劉艷紅
【摘 要】為了提高食品生產(chǎn)過程中的均質(zhì)效率,設(shè)計了一臺基于PLC、變頻器、HMI的智能均質(zhì)乳化機。文章重點闡述了該設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)、電氣原理圖、PLC程序流程及觸摸屏組態(tài)。實際應(yīng)用表明,該乳化機滿足了控制要求,具有操作簡單、人機交互友好、自動化程度高等特點,減輕了工人的勞動強度,提高了生產(chǎn)效率。適應(yīng)多種物料配方,設(shè)備利用率高。
【關(guān)鍵詞】乳化機;PLC;HMI;均質(zhì)效率
【中圖分類號】TP237.5 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688(2020)01-0053-03
0 前言
在食品工業(yè)鏈中,均質(zhì)乳化工藝處理是行業(yè)內(nèi)不可或缺的部分。隨著原料和工藝的進步,對于產(chǎn)品的乳化均質(zhì)要求也越來越高,傳統(tǒng)的乳化均質(zhì)設(shè)備工藝已經(jīng)不能滿足行業(yè)發(fā)展的需求,出現(xiàn)諸如分散相粒徑大、攪拌時空氣混入制品中等問題[1],粒徑大導(dǎo)致乳化物不穩(wěn)定,缺少光澤;混入空氣則會使制品氣泡化、受細菌污染、易氧化及外表不光滑。
針對這些問題開發(fā)了一款高效的均質(zhì)乳化裝置,該裝置能夠高效、快速地進行物料的乳化均質(zhì)生產(chǎn),特別是諸如沙拉醬、蛋黃醬、日化膏霜、乳化油、潤滑脂合成等產(chǎn)品,并且生產(chǎn)出來的物料乳化均質(zhì)徹底,物料穩(wěn)定性好,避免了傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)時間長、乳化不徹底、物料穩(wěn)定性差等問題。
1 設(shè)備整體設(shè)計
本機組由主鍋(可升降鍋蓋、翻轉(zhuǎn)式鍋體)、水鍋、油鍋、真空裝置、加熱和溫度控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及機架等組成[2]。真空均質(zhì)乳化機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
水鍋對水和水溶性物料進行預(yù)處理,油鍋對油和油溶性物料進行預(yù)處理,它們均具有攪拌功能和加熱冷卻功能。
電機帶動轉(zhuǎn)鍋均質(zhì)器主通過轉(zhuǎn)子和定子轉(zhuǎn)動,將一種物料在剪切力作用下均勻地分散在互不相溶的另一種物料中,制得粒子精細、混合均勻的成品。攪拌裝置是由中間的折葉槳式攪拌器與框式攪拌器組成,在框式攪拌器的周邊裝有刮壁的刮板[3],刮板的作用是使容器內(nèi)壁與物料不斷產(chǎn)生新的界面而不再留有任何死角。設(shè)備選用爪式咬合、雙向吸料結(jié)構(gòu),能實現(xiàn)全方位的刮壁攪拌,避免物料難以吸入而造成的死角和漩渦現(xiàn)象,攪拌可以無級調(diào)速,可以使攪拌與物料在瞬間形成對流,可以將預(yù)混時間大大縮短,大大地改善預(yù)混效果,讓產(chǎn)品更細膩潤滑。
2 系統(tǒng)控制要求
2.1 電氣設(shè)施
電氣控制系統(tǒng)采用“三菱”FX3U系列PLC做控制器,配置485信號、模擬量輸入和數(shù)字量輸出模塊;選用“三菱”觸摸屏用來設(shè)置參數(shù)和進行現(xiàn)場操作;選用2個“三菱”變頻器對均質(zhì)和攪拌電機進行調(diào)速。
系統(tǒng)輸出:電機M1~M6,共6個,包括真空泵M1、升降液壓電機M2、水鍋攪拌電機M3、油鍋攪拌電機M4、均質(zhì)電機M5和攪拌電機M6;液壓閥4個;加熱、冷卻、出料等閥門13個;照明1個;報警蜂鳴器1個。
系統(tǒng)輸入:4~20 mA壓力變送器1個、溫度變送器3 個、行程開關(guān)4個、流量計1個、急停按鈕1個、狀態(tài)及故障指示按鈕若干個。
2.2 基本要求
運轉(zhuǎn)部件有副鍋攪拌系統(tǒng)、主鍋均質(zhì)系統(tǒng)、主鍋升降系統(tǒng)、主鍋攪拌系統(tǒng)、真空泵系統(tǒng)。操作面板上的按鈕可控制照明燈的照明與熄滅、主鍋攪拌的運轉(zhuǎn)、主鍋均質(zhì)的運轉(zhuǎn)、副鍋攪拌的運轉(zhuǎn)、真空泵的運轉(zhuǎn)及主、副鍋的加熱。各項控制都可以在控制面板和HMI上進行。
為了現(xiàn)場操作方便,系統(tǒng)基本要求如下。
(1)觸摸屏有手動、自動、設(shè)置、報警等界面,具有一鍵按程序自動運行的功能,主界面自動運行時顯示當前的工作狀態(tài)。
(2)手動調(diào)試界面,可在觸摸屏上手動控制各部位按設(shè)置的參數(shù)單獨動作。
(3)自動運行界面,可在觸摸屏上顯示累計產(chǎn)量、當前運行參數(shù)等。自動運行子程序有3條。①清洗:啟動后設(shè)備按清洗工藝流程以設(shè)置的各項參數(shù)清洗;②滅菌:啟動后設(shè)備按滅菌工藝流程以設(shè)置的各項參數(shù)滅菌;③生產(chǎn):啟動后設(shè)備按生產(chǎn)工藝流程以設(shè)置的各項參數(shù)生產(chǎn)。
(4)設(shè)置參數(shù)界面,設(shè)置物料溫度、各電機的速度及需要延時部位的時間等。
(5)報警界面,顯示故障原因和解除警報。
3 系統(tǒng)電氣設(shè)計
3.1 電機電氣連接
乳化機組的電氣控制系統(tǒng)[4]包括均質(zhì)電機、攪拌電機、變頻器、PLC模塊、觸摸屏、傳感器、電磁閥、照明、報警等。可以在攪拌的時候進行加熱、冷卻,還可以調(diào)整均質(zhì)攪拌的速度、時間等,操作的自動化程度也大大提升了。
三相交流電經(jīng)過總電源開關(guān)、交流接觸器、熱繼電器接入真空泵M1、升降液壓電機M2、水鍋攪拌電機M3、油鍋攪拌電機M4。主鍋的均質(zhì)和攪拌電機采用“三菱”FR-D740系列變頻器控制,能控制電機的啟停,實現(xiàn)無級調(diào)速。按下外部開關(guān)SA1,電源啟動,電源指示燈亮。
3.2 PLC輸入輸出分配
乳化機由“三菱”觸摸屏和PLC進行控制,采用按鈕控制的操作方式,使用者可根據(jù)生產(chǎn)工藝調(diào)節(jié)電機速度、溫度、壓力和均質(zhì)乳化時間等。系統(tǒng)的核心控制部分是PLC,根據(jù)現(xiàn)場輸入信息,可實現(xiàn)系統(tǒng)自動運行與手動運行。在人機界面上可預(yù)先設(shè)置生產(chǎn)中需要的各項參數(shù),實時顯示運行狀態(tài)(見表1)。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
4.1 組態(tài)界面設(shè)計
本設(shè)備設(shè)置了中英文兩種語言,方便使用??刂葡到y(tǒng)的人機界面包括19個基本畫面、10個窗口畫面?;井嬅姘ǔ跏籍嬅?、管理員畫面、操作員畫面、2個調(diào)整畫面、2個自動畫面、配方選擇畫面、10個配方畫面、故障記錄畫面;窗口畫面包括均質(zhì)變頻、攪拌變頻、真空泵、升降液壓、水鍋攪拌和油鍋攪拌6個故障,AB循環(huán)完成、管理員密碼和急停3個指示。
在初始畫面中,管理員與操作員因權(quán)限不同,點擊按鈕進入相應(yīng)畫面,可進行語言切換。在手動運行畫面中可設(shè)置參數(shù)、控制閥門動作。自動運行畫面中也能方便地設(shè)置各種參數(shù)。設(shè)備具有實時動態(tài)顯示和操作功能,能夠根據(jù)工藝流程對現(xiàn)場設(shè)備進行操作與控制,反映現(xiàn)場設(shè)備的運行情況。
4.2 系統(tǒng)程序流程
傳統(tǒng)的乳化生產(chǎn)中,操作工靠經(jīng)驗來開啟油鍋、水鍋等各閥門大小,以控制乳化過程中物料加入量。在乳化過程中,需操作工一直調(diào)節(jié)閥門,造成操作工勞動強度大,增加人工成本,且精度難控,影響乳化效果。本系統(tǒng)能有效克服現(xiàn)有技術(shù)的乳化控制需人工頻繁調(diào)節(jié)閥門且精度難控等缺陷。系統(tǒng)控制流程如圖2所示。
控制系統(tǒng)通過讀取急停按鈕、真空泵運行狀態(tài)、液壓電機運行狀態(tài)、溫度傳感器、壓力傳感器等信息,并通過總線控制方式與控制器相連,利用PLC對均質(zhì)乳化機中各動作單元進行通信連接[5],簡單的按鈕操作可完成產(chǎn)品的乳化啟停工作,操作方便,同時可在HMI設(shè)定和讀取相應(yīng)參數(shù),操作者可直接觀察到各單元的工作狀態(tài),有助于提高工作效率,降低工人的勞動強度。
5 調(diào)試運行
機械部分裝配好后,進行電氣控制系統(tǒng)裝調(diào),設(shè)備調(diào)試過程需要遵守安全操作規(guī)范。首先接通總電源,電源指示燈點亮;接下來接通設(shè)備各管道,由于采用了高速電機,因此在鍋體內(nèi)空鍋的狀態(tài)下不得開機運轉(zhuǎn),電機接線啟用時應(yīng)點動試轉(zhuǎn)。每次攪拌啟動前都應(yīng)點動,用自來水進行調(diào)試,節(jié)約成本。乳化生產(chǎn)前,先在觸摸屏上選擇手動或自動模式,然后根據(jù)流程進行調(diào)試。
把浸泡過的紅豆放入真空均質(zhì)機的主鍋內(nèi),加熱時,攪拌裝置高速均質(zhì)、破碎、剪切、乳化物料,最終快速形成細膩的豆沙泥原料產(chǎn)品。結(jié)果表明,設(shè)備均質(zhì)乳化效果好;采用變頻調(diào)速,可對主鍋均質(zhì)、攪拌轉(zhuǎn)速進行調(diào)整,加熱溫度可自動設(shè)定與控制,清洗、滅菌、配方、生產(chǎn)、出料及清洗操作方便、靈活。
6 結(jié)論
設(shè)計開發(fā)的均質(zhì)乳化機集混合、分散、均質(zhì)、乳化及出料等功能于一體,采用PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場生產(chǎn)流程控制,利用HMI組態(tài)設(shè)備運行狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置等,確保生產(chǎn)連續(xù)性,提高工作效率[6]。本設(shè)備適應(yīng)多種物料配方,很適合做月餅餡料、面包牛奶餡、各種豆沙餡等,可一機多用,設(shè)備利用率高,具有較好的市場價值。
參 考 文 獻
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[3]張文浩.基于數(shù)值計算的新型攪拌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能研究[D].西安:西北大學(xué),2017.
[4]張相勝.均質(zhì)機控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用研究[D].無錫:江南大學(xué),2008.
[5]朱浪.基于全自動生產(chǎn)流程的均質(zhì)機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].無錫:江南大學(xué),2014.
[6]朱浪,潘豐.WinCC組態(tài)在均質(zhì)生產(chǎn)過程監(jiān)控中的應(yīng)用[J].江南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,13(1):17-22.