基于PLC的均質(zhì)乳化機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉艷紅

【摘 要】為了提高食品生產(chǎn)過程中的均質(zhì)效率，設(shè)計(jì)了一臺基于PLC、變頻器、HMI的智能均質(zhì)乳化機(jī)。文章重點(diǎn)闡述了該設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣原理圖、PLC程序流程及觸摸屏組態(tài)。實(shí)際應(yīng)用表明，該乳化機(jī)滿足了控制要求，具有操作簡單、人機(jī)交互友好、自動化程度高等特點(diǎn)，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。適應(yīng)多種物料配方，設(shè)備利用率高。

【關(guān)鍵詞】乳化機(jī);PLC;HMI;均質(zhì)效率

【中圖分類號】TP237.5 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）01-0053-03

0 前言

在食品工業(yè)鏈中，均質(zhì)乳化工藝處理是行業(yè)內(nèi)不可或缺的部分。隨著原料和工藝的進(jìn)步，對于產(chǎn)品的乳化均質(zhì)要求也越來越高，傳統(tǒng)的乳化均質(zhì)設(shè)備工藝已經(jīng)不能滿足行業(yè)發(fā)展的需求，出現(xiàn)諸如分散相粒徑大、攪拌時(shí)空氣混入制品中等問題[1]，粒徑大導(dǎo)致乳化物不穩(wěn)定，缺少光澤;混入空氣則會使制品氣泡化、受細(xì)菌污染、易氧化及外表不光滑。

針對這些問題開發(fā)了一款高效的均質(zhì)乳化裝置，該裝置能夠高效、快速地進(jìn)行物料的乳化均質(zhì)生產(chǎn)，特別是諸如沙拉醬、蛋黃醬、日化膏霜、乳化油、潤滑脂合成等產(chǎn)品，并且生產(chǎn)出來的物料乳化均質(zhì)徹底，物料穩(wěn)定性好，避免了傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)時(shí)間長、乳化不徹底、物料穩(wěn)定性差等問題。

1 設(shè)備整體設(shè)計(jì)

本機(jī)組由主鍋（可升降鍋蓋、翻轉(zhuǎn)式鍋體）、水鍋、油鍋、真空裝置、加熱和溫度控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及機(jī)架等組成[2]。真空均質(zhì)乳化機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

水鍋對水和水溶性物料進(jìn)行預(yù)處理，油鍋對油和油溶性物料進(jìn)行預(yù)處理，它們均具有攪拌功能和加熱冷卻功能。

電機(jī)帶動轉(zhuǎn)鍋均質(zhì)器主通過轉(zhuǎn)子和定子轉(zhuǎn)動，將一種物料在剪切力作用下均勻地分散在互不相溶的另一種物料中，制得粒子精細(xì)、混合均勻的成品。攪拌裝置是由中間的折葉槳式攪拌器與框式攪拌器組成，在框式攪拌器的周邊裝有刮壁的刮板[3]，刮板的作用是使容器內(nèi)壁與物料不斷產(chǎn)生新的界面而不再留有任何死角。設(shè)備選用爪式咬合、雙向吸料結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)全方位的刮壁攪拌，避免物料難以吸入而造成的死角和漩渦現(xiàn)象，攪拌可以無級調(diào)速，可以使攪拌與物料在瞬間形成對流，可以將預(yù)混時(shí)間大大縮短，大大地改善預(yù)混效果，讓產(chǎn)品更細(xì)膩潤滑。

2 系統(tǒng)控制要求

2.1 電氣設(shè)施

電氣控制系統(tǒng)采用“三菱”FX3U系列PLC做控制器，配置485信號、模擬量輸入和數(shù)字量輸出模塊;選用“三菱”觸摸屏用來設(shè)置參數(shù)和進(jìn)行現(xiàn)場操作;選用2個“三菱”變頻器對均質(zhì)和攪拌電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

系統(tǒng)輸出：電機(jī)M1～M6，共6個，包括真空泵M1、升降液壓電機(jī)M2、水鍋攪拌電機(jī)M3、油鍋攪拌電機(jī)M4、均質(zhì)電機(jī)M5和攪拌電機(jī)M6;液壓閥4個;加熱、冷卻、出料等閥門13個;照明1個;報(bào)警蜂鳴器1個。

系統(tǒng)輸入：4～20 mA壓力變送器1個、溫度變送器3 個、行程開關(guān)4個、流量計(jì)1個、急停按鈕1個、狀態(tài)及故障指示按鈕若干個。

2.2 基本要求

運(yùn)轉(zhuǎn)部件有副鍋攪拌系統(tǒng)、主鍋均質(zhì)系統(tǒng)、主鍋升降系統(tǒng)、主鍋攪拌系統(tǒng)、真空泵系統(tǒng)。操作面板上的按鈕可控制照明燈的照明與熄滅、主鍋攪拌的運(yùn)轉(zhuǎn)、主鍋均質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)、副鍋攪拌的運(yùn)轉(zhuǎn)、真空泵的運(yùn)轉(zhuǎn)及主、副鍋的加熱。各項(xiàng)控制都可以在控制面板和HMI上進(jìn)行。

為了現(xiàn)場操作方便，系統(tǒng)基本要求如下。

（1）觸摸屏有手動、自動、設(shè)置、報(bào)警等界面，具有一鍵按程序自動運(yùn)行的功能，主界面自動運(yùn)行時(shí)顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)。

（2）手動調(diào)試界面，可在觸摸屏上手動控制各部位按設(shè)置的參數(shù)單獨(dú)動作。

（3）自動運(yùn)行界面，可在觸摸屏上顯示累計(jì)產(chǎn)量、當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)等。自動運(yùn)行子程序有3條。①清洗：啟動后設(shè)備按清洗工藝流程以設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)清洗;②滅菌：啟動后設(shè)備按滅菌工藝流程以設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)滅菌;③生產(chǎn)：啟動后設(shè)備按生產(chǎn)工藝流程以設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)生產(chǎn)。

（4）設(shè)置參數(shù)界面，設(shè)置物料溫度、各電機(jī)的速度及需要延時(shí)部位的時(shí)間等。

（5）報(bào)警界面，顯示故障原因和解除警報(bào)。

3 系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)電氣連接

乳化機(jī)組的電氣控制系統(tǒng)[4]包括均質(zhì)電機(jī)、攪拌電機(jī)、變頻器、PLC模塊、觸摸屏、傳感器、電磁閥、照明、報(bào)警等。可以在攪拌的時(shí)候進(jìn)行加熱、冷卻，還可以調(diào)整均質(zhì)攪拌的速度、時(shí)間等，操作的自動化程度也大大提升了。

三相交流電經(jīng)過總電源開關(guān)、交流接觸器、熱繼電器接入真空泵M1、升降液壓電機(jī)M2、水鍋攪拌電機(jī)M3、油鍋攪拌電機(jī)M4。主鍋的均質(zhì)和攪拌電機(jī)采用“三菱”FR-D740系列變頻器控制，能控制電機(jī)的啟停，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。按下外部開關(guān)SA1，電源啟動，電源指示燈亮。

3.2 PLC輸入輸出分配

乳化機(jī)由“三菱”觸摸屏和PLC進(jìn)行控制，采用按鈕控制的操作方式，使用者可根據(jù)生產(chǎn)工藝調(diào)節(jié)電機(jī)速度、溫度、壓力和均質(zhì)乳化時(shí)間等。系統(tǒng)的核心控制部分是PLC，根據(jù)現(xiàn)場輸入信息，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動運(yùn)行與手動運(yùn)行。在人機(jī)界面上可預(yù)先設(shè)置生產(chǎn)中需要的各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行狀態(tài)（見表1）。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 組態(tài)界面設(shè)計(jì)

本設(shè)備設(shè)置了中英文兩種語言，方便使用。控制系統(tǒng)的人機(jī)界面包括19個基本畫面、10個窗口畫面。基本畫面包括初始畫面、管理員畫面、操作員畫面、2個調(diào)整畫面、2個自動畫面、配方選擇畫面、10個配方畫面、故障記錄畫面;窗口畫面包括均質(zhì)變頻、攪拌變頻、真空泵、升降液壓、水鍋攪拌和油鍋攪拌6個故障，AB循環(huán)完成、管理員密碼和急停3個指示。

在初始畫面中，管理員與操作員因權(quán)限不同，點(diǎn)擊按鈕進(jìn)入相應(yīng)畫面，可進(jìn)行語言切換。在手動運(yùn)行畫面中可設(shè)置參數(shù)、控制閥門動作。自動運(yùn)行畫面中也能方便地設(shè)置各種參數(shù)。設(shè)備具有實(shí)時(shí)動態(tài)顯示和操作功能，能夠根據(jù)工藝流程對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行操作與控制，反映現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行情況。

4.2 系統(tǒng)程序流程

傳統(tǒng)的乳化生產(chǎn)中，操作工靠經(jīng)驗(yàn)來開啟油鍋、水鍋等各閥門大小，以控制乳化過程中物料加入量。在乳化過程中，需操作工一直調(diào)節(jié)閥門，造成操作工勞動強(qiáng)度大，增加人工成本，且精度難控，影響乳化效果。本系統(tǒng)能有效克服現(xiàn)有技術(shù)的乳化控制需人工頻繁調(diào)節(jié)閥門且精度難控等缺陷。系統(tǒng)控制流程如圖2所示。

控制系統(tǒng)通過讀取急停按鈕、真空泵運(yùn)行狀態(tài)、液壓電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、溫度傳感器、壓力傳感器等信息，并通過總線控制方式與控制器相連，利用PLC對均質(zhì)乳化機(jī)中各動作單元進(jìn)行通信連接[5]，簡單的按鈕操作可完成產(chǎn)品的乳化啟停工作，操作方便，同時(shí)可在HMI設(shè)定和讀取相應(yīng)參數(shù)，操作者可直接觀察到各單元的工作狀態(tài)，有助于提高工作效率，降低工人的勞動強(qiáng)度。

5 調(diào)試運(yùn)行

機(jī)械部分裝配好后，進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)裝調(diào)，設(shè)備調(diào)試過程需要遵守安全操作規(guī)范。首先接通總電源，電源指示燈點(diǎn)亮;接下來接通設(shè)備各管道，由于采用了高速電機(jī)，因此在鍋體內(nèi)空鍋的狀態(tài)下不得開機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)接線啟用時(shí)應(yīng)點(diǎn)動試轉(zhuǎn)。每次攪拌啟動前都應(yīng)點(diǎn)動，用自來水進(jìn)行調(diào)試，節(jié)約成本。乳化生產(chǎn)前，先在觸摸屏上選擇手動或自動模式，然后根據(jù)流程進(jìn)行調(diào)試。

把浸泡過的紅豆放入真空均質(zhì)機(jī)的主鍋內(nèi)，加熱時(shí)，攪拌裝置高速均質(zhì)、破碎、剪切、乳化物料，最終快速形成細(xì)膩的豆沙泥原料產(chǎn)品。結(jié)果表明，設(shè)備均質(zhì)乳化效果好;采用變頻調(diào)速，可對主鍋均質(zhì)、攪拌轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，加熱溫度可自動設(shè)定與控制，清洗、滅菌、配方、生產(chǎn)、出料及清洗操作方便、靈活。

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)開發(fā)的均質(zhì)乳化機(jī)集混合、分散、均質(zhì)、乳化及出料等功能于一體，采用PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場生產(chǎn)流程控制，利用HMI組態(tài)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置等，確保生產(chǎn)連續(xù)性，提高工作效率[6]。本設(shè)備適應(yīng)多種物料配方，很適合做月餅餡料、面包牛奶餡、各種豆沙餡等，可一機(jī)多用，設(shè)備利用率高，具有較好的市場價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]劉偉，宋弋，張潔.高壓均質(zhì)在食品加工中的研究進(jìn)展[J].食品研究與開發(fā)，2017，38（24）：213-219.

[2]張相勝，潘豐，白春麗.基于PLC的均質(zhì)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程，2010，27（10）：8-10.

[3]張文浩.基于數(shù)值計(jì)算的新型攪拌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能研究[D].西安：西北大學(xué)，2017.

[4]張相勝.均質(zhì)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[D].無錫：江南大學(xué)，2008.

[5]朱浪.基于全自動生產(chǎn)流程的均質(zhì)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].無錫：江南大學(xué)，2014.

[6]朱浪，潘豐.WinCC組態(tài)在均質(zhì)生產(chǎn)過程監(jiān)控中的應(yīng)用[J].江南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，13（1）：17-22.