雜過程控制：是在簡單過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再增加計(jì)算環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)或者其他環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng).主要的復(fù)雜過程控制技術(shù)有串級控制、前饋控制、大滯后補(bǔ)償控制、比值與均勻控制、分程與選擇性控制、多變量解耦控制等[12].

3)先進(jìn)過程控制：是指基于數(shù)學(xué)模型且必須使用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng).目前主要集中在預(yù)測控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制3個方面.例如自適應(yīng)諧振神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,面向時間有序的過程辨識控制,故障診斷檢測及容錯控制,模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等[13].

4)聚類融合控制：是融合多個傳感器的數(shù)據(jù)信息,將其聚類成反映過程運(yùn)行狀況的類別,根據(jù)每一類別所描述的過程行為特點(diǎn)采取相應(yīng)的控制策略的控制系統(tǒng).主要的聚類融合方法有模式窗口與時間序列融合、模糊聚類融合、集中與分布的時間序列信息融合等[14].

5)計(jì)算機(jī)集散控制：是相對于集中式控制而言的一種新型分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).這種隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來的控制系統(tǒng)綜合了計(jì)算機(jī)、通訊、顯示及控制4方面的技術(shù),以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶可以形成一個龐大的多級過程控制和過程監(jiān)控的計(jì)算機(jī)分散控制系統(tǒng)[14].目前廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是環(huán)網(wǎng)和總線網(wǎng).

目前,過程控制正朝高級階段發(fā)展,不論是從過程控制的歷史和現(xiàn)狀看,還是從過程控制發(fā)展的必要性、可能性來看,過程控制總是朝綜合化、智能化方向發(fā)展成為計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng).一種以智能控制理論為基礎(chǔ),以計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)為主要手段,對企業(yè)的經(jīng)營、計(jì)劃、調(diào)度、管理和生產(chǎn)等進(jìn)行全方面的綜合控制,實(shí)現(xiàn)從原料進(jìn)庫到產(chǎn)品出廠的自動化和整個生產(chǎn)系統(tǒng)信息管理的最優(yōu)化[12].食品工業(yè)生產(chǎn)線若集成了先進(jìn)的加工工藝數(shù)學(xué)模型和過程控制技術(shù),就可以使食品質(zhì)量得到極大的提高,同時使企業(yè)的生產(chǎn)管理更加方便而增強(qiáng)企業(yè)的核心競爭力.近年來,自動化儀表及裝置向著智能化、數(shù)字化、模塊化、高精度化和小型化的方向發(fā)展.其中智能化是最重要的特點(diǎn),與常規(guī)儀表相比,智能儀表具有測量精度高、自動校準(zhǔn)、自動修正誤差和自診斷的能力,允許靈活地改變功能,實(shí)現(xiàn)高級控制,其最終將替代常規(guī)儀表[15].

2.2 過程控制在食品裝備方面的應(yīng)用

過程控制技術(shù)應(yīng)用于食品工業(yè),始于20世紀(jì)70年代.由于食品生產(chǎn)中可能會有致病微生物污染的危險,制成品有可能不符合食品內(nèi)的微生物含量要求或違反了食品法律等,過程控制技術(shù)開始從使生產(chǎn)過程中的一些參量保持不變從而保證食品產(chǎn)量和質(zhì)量穩(wěn)定,發(fā)展到利用各種組合儀表和巡回檢測裝置進(jìn)行食品生產(chǎn)過程的集中監(jiān)視、操作和控制,再到基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的自動化生產(chǎn)線與企業(yè)組織管理調(diào)度的完美結(jié)合,直到發(fā)展為過程控制系統(tǒng)開始與過程信息系統(tǒng)相結(jié)合后,具備過程控制技術(shù)的食品裝備有了更多的功能[16].

目前,過程控制技術(shù)在食品裝備工業(yè)的應(yīng)用非常廣泛,包括物料輸送、攪拌、微?；?、濃縮、干燥、殺菌、冷凍、輥壓和疊層、成型、焙烤、包裝等等食品裝備上基本都有過程控制系統(tǒng),如：

采用模糊集和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來決定食品工藝過程中的各項(xiàng)參數(shù),在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于分析過程控制和檢測變量之間的關(guān)系時,應(yīng)用模糊集來解釋檢測到的變量[15].

基于變頻技術(shù)的食品輸送帶變速控制,相比傳統(tǒng)手動機(jī)械式變速,利用變頻技術(shù)的交流調(diào)速技術(shù)可以大大減少傳送帶變速時物料位置、姿態(tài)的改變.

由芯片控制的新型脈沖式氣流混合設(shè)備,相比于常見的機(jī)械式雙螺旋錐形混合設(shè)備具有批處理能力大、混合速度快、混合均勻度高、單位能耗低等特點(diǎn),特別適合于大批量物料的短時間均勻混合操作.

在傳統(tǒng)的均質(zhì)機(jī)上增加于HMI、PLC、變頻器等控制單元,采用模糊控制與PLC控制算法復(fù)合,可以有效解決傳統(tǒng)均質(zhì)機(jī)控制系統(tǒng)在加熱控制時溫度超調(diào)量過大、加熱控制時間過長的問題.

集散控制系統(tǒng)在真空濃縮設(shè)備上的應(yīng)用,有效解決了使用中對溫度、壓力、流量、液位等過程參數(shù)的監(jiān)視和控制問題.這種控制系統(tǒng)還可以進(jìn)行多個過程參數(shù)的串級控制以實(shí)現(xiàn)不同的濃縮需求.

復(fù)雜控制技術(shù),應(yīng)用于真空冷凍干燥機(jī)上可實(shí)現(xiàn)對真空、加熱、制冷、冷凝、除霜等工作部件的控制,應(yīng)用于噴動床干燥設(shè)備上可實(shí)現(xiàn)對物品顆粒懸浮控制,應(yīng)用于真空帶式干燥機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)膏類物料的干燥顆粒的可控性,應(yīng)用于微波干燥機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)微波干燥的溫度恒定控制,應(yīng)用于普通流化床干燥機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)干燥介質(zhì)與物料的溫濕條件的聯(lián)動控制,應(yīng)用于太陽能熱泵上可以控制太陽能與其他熱源的耦合干燥應(yīng)用.計(jì)算機(jī)集散控制技術(shù),使受阻于控制低氣壓氣體放電難題的微波真空冷凍干燥系統(tǒng)得到較快的發(fā)展,并促進(jìn)了超臨界CO2干燥技術(shù)的發(fā)展.

在以往食品加壓殺菌設(shè)備上增加集成控制電路,可以實(shí)現(xiàn)低壓、高壓以及超高壓殺菌之間的轉(zhuǎn)換.利用高壓電子脈沖輸出控制電路及過流過壓保護(hù)電路可以進(jìn)行食品的非熱殺菌技術(shù)控制.對現(xiàn)有的食品蒸汽殺菌鍋安裝PID控制單元就可以監(jiān)控殺菌鍋工作時全程的溫度變化,對多臺不同性能的殺菌鍋都安裝控制器可以通過聚類融合技術(shù)或現(xiàn)場總線技術(shù)監(jiān)控所有殺菌過程.

3 發(fā)展與展望

3.1 我國食品裝備的發(fā)展目標(biāo)

根據(jù)國家“十二五”規(guī)劃,我國食品裝備的發(fā)展主要集中在兩個方面[1].

在通用裝備方面,重點(diǎn)集中在：1)在食品的殺菌方面,重點(diǎn)發(fā)展大型的智能化連續(xù)超高溫瞬時滅菌,粉類殺菌,微波殺菌,膜除菌,超高壓殺菌等設(shè)備;2)在食品的節(jié)能干燥方面,重點(diǎn)發(fā)展太陽能干燥,真空微波組合新型干燥設(shè)備,熱風(fēng)高效節(jié)能干燥;3)在食品高效分離和濃縮方面,重點(diǎn)發(fā)展膜式錯流過濾及高效蒸發(fā)濃縮,大型高速碟片離心,芳香物質(zhì)分離提純,臥螺離心等設(shè)備;4)在食品冷藏方面,重點(diǎn)開發(fā)鋼帶速凍,高效制冰,真空冷卻流態(tài)化速凍,雙螺旋速凍等裝備;5)在食品裝備方面,重點(diǎn)發(fā)展高速無菌灌裝,高速吹瓶設(shè)備等.在行業(yè)專用裝備方面,重點(diǎn)開發(fā)油料加工,乳制品加工,畜禽屠宰加工,糧食加工,水產(chǎn)品加工,果蔬加工,飲料制造,食品包裝及食品檢測與控制等裝備.

具體來講：在油料加工上,主要以大型油料加工裝備為主,重點(diǎn)發(fā)展節(jié)能脫臭設(shè)備和木本油料加工裝備、高溫輸送泵、高壓蒸汽爐、低溫脫溶裝備的關(guān)鍵技術(shù).在乳制品加工上,自動控制和機(jī)電一體化對于乳品加工技術(shù)的改進(jìn)和乳品加工效率的提高都具有重要的影響作用,而且自動控制技術(shù)和機(jī)電一體化也是未來的發(fā)展趨勢[17],主要以發(fā)展大型機(jī)械化擠奶系統(tǒng)及牛奶預(yù)處理、長貨架期酸奶包裝、牛奶高速紙包裝、大型低溫制粉、大型牛奶加工成套(5 000～10 000包/h)以及大型干酪生產(chǎn)裝備為主.在畜禽屠宰加工上,主要發(fā)展隧道式蒸汽燙毛機(jī)、連續(xù)自動去毛、多工位扒皮裝備,家禽自動化掏膛和稱量分級裝備,全自動低壓高頻三點(diǎn)式致昏裝備,畜禽胴體分級裝備,畜禽肉冷卻排酸、低溫分割裝備,病害畜禽及其產(chǎn)品無害化處理裝備,畜禽胴體激光打碼裝備,以及大型真空斬拌、滾揉、全自動定量灌裝裝備.在糧食加工上,主要發(fā)展大型雙螺桿擠壓食品加工裝備,食品工業(yè)化生產(chǎn)裝備為主.在水產(chǎn)品加工上,以遠(yuǎn)洋捕撈船載超低溫急凍冷藏、魚類加工、貝類的凈化與加工、海藻加工及綜合利用、優(yōu)質(zhì)名貴水產(chǎn)品的保鮮?；钸\(yùn)輸裝備為主.在果蔬加工上,主要以發(fā)展果蔬高速商品化處理、果蔬節(jié)能干燥、凈菜加工、傳統(tǒng)菜制品加工、果蔬預(yù)冷和冷鏈配送以及柑橘汁加工裝備為主.在飲料制造上,主要發(fā)展高速磚型包裝和高速自立袋灌裝封口裝備,超輕PET制瓶灌裝一體化成套裝備,20 000瓶/h以上的無菌或超潔凈灌裝生產(chǎn)線和飲料后包裝生產(chǎn)線,大型節(jié)能糖化裝備以及75 000瓶/h高速貼標(biāo)裝備.在食品包裝上,主要發(fā)展高速連續(xù)真空(充氣)包裝設(shè)備,較高黏度食品物料快速灌裝設(shè)備,高速模塑環(huán)保包裝設(shè)備,紙塑料薄膜裹包設(shè)備,高速高精度稱重填充設(shè)備,多層復(fù)合共擠膜生產(chǎn)線和高阻隔、耐熱、耐壓性包裝材料成型裝備,低碳、環(huán)保、抗菌塑料也在食品包裝工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[18].在食品檢測與控制上,主要發(fā)展食品加工的高效節(jié)能干燥技術(shù),高效分離、高效殺菌和高效冷卻裝備,農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測與在線監(jiān)控裝備產(chǎn)業(yè)化,以及方便食品、大宗傳統(tǒng)食品加工專用裝備和中餐菜肴的成套專用加工裝備等的研發(fā).

3.2 食品裝備過程控制的發(fā)展趨勢

為了實(shí)現(xiàn)我國食品裝備工業(yè)的發(fā)展目標(biāo),食品裝備過程控制技術(shù)將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

1)過程控制技術(shù)的柔性化.無論何種控制技術(shù)都是希望在食品裝備和食品工業(yè)的生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)柔性制造,即通過統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲運(yùn)系統(tǒng)和數(shù)字控制加工設(shè)備,過程控制系統(tǒng)能快速切換、適應(yīng)加工對象和加工要求的變換.未來食品裝備過程控制技術(shù)的柔性化將集中在機(jī)器、工藝、產(chǎn)品、維護(hù)、擴(kuò)展、運(yùn)行以及生產(chǎn)能力等多個方面.

2)過程控制技術(shù)的對象化.在食品裝備和食品工業(yè)的生產(chǎn)中采用多態(tài)、繼承、封裝、抽象的設(shè)計(jì)思想,對生產(chǎn)需求進(jìn)行合理分層,構(gòu)建相對獨(dú)立的模塊,并通過整合各模塊,達(dá)到高內(nèi)聚、低耦合的效果,從而以高效優(yōu)化的控制流程完成對生產(chǎn)需求的滿足.這種對象化的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)布局將在今后長期存在,直至計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)技術(shù)有新的跨越.

3)過程控制技術(shù)的智能化.食品裝備的智能化控制技術(shù)已經(jīng)引領(lǐng)了這個工業(yè)的發(fā)展方向.智能化控制技術(shù)使國內(nèi)的制造商在生產(chǎn)中重視監(jiān)控食品機(jī)械制造過程的材質(zhì)、加工精度和配套元器件的質(zhì)量,把穩(wěn)定性和自動化控制始終貫穿于食品裝備制造過程,實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量高效率高產(chǎn)量食品加工成套設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用,特別是研發(fā)食品精深加工設(shè)備和有機(jī)加工設(shè)備.智能化控制技術(shù)的發(fā)展得益于每項(xiàng)新原理、新技術(shù)、新材料、新工藝的應(yīng)用,也是未來高端食品裝備的主要特征.例如,在國外食品裝備中有采用光譜圖像來檢測食品工藝設(shè)備中的有機(jī)物殘留[19];采用超聲波和光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備中污垢的在線檢測與清洗[20];采用數(shù)字模擬技術(shù)對液體食品遠(yuǎn)紅外加熱巴氏殺菌過程進(jìn)行建模優(yōu)化設(shè)計(jì)[21].

4)過程控制技術(shù)的綜合化.大型食品加工成套設(shè)備生產(chǎn)線的出現(xiàn)已經(jīng)預(yù)示著控制技術(shù)在食品裝備工藝的綜合化運(yùn)用.特別是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展帶動了食品裝備向著智能、安全、環(huán)保、節(jié)能和省材等前沿科技的綜合發(fā)展.而隨著社會節(jié)約效應(yīng)的突顯和市場品味的提升,食品裝備過程控制技術(shù)的綜合將越明顯.

5)過程控制技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化.由于食品機(jī)械國際標(biāo)準(zhǔn)的趨同化發(fā)展,以食品安全衛(wèi)生為準(zhǔn)則來推進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)化和工業(yè)化,也將延伸到食品裝備過程控制技術(shù)上.這種標(biāo)準(zhǔn)化對食品裝備和食品工業(yè)生產(chǎn)的全球暢通提供平臺,對過程控制中漏洞、誤差能做到及時地防范和糾正,也可增強(qiáng)產(chǎn)品、過程和服務(wù)的適用性和溯源性.

目前,對我國食品裝備工業(yè)而言,由于我國食品科技研發(fā)投入嚴(yán)重不足,過程控制技術(shù)在食品裝備上的應(yīng)用有限,以上“五化”對我國食品裝備過程控制將是項(xiàng)任重道遠(yuǎn)的工作.

[1] 國家發(fā)展改革委,工業(yè)和信息化部.關(guān)于印發(fā)食品工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃的通知[EB/OL].(2011-12 31)[2012-10-09]http：∥www.sdpc.gov/.cn/.

[2] 全國人民代表大會常務(wù)委員會.中華人民共和國食品安全法[EB/OL].(2009-02-28)[2012-10-09]http：∥www.npc.gov.cn.

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