三菱FX系列PLC在高壓均質乳化機改造中的應用

王耿燃

（廣東省粵東高級技工學校，廣東汕頭 515041）

三菱FX系列PLC在高壓均質乳化機改造中的應用

王耿燃

（廣東省粵東高級技工學校，廣東汕頭 515041）

針對一臺進口二手高壓均質乳化機頻繁維修的情況，對其電氣控制要求進行分析，在保證設備功能和生產安全的前提下用三菱FX系列PLC對其電氣控制部分進行改造,同時增加了必要的保護措施，不但使該設備安全的投入生產，而且提高了工作效率，取得了較好的經濟效益。

高壓均質乳化機；繼電器控制；PLC控制

0 前言

筆者受托為一家食品公司改造一臺食品加工設備（由該公司機修師傅協助，本人主要負責電氣控制方面）。該設備是一臺進口二手的三柱塞泵高壓均質乳化機，機器的銘牌及電氣控制線路部分在購進前已被拆除。由于最初只采用接觸器、繼電器對電控線路進行簡單的控制，所以須頻繁維修更換器件，而對該機原有的多個自動控制及保護設施閑置或不予配套，經常由于缺水、缺油、超壓或壓力不夠等造成精密元件的損壞或加工質量下降，從而降低了生產效率，筆者經過對該機的控制要求進行全面的分析及聽取廠方的意見之后，提議有必要用PLC對其控制線路進行改造，得到了廠家的支持，最后在機修師傅的配合下對此設備改造成功。

1 高壓均質乳化機的電氣控制分析

高壓均質乳化機是食品加工過程中不可缺少的重要設備。它的主要功能有：（1）進行油和水的混合，獲得穩定的油包水型或水包油型乳化液；（2）對固體顆粒超細粉碎，獲得穩定的分散體溶液；（3）對大腸桿菌、酵母菌、細胞進行破碎，提取其細胞內酶、蛋白質等活性產物。

它的主要部件是三柱柱塞泵，由高低壓兩級均質閥體組成。需要粉碎乳化的物料，通過柱塞的往復運動，先將物料吸入泵體，然后依次壓入高低壓兩級閥體。物料在高壓腔內，通過每秒約300 m的高速撞擊作用、壓差懸殊的空穴作用和高速流動時的剪切作用下，使原始物料的顆粒得以充分細化（它們的直徑在0.01～2 μm范圍內），然后物料立即又在低壓腔內得以充分乳化[1]。參見圖1，簡單了解了高壓均質機的功能及工作原理后，來對該設備各方面進行分析。

（1）設備簡介

該設備由供料部分和均質部分組成，供料部分是一臺內部裝有S型葉片封閉式攪拌機，該攪拌機可正反向運轉。正轉時攪拌，反轉時給原料桶加料。該攪拌機由一臺3 kW電動機帶動，從攪拌機中出來的原料進入原料桶，然后經過輸料管進入均質機，輸料管上安裝了一個電磁閥，作進料控制。料桶上下各有一個液位開關用來監視料桶中原料（圖1為改造后的結構）。

圖1 改造后的結構

均質部分是由一臺37 kW電動機通過一比一的皮帶輪(皮帶輪直徑450毫米)帶動一臺減速箱(輸入與輸出速度比為30/1)和一臺齒輪油泵，減速箱再帶動柱塞泵對物料均質，油泵為整機提供潤滑油。潤滑油管上安裝一個油壓傳感器，用以檢測油壓。在柱塞泵上安裝有進出水口，通過水流為柱塞泵降溫，冷卻水管上安裝有一個水流傳感器，用以檢測水流。在柱塞泵旁邊安裝了一個電磁閥，用以在停機時卸放高壓腔內的壓力，在柱塞泵上還安裝了一塊壓力表，用以監視壓力。

該機原本是采用傳統的繼電-接觸器控制，均質機電動機M1由KM1、KMY、KM△接觸器控制，采用星三角降壓啟動，單向運轉，熱繼電器FR1進行過載保護。由兩個電磁閥YV1、YV2分別控制料桶進料和停機卸壓，攪拌器電動機M3由KM3、KM4接觸器控制直接啟動，正反向運轉，熱繼電器FR3進行過載保護。該機原有的齒輪油泵已損壞，現單獨用一臺油泵，油泵電動機M2由KM2接觸器控制，熱繼電器FR2進行過載保護。冷卻水用自來水，水流傳感器和油壓傳感器原均未使用。由于原來三臺電動機相互不關聯，當油泵電動機M2出現過載保護時，均質機電動機M1還繼續運行，這樣會對設備運行的安全性以及生產工藝質量造成影響。還有由于液位開關只是用到的SQ1和SQ3，所以當顯示缺料時只能手動控制加料，這樣帶來了操作方面的不便。另外，由于缺水、缺油、超壓或壓力不夠時，沒有對該機進行保護造成精密元件的損壞或加工質量下降也時常發生。

（2）新增控制要求

1）料桶中物料能自動控制，滿桶時攪拌機正轉攪拌，低于某一位置時攪拌機反轉為料桶加料。

2）均質機出現缺水、缺油、缺料任意一種情況時，都不能運行，如在運行時出現缺水、缺油、缺料要求能自動停機。

3）當缺水、缺油、缺料時均質電動機切換△時便立即停車，均質電動機不能繼續運轉，直到故障排除。

4）均質機的壓力要求控制在一定的范圍內以保證產品質量（細化）。同時為保證設備安全，必須限制最高壓力。

5）出現故障時，要有明確的故障指示。

6）要求有急停按鈕，緊急狀態時按下急停按鈕，全機必須立即停車。

（3）電氣改造

根據設備運行控制要求，對該機的電氣控制線路進行全面改造。

1）根據輸入輸出要求，選用三菱FX2N—32MR型可編程序控制器作主控制器。

2）由于控制均質電動機的接觸器吸合電流太大，不宜用PLC的輸出繼電器直接控制KM1、KMY、KM△，所以用繼電器KA1、KA2、KA3作為過渡控制，如圖2所示。

圖2 PLC輸出過渡控制

3）利用原有水流傳感器和油壓傳感器監視水流和油壓，保證設備安全。

4）為了確保安全生產，該機已裝上了溢流閥配合原有的壓力表，用以檢測均質機高壓腔內壓力，同時限制最高壓力（由機修師傅負責）。

5）在減速箱的主動輪旁邊安裝一個接近開關，其型號為TL-Q5MB1(PNP)，用以檢測主軸轉速(變速箱的主動輪輪轂為三柱式，其轉一周接近開關將提供三個脈沖)，保證主軸轉速就能保證壓力在正常范圍內從而確保產品質量[2]。

6）料桶原有兩個液位開關，再增加一個，且重新調整開關位置，用來檢測原料的多少，控制攪拌器正反轉，確保料桶不缺料(圖1所示)。

7）設有缺水、缺油、低速（低壓）、缺料、均質電動機過載、油泵過載、攪拌機過載等七個故障指示燈作故障指示（用原熱繼電器作過載保護）。

2 改造后的控制流程

（1）啟動

合上電源開關，開啟冷卻水閥門，HL1(缺水)故障指示燈熄滅。

按下SB0(X0)，攪拌機M3正轉，使原料充分混合均勻。10分鐘后，M3反轉向料桶中注料。當滿料開關SQ3(X17)接通后，攪拌機M3又正轉攪拌，直到SQ2(X16)復位，M3再次反轉向料桶中注料。滿料的同時，潤滑油泵電動機M2啟動。按下SB1(X1)，均質電動機M1 Y型啟動，卸壓電磁閥YV2(Y4)得電關閉，柱塞泵內壓力開始上升。6秒后，電動機M1斷開Y接中性點慣性運轉，0.5秒熄弧后，電動機M1△型運轉。2秒后，進料電磁閥YV1(Y3)得電進料加工。

（2）停止

按下停止按鈕SB2(X2)，攪拌機電動機M3立即停車，均質電動機M1繼續運行，料桶中的原料逐漸減少，當原料低于缺料開關SQ1后，全機停止運轉。

（3）急停

當需要緊急停車時，按下急停按鈕SB3(X3)，整機停止運轉，直到復位急停按鈕SB3(X3)，方可重新啟動。

（4）保護措施

當系統出現缺水、缺油、缺料、低速、均質電動機過載或油泵電機過載等任一故障時，對應的故障指示燈亮，同時KA1（KM1）、KA2（KM△）、YV1、YV2復位，均質電動機停車，卸壓電磁閥打開，進料電磁閥關閉。

另外當攪拌機過載時，攪拌機立即停車，均質電動機繼續運行，直到料桶缺料，均質電動機才會停車。

3 程序設計

（1）輸入、輸出分配如表1。

表1 輸入、輸出分配表

（2）PLC程序設計（部分）：

0 LDI X01022 OR X004

1 OUT Y01023 AND Y002

2 LDI X01124 SET M20

3 OUT Y011……

4 LD X012;*測速(低速保護)

5 OUT Y012123 LD Y002

6 LD M10124 OUT T7 K60

7 OUT Y013127 MPS

8 LD X014128 ANI T7

9 OUT Y014129 ANDP X013

10 LDI X015131 INC D1

11 OUT Y015134 MRD

12 LD X004135 AND T7

13 OUT Y016136 AND＜D1 K4200

14 LD X005141 SET M10

15 OUT Y017142 MPP

16 LDI X010143 AND T7

17 ORI X011144 RST D1

18 OR X012147 RST T7

19 OR M10……

20 OR X014174 END

21 ORI X015

（3）程序簡述

1～15步為故障指示（開機前應先打開冷卻水閥門，輸入繼電器X11動作，故障指示燈Y11熄滅）。

16～24步為缺水、缺油、低速、均質機過載、缺料、油泵過載保護，當均質機電動機M1△型運轉時，Y2置1，故障出現時，對應輸入繼電器動作，輔助繼電器M20置1，Y0～Y4復位，均質電動機停車。

25～26步為攪拌機電動機M3過載保護，當攪拌機電動機M3過載時，輔助繼電器M30置1，攪拌機無論正反轉都停車。

27～80步為攪拌機電動機M3正反轉自動控制，按下SB0(X0)，輔助繼電器得電吸合，同時Y6得電攪拌機正轉，T0開始延時，10分鐘后正轉停止，T1開始延時熄弧，2秒后Y7得電，攪拌機反轉為料桶供料。當料桶中的原料超過缺料開關SQ1時，輸入繼電器X15動作，故障指示燈Y15熄滅。當料桶中的原料超過滿料開關SQ3時，輸入繼電器X17動作，攪拌機反轉停止，T3開始延時熄弧，2秒后Y6得電攪拌機正轉。

81～88步SQ3（X17）動作的同時Y5得電，油泵電動機M2工作，輸入繼電器X12動作，故障指示燈Y12熄滅。

89～122步為均質機電動機M1啟動過程。到88步時所有故障燈都已熄滅，此時按下SB1(X1)，Y0、Y1、Y4得電均質機電動機M1Y型啟動，卸壓電磁閥關閉，同時T4開始延時，6秒后Y1失電，斷開Y接中性點慣性運轉，T5開始延時熄弧，0.5秒后Y2得電，均質機電動機M1△型運轉，T6開始延時，2秒后Y3得電，進料電磁閥打開。

123～155步為減速箱主軸速度檢測，當輸入繼電器X13檢測到的脈沖少于每分鐘4200個時，輔助繼電器M10、M20置1，149步Y0～Y4復位，均質電動機停車。

156～173步為急停和復位。當輸入繼電器X3閉合，復位Y0～Y7，設備停止運行。當Y2失電后，復位輔助繼電器，為下一次啟動作準備。

4 結束語

該機未改造之前是由傳統的繼電器控制，只有料桶滿料自動正轉功能，另設有缺料、滿料指示，除過載保護外沒有任何保護措施，經常出現因缺料、缺油造成設備故障；因缺水柱塞泵體過熱，皮帶磨損主軸轉速下降等原因引起的產品質量下降，生產效率較低。用PLC改造后的高壓均質機通過一段時間的運行，結果令人滿意。不但實現了自動控制，而且由于接線簡單，故障率大大降低，同時減小設備操作人員的勞動強度。由于保護措施的設置，至今設備未發生故障，生產效率明顯提高。

比較PLC控制和傳統的繼電器控制，PLC具有可靠性高，安全性好，故障率低等優點，在充分了解生產工藝的基礎上用PLC對生產設備進行控制，對提高生產效率和經濟效益是傳統的繼電器控制方式所不可比擬的。

由于受現場條件和設備條件的限制，有些地方不近人意，如對冷卻水的控制及均質機超壓保護，也可以用PLC進行自動控制，此設計待補充。

［1］雒亞洲，魯永強，王文磊.高壓均質機的原理及應用［J］.中國乳品工業，2007，35（10）：55-58.

［2］鄭銘芳.低壓電器選用維修手冊［M］.北京：機械工業出版社，1989.

Application of FX Series PLC in the Transformation Mitsubishi High-Pressure Homogenization Machine

WANG Geng-ran
（Guangdong Yuedong Senior Technical School，Shantou515041，China）

For a second-hand imports of high-pressure homogenization machine frequentrepair,the author analyzed the electric control,in the guarantee function of equipment and production safety under the Mitsubishi FX series PLC on theelectrical control part of the transformation,but also increase the necessary protective measures,not only make the equipment safe production，but also improve the the work efficiency,and achieved good economic benefit.

the high-pressure homogenization machine；relay control；PLC control

TP273

B

1009－9492(2014)05－0128－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.032

王耿燃，男，1984年生，廣東揭陽人，大學本科，高級技師。研究領域：技師學院“產、學、研”。

(編輯：向 飛)

2014－02－14