基于可編程邏輯控制器的快速腌蛋裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

龔 婷，肖朝耿，關(guān)榮發(fā)，諶 迪，唐宏剛，盧文靜，楊慧娟，陳黎洪，周 迪

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 食品科學(xué)研究所，浙江 杭州 310021；3.杭州羽濃禽蛋制品有限公司，浙江 杭州 311106)

咸鴨蛋是我國(guó)的一種傳統(tǒng)特色美食，一般采用鹽水腌制，無需復(fù)雜的腌制工序。但是其腌制時(shí)間過長(zhǎng)，夏天一般需25～35 d，冬天約需50 d[1]，而且口感不穩(wěn)定。為此，國(guó)內(nèi)外研究者提出了許多縮短腌制時(shí)間、促進(jìn)鹽分滲透的方法。王曉拓等[2]通過對(duì)蛋殼特性的研究，發(fā)現(xiàn)了高壓與常壓的脈動(dòng)比腌制能促進(jìn)NaCl的滲透，加速水分排出。歐陽玲花等[3]采用負(fù)壓處理鴨蛋能加快咸蛋的成熟，而且可有效抑制微生物生長(zhǎng)。林向陽等[4]發(fā)現(xiàn)，超聲波的空化作用能降低蛋清黏度，在腌制前使用超聲一次可大幅縮短腌制時(shí)間。蒲躍進(jìn)等[5]的研究發(fā)現(xiàn)，循環(huán)物料能減少鹽的使用量，提高鹽利用率。研究人員在這些方法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)、研制腌制儀器，如李言武[6]設(shè)計(jì)了一套基于可編程邏輯控制器(PLC)的脈動(dòng)壓快速腌制生產(chǎn)裝置，王石泉[7]研制了一種基于單片機(jī)的超聲波-脈動(dòng)壓聯(lián)用的腌制試驗(yàn)裝置。

市面上現(xiàn)有的腌制器械較單一且自動(dòng)化程度低，多數(shù)以超聲波裝置為主，輔以加壓裝置。以超聲波為主的腌制裝置在腌制過程中由于超聲波的強(qiáng)烈振動(dòng)容易造成蛋殼破損。針對(duì)上述情況以及鴨蛋易產(chǎn)生蛋白泛黃、蜂窩蛋白的特性，本文在傳統(tǒng)的超聲波-脈動(dòng)壓聯(lián)用方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種以PLC為控制器、觸摸屏為人機(jī)界面的腌蛋裝置，首次利用正負(fù)壓脈沖腌制，輔以超聲波、恒溫、循環(huán)物料功能，以解決腌制過程不可視、環(huán)境不可控，以及咸蛋破損率大、腌制品質(zhì)不穩(wěn)定等問題。本研究控制系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、溫度控制器(DTC)組成，PLC、DTC作為下位機(jī)，對(duì)各個(gè)變量信息進(jìn)行收集和監(jiān)測(cè)，觸摸屏與PLC相連進(jìn)行實(shí)時(shí)通信與操作控制[8]，擬通過自動(dòng)快速腌蛋裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)腌制過程的自動(dòng)化與標(biāo)準(zhǔn)化，減少勞動(dòng)力，提高腌制效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

自動(dòng)快速腌蛋裝置包括腌制容器、空氣壓縮機(jī)、真空機(jī)、超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、物料池、控制柜、水泵、電磁閥等。在實(shí)驗(yàn)室，對(duì)真空滅菌鍋進(jìn)行改造使其成為腌制容器。系統(tǒng)按照功能可分為壓力裝置、溫度裝置、超聲波裝置、排水進(jìn)液裝置、控制裝置。圖1為自動(dòng)快速腌蛋裝置原理圖。

1.1 壓力裝置

壓力裝置主要由壓力變送器、真空機(jī)、空氣壓縮機(jī)、電磁閥和空氣閥組成。真空滅菌鍋外徑0.4 m、高0.6m，用于存放試驗(yàn)鴨蛋及鹽水。在腌制容器頂部設(shè)有空氣閥及壓力變送器，空氣閥開啟時(shí)與大氣相通。腌制容器上設(shè)有2個(gè)電磁閥，壓縮機(jī)通過電磁閥將空氣注入腌制容器，形成穩(wěn)定高壓，真空泵通過管道與腌制容器連通，保證容器內(nèi)負(fù)壓恒定。

1.2 超聲波裝置

超聲波裝置主要由超聲波換能器和超聲波發(fā)生器組成。為了防止超聲波換能器接觸到物料，在腌制容器的底部用鋼板焊接成密封的超聲波換能器，又稱超聲波振子[9-10]。本系統(tǒng)采用喇叭形夾心壓電換能器，單個(gè)換能器上端直徑0.045 m，下端直徑0.030 m，高0.055 m。超聲波換能器按圖2分布，以保證超聲波振動(dòng)強(qiáng)度均勻。超聲波發(fā)生器通過引線與容器底部的換能器相連，為換能器提供能量，通過改變功率電位器的輻值控制超聲波振動(dòng)功率。

1，安全閥；2，控制柜；3，壓力變送器；4，空氣閥；5，腌制容器；6，鴨蛋；7，超聲波發(fā)生器；8，電磁閥；9，管道；10，空氣壓縮機(jī)；11，超聲波換能器；12，真空機(jī)；13，水泵；14，物料池；15，溫度傳感器。1，Relief valve；2，Control cabinet；3，Pressure transmitter；4，Air valve；5，Salting can；6，Duck eggs；7，Ultrasonic generator；8，Solenoid valve；9，Tunnel；10，Air compressor；11，Ultrasonic transducer；12，Vacuum pump；13，Water pump；14，Material pool；15，Temperature sensor.圖1 自動(dòng)快速腌蛋裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of automatic and fast salting eggs device

1.3 排水進(jìn)液裝置

排水進(jìn)液裝置由水泵、物料池、電磁閥組成。物料池長(zhǎng)0.21 m、寬0.22 m、高0.27 m，盛放從腌制裝置排出的物料。物料池底部裝有過濾器，用來過濾物料中的雜質(zhì)或鹽粒。電磁閥通過出液管道與容器底部相通，方便物料的快速排出。在容器的頂部設(shè)有徑口，通過管道連接電磁閥和水泵，實(shí)現(xiàn)物料從池中注入容器內(nèi)。排水進(jìn)液裝置要實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能：排水，進(jìn)液，循環(huán)物料。

1.4 控制裝置

控制柜由PLC、觸摸屏組成。PLC作為一種通用的自動(dòng)控制裝置，以微處理器為基礎(chǔ)，結(jié)合控制技術(shù)、通信技術(shù)和繼電器-接觸器技術(shù)[11]，具有輕巧、程序容量大、高速處理快、可靠性高、易于擴(kuò)展的特點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)量及程序處理速度，選擇Delta DVP SS2 PLC作為控制中心。觸摸屏是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的載體，本系統(tǒng)選擇Delta DOP 作為觸摸屏。

1，超聲波換能器；2，鋼板。1，Ultrasonic transducer; 2，Steel plate.圖2 超聲波換能器Fig.2 Ultrasonic oscillator

在試驗(yàn)中傳感器收集到的信息經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)絇LC控制中心，經(jīng)過PLC分析處理后輸出控制執(zhí)行單元電磁閥。觸摸屏是輸入及顯示的設(shè)備，通過RS-485通信端口與PLC相連，用于數(shù)據(jù)傳輸、參數(shù)設(shè)置及狀態(tài)監(jiān)測(cè)。通過對(duì)觸摸屏的設(shè)計(jì)和編程，可在觸摸屏上對(duì)腌制裝置的壓力輻值及其時(shí)間、超聲波時(shí)間、溫度進(jìn)行手動(dòng)設(shè)定，手動(dòng)控制整個(gè)試驗(yàn)的啟停以及排水進(jìn)液電磁閥的開閉。對(duì)當(dāng)前溫度、壓力(高壓與負(fù)壓運(yùn)行時(shí)間)、超聲波運(yùn)行時(shí)間等試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

系統(tǒng)上電之后，壓力變送器將容器內(nèi)的壓力信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，PLC對(duì)壓力電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)分析，獲得容器內(nèi)壓力情況。當(dāng)容器內(nèi)壓力值小于正壓下限時(shí)，PLC控制空氣壓縮機(jī)端電磁閥打開，對(duì)容器進(jìn)行補(bǔ)氣；當(dāng)容器內(nèi)壓力值大于負(fù)壓上限時(shí)，PLC控制真空機(jī)端電磁閥打開，對(duì)容器進(jìn)行抽氣。PLC對(duì)容器內(nèi)溫度傳感器的輸出電流進(jìn)行檢測(cè)，得到容器內(nèi)溫度情況。

2 控制系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)中，PLC作為控制中心，具有2個(gè)輸入信號(hào)、6個(gè)輸出信號(hào)。輸入信號(hào)由外部啟動(dòng)和外部停止提供，輸出信號(hào)通過電磁閥控制執(zhí)行單元。輸入輸出點(diǎn)分配如表1所示。

表1 主要輸入/輸出點(diǎn)分配

在控制系統(tǒng)電氣供電方面，控制系統(tǒng)電路如圖3所示，運(yùn)用到諸多電氣元件，主要有電源、熱繼電器FR、斷路器QF、接觸器KM、接線端子，以及狀態(tài)指示燈HR。試驗(yàn)裝置以三相交流電為電源。真空泵M1、壓縮機(jī)M2采用直接啟動(dòng)的方式，通過接觸器KM2、KM3進(jìn)行供電和切換。裝置工作時(shí)按下按鈕SB1、SB2即可得電，按鈕SB4、SB5分別控制外部啟動(dòng)和停止。當(dāng)裝置故障時(shí)，可按下SB5緊急停下。裝置溫度、壓力過高時(shí)，HR綠色警示燈亮起。開關(guān)電源為PLC、溫度模塊、觸摸屏供電?？紤]到電路安全，當(dāng)電路電流過高時(shí)，熱繼電器FR1斷開保護(hù)電路。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)運(yùn)用ISPsoft作為臺(tái)達(dá)的PLC開發(fā)工具，采用IEC 61131-3編程框架，其便利且高效的開發(fā)環(huán)境適用于全套臺(tái)達(dá)可編程邏輯編程器。梯形圖語言是PLC的程序設(shè)計(jì)語言，采用的順序控制設(shè)計(jì)法，是工業(yè)領(lǐng)域強(qiáng)大的控制指令，本系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)WPLsoft軟件編寫。系統(tǒng)控制程序的主要功能包括運(yùn)行時(shí)間計(jì)數(shù)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、溫度調(diào)節(jié)、電磁閥控制、計(jì)數(shù)控制等[12]。自動(dòng)快速腌制裝置控制方式分為2種：一種為手動(dòng)模式，一種為自動(dòng)模式。手動(dòng)模式主要是用于測(cè)試單一功能腌制效果，或者在調(diào)試設(shè)備時(shí)采用。在手動(dòng)模式中，各個(gè)模塊都采用點(diǎn)動(dòng)方式?？刂葡到y(tǒng)程序流程如圖4所示，T1為超聲波開啟時(shí)間，T2為超聲波暫停時(shí)間。

觸摸屏的軟件設(shè)計(jì)采用DOP-soft version進(jìn)行編程組態(tài)，主要包括創(chuàng)建界面、文本設(shè)計(jì)、指示器及功能鍵組態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)腌制控制的要求，觸摸屏設(shè)計(jì)功能界面包括開機(jī)界面、主界面、參數(shù)設(shè)置界面、狀態(tài)監(jiān)控4個(gè)界面。圖5為主界面(監(jiān)控界面)，快速腌蛋裝置控制系統(tǒng)主界面主要由監(jiān)控畫面、打印選項(xiàng)、模式選項(xiàng)、強(qiáng)制按鈕、歷史記錄和報(bào)警組成，在監(jiān)控界面上可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示當(dāng)前各個(gè)模塊的工作情況。歷史記錄區(qū)保存腌制記錄，通過微型打印機(jī)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄的打印。點(diǎn)擊主界面中的功能按鈕進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面(圖6)，可以進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置。

圖3 控制系統(tǒng)電路圖Fig.3 Circuit diagram of control system

圖4 控制系統(tǒng)程序流程圖Fig.4 Flow chart of control system

3 自動(dòng)快速腌制試驗(yàn)

3.1 材料與試劑

鮮鴨蛋采購(gòu)于浙江杭州機(jī)神農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)，大小均勻，體型為橢圓形，質(zhì)量為(70.67±9.77) g。食鹽采購(gòu)于浙江杭州機(jī)神農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。硝酸銀、鉻酸鉀、正己烷、異丙醇均為分析純。

3.2 主要儀器和設(shè)備

分析天平，ALB-224，賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司；自動(dòng)快速腌制裝置，浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院自制；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DHG-9146A，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，RE-52A，上海亞榮生化儀器廠；質(zhì)構(gòu)儀，TA XT Plus，英國(guó)SMS公司。

圖5 主界面Fig.5 Main interface

圖6 自動(dòng)模式下參數(shù)界面Fig.6 Parameter interface in automatic mode

3.3 測(cè)定方法

含鹽量按GB 5009.44—2016測(cè)定；出油率參照邵萍等[13]的方法測(cè)定。

稱取3.0 g樣品，記錄質(zhì)量，置于干凈的容器中，稱量烘干前總質(zhì)量(含容器)。將容器放入烘箱中，105 ℃烘干6 h，取出后在干燥器中冷卻，稱量烘干后總質(zhì)量(含容器)，計(jì)算含水量。同一樣品重復(fù)測(cè)定3次。

將咸蛋煮20 min至成熟，將蛋白切成均勻的小塊，將蛋黃一分為二，切成2個(gè)半球。蛋白樣品用壓縮柱狀探針(P36)壓縮，力矩形變?yōu)闇y(cè)前速率5 mm·s-1，測(cè)試速率1 mm·s-1，測(cè)后速率5 mm·s-1。將蛋白壓縮形變?yōu)樵瓉淼?0%，蛋黃壓縮形變?yōu)樵瓉淼?0%，得到硬度、彈性、黏性、咀嚼性等質(zhì)構(gòu)參數(shù)。

3.4 試驗(yàn)方法

新鮮鴨蛋→洗蛋→消毒→晾干→將鴨蛋放入壓力腌制容器→注入配制好的腌制料液→密封→使用恒溫、超聲波腌制→循環(huán)使用正負(fù)壓脈動(dòng)壓力→循環(huán)物料→抽樣檢查。

在腌制容器內(nèi)加入濃度為25%的NaCl溶液3 L，將30個(gè)新鮮鴨蛋放入鹽水中。容器密封后，恒溫20 ℃，超聲波頻率40 kHz，每超聲2 min，停10 min，每天維持1 h，正負(fù)壓時(shí)間比為5 min/15 min，輻值比為100 kPa/0.06 MPa。每隔12 h測(cè)量蛋清、蛋白的含鹽量和蛋黃出油率，觀察腌制完成時(shí)間。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖7所示為每隔12 h測(cè)出的蛋清、蛋黃含鹽量和蛋黃出油率，圖8為咸蛋的水分變化。從圖中可以看出，在腌制前期，蛋清、蛋黃鹽分增長(zhǎng)快速，而水分不斷減少。由于鹽分的滲入破壞了蛋黃的膠體結(jié)構(gòu)，加上蛋黃內(nèi)水分的大量滲出，原來均勻分布的乳化型細(xì)小脂肪珠逐漸分離析出，聚集成明顯可見的油液或者油滴，所以蛋黃出油率不斷增加。腌制48 h時(shí)，蛋清、蛋黃達(dá)到合適的含鹽量，口感適中。與此同時(shí)，蛋黃出油率亦較好。隨著腌制的進(jìn)行，蛋白、蛋黃的質(zhì)構(gòu)變化也體現(xiàn)了咸蛋的成熟程度。如表2所示，鮮鴨蛋逐漸變成咸蛋，腌制48 h，蛋白的硬度降低了33.9%，腌制成熟的咸蛋相較于鮮鴨蛋，蛋白彈性、咀嚼性、回復(fù)性分別減少了3.75%、29.8%、22.2%。如表3所示，成熟的咸蛋與鮮鴨蛋相比，蛋黃彈性、咀嚼性、回復(fù)性亦呈下降趨勢(shì)。在本試驗(yàn)條件下，48 h即可腌制出效果較好的咸蛋，較傳統(tǒng)方法腌制周期縮短了95%，較超聲波-脈動(dòng)聯(lián)用腌制周期縮短了33.3%，在腌制的30個(gè)咸蛋中沒有出現(xiàn)蛋殼破裂、蜂窩蛋白、蛋白泛黃的情況。超聲波的空化作用使蛋殼氣孔增大，蛋清黏度降低，高壓促進(jìn)食鹽向蛋內(nèi)不斷滲透，負(fù)壓有助于蛋黃和蛋白中的水分向蛋外排出，高低壓脈沖腌制加速了腌制液與蛋殼的物質(zhì)循環(huán)，促進(jìn)了咸蛋的成熟，改變了鴨蛋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因而不會(huì)產(chǎn)生蛋殼破裂，蜂窩的情況。

圖7 腌制時(shí)間對(duì)咸蛋出油率及含鹽量的影響Fig.7 Effect of salting time on oil yield and sodium chloride content

圖8 腌制時(shí)間對(duì)咸蛋水分含量的影響Fig.8 Effect of salting time on water content of salted egg

表2 蛋白質(zhì)構(gòu)

同列數(shù)據(jù)后無相同小寫字母的表示差異顯著(P<0.05)。

Values within a column followed without the same letters indicated significant difference atP<0.05.

表3 蛋黃質(zhì)構(gòu)

4 結(jié)論

結(jié)合鴨蛋的腌制特性，在脈動(dòng)壓超聲波-脈動(dòng)壓聯(lián)用促進(jìn)腌制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種以正負(fù)壓脈沖腌制為主，輔以恒溫、超聲波和腌制液循環(huán)的新型腌制裝置?？刂葡到y(tǒng)以PLC作為控制器、觸摸屏為人機(jī)界面。PLC相較于傳統(tǒng)繼電器控制運(yùn)用簡(jiǎn)便易懂，操作方便。觸摸屏有著強(qiáng)大的控制器支持性，不需要額外開發(fā)通信程序，參數(shù)設(shè)置快捷且實(shí)時(shí)檢測(cè)傳輸信息。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，裝置能實(shí)現(xiàn)多種腌制環(huán)境切換，正負(fù)壓腌制為主的腌制方法解決了腌制過程容易產(chǎn)生蛋白泛黃、蛋殼易破損的問題，縮短了腌制時(shí)間，減少了勞動(dòng)力，提高了蛋制品加工的自動(dòng)化程度，為快速腌蛋裝置研發(fā)提供了新的思路和方向。為了參數(shù)控制更加精確，后續(xù)可以針對(duì)控制系統(tǒng)算法做進(jìn)一步研究。另外，本試驗(yàn)裝置容量較小，工業(yè)化生產(chǎn)前應(yīng)擴(kuò)大裝置規(guī)模。