自動(dòng)控制技術(shù)在大豆面條生產(chǎn)中的應(yīng)用

聶洪淼，趙寒濤，2，白廣利，2，李 麒，2

(1.黑龍江省科學(xué)院智能制造研究所，哈爾濱 150090；2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150010)

0 引 言

面條是我國傳統(tǒng)大眾主食，有著巨大的消費(fèi)市場和產(chǎn)能需求，制面企業(yè)每年新增生產(chǎn)線至少20條來滿足升級改造和提效增質(zhì)的需求，面制品生產(chǎn)設(shè)備智能制造升級的緊迫性日益凸顯[1]。市面銷售的面條是以小麥粉為主要原料，營養(yǎng)價(jià)值相對較低，缺乏氨基酸、賴氨酸和B族維生素等營養(yǎng)物質(zhì)。大豆面條蛋白質(zhì)、不飽和脂肪酸含量較高，且氨基酸比例均衡，營養(yǎng)物質(zhì)豐富，口味獨(dú)特，符合當(dāng)今大眾消費(fèi)理念，具有較大的市場價(jià)值[2]。

1 大豆面條自動(dòng)化生產(chǎn)制作工藝

在自動(dòng)化和機(jī)械化生產(chǎn)線中，因?yàn)槊鏃l產(chǎn)量大且要求品質(zhì)穩(wěn)定，所以生產(chǎn)工藝與傳統(tǒng)方法不同。大豆面條的生產(chǎn)工藝流程為：研磨成粉→攪拌和面→熟化→擠壓成形→挑竿上架→烘干脫水→切段包裝。將大豆研磨成粉，篩粉后，按照比例與水混合，在真空和面機(jī)中進(jìn)行攪拌。和面工序環(huán)節(jié)采用真空和面機(jī)，負(fù)壓狀態(tài)下攪拌面粉和水，增加面團(tuán)吸水的均勻性，促使面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)充分形成，使面條的韌性增強(qiáng)，斷條率降低。攪拌時(shí)可根據(jù)工藝調(diào)節(jié)電機(jī)速度，提高品質(zhì)，降低能耗[3]。熟化可使面粉內(nèi)部的面筋網(wǎng)絡(luò)更加完善，充分舒展，面團(tuán)質(zhì)量更加穩(wěn)定，面條各項(xiàng)品質(zhì)有所提高。通常，熟化在理論上是靜態(tài)工藝，而在高產(chǎn)量的大機(jī)械化生產(chǎn)過程中，大塊面團(tuán)會在靜置中形成，給擠壓面條裝置的喂料環(huán)節(jié)造成障礙和不便，所以不得不使用慢速攪拌動(dòng)態(tài)熟化工藝，來防止面團(tuán)聚結(jié)成大塊，滿足喂料順暢要求[4-5]。擠壓工藝是將面團(tuán)放入到擠壓機(jī)中，通過螺桿的推壓帶動(dòng)，在模具壓力下擠出所需尺寸和形狀。面條經(jīng)高壓、高溫、剪切、擠壓、熟化、熔融等一系列加工，使大豆面團(tuán)中的部分纖維細(xì)化，降解，淀粉糊化，蛋白質(zhì)發(fā)生變形、聚集，以改善大豆面條因蛋白質(zhì)含量過高而導(dǎo)致的硬度高、口感差、難聚合、易斷裂等問題，提高了面條品質(zhì)。擠壓出的濕面條按每桿長度切斷，經(jīng)掛竿挑起后被傳輸進(jìn)入烘房。面條烘干是脫水過程，使產(chǎn)品符合規(guī)定的含水量，便于儲存、運(yùn)輸，使其有較佳的烹調(diào)性能和商品屬性[5-6]。大豆面條干燥過程包括水分和能量傳遞，溫度、風(fēng)速和空氣濕度都會對面條的干燥結(jié)果產(chǎn)生影響[7]。將烘干完成的大豆面條傳輸?shù)角卸喂ば蚝桶b工序加工位置的過程稱為下架工序。由于烘干桿上的面條過長會對面條包裝、貯存、運(yùn)輸、烹飪和食用帶來諸多不便，所以在下架工序后，要切斷長面。掛面的計(jì)量是對最小單位包裝掛面的稱重，是定價(jià)銷售和流通的前提，重量誤差在1%左右。采用圓柱形包裝，因其工藝相對成熟，價(jià)格低廉，便于貯存和流通，目前市場占有率最高[5,8]。

2 大豆面條生產(chǎn)線組成及功能

大豆面條生產(chǎn)線由監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)機(jī)器設(shè)備、傳動(dòng)機(jī)械、傳感器、電氣控制線路、通信線路等構(gòu)成。監(jiān)控系統(tǒng)是以PLC為核心組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)，對生產(chǎn)裝備系統(tǒng)進(jìn)行控制、協(xié)調(diào)，達(dá)到高質(zhì)效的生產(chǎn)目標(biāo)。生產(chǎn)裝備系統(tǒng)可分為面條制作設(shè)備組、面條烘干設(shè)備組、面條包裝設(shè)備組。

2.1 大豆面條生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)采用PLC模塊為主控制器。PLC控制技術(shù)有強(qiáng)大的可靠性和靈活性，并以抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)用性好的優(yōu)勢成為自動(dòng)化生產(chǎn)線中較有競爭力的中心控制器[9]。PLC執(zhí)行工藝程序?qū)Ω鞣N傳感器、I/O擴(kuò)展模塊、模擬量I/O模塊、變頻器、編碼器等反饋信號進(jìn)行接收與處理，對生產(chǎn)線各設(shè)備進(jìn)行連續(xù)、自動(dòng)控制。本生產(chǎn)線中，由于設(shè)備較多，信號點(diǎn)數(shù)多，設(shè)備分布距離較大，可選用多控制器系統(tǒng)，控制器合理分配給生產(chǎn)線的裝備組，留出擴(kuò)展裕量。上位機(jī)采用HMI(人機(jī)界面)，對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、啟停等。下位機(jī)可通過機(jī)柜控制面板的按鈕對設(shè)備進(jìn)行控制。上位機(jī)和下位機(jī)都設(shè)置設(shè)備組和生產(chǎn)線的緊急啟停按鈕，自動(dòng)/手動(dòng)選擇按鈕，單獨(dú)設(shè)備的點(diǎn)動(dòng)/長動(dòng)控制按鈕。

2.2 面條制作設(shè)備組工作系統(tǒng)及控制

面條制作設(shè)備組包括研磨設(shè)備、和面設(shè)備(和面加水控制設(shè)備)、熟化喂料設(shè)備、擠壓設(shè)備、挑竿上架設(shè)備。

研磨設(shè)備將干豆磨粉后，通過電子計(jì)量桶、減重稱將豆粉質(zhì)量傳送給PLC，PLC根據(jù)此信號和設(shè)定工藝對氣力輸送設(shè)備啟停時(shí)間進(jìn)行控制，達(dá)到定量供給豆粉的自動(dòng)控制。通過PLC控制研磨機(jī)輸送大豆的速度和磨盤電機(jī)轉(zhuǎn)速、磨粉時(shí)間，控制磨豆粉的參數(shù)[10]。

真空和面設(shè)備將磨成的豆粉和水傳送給和面設(shè)備。水溫和與面的比例對面團(tuán)質(zhì)量有著重要影響，在PLC控制下，定溫定量加水罐和出水電磁閥按照程序工作，實(shí)現(xiàn)對和面加水的自動(dòng)控制，達(dá)到最佳的水面比例和溫度。真空和面設(shè)備通過PLC控制(快慢)雙速電機(jī)和真空泵，實(shí)現(xiàn)真空環(huán)境下的和面。PLC通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和時(shí)間，使攪拌軸以最佳轉(zhuǎn)速和時(shí)間來攪拌和面，采用流程控制管理加料順序，真空泵和攪拌電機(jī)工作時(shí)序與倉蓋的開關(guān)[5，11]。真空和面可以大幅減少熟化時(shí)間，也有文獻(xiàn)提出不用熟化(在小麥面粉掛面制作工藝中)[5]。但大量生產(chǎn)大豆面條的過程中，面團(tuán)易結(jié)成大塊，給擠壓喂料造成困難，用慢速攪拌熟化喂料設(shè)備，可以防止結(jié)成大塊，給生產(chǎn)線提供了可進(jìn)行熟化工藝的選擇。

熟化喂料設(shè)備輸送面團(tuán)到螺桿擠壓腔中，螺桿持續(xù)擠壓面團(tuán)到模具擠出面條，當(dāng)水和豆粉比例確定時(shí)，螺桿轉(zhuǎn)速和擠壓溫度是要控制的重要參數(shù)。通過PLC和變頻器控制螺桿電機(jī)，達(dá)到控制轉(zhuǎn)速和啟停的目的。PLC通過溫控模塊控制擠壓套筒的溫度，以控制擠壓腔內(nèi)的溫度。

挑竿上架設(shè)備組。挑竿上架設(shè)備是將濕面條傳送到烘干工序的傳送系統(tǒng)。挑竿上架設(shè)備包括濕面切斷機(jī)構(gòu)、濕面?zhèn)魉蜋C(jī)構(gòu)、供竿機(jī)構(gòu)、掛竿機(jī)構(gòu)和舉竿機(jī)構(gòu)。各機(jī)構(gòu)用傳送帶、鏈條來傳送面條、面竿。此設(shè)備組控制系統(tǒng)由PLC、變頻器、減速電機(jī)、接近開關(guān)傳感器等構(gòu)成。切斷刀切斷面條，方便挑竿上架。濕面?zhèn)魉蜋C(jī)構(gòu)將切斷的濕面條送至掛桿處。供竿機(jī)構(gòu)將面竿從面箱送至掛竿處。掛竿機(jī)構(gòu)將面條放置在面竿上。舉竿機(jī)構(gòu)將掛有面條的面竿送至烘干傳送鏈上。機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制主要有兩方面：根據(jù)產(chǎn)能要求、設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)和面條參數(shù)，得出各機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)周期、速度。根據(jù)接近傳感器對面條、面竿位置的判斷，來控制各減速電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)周期及執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的啟停。根據(jù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制和生產(chǎn)工藝參數(shù)來編寫挑竿上架程序。PLC通過程序控制變頻器、減速電機(jī)、接近開關(guān)，來實(shí)現(xiàn)面條挑竿上架的自動(dòng)控制。

3 結(jié)語

對大豆面條生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備組及PLC關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，可提高大豆面條生產(chǎn)效率和質(zhì)量。其中，高效的真空和面設(shè)備多數(shù)依賴國外技術(shù)，全生產(chǎn)線的殺菌、消毒需要大幅提升，這兩方面可作為下一步的研究方向。