空气热源泵动态烘烤系统
技术领域
本发明涉及烘干自动化技术领域，尤其涉及一种空气热源泵动态烘烤系统。
背景技术
世界绝大多数国家中，无论是人们的主食，还是副食品，烘焙产品都占有十分重要的位置。烘焙产品也称为烘烤产品，既包括经烘烤加工的谷类食品，通常代指面包、饼干等糕点，又包括烘烤的熏肉、烘焙的茶叶等其他种类的食品。
中国自改革开放以来，焙烤食品行业得到了较快的发展，随着中国经济的进一步发展，消费者对焙烤食品的需求也日益呈现出高品位，质量的要求，这对焙烤行业的企业提出了更高的要求。但是，目前我国焙烤行业仍存在很多问题，如何针对目前的形式，采取相应措施来促进本行业的发展尤为重要。
现在我国的烘烤产品与世界其它国家相比，还有相当大的差距。不管是烘烤加工技术、烘烤成品质量，还是生产规模、产品种类方面，还有大量的工作要做。
烘烤是决定烘烤产品最终质量和可用性的一个重要环节，烘烤最终质量的外观商品等级指标如颜色、光泽、油分等品质因素，以及内在的化学成分和香气吃味指标，只有通过烘烤调制后才能表现出来。常规人工烘烤需要由工人进行现场监控，在烘烤的过程中，绝大部分依靠人工经验和手工操作，不仅所需的劳动强度大，而且承担的风险高，烘烤技术难于掌握，烘烤失误、烤糊等现象普遍存在，烘烤损失较为严重。
近年来，我国烘烤行业的自动或半自动化发展还处于初级起步阶段，在自动或半自动化烘烤设备的生产中，最急需解决的问题是较正确地落实烘烤工艺、减少烘烤用工、减轻劳动强度、提高烘烤效益，其解决方案是采用配套自动控制系统，部分或全部代替人工烘烤，准确执行标准化的烘烤工艺，最大程度较少烘烤劳动强度和管理成本，提高烘烤质量。
目前的自动或半自动化烤箱，通常仅设计了几种基于时间的烘烤模式，每种烘烤模式设置有固定的烘烤时间，随时间进度对烘烤的温度和湿度进行控制。但这种烘烤控制方式很难灵活的适应不同的烘烤应用环境，不能够根据食物的实际烘烤进度自适应调整对烘烤温度和湿度的控制，烘烤工艺的准确性和烘烤质量都较难得到保证。
针对现有技术中存在的上述问题，为了解决现有技术中的烘烤控制技术自适应调整性能有限、烘烤工艺的准确性和烘烤质量较难得到保证的问题，本发明提供了一种空气热源泵动态烘烤系统及方法，以提升对食物烘烤过程的自适应调整性能，更好的保证烘烤工艺的准确性和烘烤质量。
发明内容
为此，本发明提供一种空气热源泵动态烘烤系统，用以克服现有技术中烘烤质量低的问题。
一方面，本发明提供一种空气热源泵动态烘烤系统，其通过对烤箱内物料的进行监控，并根据检测到的不同状态使用不同的烘烤工艺，包括：
与中控计算机进行数据通信连接，用以接收中控计算机发送的烘烤温度设定值的PID控制器；
与PID控制器电连接，用于根据PID控制器的控制操作对烤箱内的食物进行烘烤加热的烘烤加热器；
与PID控制器电连接，用于根据PID控制器的控制操作调节烤箱通风通道的开闭以及通风量大小的通风调节设备；
置于烤箱内，与PID控制器数据连接，用于采集烤箱内的实际温度和实际湿度并传送给PID控制器的温湿度传感。
进一步地，所述电子鼻与中控计算机进行数据通信连接，用于采集烤箱内的实际气体成分并传送给中控计算机。
进一步地，所述中控计算机存储有被烘烤食物的食物烘烤监控信息表；所述中控计算机用于获取电子鼻采集的烤箱内的实际气体成分，将烤箱内的实际气体成分与被烘烤食物的食物烘烤监控信息表中记录的被烘烤食物在各个烘烤阶段所对应散发的特征气体成分进行对比，并通过查询被烘烤食物的食物烘烤监控信息表确定被烘烤食物所处的烘烤阶段对应的烘烤温度设定值和烘烤湿度设定值，并将被烘烤食物所处的烘烤阶段对应的烘烤温度设定值和烘烤湿度设定值发送给PID控制器。
进一步地，所述采集控制子系统还包括云台摄像机；
所述云台摄像机置于烤箱内，与中控计算机进行数据通信连接，用于根据中控计算机的控制操作采集烤箱内的视频图像并传送给中控计算机；
所述中控计算机还用于对云台摄像机进行控制操作，获取云台摄像机采集的烤箱内的视频图像并进行显示处理。
进一步地，所述采集控制子系统有多个，各个采集控制子系统分别与中控计算机数据通信连接，且每个采集控制子系统用于对应一个烤箱，从而实现对多个烤箱内的食物烘烤过程进行监控。
另一方面，本发明提供了一种空气热源泵动态烘烤系统的烘烤过程，包括：
步骤1：预先在中控计算机中存储并设定被烘烤食物的食物烘烤监控信息表，所述食物烘烤监控信息表中记录有被烘烤食物在各个烘烤阶段所对应散发的特征气体成分以及被烘烤食物各个烘烤阶段对应的烘烤温度设定值和烘烤湿度设定值；
步骤2：将被烘烤食物放入烤箱内，启动食物烘烤过程；
步骤3：电子鼻实时采集烤箱内的实际气体成分并传送给中控计算机；温湿度传感器实时采集烤箱内的实际温度和实际湿度并传送给PID控制器；
步骤4：中控计算机获取电子鼻采集的烤箱内的实际气体成分，将烤箱内的实际气体成分与被烘烤食物的食物烘烤监控信息表中记录的被烘烤食物在各个烘烤阶段所对应散发的特征气体成分进行对比，根据烤箱内的实际气体成分所包含的特征气体成分确定被烘烤食物所处的烘烤阶段，进而通过查询被烘烤食物的食物烘烤监控信息表确定被烘烤食物所处的烘烤阶段对应的烘烤温度设定值和烘烤湿度设定值，并将被烘烤食物所处的烘烤阶段对应的烘烤温度设定值和烘烤湿度设定值发送给PID控制器；
步骤5：PID控制器接收中控计算机发送的烘烤温度设定值和烘烤湿度设定值，并获取温湿度传感器采集的烤箱内的实际温度和实际湿度，根据烤箱内的实际温度和实际湿度对烘烤加热器和通风调节设备进行控制操作，让烘烤加热器根据PID控制器的控制操作对烤箱内的食物进行烘烤加热，让通风调节设备根据PID控制器的控制操作调节烤箱通风通道的开闭以及通风量的大小，从而使烤箱内的温度和湿度分别达到烘烤温度设定值和烘烤湿度设定值；
步骤6)循环执行步骤4～5，直至食物烘烤过程结束。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的空气热源泵动态烘烤系统，能在无人值守或少人值守的环境下自动地实时采集烤箱内食物烘烤过程中的实际温度、实际湿度和实际气体成分，根据烤箱内的实际气体成分实时地准确判断食物所处的烘烤阶段，并相应调节烤箱内的温度和湿度使之达到食物所处的烘烤阶段对应的烘烤温度设定值和烘烤湿度设定值，实现对食物烘烤过程的自适应调整监控，进而提高了烘烤工艺的准确性和烘烤质量。
进一步地，本发明的空气热源泵动态烘烤系统还能够结合视频摄像技术，对烤箱内食物在烘烤过程中的色泽、性状变化进行观察和记录，以便于技术人员更好地掌控食物烘烤工艺的全过程，帮助进一步提升烘烤质量。
进一步地，本发明的空气热源泵动态烘烤系统通过计算机数据通信技术，实现对多个烤箱内的食物烘烤过程的联合监控，进一步减少了烘烤工艺控制的劳动强度，也有助于降低系统规模化建设成本。
进一步地，本发明的空气热源泵动态烘烤系统对于操作人员而言易于掌握，无需操作人员熟知大量的、成套的烘烤技术，只需通过简单劳动就可实现高质量的食物烘烤过程监控，有效促进了专业化烘烤的发展，提高了产品烘烤质量和效益，也使烘烤操作的劳动效率得以大幅提高。
附图说明
图1为本发明空气热源泵动态烘烤系统一种实施方案的构架框图；
图2为本发明空气热源泵动态烘烤系统的流程框图；
图3为本发明空气热源泵动态烘烤系统一种改进实施方案的构架框图；
图4为本发明空气热源泵动态烘烤系统另一种改进实施方案的构架框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
本发明提供了一种空气热源泵动态烘烤系统，用于对烤箱内的食物烘烤过程进行监控，以解决现有技术中的烘烤控制技术自适应调整性能有限、烘烤工艺的准确性和烘烤质量较难得到保证的问题。如图1所示，本发明的空气热源泵动态烘烤系统主要由中控计算机以及与中控计算机数据通信连接的采集控制子系统构成；一套采集控制子系统则主要包括有烘烤加热器、通风调节设备、温湿度传感器、PID控制器和电子鼻等设备。
烘烤加热器置于烤箱内，与PID控制器电连接，用于根据PID控制器的控制操作对烤箱内的食物进行烘烤加热。烘烤加热器可以选用现有常规烤箱所采用的烘烤加热器件，是市购成熟产品，具体选用的烘烤加热器产品规格则根据被烘烤食物的具体对象而定。
通风调节设备与PID控制器电连接，用于根据PID控制器的控制操作调节烤箱通风通道的开闭以及通风量的大小。在具体应用而言，作为一种实施方案，通风调节设备可以主要由设置于烤箱进风口的进风机以及设置于烤箱出风通道的电控风门构成，该进风机和电控风门分别与PID控制器电连接，根据PID控制器的控制操作分别调节进气量的大小和出风通道的开闭，从而实现对烤箱通风通道开闭以及通风量大小的调节功能；作为另一种实施方案，通风调节设备可以主要由设置于烤箱进风通道的电控风门以及设置于烤箱出风口的抽风机构成，该电控风门和抽风机分别与PID控制器电连接，根据PID控制器的控制操作分别调节进气通道的开闭和抽风量的大小，从而实现对烤箱通风通道开闭以及通风量大小的调节功能。
温湿度传感器置于烤箱内，与PID控制器数据连接，用于采集烤箱内的实际温度和实际湿度并传送给PID控制器。温湿度传感器为现有的成熟产品，可通过市购获得，例如可以采用西门子模拟量扩展模块EM231CN，其中包含有温湿度传感器为干湿球PT100传感器，以实现对烤箱内实际温度和实际湿度的采集；干湿球PT100传感器的温度测量精度约为±0.5％F·S±1D，湿度测量精度约为±2％F·S±1D，测温范围在0～120℃之间，测湿范围为5％-100％RH，工作电源为交流220V±10％、50Hz，每小时功耗小于5W，并且具备八段温湿度编程功能以及RS485通信功能，性能优良。
PID控制器除了分别与烘烤加热器和通风调节设备电连接、与温湿度传感器数据连接之外，还与中控计算机进行数据通信连接，用于接收中控计算机发送的烘烤温度设定值和烘烤湿度设定值，并获取温湿度传感器采集的烤箱内的实际温度和实际湿度，根据烤箱内的实际温度和实际湿度对烘烤加热器和通风调节设备进行控制操作，使烤箱内的温度和湿度分别达到烘烤温度设定值和烘烤湿度设定值。PID控制器的核心是PID控制算法(比例-积分-微分控制算法)，通过PID控制算法实现负反馈闭环控制功能能够抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈跟随设定值变化，即PID控制器根据设定值(例如本方案中的烘烤温度设定值和烘烤湿度设定值)与被控对象的实际值(例如本方案中烘烤加热器和通风调节设备工作形成的烤箱内的实际温度和实际湿度)的差值，按照PID控制算法计算出PID控制器的控制输出量，进而对被控制对象(例如本方案中烘烤加热器和通风调节设备)进行控制操作，使被控对象的实际值达到设定值。PID控制器也是现有技术中的成熟产品，例如可以选用西门子S7-200系列CPU 224XP CN AC/DC/Relay可编程PID控制器，西门子S7-200系列的PID控制器可通过设置PID控制算法的采样时间、增益、积分时间、微分时间等参数来控制烘烤加热器和通风调节设备，同时也提供RS485通信功能，可以将S7-200系列PID控制器与中控计算机进行数据通信连接，然后通过运行在中控计算机上的软件界面对S7-200系列PID控制器的相关参数进行设置和监控。
所述电子鼻与中控计算机进行数据通信连接，用于采集烤箱内的实际气体成分并传送给中控计算机。电子鼻是利用气体传感器阵列的响应图谱来识别气味的电子装置或系统，主要由气体传感器阵列、信号预处理单元和模式识别单元三部分组成。电子鼻的工作原理是：当某种气味呈现在一种活性材料制成的气体传感器面前，气体传感器能够将该气体的化学输入转换成电信号输出，采用多个气体传感器构成气体传感器阵列，该多个气体传感器对一种气味的响应便构成了气体传感器阵列对该气味的电信号输出阵列；为实现对气味的定性或定量分析，必须将气体传感器的电信号输出进行适当的预处理(消除噪声、特征提取、信号放大，归一化等)后，由模式识别单元采用合适的模式识别分析方法对其进行识别处理；理论上，每种气味对于气体传感器阵列而言都会有它对应的特征电信号阵列值，将不同气味对应的特征电信号阵列值作为电子鼻的气体神经元存储于模式识别单元中，进行气体检测时把气体传感器阵列的电信号输出阵列值与气体神经元进行对比匹配识别，便可区分和识别环境中不同的气体成分，并且还可利用气体传感器阵列对多种气体的交叉敏感性进行测量识别。电子鼻也属于现有技术，即有市购的成熟产品，也可以通过自主研发实现，具体应用中气体传感器阵列的选用以及模式识别单元中气体神经元的设定，则需要根据本发明空气热源泵动态烘烤系统所针对的被烘烤食物对象及其在烘烤过程中各个阶段所散发的特征气体成分而定；至于如何具体研究食物在烘烤过程中的不同阶段所散发的气体成分的组成情况，以及选用食物在烘烤过程中的不同阶段所散发的哪一种或哪几种气体成分作为用于区分识别食物处于相应烘烤阶段的特征气体成分，不是本发明的重点内容，本发明只需要利用被烘烤食物在烘烤过程中的不同阶段所散发的特征气体成分情况的已有研究结果，根据该研究结果选择对被烘烤食物在各个烘烤阶段所散发的各种特征气体成分分别具有良好敏感响应特性的多个气体传感器构成气体传感器阵列，并在模式识别单元中设定包含被烘烤食物在烘烤过程中各个阶段所散发的各种特征气体成分对应的气体神经元，以保证被烘烤食物在烘烤过程中各个阶段所散发的各种特征气体成分均能够被电子鼻采集和识别即可。需要说明的是，在本发明中，被烘烤食物在各个烘烤阶段所对应散发的特征气体成分，具体是指：被烘烤食物在任一个烘烤阶段所散发的气体成分之中，能够用于区分判断被烘烤食物处于该烘烤阶段的一种或多种气体成分，则作为被烘烤食物在该烘烤阶段所散发的特征气体成分；由此得到被烘烤食物在各个烘烤阶段所对应散发的特征气体成分。
中控计算机存储有被烘烤食物的食物烘烤监控信息表，所述食物烘烤监控信息表中记录有被烘烤食物在各个烘烤阶段所对应散发的特征气体成分以及被烘烤食物在各个烘烤阶段对应的烘烤温度设定值和烘烤湿度设定值；中控计算机用于获取电子鼻采集的烤箱内的实际气体成分，将烤箱内的实际气体成分与被烘烤食物的食物烘烤监控信息表中记录的被烘烤食物在各个烘烤阶段所对应散发的特征气体成分进行对比，根据烤箱内的实际气体成分所包含的特征气体成分确定被烘烤食物所处的烘烤阶段，进而通过查询被烘烤食物的食物烘烤监控信息表确定被烘烤食物所处的烘烤阶段对应的烘烤温度设定值和烘烤湿度设定值，并将被烘烤食物所处的烘烤阶段对应的烘烤温度设定值和烘烤湿度设定值发送给PID控制器。中控计算机可以采用现有技术的个人计算机实现，通常包括主机、数据采集卡、显示器等个人计算机的构成部分，主要用于实现远端中央集成监控操作功能，实现人机对话；当然，实现上述功能需要在中控计算机中设计相应的烘烤监控软件，该烘烤监控软件可在windows XP操作系统、windows7操作系统、windows server 2003操作系统等常用的计算机操作系统平台之上利用delphi等软件设计工具加以设计研发，设计完成的烘烤监控软件相应地在在windows XP操作系统、windows7操作系统、windows server 2003操作系统等常用的计算机操作系统平台上得以运行，实现人机对话功能，用以进行上述的烘烤监控操作。在本发明方案中，如果采集控制子系统中与中控计算机进行数据通信连接的设备均采用RS485通信接口，则中控计算机也采用RS485通信接口的数据采集卡即可；而通常个人计算机的串口设计中仅采用了RS232通信接口的数据采集卡，在这种情况下，如果采集控制子系统中与中控计算机进行数据通信连接的设备均采用RS485通信接口，则可以通过RS485转RS232接口转换器实现采集控制子系统中与中控计算机之间的数据通信连接。
本发明的空气热源泵动态烘烤系统与现有技术中基于时间的烘烤模式控制存在本质的技术差别。在现有技术基于时间的烘烤模式控制中，每种烘烤模式设置有固定的烘烤时间，随时间进度对烘烤的温度和湿度进行控制，这种烘烤控制方式很难灵活的适应不同的烘烤应用环境，不能够根据食物的实际烘烤进度自适应调整对烘烤温度和湿度的控制；例如，对于一些已经烘烤至中间阶段但从外观上很难加以明显辨别的食物，其从外观上看与全生状态时并无明显区别，如果采用基于时间的烘烤模式对其进行全程烘烤，则将会导致食物烘烤过度，影响烘烤工艺的准确性和烘烤质量。本发明的空气热源泵动态烘烤系统采用了明显区别于现有技术的监控方法。由于食物的主要成分为碳水化合物，其在烘烤过程中碳水化合物受热变化并伴随着水分蒸发，蒸发出的水分中便会携带食物中特有的碳水化合物成分，并且在食物烘烤过程中的不同阶段其蒸发水分中携带的碳水化合物也随食物受热变化情况而变化，因此食物在烘烤过程中的不同阶段所散发的气体成分的组成情况有所不同，于是，在食物的任意一个烘烤阶段所散发的气体成分之中，总可以找到一种或多种气体成分以区别判断食物处于该烘烤阶段而并非处于其它烘烤阶段，从而这一种或多种气体成分则可以作为用以区分判断食物处于该烘烤阶段的特征气体成分；本发明的空气热源泵动态烘烤系统正是利用了食物的这一特性，采用了一种基于气体成分采集和判断的空气热源泵动态烘烤系统，该监控方法的处理流程如图2所示，具体包括如下步骤：
1)预先在中控计算机中存储并设定被烘烤食物的食物烘烤监控信息表，所述食物烘烤监控信息表中记录有被烘烤食物在各个烘烤阶段所对应散发的特征气体成分以及被烘烤食物各个烘烤阶段对应的烘烤温度设定值和烘烤湿度设定值；
2)将被烘烤食物放入烤箱内，启动食物烘烤过程；
通过上述烘烤过程可以看到，本发明的空气热源泵动态烘烤系统通过循环判断和控制，能够实时地根据烤箱内食物所散发的特征气体成分判断出被烘烤食物所处的烘烤阶段，进而实时地控制烤箱内的温度和湿度分别达到被烘烤食物所处的烘烤阶段对应的烘烤温度设定值和烘烤湿度设定值，使得空气热源泵动态烘烤系统能够根据食物具体的烘烤阶段自适应调整对烘烤温度和湿度的控制，以准确的达到烘烤工艺预期要求的烘烤温度设定值和烘烤湿度设定值，因此无论被烘烤食物处于哪一个烘烤阶段，空气热源泵动态烘烤系统都能够根据食物烘烤监控信息表中记录的烘烤工艺要求对食物烘烤过程进行准确的控制，即便食物从烘烤中间阶段开始启动烘烤过程，也不会出现食物烘烤过度的过失监控操作。由此可见，本发明的空气热源泵动态烘烤系统和监控方法提升了对食物烘烤过程的自适应调整性能，能够更好的保证烘烤工艺的准确性和烘烤质量。对于具体实施而言，中控计算机中可以预先存储多种食物的食物烘烤监控信息表，在进行烘烤监控时，根据被烘烤食物的具体种类从中设定相应种类的一个作为被烘烤食物的食物烘烤监控信息表即可；当然，如果被监控的烤箱专用于烘烤一种食物，则中控计算机中只需存储和设定被烘烤食物对应的一个食物烘烤监控信息表即可。
作为本发明空气热源泵动态烘烤系统的改进方案，在上述系统构架的基础上，还可以增设视频监控功能，即在采集控制子系统中增设云台摄像机，将云台摄像机置于烤箱内，与中控计算机进行数据通信连接，用于根据中控计算机的控制操作采集烤箱内的视频图像并传送给中控计算机；中控计算机除了实现上述的监控功能之外，还用于对云台摄像机进行控制操作，获取云台摄像机采集的烤箱内的视频图像并进行显示处理；该改进方案空气热源泵动态烘烤系统的系统构架图如图3所示。在具体应用时，由于云台摄像机置于烤箱内，其工作环境温度较高，因此最好对云台摄像机加设真空隔热防护罩，保证其在高温环境下的正常工作，云台摄像机、真空隔热防护罩均为现有技术中的成熟产品，可以通过市购获得。云台摄像机主要由云台以及架设在云台上的摄像机两部分构成；云台通常需要通过编码控制器与中控计算机的数据采集卡进行数据通信连接，由中控计算机向编码控制器发送控制指令，编码控制器将控制指令解码后控制云台进行相应的摄像视角调整操作；同时中控计算机内需要增设视频采集卡，摄像机则可以直接与中控计算机的视频采集卡进行数据通信连接，将采集的烤箱内的视频图像传送给中控计算机，中控计算机获取其采集的烤箱内的视频图像后进行显示处理，通过中控计算机的显示器呈现出来，并且也可以对视频图像进行存储记录。该改进方案通过结合视频摄像技术，使得操作人员通过操作中控计算机，就能够对烤箱内食物在烘烤过程中的色泽、形态变化进行观察和记录，便于技术人员更好的掌控食物烘烤工艺的全过程，帮助进一步提升烘烤质量。
作为本发明空气热源泵动态烘烤系统在另一方面的改进方案，系统中的采集控制子系统可以有多个，各个采集控制子系统分别按前述的方式与中控计算机数据通信连接，每个采集控制子系统用于对应一个烤箱，从而实现对多个烤箱内的食物烘烤过程进行监控；该改进方案空气热源泵动态烘烤系统的系统构架图如图4所示。由此，使得本发明的空气热源泵动态烘烤系统能够得以规模化集成应用，由一个操作人员通过一台中控计算机就可以实现对多个烤箱内的食物烘烤过程的联合监控，一方面进一步减少了烘烤工艺控制的劳动强度，另一方面也有助于降低系统规模化建设成本。至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
