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        分步式糖化控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

        2022-02-06 02:17:30項亞南鄧小龍王成龍
        儀表技術(shù)與傳感器 2022年12期
        關(guān)鍵詞:變頻器

        項亞南,鄧小龍,王成龍,蘆 俊,潘 豐

        (1.江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院,江蘇無錫 214153;2.江南大學,輕工過程先進控制教育部重點實驗室,江蘇無錫 214122)

        0 引言

        糖化指的是含淀粉物質(zhì)水解成甜味產(chǎn)物的過程,是眾多食品、醫(yī)藥基礎(chǔ)材料制備均需經(jīng)歷的過程[1]。目前,糖化主要從產(chǎn)物的甜度和相應(yīng)的理化性質(zhì)2方面加以區(qū)分,基本上分為3類:酸法、酶法、酸酶結(jié)合法[2]。在糖化系統(tǒng)生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)中,它的主要作用是通過加熱、攪拌和流量控制,完成配料、調(diào)節(jié)物質(zhì)達到最適宜的溫度,使很多不溶性物質(zhì)在酶的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄晕镔|(zhì)而溶解出來,制成符合要求的原液[3-4]。隨著國家碳中和以及碳達峰戰(zhàn)略不斷推進,環(huán)保友好、高轉(zhuǎn)化效率、能耗低是糖化企業(yè)生產(chǎn)的必由之路。

        采用傳統(tǒng)的糖化人工或半自動作業(yè)的方法,操作人員的經(jīng)驗對產(chǎn)品質(zhì)量有較大影響,還可能因人為的操作因素再引入了雜質(zhì),難以保證各批次生產(chǎn)時的質(zhì)量要求[5],并且無法對生產(chǎn)過程進行在線監(jiān)視、實時控制[6-7]。文獻[8]研究表明要確保達到糖化最佳效果不僅要控制好溫度及保溫時間,而且還需要控制酶用量、pH及電機轉(zhuǎn)速等條件。為了提高糖化轉(zhuǎn)化效率,劉建黨等在文獻[9]中研究雙酶糖化工藝,通過正交試驗尋找黃姜粉最佳糖化條件,但是何時在各步驟最佳時間介入實驗是個重難點。文獻[10]提出一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與正交試驗相結(jié)合的建模方法,進一步優(yōu)化糖化參數(shù),效果較好。文獻[11]研究麥芽糖糖化過程中,基于不同溫度、麥芽質(zhì)量、酶濃度之間的動力學模型,建立糖化預測模型。

        針對傳統(tǒng)糖化生產(chǎn)中存在諸多不足之處,結(jié)合企業(yè)需要,改進糖化生產(chǎn)工藝,設(shè)計出一種新型分步式糖化結(jié)構(gòu)和與之配套的生產(chǎn)工藝流程,分步實現(xiàn)糊化、液化、糖化流程,在各步驟中依次完成各段工藝需求任務(wù)。升溫糊化,在經(jīng)過2次氣液分離后再糖化處理。采用熱水浴加熱和蒸汽噴射結(jié)合的方式快速升溫,實現(xiàn)加熱水高效、循環(huán)的使用目標。并基于PLC和人機界面(HMI),設(shè)計出糖化自動控制系統(tǒng),實現(xiàn)對由冷水罐、熱水罐、配料罐、糖化罐、液化管組和層流柱,電磁閥,電機等部件組成的一套控制,完成對糖化生產(chǎn)的全流程自動化管控任務(wù)。

        1 糖化系統(tǒng)工藝流程

        為了保證糖化的效果,提高生產(chǎn)效率,結(jié)合工藝流程及控制要求[12-13],設(shè)計出一種分步式糖化設(shè)備。糖化系統(tǒng)工藝流程結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        分步式新型糖化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由測量和控制裝置、熱水罐、冷水罐、配料罐、液化裝置、緩沖罐、層流柱、糖化罐、閥門及管道等部件組成。測量和控制部件主要包括PLC,觸摸屏,通信電纜,液位傳感器,流量計,閥門,電加熱,調(diào)節(jié)閥門,蒸汽噴射器,變頻電機等。

        熱水罐是溫控加熱裝置,采用熱水蒸氣加熱和電加熱器配合使用,實現(xiàn)快速加熱。在熱水罐中配有攪拌電機以保證自來水受熱均勻,在熱水罐內(nèi)壁裝有液位低限和液位高限傳感器,用于液位檢測,及時補水。在熱水罐的底部配有熱水溫控泵、閥門及管道,用于控制熱水的流出。

        冷水罐是溫控補水裝置,冷水罐中接入的是自來水,整個系統(tǒng)管路中的水由冷水罐提供。在冷水罐內(nèi)壁裝有液位低限和液位高限傳感器,用于液位檢測。在冷水罐的底部配有冷水溫控泵、閥門及管道,用于控制冷水的流出[14]。

        根據(jù)糖化設(shè)備和生產(chǎn)工藝流程,將一個基本的糖化過程總結(jié)為3步:糊化、液化、糖化,糖化設(shè)備生產(chǎn)基本流程如圖2所示。

        圖2 糖化生產(chǎn)基本流程

        配料罐是糖化原材料糊化加工的裝置,配料罐的外層是一圈夾套,夾套依靠底部加熱水來升溫,熱水再從配料罐上部溢流(A處)回到熱水罐中,熱水循環(huán)使用,在配料罐中配有攪拌電機以保證原材料均勻[15]。配料罐中的淀粉類物質(zhì)在糊化處理時吸水、受熱膨脹,它的晶狀結(jié)構(gòu)被破壞形成凝膠,從細胞壁中釋放出來。配料罐的底部配有變頻配料泵、流量計、閥門及管道,用于將配好的料進行進一步的液化處理。

        液化裝置主要由蒸汽噴射器、液化管組、氣液分離罐、緩沖罐、液化泵組成。蒸汽噴射器是一種將水蒸氣噴射進入液化管組的加熱裝置。液化管組由5組蛇形彎管串聯(lián)組成,糊化后的材料在液化管組中完成第1次液化。氣液分離罐外層有夾套,由熱水罐的熱水和蒸汽進行進一步加熱,糊化后的材料在企業(yè)分離罐中完成第2次液化作用。淀粉在液化處理后再繼續(xù)加熱形成高黏度凝膠,然后淀粉的長鏈斷裂成短鏈狀,黏度迅速降低。

        層流柱是由4個首尾依次串聯(lián)的換熱器組成的,它將液化后的材料散熱降溫進入到糖化罐中。

        糖化罐是將液化的材料進行糖化的裝置,其外層是一圈夾套,從夾套底部加熱水升溫,熱水從配料罐上部溢流再回到熱水罐中循環(huán)加熱,在配料罐中配有攪拌電機以保證液化材料均勻[16]。此時,控制溫度保持一段時間,直到在糖化酶的催化作用下完成糖化過程,再在糖化罐的底部裝有閥門及管道,用于收撿糖化后的材料。

        2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

        根據(jù)糖化罐數(shù)據(jù)采集和控制要求,控制器選用PLC和觸摸屏(HMI)實現(xiàn)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行集中測量和管理[17-18]。設(shè)計的糖化系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖3 糖化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖

        控制器選用FX3U-80MT(40路輸入,40路晶體管輸出)PLC作為主站。通過左擴FX3U RS485-DB模塊,實現(xiàn)與變頻器和HMI 2個部件從站的串口通信功能。并右擴溫度擴展模塊FX2N-4AD-PT(它包含4通道熱電阻溫度采集通道)2塊,模擬量采集模塊FX2N-02AD(它包含2路模擬量輸入通道)1塊,模擬量輸出模塊FX3U-4DA(它包含4模擬量輸出通道)1塊。PLC的輸入輸出信號都接為漏型形式(NPN信號)。

        現(xiàn)場的人機操作界面選用型號為TPC1262Hi觸摸屏。糖化控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定操作、數(shù)據(jù)顯示、實時曲線、歷史曲線等都通過該觸摸屏操作和查看。

        糖化控制系統(tǒng)需要采集各點的溫度、流量,控制各閥門、電機來動協(xié)調(diào)5個罐體之間的物質(zhì)傳遞關(guān)系。溫控主要包括熱水罐配合蒸汽對配料罐、氣液分離罐、糖化罐的溫度控制。

        液位高低限傳感器選用304不銹鋼雙球浮球開關(guān),輸出為NPN信號。交流接觸器選用LC1D09BDC,它的驅(qū)動電壓為DC 24 V,可以用PLC直接驅(qū)動(前端加保險絲保護)。

        變頻器選用FR-D740-3.7K-CHT,它內(nèi)置Modbus-RTU協(xié)議,可以直接與PLC實現(xiàn)串口通信。流量測量選用渦街流量計,型號為(DY200-EALAJ2-0D),它將瞬時流量變換為脈沖輸出信號,PLC接收脈沖信號后再利用瞬時流量計算出累計流量。蒸汽調(diào)節(jié)閥(H1,H2,H3)選用電動二通球閥CN7510電動調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器,通過控制閥門開度調(diào)節(jié)蒸汽進氣量實現(xiàn)快速升溫。

        3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

        3.1 分步式糖化控制系統(tǒng)主程序

        糖化控制系統(tǒng)通過對各罐體的溫度調(diào)節(jié),以及對電磁閥、調(diào)節(jié)閥、流量計、變頻器的在線監(jiān)控來實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制。分步式糖化控制系統(tǒng)主程序如圖4所示。

        圖4 糖化控制系統(tǒng)主程序

        3.1.1 糊化(熱水罐、冷水罐溫控加熱)

        配料方法步驟如下:選擇配方并向配料罐中投料,準備完成之后開啟熱水罐出水閥(V1)、熱水溫控泵(P1)和配料溫控閥(V6),對配料罐中的材料升溫加熱,達到設(shè)定溫度后保持(時間根據(jù)要求自行設(shè)定)。配料罐的夾套水會自動溢流回到熱水罐中循環(huán)使用,為了保證原材料受熱均勻,配料罐內(nèi)配有攪拌電機,淀粉受熱糊化,待糊化完成之后,進行液化處理。

        3.1.2 液化(繼續(xù)升溫、液化、氣液分離)

        液化方法步驟如下:設(shè)定需要的流量,通過打開氣液分離進水閥(V3)和配料變頻電機(P4)給液化管組送料,直到達到設(shè)定流量后停止。糊化后的物質(zhì)通過蒸汽噴射器(H2)繼續(xù)加熱,將糊化后的物質(zhì)在液化管組中完成第1次液化。氣液分離罐外層有夾套,在蒸汽噴射比例閥(H3)的作用下進一步加熱,糊化后的材料在氣液分離罐中完成第2次液化再進入緩沖罐,等待糖化處理。淀粉糖化溫度通過蒸汽噴射加熱,前端液化管中加熱到124~136 ℃,在后端氣液分離罐管組中溫度維持在104~111 ℃。

        3.1.3 糖化(降溫、糖化)

        打開液化泵(P2),經(jīng)過液化后的材料,再經(jīng)過層流柱(V8-V11)散熱降溫進入到糖化罐中。糖化罐的四周設(shè)計有夾套,糖化罐的溫度是通過熱水罐的熱水來控制,糖化罐上端裝有溢流口,水自動回流至熱水罐中循環(huán)使用。溫度保持一段時間,在糖化酶的催化下完成糖化工藝過程,糖化罐的底部裝有閥門及管道,用于收撿糖化后的物質(zhì)。糖化后的物質(zhì)再濃縮、結(jié)晶沉淀,經(jīng)過干燥處理后包裝為成品。

        3.2 溫度控制算法

        溫控裝置的主體由蒸汽比例閥和熱水罐組成,通過熱水罐和蒸汽配合加熱。為了保證加熱的快速性,在熱水罐的底部裝有蒸汽加熱裝置。各被控罐體在外層夾套裝有控溫層,通過底部進入熱水,上部溢流再回到熱水罐中,循環(huán)利用,節(jié)約水資源。溫控均采用PID的控制方式,調(diào)節(jié)熱水和冷水進水量實現(xiàn)升溫[19]。其溫控原理如圖5所示。

        圖5 溫控控制回路原理圖

        冷水罐上端的進水自來水閥門(V0)打開,直到將冷水罐中的水位保持在高限處后關(guān)閉。打開冷水罐出水閥(V4)向熱水罐中加水維持在高限處,罐中溫度達到設(shè)定溫度之后打開V1、P1、V3、V6、V7,分別向氣液分離罐(配合蒸汽噴射)、配料罐和糖化罐夾套加熱升溫。氣液分離罐、配料罐和糖化罐的上部均設(shè)計有溢流口(A),溢流出的水回流至熱水罐中循環(huán)使用。

        3.3 變頻器流量控制算法流程

        累計流量采用變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn),變頻器流量控制算法流程圖如圖6所示。流量計測量出管道流量累計值,再與累計流量設(shè)定值比較,通過PID變換電機頻率自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)瞬時流量,從而實現(xiàn)對累計流量的精確控制。

        圖6 變頻器流量控制流程圖

        4 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計

        糖化控制的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計主要包括三菱PLC與觸摸屏和三菱變頻器之間的串口通信。將PLC作為主站0,MCGS觸摸屏為從站1,變頻器為從站2,實現(xiàn)一主兩從的通信。MCGS與PLC實現(xiàn)通信需要在各自的軟件上進行匹配設(shè)置。參數(shù)設(shè)置步驟:打開GX Developer PLC編程軟件,在左側(cè)菜單欄參數(shù)中選擇PLC系統(tǒng)(2)設(shè)置,如圖7所示,F(xiàn)X PLC設(shè)置為主站。

        圖7 FX參數(shù)設(shè)置

        MCGS串口設(shè)備屬性設(shè)置如圖8所示。參數(shù)設(shè)置步驟:在通用串口父設(shè)備中選擇基本屬性子項目,將串口端號改為COM2,通信協(xié)議與主站一致(波特率為9600,數(shù)據(jù)位為7位,停止位位數(shù)1,奇效驗)。變頻器的通信格式和觸摸屏一致。

        圖8 MCGS串口設(shè)備屬性設(shè)置

        5 監(jiān)控層的設(shè)計與實現(xiàn)

        控制對象主要由冷水罐、熱水罐、配料罐、維持罐和糖化罐,液化管組和層流柱,電磁閥,調(diào)節(jié)閥及變頻器等部件組成。系統(tǒng)的測量、控制操作主要在HMI主監(jiān)控界面中完成,包括測量參數(shù)、控制參數(shù)、報警參數(shù)及設(shè)置、實時曲線、歷史曲線、存盤數(shù)據(jù)。界面操作架構(gòu)如圖9所示。

        圖9 操作界面設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

        6 結(jié)束語

        改進糖化生產(chǎn)中的工藝流程,并設(shè)計出一種分步式新型糖化的軟、硬件控制系統(tǒng)。新的工藝系統(tǒng)不僅提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率,實現(xiàn)了糖化過程的自動化監(jiān)控管理,而且相對于傳統(tǒng)的糖化生產(chǎn)方式而言,使一些不溶性物質(zhì)在分步式工藝作用下最大限度的破壁析出溶解,提高了糖化效率。此外,利用集中溫控的管理方法,生產(chǎn)時更加節(jié)水、節(jié)能減排。該糖化控制系統(tǒng)設(shè)備是根據(jù)企業(yè)實際需求設(shè)計而成,已經(jīng)在藥品原材料制備相關(guān)企業(yè)生產(chǎn)企業(yè)中得到應(yīng)用,效益顯著。

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