趙然 楊陽(yáng) 董育麟 馬曉君

摘要針對(duì)馬鈴薯全粉生產(chǎn)過(guò)程中工藝復(fù)雜繁瑣且物料損失率高的現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)有馬鈴薯全粉加工設(shè)備現(xiàn)狀，對(duì)現(xiàn)有加工設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，采用可編程邏輯控制器（PLC）對(duì)馬鈴薯全粉制備過(guò)程進(jìn)行有效控制，保持馬鈴薯細(xì)胞的完整性，提高馬鈴薯全粉加工的質(zhì)量和自動(dòng)化程度。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的馬鈴薯全粉加工控制系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)化加工工藝，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯全粉的精準(zhǔn)加工與物料控制，為馬鈴薯全粉制備智能化、自動(dòng)化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，具有較高的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞馬鈴薯全粉；工藝流程；可編程邏輯控制器；智能化；自動(dòng)化

中圖分類(lèi)號(hào)TS210.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）17-0059-03

AbstractAiming at the status of complex and tedious process， high material loss rate in production process of potato powder， the existing processing equipments were analyzed and optimized. PLC was used to control potato powder process， in order to maintain the integrity of potato cells， improve the quality and automation degree of potato power processing. The simulation test results showed that the design of the potato powder processing control system， can reduce the processing technology， realize precision processing and material control for potato powder preparation， lay the foundation for intelligent， automatic production， has high practical value and application prospect.

Key wordsPotato powder；Technological process；PLC；Intelligence；Automation

基金項(xiàng)目黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（1022220168733）。

作者簡(jiǎn)介趙然（1996—），男，黑龍江雙鴨山人，本科生，專(zhuān)業(yè)：農(nóng)業(yè)電氣化。*通訊作者，工程師，博士，從事現(xiàn)代制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)及自動(dòng)化研究。

收稿日期2017-04-07

我國(guó)馬鈴薯的種植面積和產(chǎn)量居世界首位。多年來(lái)，我國(guó)馬鈴薯主要用于淀粉生產(chǎn)加工，馬鈴薯生產(chǎn)加工的領(lǐng)域較小，產(chǎn)品附加值較低，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家馬鈴薯的加工領(lǐng)域較廣，生產(chǎn)設(shè)備先進(jìn)，馬鈴薯全粉加工為馬鈴薯產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了巨額利潤(rùn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)馬鈴薯生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)得到快速發(fā)展，但在生產(chǎn)過(guò)程中物料損失嚴(yán)重，質(zhì)量也得不到保證。由于具有豐富的馬鈴薯資源，馬鈴薯全粉制備設(shè)備的開(kāi)發(fā)與利用在國(guó)內(nèi)具有廣闊的發(fā)展前景，必將推動(dòng)我國(guó)馬鈴薯深加工產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

1馬鈴薯全加工的現(xiàn)狀與發(fā)展前景

由于馬鈴薯全粉是食品工業(yè)的中間原料，具有優(yōu)良的性能，使得馬鈴薯全粉加工成為馬鈴薯加工行業(yè)的主流。馬鈴薯全粉是由馬鈴薯經(jīng)清洗去皮→切片→蒸煮→制泥→干燥→粉碎→篩分等工藝流程后得到干燥狀態(tài)的粉碎狀或片狀產(chǎn)品，由于加工過(guò)程保持了馬鈴薯細(xì)胞的完整性，因此原馬鈴薯固有的營(yíng)養(yǎng)和風(fēng)味得以保持，且易于儲(chǔ)存。馬鈴薯全粉作為馬鈴薯加工的主導(dǎo)產(chǎn)品，在國(guó)內(nèi)外馬鈴薯加工行業(yè)得到了迅猛發(fā)展[1-3]。

隨著馬鈴薯全粉加工設(shè)備的快速發(fā)展，在美國(guó)、德國(guó)、荷蘭以及法國(guó)等國(guó)家，馬鈴薯全粉的種類(lèi)有上千種，加工方式日臻完善，實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯的精細(xì)加工，馬鈴薯深加工比例逐年提高。目前，歐美國(guó)家深加工的比例高達(dá)總產(chǎn)量的40%，而國(guó)內(nèi)馬鈴薯深加工的比例約為總產(chǎn)量的5%，可見(jiàn)國(guó)內(nèi)馬鈴薯深加工還有廣闊的空間[4]。

1989年，我國(guó)創(chuàng)建首家馬鈴薯全粉加工企業(yè)，雪花牌馬鈴薯全粉誕生，同時(shí)，馬鈴薯全粉的加工生產(chǎn)開(kāi)啟了我國(guó)對(duì)馬鈴薯全粉加工技術(shù)的深入研究，在國(guó)內(nèi)馬鈴薯全粉加工具有里程碑意義，形成了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的馬鈴薯全粉加工技術(shù)與成套設(shè)備。2002 年，成功研發(fā)了馬鈴薯顆粒全粉回填加工工藝及成套設(shè)備。2008 年，我國(guó)馬鈴薯全粉生產(chǎn)線26 條，其中進(jìn)口生產(chǎn)線11 條，國(guó)產(chǎn)生產(chǎn)線15 條。裝機(jī)生產(chǎn)能力達(dá)10 萬(wàn)t/a，其國(guó)產(chǎn)生產(chǎn)線產(chǎn)能占50%以上[5-7]。2008 年，馬鈴薯雪花全粉產(chǎn)量達(dá)2萬(wàn)t。

通過(guò)測(cè)繪、仿制、技術(shù)移植，使馬鈴薯全粉加工技術(shù)得到了快速的發(fā)展，但關(guān)鍵技術(shù)來(lái)源于國(guó)外。在馬鈴薯全粉的生產(chǎn)加工中，如何保持馬鈴薯細(xì)胞完整性、優(yōu)化加工工藝以及馬鈴薯全粉加工的自動(dòng)化程度是亟待解決的問(wèn)題。

我國(guó)馬鈴薯加工企業(yè)起步較晚，馬鈴薯的綜合利用率和增值率較低，應(yīng)用領(lǐng)域有待拓展，市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)鏈短，自動(dòng)化水平低。雖然我國(guó)馬鈴薯加工企業(yè)有4 500多家，但是規(guī)模化的加工業(yè)企業(yè)不足100家，大多數(shù)企業(yè)規(guī)模小、設(shè)備陳舊老化、技術(shù)落后，閑置產(chǎn)能高達(dá)60%，且管理方式和經(jīng)營(yíng)理念不符合現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，直接影響馬鈴薯加工企業(yè)發(fā)展[4，8]。

目前，高品質(zhì)馬鈴薯全粉市場(chǎng)售價(jià)約1萬(wàn)元/t，紫薯全粉的價(jià)格超過(guò)3萬(wàn)元/t。馬鈴薯的價(jià)格800～1 200元/t[9-10]，可見(jiàn)，馬鈴薯經(jīng)過(guò)深加工的全粉效益相當(dāng)可觀，通過(guò)馬鈴薯的全粉加工不僅拓寬了馬鈴薯的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)創(chuàng)造了更多的市場(chǎng)價(jià)值。今后，擁有自動(dòng)化、集成化、規(guī)?；鸟R鈴薯全粉生產(chǎn)加工企業(yè)必將成為馬鈴薯生產(chǎn)加工企業(yè)的主流。

2馬鈴薯全粉加工工藝流程

馬鈴薯全粉加工的工藝流程：清洗去皮→切片→蒸煮→制泥→干燥→粉碎→篩分。

2.1去皮

馬鈴薯的去皮方法有3種：堿液去皮、蒸氣去皮與磨擦去皮。磨擦去皮方法被廣泛采用，擦皮機(jī)具有設(shè)備經(jīng)久耐用、成本低、便于操作、對(duì)均勻皮質(zhì)的馬鈴薯去皮效率較高等優(yōu)點(diǎn)，但由于馬鈴薯的芽點(diǎn)，對(duì)于非均勻皮質(zhì)的馬鈴薯去皮率較低。

2.2切片

切片工藝采用切片機(jī)，切片后的馬鈴薯提高了蒸煮效率。切片機(jī)切片均勻，厚度可控，經(jīng)濟(jì)的切片厚度為8～10 mm。

2.3蒸煮

馬鈴薯切片后，需進(jìn)行蒸煮，蒸煮工藝常采用螺旋蒸煮機(jī)、隧道式蒸煮機(jī)或螺旋蒸煮機(jī)等蒸煮設(shè)備。該設(shè)計(jì)采用螺旋蒸煮機(jī)，并對(duì)蒸煮機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，使其蒸煮糊化充分。

2.4打漿成泥

打漿成泥是馬鈴薯全粉制備的主要工藝，采用打漿成泥機(jī)能夠保證細(xì)胞的完整性，降低游離淀粉率。

2.5干燥

干燥工藝采用食品烘箱或干燥箱，控制水分在6%～8%，進(jìn)出口溫度分別約為140與60 ℃。

2.6粉碎篩分

粉碎篩分工藝采用振篩，通過(guò)篩板的振動(dòng)破碎并篩分，粉碎篩分工藝可以有效降低游離的淀粉率。

3去皮、切片工藝加工設(shè)備的優(yōu)化仿真

3.1清洗去皮

馬鈴薯清洗去皮工藝設(shè)備仿真圖如圖1所示。該仿真裝置的外形類(lèi)似桶狀，底部有可開(kāi)關(guān)的出料口，滾筒內(nèi)壁利用金剛砂與帶凸起的不銹鋼片結(jié)合，快速旋轉(zhuǎn)的底盤(pán)，使其摩擦力更大，有起停按鈕，可自行控制該裝置啟動(dòng)或停止，去皮率可達(dá)90%。

3.2切片

馬鈴薯切片工藝設(shè)備仿真圖如圖2所示。該仿真裝置，內(nèi)置2個(gè)距離很近且相互咬合的圓形鋸齒刀片，當(dāng)洗凈去皮后的馬鈴薯從上進(jìn)口通過(guò)自由落體方式落入該機(jī)器內(nèi)時(shí)，2個(gè)相互咬合且高速旋轉(zhuǎn)的圓形刀片可將馬鈴薯切成片狀，方便下一步處理。切片裝置外有起停按鈕，可隨時(shí)將該裝置啟動(dòng)或停止。

4.2控制系統(tǒng)中PLC的功能

進(jìn)行變量的初始化，對(duì)中斷協(xié)議以及通訊口協(xié)議、地址進(jìn)行設(shè)置；

通過(guò)相應(yīng)的通訊手段實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的通信功能；

實(shí)現(xiàn)實(shí)際數(shù)字量和輸出模擬量之間關(guān)系的轉(zhuǎn)化；

實(shí)時(shí)控制工藝自動(dòng)控制系統(tǒng)的相關(guān)動(dòng)作。

4.3控制模式

在馬鈴薯全粉控制系統(tǒng)的自動(dòng)模式下，對(duì)于清洗去皮、切片、蒸煮、制泥、干燥、粉碎、篩分相關(guān)的環(huán)節(jié)及控制各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的對(duì)應(yīng)電動(dòng)閥、變頻器的機(jī)組等設(shè)備要選擇自動(dòng)調(diào)節(jié)模式，控制閥門(mén)的速度和敏感程度以及工況條件下的輸出頻率特征；同時(shí)采用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)各傳感器收集信息的分析處理工作，并且按照預(yù)先制訂的控制方案進(jìn)行自動(dòng)模式的控制。在對(duì)馬鈴薯全粉進(jìn)行手動(dòng)模式的控制下，相關(guān)操作人員能夠通過(guò)對(duì)觸摸屏以及按鍵操作臺(tái)的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)后續(xù)工序的參數(shù)設(shè)定，并且還能對(duì)設(shè)備與系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和維護(hù)操作[11]。

4.4PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC在對(duì)軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要包括了數(shù)據(jù)處理程序、手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行程序、模擬量輸入/輸出程序以及對(duì)應(yīng)故障處理程序等。PLC通過(guò)制訂的數(shù)據(jù)處理程序以及相關(guān)的模擬量輸入程序?qū)︸R鈴薯全粉加工過(guò)程中溫度、速度、濕度進(jìn)行讀取工作，并對(duì)已經(jīng)讀取的相關(guān)數(shù)據(jù)處理分析，對(duì)每組中的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值的求取，并確定為實(shí)際值。PLC程序設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

5結(jié)語(yǔ)

該研究通過(guò)對(duì)馬鈴薯全粉制備的清洗去皮、切片的加工工藝設(shè)備仿真優(yōu)化，為馬鈴薯全粉加工的自動(dòng)化、智能化奠定基礎(chǔ)。利用PLC和觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可提高生產(chǎn)的利用率，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯全粉的精準(zhǔn)加工與物料控制，具有較高的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

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