1. 引言
多晶冰糖也被称为老冰糖、土冰糖等，是采用传统结晶工艺生产的不规则晶装冰糖[1]。在传统中医理论中，多晶冰糖被认为具有润肺、止咳、清痰和去火的功效，是炮制药酒和炖煮补品的重要辅料，广受人们的喜爱[2]。结晶是多晶冰糖生产流程中最重要的生产工艺之一，结晶质量直接决定了多晶冰糖的产品质量。其盆晶法是生产多晶冰糖的主流工艺。传统的多晶冰糖生产中自动化程度低、劳动强度大，产品质量很大程度上依赖工人的经验。因此，多晶冰糖自动化设备的研发有利于减少操作人员工作强度，提高质量一致性，推动食糖产业升级[3]。
针对传统结晶环节的劳动力强度大和质量难以预测的问题，本文将传统的脱水和风干两种干燥工艺结合，设计了一种多晶冰糖智能结晶装置以提高多晶冰糖结晶质量和降低劳动强度。
2. 多晶冰糖结晶工艺分析
溶解度指的是一定温度下固态物质在100g溶剂中达到饱和状态时所溶解的溶质的质量[4]。溶解度与温度的关系很大，通常来说，温度越高溶解度越大。蔗糖在水中的溶解度如图1所示。通过温度的调节，该物理规律可以用于多晶冰糖的生产。
图1 蔗糖溶解度曲线
根据蔗糖结晶理论，冰糖的结晶过程与过饱和系数有关，根据过饱和系数大小可分为溶晶区、介稳区、中间区和易变区。过饱和系数小于1.0时，晶体只能溶解不，能长大和形成，故称为溶晶区。过饱和系数1.0-1.2之间时，晶体只能长大不能形成，被称为介稳区。过饱和系数在1.2-1.3之间时，晶体不仅能够长大，在一定外界刺激下还能够形成新的晶体，被称为中间区域。过饱和系数大于1.3时，能够自发形成大量晶体，被称为易变区。多晶冰糖生产工艺就是利用了该物理规律，开始将过饱和糖溶液控制在易变区，形成一定数量的晶核，而后将溶液控制在介稳区，晶体围绕已有晶核长大，该过程需要一周左右，被称为结晶。结晶质量依赖于接近温度，起晶阶段温度过低难以起晶，温度过高会导致冰糖返砂，形成的冰糖过于细碎。
在传统制糖工艺中，结晶工艺通常是在结晶室中放置大量结晶盆，控制环境温度。在结晶后，人工将结晶盆倾斜，让未结晶的母液流出，实现固液分离，而后在进行烘干等操作。该工艺需要大量体力劳动，数十上百公斤的结晶盆操作不变。同时，结晶室温度通常难以均一，导致结晶质量参差不齐[5]。
3. 设计思路与工作流程
针对多晶冰糖结晶工艺中存在的劳动强度大、质量难以判断等问题，设计一种智能化设备，该设备的设计思路是利用结晶盆的自动倾斜实现固液分离，利用重力冲击产生的惯性实现多晶冰糖的卸料，同时，根据温度传感器的历史信号分析判断该结晶槽结晶质量情况，对结晶质量较差的结晶槽进行预警，及时重新结晶，避免混料。
4. 机械系统设计
机械系统主要包括固液分离机构、冲击卸料机构和底座组成，其结构如图2-3所示。装置中采用结晶槽架放置结晶槽，结晶槽架高度高，能够固定放置多层结晶槽，节省了占地空间，有助于增加多晶冰糖产量。
固液分离机构在结晶过程完成后，通过翻转油缸带动结晶槽架进行翻转，从而使结晶槽内糖液自动排出，且有助于结晶槽内糖液的排净，节省后续的烘干时间和烘干成本。
冲击卸料机构在翻转油缸将结晶槽架顶升翻转到一定角度后，然后利用电磁推杆推动对应的拨叉，上部顶升油缸和下部顶升油缸活塞杆推动方管，使得拨叉通过推动侧档杆从而带动结晶槽移动，当结晶槽上升倒一定高度，拨叉撞击到脱钩顶杆，拨叉脱离侧档杆，然后结晶槽在重力的作用下自然下滑，并在止滑档杆作用下停止滑动，从而有助于依靠惯性卸出结晶槽内的多晶冰糖。
图2 固液分离机构示意图
（1.机架 2.结晶槽架 3.翻转油缸 4.结晶槽 5.翻转支座 6.上架体 7.下架体 8.前支架 9.后支架 10.第一直线导轨 11.第一托架 12.第一法兰滑块 13.第二直线导轨 14.第二托架 15.第二法兰滑块 16.限位板 17.限位档杆 18.加强板 19.上部顶升油缸 20.下部顶升油缸 21.方管 22.第三直线导轨 23.第三法兰滑块 24.第四直线导轨 25.第四法兰滑块 26.侧档杆 27.电磁推杆 28.拨叉 29、脱钩顶杆 30.梯形槽）
图3 卸料机构示意图
5. 控制系统设计
控制系统整体逻辑如图4所示，控制系统主要包括控制板（STM32F103RCT6）、传感器、触控显示器和各类驱动器（电机、油缸和电磁开关等）。
图4 多晶冰糖智能结晶装置控制系统工作逻辑
在结晶室内，浓缩糖浆加入倒结晶槽内进行结晶，启动本系统记录温度，在结晶过程完成后，控制系统根据；历史温度结果和理想结晶温度曲线进行比较，智能判断结晶质量是否合格，如果不合格则闪烁红灯警报，合格则显示绿灯。
结晶质量合格后，控制翻转油缸将结晶槽架逐渐顶起，结晶糖液从结晶槽的前端流入倒接液槽内，接液槽内的糖液可通过输送泵送到到母液箱内；继续控制翻转油缸将结晶槽架升起，促进结晶槽内结晶糖液的沥干排净，在此过程中也可以通过烘干装置供热风，促进多晶冰糖的干燥。
控制翻转油缸将结晶槽架翻转到40-60°，控制电磁推杆推动对应的拨叉，上部顶升油缸和下部顶升油缸活塞杆推动方管，使得拨叉通过推动侧档杆从而带动结晶槽移动，当结晶槽上升倒一定高度，拨叉撞击到脱钩顶杆，拨叉脱离侧档杆，然后结晶槽在重力的作用下自然下滑，并在止滑档杆作用下停止滑动，从而有助于依靠惯性卸出结晶槽内的多晶冰糖，在此过程中，多个电磁推杆顺序作用于对应的拨叉。
6. 试验效果
按照该设计方案制造了样机，并进行了生产试验。试验证明，该设备极大的降低了劳动工作的强度、提高了生产效率。
7. 结论
多晶冰糖是一种有着悠久历史传统食糖，其甘甜的口感和温补的药用价值广受人们的喜爱。本文针对传统多晶冰糖生产过程中人力劳动负荷较大的结晶工艺环节开发了智能化的设备，降低了劳动强度，提高了产品质量，为类似设备的设计研发提供了参考
参考文献：
[1] 李文, 李凯, 杭方学,等. 多晶体冰糖生产技术[J]. 中国调味品, 2014, 39(11):4.
[2] 何树珍, 于淑娟. 振荡多晶体冰糖结晶工艺研究[J]. 中国甜菜糖业, 2011(3):4.
[3]邹亚峰, 蔡智全. 一种多晶冰糖结晶机: CN202011281452.3[P]. 2021.
[4] 许斯欣，陈维钧，林福兰．蔗 糖 结 晶 与 成 糖[M].北京：中国轻工业出版社，2000 (3): 160-170.
[5]罗飞, 莫鸿强, 毛宗源. 基于遗传神经网络模型的蔗糖结晶过程预测控制[J]. 华南理工大学学报 (自然科学版), 2000, 28(12):48-53.
