王耿燃

（廣東省粵東高級技工學(xué)校，廣東汕頭 515041）

三菱FX系列PLC在高壓均質(zhì)乳化機(jī)改造中的應(yīng)用

王耿燃

（廣東省粵東高級技工學(xué)校，廣東汕頭 515041）

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

高壓均質(zhì)乳化機(jī)；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(shè)備（由該公司機(jī)修師傅協(xié)助，本人主要負(fù)責(zé)電氣控制方面）。該設(shè)備是一臺進(jìn)口二手的三柱塞泵高壓均質(zhì)乳化機(jī)，機(jī)器的銘牌及電氣控制線路部分在購進(jìn)前已被拆除。由于最初只采用接觸器、繼電器對電控線路進(jìn)行簡單的控制，所以須頻繁維修更換器件，而對該機(jī)原有的多個自動控制及保護(hù)設(shè)施閑置或不予配套，經(jīng)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(zhì)量下降，從而降低了生產(chǎn)效率，筆者經(jīng)過對該機(jī)的控制要求進(jìn)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(jìn)行改造，得到了廠家的支持，最后在機(jī)修師傅的配合下對此設(shè)備改造成功。

1 高壓均質(zhì)乳化機(jī)的電氣控制分析

高壓均質(zhì)乳化機(jī)是食品加工過程中不可缺少的重要設(shè)備。它的主要功能有：（1）進(jìn)行油和水的混合，獲得穩(wěn)定的油包水型或水包油型乳化液；（2）對固體顆粒超細(xì)粉碎，獲得穩(wěn)定的分散體溶液；（3）對大腸桿菌、酵母菌、細(xì)胞進(jìn)行破碎，提取其細(xì)胞內(nèi)酶、蛋白質(zhì)等活性產(chǎn)物。

它的主要部件是三柱柱塞泵，由高低壓兩級均質(zhì)閥體組成。需要粉碎乳化的物料，通過柱塞的往復(fù)運(yùn)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(nèi)，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(xì)化（它們的直徑在0.01～2 μm范圍內(nèi)），然后物料立即又在低壓腔內(nèi)得以充分乳化[1]。參見圖1，簡單了解了高壓均質(zhì)機(jī)的功能及工作原理后，來對該設(shè)備各方面進(jìn)行分析。

（1）設(shè)備簡介

該設(shè)備由供料部分和均質(zhì)部分組成，供料部分是一臺內(nèi)部裝有S型葉片封閉式攪拌機(jī)，該攪拌機(jī)可正反向運(yùn)轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時攪拌，反轉(zhuǎn)時給原料桶加料。該攪拌機(jī)由一臺3 kW電動機(jī)帶動，從攪拌機(jī)中出來的原料進(jìn)入原料桶，然后經(jīng)過輸料管進(jìn)入均質(zhì)機(jī)，輸料管上安裝了一個電磁閥，作進(jìn)料控制。料桶上下各有一個液位開關(guān)用來監(jiān)視料桶中原料（圖1為改造后的結(jié)構(gòu)）。

圖1 改造后的結(jié)構(gòu)

均質(zhì)部分是由一臺37 kW電動機(jī)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(zhì)，油泵為整機(jī)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(jìn)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(jī)時卸放高壓腔內(nèi)的壓力，在柱塞泵上還安裝了一塊壓力表，用以監(jiān)視壓力。

該機(jī)原本是采用傳統(tǒng)的繼電-接觸器控制，均質(zhì)機(jī)電動機(jī)M1由KM1、KMY、KM△接觸器控制，采用星三角降壓啟動，單向運(yùn)轉(zhuǎn)，熱繼電器FR1進(jìn)行過載保護(hù)。由兩個電磁閥YV1、YV2分別控制料桶進(jìn)料和停機(jī)卸壓，攪拌器電動機(jī)M3由KM3、KM4接觸器控制直接啟動，正反向運(yùn)轉(zhuǎn)，熱繼電器FR3進(jìn)行過載保護(hù)。該機(jī)原有的齒輪油泵已損壞，現(xiàn)單獨(dú)用一臺油泵，油泵電動機(jī)M2由KM2接觸器控制，熱繼電器FR2進(jìn)行過載保護(hù)。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(jī)相互不關(guān)聯(lián)，當(dāng)油泵電動機(jī)M2出現(xiàn)過載保護(hù)時，均質(zhì)機(jī)電動機(jī)M1還繼續(xù)運(yùn)行，這樣會對設(shè)備運(yùn)行的安全性以及生產(chǎn)工藝質(zhì)量造成影響。還有由于液位開關(guān)只是用到的SQ1和SQ3，所以當(dāng)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(jī)進(jìn)行保護(hù)造成精密元件的損壞或加工質(zhì)量下降也時常發(fā)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(jī)正轉(zhuǎn)攪拌，低于某一位置時攪拌機(jī)反轉(zhuǎn)為料桶加料。

2）均質(zhì)機(jī)出現(xiàn)缺水、缺油、缺料任意一種情況時，都不能運(yùn)行，如在運(yùn)行時出現(xiàn)缺水、缺油、缺料要求能自動停機(jī)。

3）當(dāng)缺水、缺油、缺料時均質(zhì)電動機(jī)切換△時便立即停車，均質(zhì)電動機(jī)不能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，直到故障排除。

4）均質(zhì)機(jī)的壓力要求控制在一定的范圍內(nèi)以保證產(chǎn)品質(zhì)量（細(xì)化）。同時為保證設(shè)備安全，必須限制最高壓力。

5）出現(xiàn)故障時，要有明確的故障指示。

6）要求有急停按鈕，緊急狀態(tài)時按下急停按鈕，全機(jī)必須立即停車。

（3）電氣改造

根據(jù)設(shè)備運(yùn)行控制要求，對該機(jī)的電氣控制線路進(jìn)行全面改造。

1）根據(jù)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(zhì)電動機(jī)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(jiān)視水流和油壓，保證設(shè)備安全。

4）為了確保安全生產(chǎn)，該機(jī)已裝上了溢流閥配合原有的壓力表，用以檢測均質(zhì)機(jī)高壓腔內(nèi)壓力，同時限制最高壓力（由機(jī)修師傅負(fù)責(zé)）。

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

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

7）設(shè)有缺水、缺油、低速（低壓）、缺料、均質(zhì)電動機(jī)過載、油泵過載、攪拌機(jī)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(hù)）。

2 改造后的控制流程

（1）啟動

合上電源開關(guān)，開啟冷卻水閥門，HL1(缺水)故障指示燈熄滅。

按下SB0(X0)，攪拌機(jī)M3正轉(zhuǎn)，使原料充分混合均勻。10分鐘后，M3反轉(zhuǎn)向料桶中注料。當(dāng)滿料開關(guān)SQ3(X17)接通后，攪拌機(jī)M3又正轉(zhuǎn)攪拌，直到SQ2(X16)復(fù)位，M3再次反轉(zhuǎn)向料桶中注料。滿料的同時，潤滑油泵電動機(jī)M2啟動。按下SB1(X1)，均質(zhì)電動機(jī)M1 Y型啟動，卸壓電磁閥YV2(Y4)得電關(guān)閉，柱塞泵內(nèi)壓力開始上升。6秒后，電動機(jī)M1斷開Y接中性點(diǎn)慣性運(yùn)轉(zhuǎn)，0.5秒熄弧后，電動機(jī)M1△型運(yùn)轉(zhuǎn)。2秒后，進(jìn)料電磁閥YV1(Y3)得電進(jìn)料加工。

（2）停止

按下停止按鈕SB2(X2)，攪拌機(jī)電動機(jī)M3立即停車，均質(zhì)電動機(jī)M1繼續(xù)運(yùn)行，料桶中的原料逐漸減少，當(dāng)原料低于缺料開關(guān)SQ1后，全機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）急停

當(dāng)需要緊急停車時，按下急停按鈕SB3(X3)，整機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，直到復(fù)位急停按鈕SB3(X3)，方可重新啟動。

（4）保護(hù)措施

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)缺水、缺油、缺料、低速、均質(zhì)電動機(jī)過載或油泵電機(jī)過載等任一故障時，對應(yīng)的故障指示燈亮，同時KA1（KM1）、KA2（KM△）、YV1、YV2復(fù)位，均質(zhì)電動機(jī)停車，卸壓電磁閥打開，進(jìn)料電磁閥關(guān)閉。

另外當(dāng)攪拌機(jī)過載時，攪拌機(jī)立即停車，均質(zhì)電動機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，直到料桶缺料，均質(zhì)電動機(jī)才會停車。

3 程序設(shè)計(jì)

（1）輸入、輸出分配如表1。

表1 輸入、輸出分配表

（2）PLC程序設(shè)計(jì)（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(hù))

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(jī)前應(yīng)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(zhì)機(jī)過載、缺料、油泵過載保護(hù)，當(dāng)均質(zhì)機(jī)電動機(jī)M1△型運(yùn)轉(zhuǎn)時，Y2置1，故障出現(xiàn)時，對應(yīng)輸入繼電器動作，輔助繼電器M20置1，Y0～Y4復(fù)位，均質(zhì)電動機(jī)停車。

25～26步為攪拌機(jī)電動機(jī)M3過載保護(hù)，當(dāng)攪拌機(jī)電動機(jī)M3過載時，輔助繼電器M30置1，攪拌機(jī)無論正反轉(zhuǎn)都停車。

27～80步為攪拌機(jī)電動機(jī)M3正反轉(zhuǎn)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(jī)正轉(zhuǎn)，T0開始延時，10分鐘后正轉(zhuǎn)停止，T1開始延時熄弧，2秒后Y7得電，攪拌機(jī)反轉(zhuǎn)為料桶供料。當(dāng)料桶中的原料超過缺料開關(guān)SQ1時，輸入繼電器X15動作，故障指示燈Y15熄滅。當(dāng)料桶中的原料超過滿料開關(guān)SQ3時，輸入繼電器X17動作，攪拌機(jī)反轉(zhuǎn)停止，T3開始延時熄弧，2秒后Y6得電攪拌機(jī)正轉(zhuǎn)。

81～88步SQ3（X17）動作的同時Y5得電，油泵電動機(jī)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(zhì)機(jī)電動機(jī)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(zhì)機(jī)電動機(jī)M1Y型啟動，卸壓電磁閥關(guān)閉，同時T4開始延時，6秒后Y1失電，斷開Y接中性點(diǎn)慣性運(yùn)轉(zhuǎn)，T5開始延時熄弧，0.5秒后Y2得電，均質(zhì)機(jī)電動機(jī)M1△型運(yùn)轉(zhuǎn)，T6開始延時，2秒后Y3得電，進(jìn)料電磁閥打開。

123～155步為減速箱主軸速度檢測，當(dāng)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Y(jié)0～Y4復(fù)位，均質(zhì)電動機(jī)停車。

156～173步為急停和復(fù)位。當(dāng)輸入繼電器X3閉合，復(fù)位Y0～Y7，設(shè)備停止運(yùn)行。當(dāng)Y2失電后，復(fù)位輔助繼電器，為下一次啟動作準(zhǔn)備。

4 結(jié)束語

該機(jī)未改造之前是由傳統(tǒng)的繼電器控制，只有料桶滿料自動正轉(zhuǎn)功能，另設(shè)有缺料、滿料指示，除過載保護(hù)外沒有任何保護(hù)措施，經(jīng)常出現(xiàn)因缺料、缺油造成設(shè)備故障；因缺水柱塞泵體過熱，皮帶磨損主軸轉(zhuǎn)速下降等原因引起的產(chǎn)品質(zhì)量下降，生產(chǎn)效率較低。用PLC改造后的高壓均質(zhì)機(jī)通過一段時間的運(yùn)行，結(jié)果令人滿意。不但實(shí)現(xiàn)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(shè)備操作人員的勞動強(qiáng)度。由于保護(hù)措施的設(shè)置，至今設(shè)備未發(fā)生故障，生產(chǎn)效率明顯提高。

比較PLC控制和傳統(tǒng)的繼電器控制，PLC具有可靠性高，安全性好，故障率低等優(yōu)點(diǎn)，在充分了解生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上用PLC對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行控制，對提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益是傳統(tǒng)的繼電器控制方式所不可比擬的。

由于受現(xiàn)場條件和設(shè)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(zhì)機(jī)超壓保護(hù)，也可以用PLC進(jìn)行自動控制，此設(shè)計(jì)待補(bǔ)充。

［1］雒亞洲，魯永強(qiáng)，王文磊.高壓均質(zhì)機(jī)的原理及應(yīng)用［J］.中國乳品工業(yè)，2007，35（10）：55-58.

［2］鄭銘芳.低壓電器選用維修手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)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(xué)本科，高級技師。研究領(lǐng)域：技師學(xué)院“產(chǎn)、學(xué)、研”。

(編輯：向 飛)

2014－02－14