基于PLC的真空均質(zhì)乳化機設(shè)計與實現(xiàn)*

劉艷紅

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院，江蘇無錫 214153）

0 引言

乳化就是把2種以上互不相融的物料通過均質(zhì)器的均質(zhì)剪切作用，讓它們互相融合在一起，形成最終的產(chǎn)品。真空均質(zhì)乳化機是集混合、分散、均質(zhì)、乳化及吸粉等多功能于一體的成套系統(tǒng)。它廣泛應(yīng)用于食品、制藥以及日化等領(lǐng)域，用于批量生產(chǎn)果醬、膏霜類、蜜類、乳液乳劑等乳化產(chǎn)品。傳統(tǒng)乳化機的主要作用就是攪拌混合，大部分采用傳統(tǒng)的繼電器控制，操作人員手動操作設(shè)備，大多有操作頻繁、溫度控制超調(diào)量大、控制不精確、能耗高等缺點[1]。經(jīng)技術(shù)升級后，乳化機采用自動控制，可在攪拌時進行加熱、冷卻，還可調(diào)整均質(zhì)攪拌的速度時間等，在操作上提升了自動化程度。

在高黏性乳化物的制造工藝中，常見問題是分散相的粒徑大和攪拌時把空氣混入制品中。粒徑過大導致乳化物不穩(wěn)定，缺少光澤；制品中混入空氣則會使制品氣泡化、細菌污染、易氧化及外表不光滑。針對這兩大問題，本文開發(fā)設(shè)計了一款真空均質(zhì)乳化機，由均質(zhì)攪拌器、中心葉片攪拌、刮壁攪拌相輔相成，通過組合的攪拌方式，達到完美混合制品。采用抽真空方式，使制品在攪拌過程不混入氣泡，制造出富有光澤、細膩及延展性良好的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

此設(shè)備采用變頻器實現(xiàn)均質(zhì)電機調(diào)速，利用PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及現(xiàn)場生產(chǎn)流程控制功能，應(yīng)用HMI實現(xiàn)運行狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、報警、數(shù)據(jù)曲線打印等，引入PID算法使控制更精準，提升生產(chǎn)效率。實際運行結(jié)果表明，所設(shè)計的乳化機提高了乳化過程的穩(wěn)定性并保證了產(chǎn)品品質(zhì)。

1 機械原理與結(jié)構(gòu)

主鍋由可升降的鍋蓋和翻轉(zhuǎn)式鍋體組成，鍋蓋上由粉料投入口、視鏡、真空壓力表、空氣過濾器等；翻轉(zhuǎn)式鍋體包含刮板、高速均質(zhì)器、中心攪拌槳以及底部的出料閥。真空裝置包括空氣過濾器和真空壓力表。乳化鍋中帶加熱介質(zhì)層的加熱夾套、隔熱保溫層以及安裝在鍋底的控溫傳感器構(gòu)成溫控系統(tǒng)。圖1所示為乳化機局部剖視圖。

通過均質(zhì)器的高速剪切功能將兩者或以上互不溶的物料互相融合乳化，并通過框式刮壁攪拌讓主鍋里的物料達到均勻混合的效果點[2]。采用安裝于鍋蓋上方的上均質(zhì)方式，鍋蓋攪拌均質(zhì)器與機架連接在一起，可以升降，操作清洗方便。

主鍋鍋蓋特指真空乳化機的“釜蓋”，不僅僅有一個“蓋”的功能，對于乳化生產(chǎn)，它具有投料、監(jiān)測乳化情況等多種功能，主要包含物料投入口、視鏡及真空壓力裝置等。

設(shè)備配備有高效的攪拌機、高剪切均質(zhì)乳化機、可靠的真空密封系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)及先進的電氣控制系統(tǒng)，硬件部分主要由主鍋（可升降鍋蓋、翻轉(zhuǎn)式鍋體）、水鍋、油鍋、真空裝置、溫度控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成[3]，設(shè)備參數(shù)如表1所示。

圖1 主鍋示意圖

表1 設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)實際的乳化工藝要求，得到真空乳化機樣機如圖2所示。根據(jù)乳化機的工藝流程，物料在水鍋、油鍋內(nèi)通過加熱、攪拌混合反應(yīng)后，由真空泵吸入主鍋[4]；通過聚四氟乙烯刮板、主鍋內(nèi)上部的中心攪拌始終迎合鍋體，掃凈掛壁粘料，使被括取的物料不斷產(chǎn)生新界面；然后經(jīng)過葉片剪斷、壓縮、折疊，使其攪拌、混合而往下流往位于鍋體下方的均質(zhì)器處；通過高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子（切割輪）和定子（固定的切割套）之間所產(chǎn)生的強力的剪斷、沖擊、亂流等過程，物料在剪切縫中被切割，迅速破碎成200 nm～2μm的微粒。由于主鍋內(nèi)處于真空狀態(tài)，物料在攪拌過程中產(chǎn)生的氣泡被及時抽走。這種抽真空方式，實現(xiàn)了產(chǎn)品富有光澤、細膩及延展性良好。

圖2 真空均質(zhì)乳化機實物圖

2 控制系統(tǒng)硬件

2.1 控制要求

乳化效果的好壞與物料性質(zhì)、罐體溫度、壓力等有直接關(guān)系，為此在乳化機的罐體上配有檢測用傳感器，實現(xiàn)各參數(shù)數(shù)據(jù)記錄和實時控制[5]，具體過程如下。

（1）主鍋鍋蓋為自動升降式，水、油鍋中的物料通過輸送管道可在真空狀態(tài)下直接吸入主鍋。

（2）出料方式為主鍋鍋體翻轉(zhuǎn)可傾式。

（3）實現(xiàn)油鍋、水鍋、主鍋溫度的智能控制，控制量范圍依次是：0～100℃、0～140℃、20～140℃。通過電加熱管對鍋夾層內(nèi)的導熱介質(zhì)進行加熱來實現(xiàn)對物料的加溫，在夾層內(nèi)接入冷卻水即可對物料進行冷卻，操作簡單、方便；夾層外設(shè)有保溫層，加熱溫度通過控制面板上的溫度控制儀設(shè)定調(diào)節(jié)，自動控制。

（4）物料微粒化（200 nm～2μm）、乳化、混合、調(diào)勻、分散等可于短時間內(nèi)完成。

（5）根據(jù)設(shè)計要求，需要實現(xiàn)各電機的轉(zhuǎn)速控制，其中：油鍋攪拌、水鍋攪拌轉(zhuǎn)速范圍均為10～1 500 r/min，主鍋攪拌轉(zhuǎn)速范圍為10～80 r/min，主鍋均質(zhì)攪拌轉(zhuǎn)速范圍100～4 500 r/min。

（6）實現(xiàn)乳化壓力控制，控制范圍為-100～+100 kPa。

2.2 硬件設(shè)計

乳化機控制系統(tǒng)主要包括均質(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。

控制系統(tǒng)主要由上位機、下位機2部分組成，上位機采用HMI，主要實現(xiàn)監(jiān)控功能和對現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)調(diào)整的功能；下位機采用PLC，主要實現(xiàn)對設(shè)備的現(xiàn)場控制、采集數(shù)據(jù)、反饋控制和對控制量進行連鎖保護[6]；電機的轉(zhuǎn)速控制，采用變頻器實現(xiàn)。真空乳化機的控制部分可劃分為各種模塊，整體框架如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)整體框架

（1）壓力采集模塊

實現(xiàn)將壓力儀表的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為PLC可以識別的數(shù)字量信號，壓力表的信號通過PLC的AD模擬量輸入模塊采樣到PLC中。

（2）溫度采集模塊

真空乳化機的油鍋、水鍋和主鍋的使用鉑電極（Pt100）測量溫度，采用三線制接法。信號通過PLC的Pt100模塊采樣到PLC中。

（3）連鎖保護模塊

設(shè)置硬件和軟件雙重安全連鎖裝置，保證真空乳化機的乳化鍋在抽真空的過程中不能打開鍋蓋。

2.3 電氣設(shè)計

引入PLC和觸摸屏的乳化機控制系統(tǒng)克服了現(xiàn)有技術(shù)的乳化控制需人工頻繁調(diào)節(jié)閥門且無法精確控制物料瞬時加入量等缺陷。其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 乳化機控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

（1）開關(guān)電源采用正泰控制變壓器，型號為NDK-1000VA；開關(guān)電源采用明偉DR-60-24。

（2）控制器：三菱FX3U系列PLC，系統(tǒng)主控制選用FX3U-32MR/ES-A控制單元(15個輸入16個輸出)，模擬量輸入模塊FX3U-4AD負責3個溫度傳感器和1個壓力傳感器，數(shù)字量輸出模塊FX2N-16EYR，485信號板FX3U-485-BD負責通信。

（3）觸摸屏HMI：采用三菱GS2017-WTBD，用于設(shè)置參數(shù)、現(xiàn)場操作。

（4）變頻器：均質(zhì)電機變頻調(diào)速選用三菱FR-D740-5.5kW變頻器，攪拌電機調(diào)速采用FR-D740-2.2 kW變頻器。

主鍋均質(zhì)電機和攪拌電機，采用三菱變頻器控制，能較好的控制電機的啟停和攪拌速度，圖5所示為乳化機變頻器硬件接線圖。

圖5 乳化機變頻器硬件接線圖

3 控制系統(tǒng)軟件

3.1 控制流程

控制器及其擴展模塊對變頻器、電磁閥、真空泵、攪拌電機、壓力和溫度等參數(shù)進行控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及現(xiàn)場生產(chǎn)流程控制功能。為了實現(xiàn)生產(chǎn)時對乳化過程中各參數(shù)數(shù)據(jù)的集中管理，本設(shè)計采用上位機組態(tài)軟件對乳化控制系統(tǒng)進行監(jiān)控。根據(jù)乳化工藝和控制要求，對控制任務(wù)進行分解，真空乳化機控制流程如圖6所示。

圖6 乳化機控制流程圖

預(yù)乳化過程中，PLC一般對水鍋和油鍋的物料進行溫度控制[7]。首先清洗水鍋和油鍋，向鍋內(nèi)加入原料，然后打開蒸汽閥通入蒸汽，（由于夾套內(nèi)有冷卻水，需打開排水閥排除冷水，去除噪聲），對水鍋和油鍋加熱，并開啟攪拌電機進行攪拌，當溫度達到設(shè)定值時，關(guān)閉蒸汽閥。當水鍋和油鍋的初級品生產(chǎn)完成后，可通過泵將初級品吸入主鍋中。

可通過PLC實時調(diào)整鍋體真空壓力。壓力傳感器中的采集模塊可以實現(xiàn)將壓力儀表的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為PLC可以識別的數(shù)字量信號，壓力表的信號通過PLC的AD模擬量輸入模塊采樣到PLC中，從而實現(xiàn)智能化控制鍋體壓力。

乳化過程：首先讓液壓電機工作，啟動下降閥，使鍋蓋下移，蓋好鍋蓋；密封檢查完畢后，打開真空閥，等到真空度達到設(shè)定值（-0.08 MPa），關(guān)閉真空閥，打開水鍋出料閥和油鍋出料閥，把預(yù)乳化后的產(chǎn)品吸入主鍋內(nèi)；通過物料添加口，補充物料，通過主鍋內(nèi)蒸汽閥向鍋內(nèi)通入蒸汽，同時開啟均質(zhì)電機和攪拌電機，使其充分加熱，維持一段時間后，利用PID算法控制溫度；當生產(chǎn)時間到，去除真空，冷卻，打開主鍋出料閥，取出成品，檢查合格后封裝。

表2 變頻器的PLC控制指令表

主鍋設(shè)有壓力傳感器，壓力傳感器用于檢測主鍋內(nèi)的壓力值，在乳化過程中，為減少產(chǎn)生泡沫，需根據(jù)主鍋內(nèi)物料的不同及生產(chǎn)產(chǎn)物的不同設(shè)置PLC的壓力設(shè)定值。壓力傳感器實時采集主鍋內(nèi)的壓力值，并將該壓力值發(fā)送至PLC，PLC根據(jù)壓力值和壓力設(shè)定值并基于PID算法調(diào)節(jié)排氣閥的開度，使主鍋內(nèi)壓力恒定在操作人員設(shè)定壓力。主鍋內(nèi)乳化溫度控制是通過通入冷水和熱水來實現(xiàn)的，當溫度高于設(shè)定值，通入冷水，反之通入熱水。PLC根據(jù)溫度測量值和溫度設(shè)定值并基于PID算法調(diào)節(jié)閥門，實現(xiàn)溫度控制。

3.2 變頻器PLC控制

表2所示為部分變頻器PLC控制的指令表。

3.3 組態(tài)界面

利用組態(tài)技術(shù)對乳化生產(chǎn)過程進行監(jiān)控界面設(shè)計，通過上位機與下位機PLC的通信連接，實時傳送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了過程數(shù)據(jù)采集和閥門控制，監(jiān)控界面形象直觀。設(shè)備的人機界面包括運行畫面、參數(shù)畫面等。運行畫面如圖7所示，可以是實現(xiàn)操作模式選擇，主要設(shè)定參數(shù)的顯示，還有閥門氣缸控制信號輸入，還可進入?yún)?shù)設(shè)定畫面。

圖7 運行畫面

參數(shù)畫面用于設(shè)置控制系統(tǒng)的工藝參數(shù)，如圖8所示，主要分為運行時間參數(shù)和電機速度參數(shù)2個部分。參數(shù)設(shè)置完成后可按返回按鈕，進入運行畫面。

圖8 參數(shù)畫面

從組態(tài)畫面上可以方便地設(shè)置具體參數(shù)，直觀地觀察設(shè)備運行狀況，便于用戶使用。通過對生產(chǎn)過程的監(jiān)控，可了解到現(xiàn)場設(shè)備運行狀況，增強了安全性和可操作性。操作人員通過人機界面將油鍋內(nèi)需要的恒定壓力設(shè)定值和物料的流量設(shè)定值輸入控制器中，還可對乳化過程中重要數(shù)據(jù)，如罐內(nèi)實時壓力、實時流量、物料剩余量等數(shù)值進行監(jiān)控并存儲，保證數(shù)據(jù)的可追溯性。

4 設(shè)備調(diào)試運行

利用開發(fā)設(shè)計的乳化機，進行蛋黃醬生產(chǎn)調(diào)試，具體操作過程如下。

（1）接通電源，確保電源相符，并注意地線可靠接地，打開總電源開關(guān)，電源指示燈亮。

（2）接通均質(zhì)鍋各管道，包括各蒸汽管道、溢水口、放水口和排污口，接通進水管（進水口上直接接上自來水）。

（3）均質(zhì)切削、刮板攪拌，先加料（可用水代替），再分別打開相應(yīng)的控制開關(guān)均質(zhì)切削，觀察刮板攪拌速度。均質(zhì)器切割輪轉(zhuǎn)向為面對切割輪看逆轉(zhuǎn)，均質(zhì)攪拌轉(zhuǎn)向為面對攪拌看即從下向上看逆轉(zhuǎn)。調(diào)試時應(yīng)點動試轉(zhuǎn)，確認無誤后再正式讓均質(zhì)器運轉(zhuǎn)。攪拌啟動前也應(yīng)點動，檢查攪拌刮壁是否有異常，如有應(yīng)即刻排除。

（4）要打開鍋蓋及料口蓋，一定要在鍋內(nèi)無真空壓力時進行，如果鍋內(nèi)有真空壓力，則應(yīng)關(guān)閉抽真空接口上的閥，并關(guān)閉真空泵，打開鍋蓋上的閥門使鍋內(nèi)無真空壓力。

設(shè)備操作先后步驟為：打開電源，油鍋水鍋加料，油水鍋合蓋；油水鍋加熱攪拌，均質(zhì)鍋合蓋，關(guān)閉蓋上其它閥門，打開抽真空閥門進行抽真空（吸料）；均質(zhì)鍋加熱（溫度可調(diào)），均質(zhì)攪拌乳化，觀察物料，時間到停止加溫；打開放料閥放料，清洗后可升起鍋蓋傾倒排污再合蓋，循環(huán)工作。

蛋黃醬生產(chǎn)中，水、油、蛋黃按照配方配比，乳化劑采用蛋黃，黏度通過膠和淀粉來調(diào)節(jié)，真空均質(zhì)乳化機實現(xiàn)了高效的混合、均質(zhì)、分散，可對物料進行加熱和冷卻，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，并采用自動控制。實際調(diào)試數(shù)據(jù)為250 L蛋黃醬生產(chǎn)只需要12 min，成品口感細膩，乳化效果好。系統(tǒng)采用變頻調(diào)速，較低了電機能耗[8]；采用PLC自動控制，操作簡單、方便，避免了人工本地操作存在的安全風險；系統(tǒng)有較完善的調(diào)試、監(jiān)視和報警功能，加上硬件安全防護，運行更安全、穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的真空均質(zhì)乳化機采用真空方式，使所生產(chǎn)的制品在攪拌過程中不再混入氣泡，產(chǎn)品富有光澤、細膩及延展性良好，均質(zhì)乳化效果好；料鍋鍋蓋為自動升降式，水鍋、油鍋中的物料通過輸送管道可在真空狀態(tài)下直接吸入主鍋，加熱溫度任意設(shè)定，自動控制；適應(yīng)多種物料，可以用于食品、制藥、日化等多種行業(yè)，一機多用，設(shè)備利用率高；操作方便，靈活，采用變頻調(diào)速，可對主鍋均質(zhì)、攪拌轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，以確保主鍋內(nèi)的物料有效滿足工藝生產(chǎn)的需求?，F(xiàn)場生產(chǎn)結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)繼電器控制的乳化方式，本設(shè)備不僅節(jié)約了人力資本，降低能耗，效率高，還提高了產(chǎn)品質(zhì)量，有一定的市場推廣價值。