调香过程微量加样系统开发研究19220051203461 张翮辉

本科毕业论文

(科研训练、毕业设计)

题目：调香过程微量加样系统开发研究

姓名：张翮辉

学院：化学化工学院

系：化学工程与生物工程系

专业：生物工程

年级：2005级

学号：19220051203461

指导教师（校内）：江青茵职称：教授

指导教师（校外）：职称：

2009年6 月5日

厦门大学本科毕业论文

调香过程微量加样系统开发研究

摘要本文针对香精调配过程，阐述了一种全自动调香设备的基本设计思路，系统的结构组成，工作原理和实现方法。该系统软硬件结合统能够同时执行配料操作和配方性质的仿真，以达到调香过程自动化、精确化、信息化和智能化的目的, 并有助于调香师制定配方。

系统的硬件部分包括：PC机、机械模块、电源模块和控制模块。机械模块嵌入了一种自主开发的无阀门自动加样部件，加样任务通过若干直线电机和一台旋转马达来执行。其主要功能是根据调香师输入的配方自动实现各种液态香料的多任务进样，且具备良好的维护性和扩展性。

软件部分根据传质理论以及调香师的感官分析提出了香水中香气挥发过程的动态模型，证明了香水中溶质浓度的减少近似服从一级动力学规律．通过假设每一种香型是各种香料综合作用的结果，既同时考虑了香水和人体两方面的影响因素，又描述了各种香型随时间的动态变化情况．利用该模型可以对香水中各香型香气的时变情况进行仿真，这有助于制定调香配方．仿真与试验结果的一致性证明了该模型的正确性．

本系统最终通过工业过程先进控制及仿真组态软件XD-APC进行信号组态和图形元件组态来实现，具备简单易用的界面特性，初步验证了系统设计的合理性和可行性。

关键词香精自动进样器感官分析仿真试验设备

- 2 -

厦门大学本科毕业论文

Research and Development on the micro preparation system for fragrances

Abstracts:This paper expounds the train of thought on a full automatic equipment for the preparetion of fragrances, also its system structure, components ,operational principle and the realization methodology. This software and hardware system can implement the task of ingredient, and stimulate the property of the prescription at the same time. It could not only realize the goal of automation, informatization and precision for the perfumery process, but also help the perfumers to frame the prescription.

This hardware of this system integrates personal computer, mechanism module, power supply module and control module. A kind of injector-like part without valve mechanism module was embedded in the mechanism module, which was independently developed. The ingredient was carried out by some rectilineal electromechanicals and one turnplate motor. The main function of the proposed equipment is to automatically implement the multithreading sampling of each kind of liquid flavor according to perfumers’ prescription. And it possesses favorable maintainability extensibility.

For the software ,the dynamic model of the volatilization of scents was deduced according to the mass transfer and the sensory analysis of the perfumers. The proposed model proved that the decrease of the solute in the perfume approximately accords with the first class kinetics law. Under the assumption that each scent was the interaction of all the flavors of the perfume, not only the influence of both the perfume and human beings was considered, but also the time-varying of each scent was described. On the basis of the proposed model, the time-varying curves of scents of the perfume could be estimated, which was helpful for the decision-making of the perfumery prescription. The conformity of the simulation and the experimental results indicated the validity of the proposed model.

The whole system was actualized by the process control and simulation software named “XD-APC”through signal and the graph configuration, and it was simple and easy to handle, proving that the desigh of this system is reasonably practicable.

Key Words: fragrance automatic liquid sampler sensory analysis simulation experimentation equipment

- 3 -

厦门大学本科毕业论文

目录

引言.............................................................................................................................................. - 6 - 第一章调香过程香气模拟及自动加样研究现状.................................................................... - 7 -

1.1 概述.............................................................................................................................. - 7 -

1.2. 香气性质的基础研究................................................................................................ - 7 -

1.2.1 香型的分类方法.............................................................................................. - 7 -

1.2.2 香气强度研究理论.......................................................................................... - 9 -

1.2.3 留香时间........................................................................................................ - 10 -

1.3 调香理论方法研究成果............................................................................................ - 10 -

1.3.1 黄金分割法.................................................................................................... - 11 -

1.3.2五气调香法..................................................................................................... - 11 -

1.3.3共振理论......................................................................................................... - 11 -

1.3.4气味关系图绘图法......................................................................................... - 11 -

1.3.5三值理论......................................................................................................... - 11 -

1.3.6香精三角图法................................................................................................. - 12 -

1.3.7香精配方的计算机辅助设计......................................................................... - 12 -

1.3.8综合调香法..................................................................................................... - 12 -

1.4 精细化工品配方优化方法........................................................................................ - 13 -

1.4.1 遗传算法........................................................................................................ - 13 -

1.4.2 模拟退火算法................................................................................................ - 13 -

1.4.3 线性规划........................................................................................................ - 13 -

1.4.4 模式识别........................................................................................................ - 14 -

1.4.5 混沌免疫算法................................................................................................ - 14 -

1.5 相关的仪器及机械研究............................................................................................ - 14 -

1.5.1 电子鼻............................................................................................................ - 14 -

1.5.2 用于实验室科学研究的进样仪器.............................................................. - 15 -

1.5.3基于固态物料配方的自动配料系统............................................................. - 15 - 第二章调香过程微量加样系统总体开发设计...................................................................... - 17 -

2.1 设计背景.................................................................................................................... - 17 -

2.2 总体设计.................................................................................................................... - 17 -

2.2.1 总体组成.................................................................................................... - 18 -

2.2.2 软件部分.................................................................................................... - 19 -

2.2.3 硬件部分.................................................................................................... - 19 -

2.3 加样原理.................................................................................................................... - 20 -

2.3.1 总体工作原理.............................................................................................. - 20 -

2.3.2 加样器工作原理.......................................................................................... - 21 - 第三章基于传质与动力学方程的香气挥发模型.................................................................. - 22 -

3.1香水溶液中香料的双膜传质模型............................................................................. - 23 -

3.2 香气挥发的一级动力学模型.................................................................................... - 24 -

3.3 结合感官分析的香气挥发模型................................................................................ - 25 -

3.4 各香型的香气强度随时间变化的模型.................................................................... - 27 -

小结.................................................................................................................................... - 27 - 第四章调香过程微量加样系统的性质模拟开发及软件实现.............................................. - 28 -

4.1 XD-APC软件及仿真方法简介................................................................................... - 28 -

- 4 -

厦门大学本科毕业论文

4.2 数学建模介绍............................................................................................................ - 29 -

4.2.1 香气总体性质模型........................................................................................ - 29 -

4.2.2 香气性质时变模型........................................................................................ - 30 -

4.3 其他数学模型.......................................................................................................... - 31 -

4.3.1 香精的单价计算............................................................................................ - 31 -

4.3.2 工作任务的计算............................................................................................ - 31 -

4.4 软件的组态及微量加样过程的实现........................................................................ - 32 -

4.4.1 软件的总体介绍............................................................................................ - 32 -

4.4.2 软件的后台设置部分.................................................................................... - 34 -

4.4.2 软件操作方法简介........................................................................................ - 37 -

4.4.3 系统的维护和扩展........................................................................................ - 38 - 第五章原型机的实验及测试情况.......................................................................................... - 38 -

5.1 原型机各项设计及工作参数.................................................................................... - 38 -

5.1.1 硬件参数........................................................................................................ - 38 -

5.1.2 软件参数........................................................................................................ - 38 -

5.2 加样任务执行情况.................................................................................................... - 39 -

5.3 模拟分析情况............................................................................................................ - 39 - 结论与展望................................................................................................................................ - 40 - 致谢语........................................................................................................................................ - 42 - 参考文献: .................................................................................................................................. - 43 -

- 5 -

厦门大学本科毕业论文

引言

香料是配制香精的原料，香精是用各种香料配制而成的，香水，是用香精加酒精、水配成的，属加香产品。香料工业是精细化工中的第二大产业，据美国《化工时报》预计，2008年该工业全球年产值超过二百亿美元，亚太地区尤其是中国将是未来十年增长最迅速的地区。在香料工业的产品中，香水的附加值最高，2004年的零售额超过了250亿美元。目前国内的香料工业已发展成为拥有近千家企业、年产值数百亿元的独立的工业体系，成为国民经济中一重要部门；然而据有关报道，与发达国家相比，国内香料工业在技术和工艺上还存在较大的差距，特别是调香技术仅处于国外上世纪80年代的水平。

目前，香料香精业作为精细化工中继化工制药之后的第二大产业，相关企业近千家，形成了年产值数百亿元的规模并正在飞速增长；劳动与社会保障部于2006年发布调香师成为我国第六批职业，当前从业人员在五万名左右。然而据有关报道，与发达国家相比，国内香料工业在技术和工艺上还存在较大的差距，特别是调香技术亟待提高。调香过程的特点是：使用原料种类极多但用量少而精确，技术含量高且保密性强，需要技术和艺术的结合。为了改进和优化香精调配的操作过程，简化调香师繁琐的加样和香料信息的查询与记录步骤，高级调香师林翔云在国内最先提出了“自动调香机”的构想。本文在调研并总结调香师日常研发工作的基础上，利用现代电子信息技术和分析化学、化工等专业知识，提出了一种全自动智能调香机的设计方案并试制成功了原型机，采用厦大先进过程控制软件XD-APC完成了人机界面的组态和整体功能的实现，验证了设计的科学性和可行性。本文的研究工作和初步成果为微量调香过程加样系统的进一步开发研究和产业化奠定了原始的基础，为该系统的设计、调试、安装和运行积累了初步的数据和经验，具备一定的参考价值。

- 6 -

厦门大学本科毕业论文

第一章调香过程香气模拟及自动加样研究现状

1.1 概述

作为香料工业的最重要技术之一，调香是一门艺术的同时也是一门科学，国内外众多专家学者对其进行了广泛而深入的研究．研究重点为香气性质描述和调香技巧两大领域，二者互为补充，相辅相成．有关香气性质的研究集中在香气强度和香型两方面，国内流行的关于香气强度的描述方法有Poucher的“阈值理论”和林翔云的“香比强值”理论，另外，文献[12]给出了Weber、Fechner和Stenvens等人提出的不同的香气强度计算公式；香型方面， Henning，Cerbelaud，Crocker，Henderson，Billot，P．Jellinek，Poucher和Vera G． Mata，汪清如、林翔云等提出了各自的香型分类方法与理论．相比之下，关于调香的理论研究则较少，主要是经验的总结，如汪清如提出了具有中国特色的“五气调香法”、林翔云提出了“三值理论”和“混沌调香法”．此外，有关专家还提出了一些香精调配过程中的配方优化方法以及相应的加样工具改进设计。

本部分主要阐述精细化工领域配方配制过程中的优化决策研究进展，同时介绍了有关实验进样仪器的科研进展和市场现状。

1.2. 香气性质的基础研究

有关香气性质的研究，主要是集中在对香型和香气强度以及保留时间等三个方面，国内外都有各种相关的数据库，收录了数千种单体香料各方面的性质参数。

1.2.1 香型的分类方法

香型指的是香气的种类，其分类可以概括为三个方面。一是从香料本身的香气特点或韵味特征划分归类，通常是联系到自然界中客观存在具体的实体尤其是动植物所散发的气味特征，多可以从该物质中提取分离得到，如花香、果香、木香、玫瑰型、茉莉型、海狸香、灵猫香和龙涎香等；二是从香料在香精中的香气组成层次或作用分类，具体表现在根据其留香时间、溶解度和用量的不同，如头

- 7 -

厦门大学本科毕业论文

香、体香、基香、修饰剂和定香剂等；三是从香料的香气性能效用来分类，包括人们的生理或心理上的反应或效应以及人类思维活动所产生的联想，如腐臭气、动情气、镇静气、清醒气和愉悦气等。本文介绍国内外著名的八种分类方法。（1）1.2.1.1亚里士多德分类

古希腊哲学家亚里士多德（Aristotle）将各种气息对人体的生理上的感觉效果简单地分为了五类，且带有较大的个人主管因素。他将各种气味分别描述为五大类：甜、粗糙严酷、收敛性、刺鼻和丰富浓烈。目前使用比较少。

1.2.1.2林奈分类

瑞典植物学家林奈在十八世纪将气味分为了七大类，这一分类方法综合考虑了香气特征与人体生理效应，比较简便可靠，但这一分类方法过于粗糙，明显不适合专业人员的调香研究。

1.2.1.3李迈尔分类

李迈尔于十九世纪将香气分为十八组，采用的是相似对比分类法，即寻找十八种常用的、人们熟悉的香料作为典型用来代替该组香气，同时列举出属于该组的其他类似香料。这一分类法比较丰富和实用，但实际进行未在数据库中的新的香料种类的分类时，这一方法仍有不足之处。

1.2.1.4撒勃劳分类

撒勃劳于1929年按照香气特征关系提出的分类法中包括45个香型种类。并且提出了一个值得注意的新论点：一类香气会与其他类别香气之间存在着相互的交联关系，这带来了香气分类的复杂性和模糊性，使得某些香型难以划清，尤其是对于香气种类多样化的天然香精。

1.2.1.5奇华顿分类

世界著名香精香料企业瑞士奇华顿（Givandan）公司于上世纪七十年代发表了各种香型分类法，主要包括了花香型与非花香型分类法，从而把数千种合成与单体香料归入到各种香型中，一共归纳出了四十种香型。这一分类法具有较好的科学性和灵活性，一种香料可以列入多种香型之中，这在满足灵活性的同时却忽略了香料在各种香型中的重要性和所占比例，使其区分度和信息的全面度受到影响。

1.2.1.6花香与非花香分类

- 8 -

厦门大学本科毕业论文

徐宝财介绍了国内传统的香型分类法。考虑到花香香精的主导地位和重要价值，把各种花香香料单独归为一大类并根据各自特征分成了35种，并使其分别属于八个香型大类。非花香香型则包括了12个种类。

1.2.1.7五气分类法

张承曾根据我国传统的古代阴阳五行、五味观点将香气也归结为“五气”：甜气、酸气、辛气、咸气和苦气，并以一些常见熟悉的具有香味的物质作为代表来表述香型类别，这有一定的应用价值。

1.2.1.8自然界气味关系图

林翔云参考捷里聂克香气分类法和叶心农的香气环渡理论，并结合自身的经验总结出了自然界气味关系图。即将自然界各种气味归纳为互相平行存在的甜、苦、酸、咸四大类和动物、草木、果香、粉香四大类，互为对应关系，每一大类再分为六中类，每一中类分为两个小类，每一小类则包含了具体的单体香料。整个构成了一个圆图，使得相对的香型或香料之间也有气味的相反或相背关系，而相邻的香型或香料之间则有近似关系。这一图较为形象，定位清晰明确，但是使用起来却主要依靠作图而没有定量化的工具，带来了一定的不便。

1.2.1.9气味ABC理论

林翔云在国内首创了结合具体香料的、能够量化的香型分类方法。这一方法与前述的先归纳划定香型种类，再将具体的单体香料对号入座的方法不同，而是先综合考虑常用的具有代表性的香料和来源以及用途等因素，归纳出32个基本香型，分别用A、B、C直至Z再加上Br等共计32个字母或字母组合来表示。对于每一香料，则拥有两种及其以上的香型种类，但是各香型种类的隶属度和强度不同，导致其具有不同的比例。任一单体香料其个香型所占比例之和为100%。由于这一创建型理论的提出，既科学合理地解决了香料的香型分类问题，又由于其数字量化的优势方便了相关数学模型的研究和计算机的编程计算。

1.2.2 香气强度研究理论

香气的强度即人体感受到的某香料或香精的香气浓烈程度的性质，与该香料或香精的浓度有关，也取决于香料或香精本身的性质，同时与评定者本身的嗅觉灵敏度有关。在扣除浓度因素后考虑其强度是常采用的是阈值理论。由于目前尚

- 9 -

厦门大学本科毕业论文

没有客观的测试工具，关于香气强度的定义和评定有着较强的人为主管因素，理论研究也不是很丰富。

1.2.2.1 阈值理论

香气强度常用阈值、槛限值或最少嗅值表示。通过嗅觉能感觉到的有香物质的界限浓度，成为有香物质的嗅阈值。能辨别出其香气种类的界限浓度成为阈值。其测定方法通常采用空气稀释法和水稀释法两种。阈值越小，表示香气强度愈强；反之则愈弱。

1.2.2.2 香比强值理论

林翔云通过大量实验证实香气强度与该香料的香气阈值之间并不存在普遍意义上确定的数学关系。他将溶解性极好、最常用的香料苯乙醇的香气强度人为地规定为10，各种香料与香精都在同浓度的情况下（通常为纯物质）与其比较，得到其强弱间的相互关系，从而确定其香气强度值，并命名为“香比强值”。

1.2.3 留香时间

香气的保留时间也是衡量香料或香精性能的一个重要指标。表示在正常使用情况下能挥发出相应香味的持续时间。保留时间与香料本身的极性和分子结构有关，也与溶剂种类和浓度有关。关于留香时间的报道和研究比较少，本文只介绍朴却和林翔云在这方面的工作。

1.2.3.1 挥发时间表

朴却在上世纪中期发表了三百多种香料的“挥发时间表”，把香气不到一天就无法嗅出的香料系数定位1，持续的天数即为其香料系数，而100天和100天以上才嗅闻不出的系数定位100。

1.2.3.2 留香值

林翔云等继续和扩大了朴却的实验并作出了相应的改进。由于经常发现很多香料在单独存在时与溶液态时的留香性能并不一致，所以着重考察了香料在香精体系下的留香性能，并将其成为留香值。

1.3 调香理论方法研究成果

香精的调配是一个不断试验尝试和修正的过程，其本质上是根据某种目的

- 10 -

厦门大学本科毕业论文

（如价格、香型、留香性能和溶解度等）而制定最优化配方的过程。国内外发展出了各种调香的理论并总结了不少经验。

1.3.1 黄金分割法

林翔云认为有时候对两种香料组成的香精，当二者贡献的香气强度之比为0.618:1或1:0.618时，能取得比较好的效果。这一现象在其他精细化工品的配方决策过程中也有类似例子出现。

1.3.2五气调香法

中国传统的调香界根据阴阳五行和八卦理论发展出一套调香的经验法则。随着科学的发展和人们认识的提高，目前这一理论的接受者比较少。

1.3.3共振理论

埃菲尔通过计算某素心兰香精的蒸汽成分，把各成分按照其固有的蒸汽压高低分为三组，发现三组之间的全部蒸汽压之比约为25:5:1。林翔云通过类似实验也发现了38:6.2:1，这两个比例在动力学上成为共振，形成了结构稳定的“奇怪吸引子”。由于这一理论涉及到目前研究尚不十分透彻的混沌数学，其微观原因和实用价值有待进一步研究。

1.3.4气味关系图绘图法

传统的中国文化中认为世界万物之间有着相生相克和相辅相成的关系，调香师们根据这一指导思想提出了基于气味关系图的绘图方法，通过确定已知香型、香气强度和浓度的各种香料组分的位置，再作出其重心即为香精的总体性质。

1.3.5三值理论

林翔云提出香精总体的三值（香比强值、留香值和香品值），是组成该香精的各香料与其相应浓度之乘积再加和。

- 11 -

厦门大学本科毕业论文

- 12 - 1.3.6香精三角图法

Vera G. Mata, Paula B. Gomes 和 Alírio E. Rodrigues 通过类比香气金字塔结构图和三元结构工程图标，提出了一种新的香精三角图概念。该图可以快速评价由三种香精和一种溶剂组成了所有可能混合物的顶空香气特征。基于香气的二重线和三重点提出了香气三角图的理论预测。这一技术建立在所提出的香精三角图的基础(PTDs)上，它可以不必进行大量实验就能快速衡量与任意组成的液态物质相对应的顶部空间的各组分香气值。也描述了确定香水二维线条和三角点的方法，使得不需要大量计算组成就可以快速预测三角点。这一理论用于说明乙醇（溶剂）对香水三元混合物的香气值效应。

1.3.7香精配方的计算机辅助设计

湖南轻工研究所的熊远钦和洪亮介绍了用开发编制的香精配方计算机辅助设计软件的结构与应用。应用该软件, 能够帮助调香工作者快速查询各种香原料的相关数据, 查阅成熟的香精配方, 辅助设计出新的香精配方供调试完善。

1.3.8综合调香法

徐宝财等总结了一个综合性的、具有普遍适用性的调香方法。如图所示：

图1-1 综合调香法示意图

Figure 1-1 Schematic diagram of synthetical method of blending of flavor

厦门大学本科毕业论文

1.4 精细化工品配方优化方法

除了香料香精领域之外，在其他精细化工领域也发表了相当丰富的普遍意义上的配方优化方法，下面选举一些例子进行逐一介绍。其中对正交法和单纯形法等优化方法，由于仅仅属于常见的多因素多水平实验设计手段，不在本文的论述之列。

1.4.1 遗传算法

刘雄恩和陈聪等介绍了基于遗传算法的苏云金芽孢杆菌培养基配方优化研究，为获取苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)培养基的最优配方，即玉米淀粉、黄豆饼粉、酵母粉、蛋白胨和鱼粉等的最佳配比，运用二次正交回归旋转组合设计安排试验。基于试验数据、背景知识和遗传算法的原理，进一步设计了搜索Bt培养基最优配方的算法，通过该算法搜索出该菌发酵培养基配方的最优解区间。验证性的试验结果和分析表明，基于该遗传算法的Bt培养基配方优化的方法是有效且优于传统配方优化方法的。

1.4.2 模拟退火算法

高齐圣和范汝良等从事了模拟退火算法在橡胶配方优化设计中的应用研究。他们的实验表明模拟退火算法是一类求解组合优化问题的有效算法。将其应用于橡胶配方优化设计,利用计算机进行辅助建模和优化, IIR 内胎胶料配方实例表明该方法十分有效。陈世希等报道了在饲料配方设计中首次引入新颖、高效的组合优化算法———模拟退火算法,并获得理想的数值结果,说明了在传统的饲料配方设计中高技术的应用可以获得更高的效益。

1.4.3 线性规划

南京航空航天大学的郝文育和李亚白等为了解决养殖业饲料配方的优化问题, 即在保证饲养原料的用量要求和营养元素的摄入量要求的前提下, 使得饲养成本最低。提出了一套完整的转化规则, 能够将配方优化问题转化为线性规划

- 13 -

厦门大学本科毕业论文

数学模型的标准形式, 并且在转化过程中能够同时得到初始的基变量和基可行解。其给出的基于“两阶段法”的优化算法, 能够求出每一种饲养原料的正确用量。该算法通过在南京某乳品公司的实施, 证明了其可靠性和实用性。

1.4.4 模式识别

上海大学生命科学学院生物信息中心的杨应军和高海燕等就模式识别方法在食品智能化感官分析中的应用进行了综述。阐述了智能化食品感官分析体系的结构及其实现方案，介绍了相关性分析方法、神经网络、支持向量机等模式识别方法的原理、主要特点、存在问题以及在食品感官分析中的应用，并就模式识别方法在食品智能化感官分析体系构建中的应用研究提出了建议和设想。

1.4.5 混沌免疫算法

武汉理工大学的舒服华提出了一种基于混沌免疫算法的鲤鱼成鱼饲料配方优化方法。在满足营养成分的条件下, 以降低饲料成本为优化目标, 利用免疫记忆、免疫细胞超变异、免疫调节等机制, 记忆库种群混沌搜索等策略使算法在收敛速度和寻优能力上有较大提高。仿真结果显示可以有效降低饲料的成本。

1.5 相关的仪器及机械研究

目前在与香精性质相关的软硬件研究前沿，其最主要的热点之一是电子鼻，同时也有一些关于样品加样仪器报道以及已经市场化的相关产品。

1.5.1 电子鼻

张红梅和何玉静介绍了电子鼻技术的历史、研究现状及发展前景。电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问，用来区分和辨别复合气味的, 能够再现嗅觉感官的结构和原理。电子鼻在香料香精和食品工业等方面的重要性却与日俱增。基本上, 电子鼻包括一组传感器和一个数据分析系统。传感器的作用就像生物受体一样, 而数据分析系统可以将传感器从气味获得的信息转换为“嗅觉图象”, 类似于人类的嗅觉。电子鼻不但具有检测、作用迅速的特点，更为重要

- 14 -

厦门大学本科毕业论文

的是，电子鼻相对于专家嗅觉感官分析的最大优势在于能够给出公正、客观的检测结果，其一致性和重复性非常好，也避免了人类的嗅觉疲劳。陈晓明等利用电子鼻检测仅知生产日期的天然苹果香精，发现样品生产日期与产品质量等方面有着密切的联系。

1.5.2 用于实验室科学研究的进样仪器

有关进样仪器的研究主要集中在分析化学领域，同时分析化学和分子生物学领域的研究机构也是相关产品的主要客户。但尚国内较少针对工业界配方试制的相关加样仪器。我国气相色谱液体自动进样器的研究与开发目前很少见到相关报道,在此技术方面的应用研究也比少。张西咸等中国科学院的研究人员介绍了一种低成本的气相色谱仪液体自动进样器的设计。包括气相色谱液体自动进样器的基本设计思路,系统的结构与组成。该系统包括:机械子系统、执行机构子系统、控制驱动电路子系统、PLC控制子系统和主控端。她们通过两种实验方法达到了基本设计要求,并获得了理想的效果。

1.5.3基于固态物料配方的自动配料系统

北京亚控科技发展有限公司在国内独家推出了自动配料系统，主要用于建材、饲料等行业。针对一些小型的配料系统如沥青、混凝土搅拌站等可以采用方案一的硬件配置，其系统简单、价格适中，可以满足用户的基本需求。现对其做详细介绍。

其系统的配置一般如下：工控机+电子秤（如志美电子秤）+工业IO板卡（研华或其它系列）+多串口通讯卡（如MOXA卡）。也可以用RS232/RS485转换模块代替多串口卡。软件为组态王通用软件。这个系统比较小，配料过程也不太复杂，系统监控主画面如下：

- 15 -

厦门大学本科毕业论文

图1-2 系统监控主画面

Figure 1-2 The main menu monitored control system

系统可实现如下功能：

（1）实现进料、放料、搅拌、出料的自动联锁和控制；

（2）能实现计量、进料、放料、搅拌、出料的手动操作的功能；

（3）能显示实时的工作状况和各种物料参数。可随时进行调用并显示、打印任何时间的报表与客户表。具有配比预存，可随时进行输入、修改或删除某种配比。（4）美观实用的动态模拟。利用动态画面将计量和卸料过程中的配料阀门、秤量斗门、出料状态（秤斗内料位变化）进行模拟显示。

（5）具备粗称和细称功能。(精称提前量有自动调整功能，消除落差影响)，超差自动报警、自动扣除功能。

（6）具有操作员权限管理功能。

（7）具有现场管理及网络化的远程服务。

（8）支持第三方的商业数据库。

- 16 -

厦门大学本科毕业论文

第二章调香过程微量加样系统总体开发设计

2.1 设计背景

液态配方加样技术在以香精香料、涂料和染料等精细化工行业应用广泛，该行业传统的手工加样方式如滴管和移液枪等存在效率低、精度差、信息管理繁杂等诸多缺点，已无法满足我国从工业大国走向工业强国这一转变过程中对技术进步和产业升级的客观要求；长期以来，除传统的滴管、移液管和移液枪之外，有关进样仪器的研究主要集中在分析化学领域，且化学和生物学领域的研究机构是其相关产品的主要客户。但国内针对工业界规模、经常性配方试制的相关加样仪器较少。

我国气相色谱液体自动进样器的研究与开发目前也很少见到相关报道,在此技术方面的应用研究也比少。张西咸等中国科学院的研究人员介绍了一种基于PLC的低成本的气相色谱仪液体自动进样器的设计。北京亚控科技发展有限公司在国内率先推出适合工业应用的基于固态配方的自动加样装置，而本作品则是国内首创的基于液态配方的工业试验用加样装置，其技术核心在于巧妙地设计了一种全新的进样技术，简化了机械结构，降低了生产成本和实施难度。

长期以来大多数关于自动配料控制系统的研究，是针对于固体原料的配料，很多采用简易键盘或者D数码显示来作为人机交互，界面简单，而且是独立的子系统很难进行系统的扩展；为此，本文设计了一种针对微量液体加样的一种计算机控制系统，具有很好的人机界面、系统易扩展、集信息化的管理和查询于一体，并且成本低廉，易于在工业中应用推广。该系统还可实现液态精细化工行业的精益生产，如现代芳香疗法中保健精油的调配等。通过产品的小量生产来满足市场细分后不同顾客的个性需求，对弥补工业化大生产的不足，提高生产效益有重要意义。

2.2 总体设计

本文所设计的调香机是在分析总结调香师调香过程的基础上，依靠软硬件的结合，使得调香师只需要利用键盘和鼠标往PC机输入一个或一系列配方，本系

- 17 -

厦门大学本科毕业论文

统软件部分根据香料数据库和现有的调香理论，计算该配方的成本和香型、香气强度等性质，并生成相应的图表报告供调香师决所输入配方控制各个加样器和样品转台的工作立即配制出所需的香精样品。如图2-1所示。

图 2-1 主要工作流程

Figure 2-1 The Primary Workflow Diagram

2.2.1 总体组成

该系统由软件部分和硬件部分组成，其基本结构见图2-2。

图2-2 总体组成

Figure 2-2 The main assembly

- 18 -

厦门大学本科毕业论文

2.2.2 软件部分

软件部分中，数据库一方面存储各种香料的市场价格和库存量等信息，另一方面存储香料的理化性质和香气性质，如密度、香型、香气强度等，同时还包括配方的历史数据，方便调香师查询；计算仿真程序则根据调香师输入的配方，在计算其成本的同时还运用现有的各种调香理论，如叶心农的“八香和十二香环渡理论”和林翔云的“三值理论”等，计算其香气性质并用相应的图表直观地仿真至电脑显示器上；人机交互界面的主要任务是提供系统跟调香师对话和交流的平台，如配方的输入与更改、信息的在线显示和历史资料的统计等，其设计应符合调香师的工作习惯，易于理解和使用，便于维护升级。该部分在第三章将进行详细的介绍。

2.2.3 硬件部分

硬件部分如图2-3所示，其主体结构由下至上依次是底部支撑板、样品旋转平台、加样器（含储液瓶）、加样器安装板和顶部电机安装板。以原型机为例，样品旋转平台安装在一个步进旋转马达上，其上表面边缘放置三个互成120度角的样品瓶，并与加样器安装板上所安装的加样器相对应，顶部的电机安装板上则装有与各加样器对应的步进直线电机，用于推动加样器中连接着活塞的推杆竖直运动，完成加样和补充液体操作。驱动电源外接接220V交流市电，并把交流电转成直流，一部分负责给控制传感电路提供5V直流电，另一部分给各个加样器电机和旋转平台电机提供12V直流电，每个驱动回路都是独立的且带有保护电路，即使某个回路出现短路或断路等故障也不会对其它回路造成影响。控制传感电路执行软件对硬件系统的运动控制并在线反馈硬件系统的工作状况，尤其是收集各储液瓶中的液位信息，即当某储液瓶中的液态香料消耗完毕之后系统就自动检测到这一状况并提醒调香师添加该香料。其核心是作为PC机下位机的单片机。

- 19 -

厦门大学本科毕业论文

- 20 -

图 2-3 原型机硬件部分

Figure 2-3 The hardware of the prototype machine

硬件部分采用了工业过程通信中常用的Modbus 通信协议，来设计上位机和下位机的通信协议。

2.3 加样原理

2.3.1 总体工作原理

本文以原型机为例介绍系统的工作原理。原型机上设有三个加样器，每个加样器专门负责一种液态香料的加样，并配套有自身单独的储液瓶和步进直线电机。设三个加样器的标号分别为A 、B 、C （逆时针顺序），其储液瓶中则分别储存有a 、b 、c 三种液态香料，旋转平台上的三个样品瓶的标号分别为①、②、③，工作前它们分别与A 、B 、C 三个加样器对应。假设工作时，调香师需要调配三个香精样品，分别是a 0.1g 、b 0.2g 、c 0.2g ，a 0.2g 、b 0.3g 和b 0.3g 、c0.2g ，需要将它们分别加入①、②、③三个空的样品瓶中。那么系统第一步应控制A 、

B 、

C 三个加样器各自注出0.1g 、0.3g 和0.2g 香料。然后旋转平台顺时针旋转

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/onnq.html