基于工藝配方管理的制膏智能自控系統

樓 彬 沈焱鑫 申 進

（1.嘉興南洋職業技術學院，浙江嘉興，314000；2.上海美睿智能科技有限公司，上海奉賢，201400；3.無錫睿控物聯網科技有限公司，江蘇無錫，214000）

制膏是牙膏生產過程中至關重要的工序，傳統的制膏方式，需要大量人工的參與，進行配料、稱重和投料，不僅工作效率低，而且會增加不必要的浪費，生產質量也得不到根本保障。隨著智能化水平的不斷提升，各種自動化設備應運而生，各種不同類型的制膏設備相繼問世，根據生產工藝要求將不同的原材料投入到制膏設備中，經剪切、攪拌等程序混合在一起。但是，混合過程中的不可控因素很多，混料過程中存在混合不均勻、混料功能單一等缺點，這就需要對制膏設備進行完善和改進[1-4]。

本文結合物聯網、大數據、控制科學等技術，建立了基于工藝配方管理的制膏智能自控系統，實現制膏過程的透明化、可視化、智能化，能夠進行遠程監控和管理，同時工藝配方可以進行預設并進行版本管理，滿足不同產品的生產需求。

1 系統架構

制膏就是快速、均勻地將一個相或多個相(液體、固體、氣體)糅合的過程。在通常情況下各個相是互不相溶的，通過高速機械攪拌，促使不相溶的固相、液相、氣相在相應成熟工藝和適量添加劑的共同作用下，瞬間均勻精細地分散乳化，經過高頻的循環往復，最終得到穩定的高品質產品。本系統的總體架構由水相鍋、油相鍋、預混鍋（根據要求定制）、乳化鍋、控制柜組成，系統架構見圖1。

圖1 系統架構圖

其中，水相鍋用來溶解水液料，原料一般性為純水+小料等水性溶劑。油相鍋用來溶解油料，一般性為山梨醇、PEG(聚乙二醇)、甘油等濕潤劑。某些廠家要求水相鍋與油相鍋合二為一，稱預混鍋。乳化鍋用來實現主要工藝的場景，現有的結構組成為刮板攪拌、快速攪拌、均質攪拌、真空控制（吸料+除泡）、香精添加。粉倉用來存儲碳酸鈣、磷酸氫鈣、焦磷酸鈣、水合硅石等摩擦劑，粉料投遞（稱重）采用人工投料或真空自動吸料。該系統在電氣化控制的基礎上，結合PLC可編程智能控制，實現不同工藝配方管理的制膏自控系統。系統生產工藝流程見圖2。

圖2 系統生產工藝流程圖

系統操作工藝步驟如下。

（1）在水相鍋加入水，加入糖精鈉等水溶性原料后開攪拌電機，攪拌10～12 min至物料溶解均勻。

（2）在油相鍋加入山梨醇等，加入鈦白粉等小料后開攪拌電機，攪拌5～7 min至物料混合均勻。

（3）開啟粉倉混合攪拌電機，投入摩擦劑、增稠劑等粉料。

（4）開啟主機真空泵，當真空度達到-0.050～-0.030 Mpa時，開啟進水閥吸入水相鍋溶液，待水相鍋溶液吸入完畢后，開啟刮板再將油相鍋溶液吸入主機。

（5）完成步驟（4）后開啟雙高速攪拌電機在真空度達-0.065 MPa或-0.070 MPa時開始吸入粉倉粉料，主機程序控制進粉，在真空度下降至-0.050 MPa時暫停吸粉，待真空度重新達到-0.060 MPa或-0.070 MPa時繼續吸粉，如此重復直至稱重模塊為0，至此粉料吸料完畢（吸粉時間3～5 min）。

（6）粉料吸完后開啟均質機，在真空達-0.092 MPa以上時強力攪拌15 min。

（7）完成步驟（6）后打開香精斗閥門加入香精，香精吸完后關閉均質機同時維持真空達-0.094 MPa以上繼續攪拌（開刮板及雙高速盤）脫氣10 min。

備注：如有加薄荷微丸或愛心亮片脫氣10 min后需開蓋加入，然后保持真空達-0.092 MPa以上僅開刮板攪拌5 min。

（8）完成步驟（7）后關閉雙高速攪拌電機、刮板電機、破真空、關真空泵，升鍋蓋取樣檢測，檢測合格后出料（膏體溫度≤40℃）。

2 硬件實現

根據工藝要求，每套制膏智能自控系統配置：一臺水相鍋，一臺油相鍋，一臺預混鍋（根據要求定制），一臺乳化鍋，一臺粉倉，具體容量大小可根據要求個性化定制。此外，系統配備了一臺星形下料發送器，一臺震動投料裝置，一臺粉料除塵回料裝置。粉塵吸收回收裝置自動把投粉過程中吸收的粉塵、粉料反吹回粉攪拌倉，保證粉料的不浪費，保證上一鍋的配方粉料與下一鍋粉料不交叉污染，既保證了環境衛生，又保證了投料的精準性。系統設備配置見圖3，系統主要設備清單見表1。

圖3 系統設備配置圖

表1 系統主要設備清單

續表1 系統主要設備清單

3 軟件實現

該系統支持用戶自定義配方的柔性生產，數據流通過數據庫結構數據類型與西門子PLC結構數據類型相對應獲取。生產過程通過數據流定義，反復執行面向過程的自定義工藝步驟，直到捕捉到工藝步序等于預設工藝步序。生產完畢后，系統主動提示操作人員進行化驗步序，化驗結果如不符合指標，可無縫切換至人工調整模式，直至產品符合生產要求。產品符合化驗指標，主動提示出料，至此產品生產完成。系統軟件部分的總體流程見圖4。

圖4 系統軟件部分的總體流程

系統主界面見圖5，可顯示水相鍋、油相鍋、乳化鍋、粉倉狀態及各閥門狀態。系統的工作模式主要有手動、半自動、自動模式。根據不同的工藝配方，在參數設置區域內設置相關的任務及參數。全部配方任務及參數設置完畢后，輸入配方號及配方名稱，點擊創建配方，用于在數據庫中創建此配方，并且能對參數進行修改完成配方的更新。如需查詢存儲在數據庫中的工藝配方，可啟用報表查詢功能。

圖5 系統主界面

系統運行過程中出現異常情況，可點擊“暫停”按鈕，暫停運行，處理完畢后長按2s“再繼續”按鈕，系統即可繼續運行。報警界面，記錄了設備所有報警信息，用于查詢報警記錄。當有報警時設備不能進行下一步操作，需要在此處點擊報警復位，報警界面見圖6。實時監控采集生產過程中的執行情況，對于異常情況，提前發現、及時處理，從而減少損失，事后做好分析，持續改善產品質量。

圖6 報警界面

4 結語

本文結合物聯網、大數據、人工智能等先進技術，搭建了基于工藝配方管理的制膏智能自控系統。該系統能實現不同的生產工藝要求，滿足客戶的個性化需求，系統能夠實現生產過程全自動化控制和程序化管理，能夠進行生產過程的實時記錄和遠程監控，生產可追溯，進而形成全面的正反向追溯體系，提升生產效率的同時，還能有效保證產品質量。