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        高黏度水凝膠自動(dòng)灌裝系統(tǒng)研發(fā)

        2021-03-27 16:35:14尤啟航
        中國(guó)設(shè)備工程 2021年5期

        尤啟航

        (上海海事大學(xué),上海 201306)

        水凝膠是由親水性高分子鏈交聯(lián)形成的網(wǎng)狀聚合物。它可以在水中發(fā)生溶脹,形成具有高黏度的水溶液或膠體。水凝膠可以通過(guò)靜電相互作用、共價(jià)鍵交聯(lián)等方法進(jìn)行交聯(lián)制備得到。水凝膠中含有大量的水,生物相容性較高,因此,它能被應(yīng)用到組織工程、日常消費(fèi)品、藥物釋控、醫(yī)療衛(wèi)生、軟電子等諸多領(lǐng)域。

        在食品、醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域,可以利用水凝膠對(duì)水、酒精等物質(zhì)進(jìn)行增稠,制成消毒凝膠。所制備的消毒凝膠黏度非常高,達(dá)幾十甚至上百萬(wàn)厘泊,屬于高黏度流體,不易流動(dòng)。在灌裝過(guò)程中,容易出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題:(1)由于管道較長(zhǎng),產(chǎn)品黏度大,罐內(nèi)空氣不易排出,在凝膠內(nèi)形成氣泡,影響產(chǎn)品外觀和品質(zhì);(2)灌裝過(guò)程難以定量,計(jì)量誤差較大。國(guó)內(nèi)的高黏度液體灌裝很多還需要工人操作,沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。灌裝生產(chǎn)過(guò)程中,需要由工人定時(shí)定量添加到儲(chǔ)罐中,整個(gè)過(guò)程需要由至少一名工人實(shí)時(shí)等候,從下達(dá)配料信息到稱重完成至少需要2分鐘以上。這種灌裝工藝費(fèi)時(shí)費(fèi)力、成本高,且精度和實(shí)時(shí)性難以保證。目前,液體灌裝設(shè)備在市面上種類較多,但是,有些還是需要手動(dòng)調(diào)節(jié),有些自動(dòng)灌裝設(shè)備雖然精度比較高,但是,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,占地面積大,設(shè)備昂貴。另外,現(xiàn)有設(shè)備不是針對(duì)水凝膠的特性進(jìn)行專門定制,無(wú)法完全滿足水凝膠自動(dòng)化灌裝的需求。針對(duì)目前高黏度水凝膠生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題,設(shè)計(jì)一套自動(dòng)灌裝系統(tǒng),滿足實(shí)際生產(chǎn)需要,提高生產(chǎn)效率,實(shí)現(xiàn)高黏度水凝膠溶液的自動(dòng)化灌裝。

        1 總體設(shè)計(jì)

        1.1 技術(shù)要求

        (1)水凝膠中含有75%左右乙醇,20%~25%的水,丙三醇以及0.5%~1%左右的親水聚合物,黏度2000~4000MPa·s。

        (2)混合攪拌釜裝有真空脫泡、攪拌裝置,在混料完成后需要進(jìn)行真空脫泡。

        (3)混合攪拌釜體積1000升,中間儲(chǔ)罐體積100升,中間儲(chǔ)罐裝有稱重模塊,當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)凝膠量低于一定液位時(shí),由隔膜泵進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)料。

        (4)每次灌裝量為200~500g,灌裝精度控制在±2%內(nèi)。

        (5)自動(dòng)控制,配備手自動(dòng)切換按鈕,急停按鈕以及指示燈等,并可以通過(guò)觸摸屏設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)。

        1.2 工藝流程(圖1)

        (1)配料。根據(jù)配方將不同的原料,按一定比例加入攪拌釜中。

        圖1 灌裝工藝流程圖

        (2)混料。在一定溫度下,攪拌一段時(shí)間,使水凝膠溶液混合均勻。

        (3)真空脫泡。抽真空,將攪拌釜中的氣泡脫除,停止攪拌。

        (4)進(jìn)料。通過(guò)進(jìn)料隔膜泵向中間儲(chǔ)罐進(jìn)行進(jìn)料,儲(chǔ)罐內(nèi)設(shè)有稱重模塊,并通過(guò)該裝置的PLC進(jìn)行控制隔膜泵加料量。當(dāng)儲(chǔ)罐質(zhì)量低于設(shè)定最低質(zhì)量時(shí),啟動(dòng)隔膜泵開(kāi)始進(jìn)行進(jìn)料;當(dāng)儲(chǔ)罐質(zhì)量高于設(shè)定的最高質(zhì)量值時(shí),關(guān)閉進(jìn)料隔膜泵,停止進(jìn)料。

        如果在進(jìn)行過(guò)程中,進(jìn)料隔膜泵一直在工作,儲(chǔ)罐質(zhì)量沒(méi)有增加,說(shuō)明攪拌釜原料用完,系統(tǒng)則會(huì)進(jìn)行報(bào)警,提醒工作人員進(jìn)行配料,并停止隔膜泵進(jìn)料。

        (5)灌裝。由稱重控制器對(duì)產(chǎn)品瓶進(jìn)行稱重,利用PLC控制螺桿泵進(jìn)行灌裝,當(dāng)接近目標(biāo)重量時(shí),降低進(jìn)料量,稱重完成后停止進(jìn)料。

        1.3 控制系統(tǒng)

        (1)控制系統(tǒng)架構(gòu)。根據(jù)系統(tǒng)工藝流程和機(jī)械結(jié)構(gòu)分析,控制系統(tǒng)具有模擬量輸入、數(shù)字量輸入輸出、RS485通訊等。因此,此控制系統(tǒng)采用西門子Step7-200作為控制器,MCGS作為人機(jī)界面,溫控器作為溫度采集模塊??刂萍軜?gòu)如圖2。

        圖2 控制架構(gòu)圖

        (2)控制流程圖。根據(jù)設(shè)備工藝流程圖和設(shè)備功能,設(shè)計(jì)控制流程圖,如圖3所示。

        圖3 控制流程圖

        (3)主要控制程序。其他主要控制程序圖如圖4~7所示。

        圖4 溫度處理程序

        圖5 計(jì)時(shí)程序圖

        圖6 報(bào)警程序圖

        圖7 modbus通訊程序模塊圖

        (4)人機(jī)交互。PLC與MCGS采用modbus通訊協(xié)議,根據(jù)工藝流程,人機(jī)界面包括手動(dòng)操作界面、參數(shù)界面和登錄界面。手動(dòng)操作界面如圖8所示。

        圖8 人機(jī)交互界面

        2 結(jié)果與討論

        高黏度液體的灌裝計(jì)量方式分為體積式和稱重式兩種。體積計(jì)量方式的灌裝速度快,以流量計(jì)灌裝機(jī)為例,它是利用安裝在每個(gè)灌裝工位的管路上的高精度電子流量計(jì),對(duì)流量進(jìn)行測(cè)量,利用計(jì)量灌裝的液體體積的方式實(shí)現(xiàn)液體的定量灌裝。這種灌裝方式具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,方便進(jìn)行灌裝量調(diào)整,適用于不同黏度液體的灌裝,灌裝準(zhǔn)確度相對(duì)較高等優(yōu)點(diǎn)。但是,它的缺點(diǎn)是灌裝重量受液料比重、溫度等的影響較大,不適用于沒(méi)有導(dǎo)電性或含有氣體的物料。稱重式灌裝是在灌裝工位上安裝一個(gè)高精度動(dòng)態(tài)電子稱重模塊,通過(guò)采集重量傳感器的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)液體的定量灌裝。這種灌裝方式不受液料比重影響,特別適合灌裝重量比較大的產(chǎn)品。但是,這種灌裝方式控制過(guò)程時(shí)間長(zhǎng),采用高精度、高性能的稱重傳感器,設(shè)備成本較高。因此,它適用價(jià)值較高液體的罐裝和較大灌裝量的罐裝。高黏度水凝膠在輸送過(guò)程中容易產(chǎn)生氣泡,影響產(chǎn)品計(jì)量精度,因此,本文采用稱重式灌裝方式。由于螺桿泵在高黏度液體的輸送中具有一定的優(yōu)勢(shì),因此本系統(tǒng)亦采用螺桿泵進(jìn)行輸送灌裝。

        經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,利用本系統(tǒng)進(jìn)行高黏度水凝膠的自動(dòng)灌裝。按照配方將不同的小料、水以及乙醇加入攪拌釜中,控制一定的溫度,混合均勻。在攪拌作用下,溶液中黏度上升,含有大量的氣泡。開(kāi)啟真空脫泡,一段時(shí)間后,溶液中的氣泡脫除干凈,形成均勻、透明的凝膠狀溶液。通過(guò)隔膜泵將高黏度水凝膠輸送到緩沖儲(chǔ)罐中,利用PLC控制,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)料。采用螺桿泵進(jìn)行凝膠灌裝,避免了在灌裝過(guò)程中將管道內(nèi)的空氣重新引入溶液中。利用稱重模塊進(jìn)行重量計(jì)量,PLC控制自動(dòng)灌裝,灌裝精度高,可以將灌裝誤差控制在±2%以內(nèi)。

        3 結(jié)語(yǔ)

        本文開(kāi)發(fā)了一套適用于高黏度水凝膠的自動(dòng)灌裝系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)配料、攪拌、脫泡、進(jìn)料、灌裝的全自動(dòng)操作。本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):

        (1)采用真空脫泡裝置,去除溶液中含有的氣泡,提高產(chǎn)品外觀透明度,減少計(jì)量誤差。

        (2)中間儲(chǔ)罐采用稱重模塊進(jìn)行計(jì)量,利用PLC控制儲(chǔ)罐自動(dòng)補(bǔ)料和下料以及低液位告警,控制精度高,降低勞動(dòng)強(qiáng)度,提高生產(chǎn)效率。

        (3)自動(dòng)灌裝單元采用螺桿泵進(jìn)行輸送,稱重模塊進(jìn)行計(jì)量,避免了在輸送過(guò)程中引入氣泡,灌裝精度高,誤差小。

        (4)PLC、人機(jī)界面和稱重模塊之間的實(shí)時(shí)通訊,操作人員可以實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和參數(shù)設(shè)定,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、高效灌裝。

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