兩站式泡沫清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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（1.廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510300；2.廣州輕機(jī)機(jī)械設(shè)備有限公司，廣東廣州510250）

兩站式泡沫清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李湘?zhèn)?，劉尉2

（1.廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510300；2.廣州輕機(jī)機(jī)械設(shè)備有限公司，廣東廣州510250）

敘述了兩站式泡沫清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了此裝置的總體設(shè)計(jì)、主站設(shè)計(jì)、從站設(shè)計(jì)管路設(shè)計(jì)和電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)等具體內(nèi)容。該系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、使用方便、清洗效果好等優(yōu)點(diǎn)。

泡沫清洗；消毒；氣液混合；PLC

隨著現(xiàn)在食品工業(yè)的快速發(fā)展和人們生活質(zhì)量的不斷提高，對產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)境和質(zhì)量有了更高的要求。生產(chǎn)設(shè)備的清潔對生產(chǎn)過程都有非常重要的影響，設(shè)備清洗可以降低食品受污染的報(bào)廢率、降低食品的投訴率，提高食品的安全性，延長設(shè)備的使用壽命。傳統(tǒng)的清潔方式不僅要消耗大量的人力、物力，而且對機(jī)器的清潔時(shí)間長，效果也不夠好，不夠徹底，要消耗大量的水，還容易形成二次污染。目前泡沫清洗技術(shù)正逐步投入使用。泡沫清洗的原理大致如下：水通過增壓泵產(chǎn)生一定的壓力，發(fā)泡劑溶液在混合器內(nèi)被壓縮空氣充分混合后使其發(fā)泡，通過輸送軟管送到噴槍將泡沫噴向各被清洗表面，發(fā)泡后的清洗液就會(huì)附在被洗物的表面，其去污清潔成分通過潤濕、滲透、乳化、混懸、反絮凝、分散與溶解等較復(fù)雜的物理作用、化學(xué)作用，降低物體之間的黏合力和固體液體之間的表面張力，使各種污物從表面逸出，去除污垢；同時(shí)再通過消毒成分對表面、縫隙內(nèi)的細(xì)菌、病毒進(jìn)行殺滅和消毒。此時(shí)再用高壓水洗刷、污垢便很容易除去，這種方法只需用少量的洗滌劑效果就很好[1]。

以美國ECOLAB和DIVERSEY等化學(xué)清洗劑公司為代表，其配置的外部泡沫清洗系統(tǒng)自動(dòng)化程度增高、工藝流程多樣成為發(fā)展的趨勢。國內(nèi)也有一些企業(yè)已經(jīng)開始進(jìn)入泡沫清洗系統(tǒng)的研究之中，致力于研究符合我國國情的泡沫清洗設(shè)備，填補(bǔ)國內(nèi)的空白，保持技術(shù)先進(jìn)性，降低設(shè)備成本[2-4]。根據(jù)某肉制品行業(yè)的清潔要求，設(shè)計(jì)了兩站式泡沫清洗系統(tǒng)。

1 泡沫清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)思路

水在泡沫洗消中的作用分成兩部分，一部分作為清水噴淋，因?yàn)橛械那逑戳鞒讨恍枰们逅蛘弋?dāng)泡沫清洗結(jié)束后，必須進(jìn)行清水的噴淋或沖洗，保證人員或裝備的干凈；另一部分通過流量計(jì)調(diào)節(jié)后講入混合器，作為發(fā)泡的主要成分之一。由于進(jìn)入混合器的水壓必須和氣體壓力保持相等，否則易引起水或者氣體的倒流，導(dǎo)致供氣單元或供水單元損壞，因此必須對進(jìn)入混合器的水壓進(jìn)行調(diào)節(jié)[5]。解決的方法是采用一種恒壓供水裝置，通過PLC來控制水的壓力。整個(gè)工藝過程為：水經(jīng)主站送出，通過變頻器調(diào)節(jié)水壓，將水送往手動(dòng)從站，一路在手動(dòng)從站中進(jìn)入噴槍，可進(jìn)行清水噴淋（或沖洗），另一路經(jīng)過液體流量計(jì)調(diào)節(jié)水流量后進(jìn)入從站的混合器?？諝鈮嚎s機(jī)出來的氣體經(jīng)過減壓閥減到一定壓力后，直接通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)后直接進(jìn)入從站混合器，作為發(fā)泡不可缺的一種成分[6]。清洗劑罐罐內(nèi)清洗劑通過從站內(nèi)的文丘里管產(chǎn)生的虹吸作用，被吸入裝置內(nèi)的混合器，由調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)后進(jìn)入混合器。消毒劑罐罐內(nèi)消毒清洗劑通過從站內(nèi)的文丘里管產(chǎn)生的虹吸作用，被吸入裝置內(nèi)的混合器，由調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)后進(jìn)入混合器。在混合器內(nèi)各種物質(zhì)被精密的混合在一塊形成清洗混合物，然后經(jīng)過管路輸送到噴槍，通過噴嘴施放泡沫，實(shí)施洗消。在洗消過程中還能通過從站閥門來控制不同的清洗方式，從而達(dá)到清洗的效果。工藝流程圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

泡沫清洗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 泡沫清洗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 主站設(shè)計(jì)

工作主站主要是負(fù)責(zé)提供應(yīng)高壓水，以滿足泡沫從站的用水需求。主站由一臺(tái)增壓泵及控制系統(tǒng)組成，配合流量開關(guān)和壓力傳感器，在可編程控制器（PLC）和變頻器控制下，根據(jù)水量要求自動(dòng)調(diào)整輸出壓力，以保證每臺(tái)泡沫從站輸出的壓力保持恒定。主站如圖3所示。

圖3 主站示意圖

在主站中泵是的主要元件，從站需要≥1.5 MPa工作壓力的清洗用水，水流量的要求為1.8 m3/h.故最終選擇的水泵為南方特種泵業(yè)有限公司生產(chǎn)的CDLF8-2/1FSWSC型泵，其轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，功率為0.75 kW，電壓380 V，流量為8 m3/h，揚(yáng)程為9 m.與泵共同作用的電機(jī)額定電壓為380 V、轉(zhuǎn)速為2 900 r/min.泵在PLC和變頻器的控制下，可以連續(xù)、穩(wěn)定的提供≥1.5 MPa的輸出壓力，可以輸出恒定壓力和流量的清洗液。

主站采用全不銹鋼支架及箱體。增壓泵配備自動(dòng)排氣閥，有效防止氣蝕。其它與清洗水源接觸的管道均采用304不銹鋼，可有效防止腐蝕。

1.3 從站設(shè)計(jì)

泡沫從站主要負(fù)責(zé)化學(xué)物品調(diào)配，實(shí)現(xiàn)清水、泡沫、消毒劑的轉(zhuǎn)換；同時(shí)也是清洗系統(tǒng)的使用終端，配置清洗軟管、噴槍及噴嘴，方便人工對各個(gè)清洗區(qū)域洗。結(jié)構(gòu)見圖2.

從站中有個(gè)重要結(jié)構(gòu)就是混合器，本系統(tǒng)采用了文丘里管來自動(dòng)吸取清洗劑和泡沫。文丘里管工作原理為：當(dāng)水流經(jīng)文丘里管，水流在文丘里管前后有壓力差，水流流速越大，所產(chǎn)生的壓力差越大，在文丘里管中部產(chǎn)生的負(fù)壓就越大，在此處開孔通液體，就可以產(chǎn)生“吸液”的作用。

本系統(tǒng)最后設(shè)計(jì)了新型文丘里“氣-液-液”混合裝置。該裝置示意圖和圖片見圖4.外觀圖見圖5.該裝置此技術(shù)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)液-液混合和氣-液混合。文丘里噴嘴設(shè)計(jì)成模塊化更換結(jié)構(gòu)，對于不同的清洗用量及配比，只要更換文丘里噴嘴即可實(shí)現(xiàn)，無需更換清洗程序，操作簡單，非常適合各種用戶不同清洗工藝要求。

圖4 新型文丘里“氣-液-液”混合裝置

圖5 混合裝置圖片

壓縮空氣供氣壓力為0.6 MPa，200 L/min.工作壓力為0.3~0.35 MPa.供水要求為：1.6 MPa，1.8 m3/h.可按照不同工藝，實(shí)現(xiàn)清水、泡沫、消毒劑的任意組合。軟管、噴嘴均選用快插設(shè)計(jì)，根據(jù)需要轉(zhuǎn)換。

1.4 管路設(shè)計(jì)

泡沫清洗系統(tǒng)的管路原理圖如圖6所示。管路外觀參考圖2所示。

圖6 管路原理圖

2 電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 電氣元件的選型

該系統(tǒng)采用單泵控制單從站式，綜合考慮其控制功能、所需存儲(chǔ)量及所應(yīng)用I/O數(shù)量，及以后產(chǎn)品的拓展發(fā)展，選用的是西門子s7-200PLC[7]，CPU226，拓展模塊選用的是E235.變頻器的選型主要考慮的是變頻器容量、變頻器負(fù)載類型及控制方式。泡沫清洗系統(tǒng)采用的是泵類負(fù)載，而且調(diào)速的范圍不大，所以采用了U/f控制方式。綜合考慮變頻器功能要求及產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)可靠的要求，最終選擇與電動(dòng)機(jī)容量匹配的丹佛斯FC-051系列變頻器。其它元器件選型：選配防護(hù)等級(jí)IP55的電機(jī)；配備丹佛斯變頻器和IFM壓力傳感器；采用S7200 PLC控制；觸摸屏采用西門子觸摸屏。

2.2 PLC程序設(shè)計(jì)

主站由高壓站及控制系統(tǒng)組成，高壓站由一臺(tái)增壓泵及清洗水泵，配合流量開關(guān)和壓力傳感器，通水即啟動(dòng)增壓泵，無水流通過則自動(dòng)停泵，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)管理，防止水泵缺水或過壓運(yùn)行造成的損壞，使用方便、安全，同時(shí)大幅延長使用壽命。在變頻器控制下，可根據(jù)水量要求自動(dòng)調(diào)整輸出壓力，以保證每臺(tái)泡沫分站輸出的壓力保持恒定。通過管道系統(tǒng)向各泡沫分站提供≥1.5 MPa工作壓力的清洗用水。

根據(jù)供水要求，主程序設(shè)計(jì)如下：按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)，在人機(jī)界面上按下自動(dòng)運(yùn)行，流量開關(guān)有水經(jīng)過，延時(shí)1 s，啟動(dòng)流量泵；當(dāng)HMI界面壓力顯示值小于泵運(yùn)行壓力值，延時(shí)5 s，達(dá)到泵啟動(dòng)條件，啟動(dòng)增壓泵。在PLC運(yùn)行的同時(shí)，調(diào)用所有子程序。程序結(jié)構(gòu)如圖7.

圖7 主程序結(jié)構(gòu)圖

2.3 觸摸屏程序設(shè)計(jì)

人機(jī)界面是在操作人員和機(jī)器設(shè)備之間做雙向溝通的橋梁，用戶可以自由的組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來處理、監(jiān)控、管理隨時(shí)可能變化的信息。人機(jī)界面程序有以下界面：

主界面：開啟電源后，觸摸屏上會(huì)顯示主界面。如圖8所示。

圖8 主界面

監(jiān)控界面：如圖9所示。在監(jiān)控畫面中可以看到以下數(shù)據(jù)：離心泵工作頻率（Hz）；出口壓力實(shí)際值（MPa）；故障報(bào)警信息顯示：如變頻器故障、電機(jī)過載、急停、流量異常等。

圖9 監(jiān)控畫面

自動(dòng)模式。進(jìn)入界面后，按下監(jiān)控畫面中的“運(yùn)行確定”，系統(tǒng)就會(huì)按設(shè)定值運(yùn)行。這時(shí)運(yùn)行確定會(huì)變?yōu)椤斑\(yùn)行取消”，在按下“運(yùn)行取消”就可以停止運(yùn)行。

手動(dòng)模式。進(jìn)入界面后，如圖10所示，可以設(shè)置供水泵頻率，按下“泵手動(dòng)”，即可使泵以設(shè)定頻率運(yùn)行。

圖10 手動(dòng)界面

參數(shù)設(shè)置：如圖11所示。參數(shù)的設(shè)定操作修改時(shí)需要權(quán)限，一般調(diào)試人員設(shè)定后，參數(shù)不另行修改。參數(shù)設(shè)置功能有：PID調(diào)節(jié)壓力平穩(wěn)的參數(shù)；設(shè)置供水壓力；設(shè)定開泵壓力的下限值；設(shè)定報(bào)警溫度值。

圖11 參數(shù)設(shè)置界面

3 結(jié)束語

本文根據(jù)某肉制品行業(yè)的清潔要求，設(shè)計(jì)了兩站式泡沫清洗系統(tǒng)。目前該系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計(jì)、制造安裝完畢，已經(jīng)投入某肉制品公司投入使用，外觀圖見圖12，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，由于具有自動(dòng)化程度高、使用方便、清洗效果好等特點(diǎn)，受到用戶好評。

圖12 參數(shù)設(shè)置界面

[1]劉雪嬌.最新技術(shù)的清洗殺菌方法和機(jī)械裝置[J].包裝與食品機(jī)械，1991（01）：53-54.

[2]胡叔平.泡沫清洗/消毒在啤酒廠的應(yīng)用[J].食品工業(yè)，2002（04）：3-4.

[3]卓曲，李英，張軍，等.泡沫型清潔消毒劑在畜禽養(yǎng)殖業(yè)上的應(yīng)用[J].養(yǎng)豬，2011（06）：75-77.

[4]肖華黨，李紅民.淺談低壓泡沫清洗消毒技術(shù)在肉類工業(yè)中的應(yīng)用[J].肉類工業(yè)，2011（08）：22-23.

[5]張伶艷，陸一平，李建平.小型汽車清洗設(shè)備的研制[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007（04）：98-100.

[6]許文彩.泡沫洗消裝置的設(shè)計(jì)研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2007：79-120.

[7]廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：1-120.

Design of the Two-Station Foam Cleaning System

LI Xiang-wei1，WEI Liu2
（1.Guangdong Industry Polytechnic，Guangzhou Guangdong 510300，China；2.Guangzhou Light Machinery Equipment Limited Company，Guangzhou Guangdong 510250，China）

The paper describes the design of the two-station foam cleaning system.The total design，main station design，slave station design and electric system design are also explained.The system have the advantages of high automation，easy to use，good cleaning effect.

foam cleaning；disinfection；gas and liquid mixture；PLC

TS251

A

1672-545X（2017）06-0116-03

2017-03-20

李湘?zhèn)ィ?975－），男，湖南郴州人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)檩p工裝備、自動(dòng)化儀表和機(jī)電一體化技術(shù)。