淺述乳品巴式殺菌機溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

鄧飛

摘 要 在整個乳品生產(chǎn)工藝過程中，巴氏殺菌是牛乳加工的重要工藝之一。而巴氏殺菌機最為重要的控制參數(shù)就是殺菌溫度。溫度控制的精準(zhǔn)和穩(wěn)定，直接決定了巴氏殺菌劑控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。本文根據(jù)以往工作經(jīng)驗，對乳品巴氏殺菌工藝簡介進(jìn)行總結(jié)，并從巴氏殺菌機溫度控制系統(tǒng)設(shè)計，控制系統(tǒng)參數(shù)及特點分析、硬件簡介三方面，設(shè)計出這套控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 乳品;巴式殺菌機;控制系統(tǒng)

巴氏殺菌工藝是牛乳加工的重要工藝之一。如果處理恰當(dāng)，將會延長牛乳的保質(zhì)期。巴氏殺菌機的殺菌溫度和殺菌時間是非常重要的因素，必須依照牛乳的質(zhì)量和所要求的保質(zhì)期等進(jìn)行精確地設(shè)定。通常均質(zhì)的、常規(guī)牛乳高溫短時巴氏殺菌溫度通常為72～75℃，15～20s。由于各國的法規(guī)，巴氏殺菌工藝，國與國之間不盡相同。但是，所有國家的一個共同要求是巴殺熱處理必須保證殺死不良微生物和致病菌，使得產(chǎn)品的營養(yǎng)成分例如蛋白質(zhì)等不被破壞。一般來說，最為常見的巴氏殺菌機在組成上，主要包括板式換熱器，保持管，均質(zhì)機，儲存罐，離心泵等設(shè)備。由于巴氏殺菌機牛乳的處理能力很大，這就導(dǎo)致了其蒸汽等能源消耗也會巨大。為了能夠滿足國家節(jié)能減排的要求，需要給巴氏殺菌機設(shè)計一套好的溫度控制系統(tǒng)。本文對PLC技術(shù)下的乳品巴氏殺菌機溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)概述，分析了殺菌機工作原理，研究了殺菌機控制系統(tǒng)的設(shè)計。

1 乳品巴氏殺菌工藝簡介

乳品巴氏殺菌工藝是將從牧場收集過來的經(jīng)過過濾、脫脂、均質(zhì)處理后的生牛乳，通過離心泵打入板式換熱器。在板式換熱器中，用熱水先將生牛乳加熱到72～75℃，然后繼續(xù)用泵將其送入保持管中。牛乳流經(jīng)保持管的時間需要控制在15～20s。接著從保持管出來的熟牛乳會被送到另一個板式換熱器中，用冰水和塔水冷卻降溫到6℃以下，最終進(jìn)入超潔凈儲罐進(jìn)行保存，為產(chǎn)品最終罐裝做準(zhǔn)備[1]。

2 殺菌溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

生牛乳和熱水在板式換熱器中進(jìn)行熱交換，生牛乳從4℃加熱到72℃。循環(huán)的熱水與生牛乳換熱后需要重新回到熱水加熱系統(tǒng)，用蒸汽對其進(jìn)行加熱。然后加熱好的熱水才能回到巴氏殺菌機板式換熱器中繼續(xù)工作（不用蒸汽直接加熱生牛乳，是為了保證不會因為蒸汽過高的溫度導(dǎo)致牛乳升溫過快而被糊化）。為了對從板式換熱器出來的牛乳的溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，需要對蒸汽流量大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。這就要求我們根據(jù)牛乳出口的溫度傳感器的溫度變化來調(diào)節(jié)蒸汽入口調(diào)節(jié)閥開度的大小，從而來控制蒸汽流量的大小，以此來滿足巴氏殺菌溫度的控制需求。這種常規(guī)的控制可以選用PID控制器[2]。

3 殺菌溫度控制系統(tǒng)參數(shù)及特點分析

通過對實際回路的有效搭建，相關(guān)工作人員可以借助于合適的控制算法，將對象控制在良好狀態(tài)之下，算法通常應(yīng)用PID控制器，或者是改進(jìn)PID控制器。在蒸汽壓力和循環(huán)熱水流量穩(wěn)定的情況下，通過PID控制器控制蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度來控制巴氏殺菌的溫度。從而保證牛乳不會因溫度上升過快而被局部糊化，也不會因溫度上升過慢導(dǎo)致殺菌效率過低。

單獨的比例控制也稱“有差控制”，輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關(guān)系，偏差越大輸出越大，但實際控制結(jié)果存在較大余差。所以必須要引入積分控制。從具體積分控制過程中，能夠?qū)⒑罄m(xù)余差徹底消除。雖然引入積分消除了余差，彌補了純比例控制的缺陷，獲得較好的控制質(zhì)量，但是積分作用的引入，會使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。此時需要再引入微分控制度變化情況，適當(dāng)將輸出信號改變，降低外界干擾因素的影響，強化系統(tǒng)穩(wěn)定性。當(dāng)偏差階躍出現(xiàn)時，微分立即大幅度動作，抑制偏差的這種躍變;比例也同時起消除偏差的作用，使偏差幅度減小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制規(guī)律，因此可使系統(tǒng)比較穩(wěn)定;而積分作用慢慢把余差克服掉。只要三個作用的控制參數(shù)選擇得當(dāng)，便可充分發(fā)揮三種控制規(guī)律的優(yōu)點，得到較為理想的控制效果。

4 系統(tǒng)硬件簡介

4.1 輸入輸出模塊設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)控制的特點，上位機可以采用TP900觸摸屏，較為直觀的呈現(xiàn)人機交互界面，從而方便用戶的操作。下位機可以采用S7-300 PLC，選用的CPU315-2PN/DP 內(nèi)存容量大，支持浮點運算、指令豐富、支持混合編程，集成有Profibus-DP 和Ethernet 通信接口。選擇ET200M/IM150-2為遠(yuǎn)程I/O，SM334、SM331、SM321 和SM322用作模擬量和數(shù)字量輸入輸出。另外，西門子S7-300系列PLC自帶以太網(wǎng)接口，采用PROFUBUS或TCP/IP協(xié)議，實現(xiàn)與外部設(shè)備的有效通信。

4.2 溫度傳感器選型和安裝注意事項

為了更好地滿足系統(tǒng)運行需求，在溫度傳感器選型過程中，應(yīng)該注意傳感器的防護(hù)等級、輸出信號模式，測量量程，連接接口等方面的問題。首先，在防護(hù)等級確定上，一般會選擇IP等級較高的溫度傳感器，通常需要大于等于IP65，以保證儀表在一定濕度和粉塵的環(huán)境工作的情況下不易損壞。其次傳感器輸出信號通常選擇為4～20mA電信號輸出，且溫度傳感器量程范圍可以選擇為0到120℃。在選擇傳感器的接口選擇上，需要保證其衛(wèi)生且易拆卸，避免對后期維護(hù)操作產(chǎn)生影響。通常可以選用卡箍連接的方式。卡箍連接是非常衛(wèi)生、方便的一種連接方式，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)乳品，飲料，啤酒等流體設(shè)備之中。

最后溫度傳感器的現(xiàn)場安裝需要規(guī)范，比如要盡量遠(yuǎn)離有蒸汽等高熱高濕區(qū)域，或者避免將傳感器安裝在溫度超過60℃的工作環(huán)境內(nèi)，這樣可以有效延長傳感器的壽命。一般來說，傳感器安裝在管道的合理位置，傳感器探頭插入深度一般為管道中心位置，這樣可以保證對流體溫度進(jìn)行有效檢測。另外，傳感器也要做到定期檢驗校準(zhǔn)，保證傳感器的測量的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語

綜上所述，通過乳品巴氏殺菌機溫度控制系統(tǒng)設(shè)計，殺菌機綜合性能能夠得到明顯提升。各種能源的消耗明顯減少，從而減少了企業(yè)的運行成本，提高了企業(yè)的競爭力。同時，通過溫度控制器的設(shè)計，提高了設(shè)備運行的穩(wěn)定性，功能性、安全性和可靠性，從而更好地應(yīng)用于乳品加工業(yè)中。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱名強.過程控制系統(tǒng)中溫度控制系統(tǒng)設(shè)計分析[J].輕工科技，2020，36（2）：73-74.

[2] 張翠.基于模糊PID的雞舍智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究，2020，26（2）：70-73.