全利用零排放的桂圓清洗控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗

王 瑋，劉澤良，王 剛，黃毅華

（杭州娃哈哈精密機械有限公司，杭州 310018）

0 引言

目前，八寶粥生產(chǎn)線中的冰凍桂圓肉解凍發(fā)泡工藝是用3種夾層鍋加熱預(yù)煮桂圓，而之后桂圓果肉清洗全依靠人工對單個桂圓中的毛發(fā)、果殼、石子等雜物進行挑揀。隨著八寶粥整線設(shè)備自動化程度提高，老式發(fā)泡清洗工段已經(jīng)嚴重影響整線自動化水平，而且過多的人工干預(yù)并不利于產(chǎn)品質(zhì)量標準保證，夾層鍋設(shè)備升溫預(yù)煮也有蒸汽能耗過大、純水消耗、糖水浪費等問題。

針對以上問題，國內(nèi)外學(xué)者有對這類清洗裝置進行研究。陳育輝[1]提出了水汽浴與超聲波技術(shù)在蔬菜清洗中實現(xiàn)機理的理論依據(jù)，但未對桂圓或較硬物體清洗機理進行總結(jié)。馬雪飛等[2]針對整葉類蔬菜，進行水汽浴理論研究，分析了清洗量、清洗時間、汽浴強度等對清洗率與破損率影響，但沒有考慮加入超聲波技術(shù)。丁羽等[3]設(shè)計利用噴淋與超聲波技術(shù)的紅棗連續(xù)清洗裝置，試驗得出紅棗清洗的最佳超聲波電氣特性，對桂圓清洗有一定參考意義。MULUGATE等[4]利用熱水噴淋等技術(shù)制作土豆清洗設(shè)備，對土豆表面有良好清洗效果。

本文利用水汽浴、超聲波及熱噴淋等技術(shù)交叉作用，并結(jié)合原桂圓發(fā)泡清洗工藝，設(shè)計一種集預(yù)煮、清洗、發(fā)泡以及多級水回收利用，可實現(xiàn)糖水和熱能高效利用的桂圓清洗控制系統(tǒng)。

1 設(shè)備系統(tǒng)組成與工藝設(shè)計

桂圓清洗系統(tǒng)分成6個模塊，即桂圓投放系統(tǒng)、預(yù)煮系統(tǒng)、漂洗系統(tǒng)、翻滾噴淋廊道、攪拌系統(tǒng)和水回收暫存系統(tǒng)等。

1.1 桂圓投放系統(tǒng)

系統(tǒng)實現(xiàn)冰凍桂圓投放自動控制。由于冰凍桂圓初始為壓縮塊狀物體（類似方磚形式），每次投入計量依據(jù)預(yù)煮池大小進行設(shè)定，自動控制加快整體設(shè)備工作效率，也避免操作人員在投入桂圓干塊時被燙傷風(fēng)險。

1.2 預(yù)煮系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由預(yù)煮池及升溫管路設(shè)備構(gòu)成。在預(yù)煮池內(nèi)部，溢流面上方安裝熱水循環(huán)噴淋系統(tǒng)，溢流面下方安裝超聲波發(fā)生器設(shè)備，水池底部安裝水汽浴設(shè)備[5]，如圖1所示。

圖1 預(yù)煮系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of pre-cooking system

熱水循環(huán)噴淋系統(tǒng)由溫度和液位傳感器、預(yù)煮噴淋水泵和蒸汽加熱器組件等組成。在預(yù)煮生產(chǎn)過程中，預(yù)煮池內(nèi)補水主要來自漂洗池回水，并進行實時加溫，實現(xiàn)水溫恒定控制[6-8]；在多次預(yù)煮結(jié)束后，預(yù)煮池水可以過濾后輸入暫存罐，此后補水主要來自于配料系統(tǒng)中熱水罐。熱水循環(huán)噴淋系統(tǒng)作用在于：（1）控制水溫，降低能耗，使得桂圓肉干盡快發(fā)泡；（2）水面上方噴淋可以對預(yù)煮池上層桂圓肉進行沖刷翻騰清洗；（3）方向性的噴淋可以使預(yù)煮池內(nèi)桂圓肉進行流動，保證所有桂圓清洗的機會；（4）回收糖水，最終實現(xiàn)所有清洗水零排放全部進入配料系統(tǒng)，保證桂圓糖分留存，增加產(chǎn)品口感。

超聲波發(fā)生器設(shè)備兼顧發(fā)泡和清洗2種功能。其原理在于超聲波本身具有的能量作用、空穴破壞能量作用[9-11]，由于噴淋系統(tǒng)加入，超聲波發(fā)生器對水流的攪拌作用非常小。超聲波的能量作用原理為利用水浴中能量傳導(dǎo)快于空氣介質(zhì)，把絕大部分能量傳導(dǎo)到更遠水域，造成預(yù)煮池水內(nèi)質(zhì)點分布不勻，水質(zhì)點根據(jù)分布致密區(qū)域內(nèi)的正、負聲壓獲得隨機動能，使桂圓肉內(nèi)石子、毛發(fā)、果殼等雜質(zhì)從果肉中分離出來，并且不停的碰撞可以使得冰凍桂圓盡快解凍升溫，發(fā)泡完成。而空穴破壞能量與水汽浴設(shè)備噴出的大型連續(xù)氣泡相互作用，全角度沖擊桂圓肉內(nèi)的雜物，達到去污效果。

水汽浴設(shè)備主要由大功率風(fēng)機、噴嘴和濾網(wǎng)等組成，實現(xiàn)預(yù)煮池從下到上冒泡的功能[12]。此設(shè)備作用：（1）壓縮空氣由水底部向水面噴射，加強預(yù)煮池水上下層流動；（2）氣泡爆氣的作用可以振動桂圓內(nèi)外部附著污物，使其脫落；（3）間斷性改變風(fēng)機頻率，有助于小體積大比重雜質(zhì)在爆氣過程中沉降。

1.3 漂洗系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由漂洗池與清洗毛刷組成。內(nèi)部亦有水回收系統(tǒng)、熱水循環(huán)噴淋系統(tǒng)和水汽浴設(shè)備等。水回收系統(tǒng)可以在預(yù)煮系統(tǒng)生產(chǎn)中根據(jù)預(yù)煮池液位情況自動補水，熱水循環(huán)噴淋系統(tǒng)可以在漂洗池工作時進行循環(huán)噴淋，配合多組毛刷對果肉進行清洗。漂洗系統(tǒng)水汽浴設(shè)備與預(yù)煮系統(tǒng)水汽浴設(shè)備類似，實現(xiàn)相同功能。

1.4 翻滾噴淋廊道

噴淋廊道中每個桂圓從高處沿著毛刷不停翻滾落下，毛刷與桂圓不停碰撞彈跳。與毛刷形成直角的噴淋水一直工作，從正面再次清洗桂圓，達到分離雜物效果。此系統(tǒng)中水根據(jù)漂洗池液位情況，過濾后自動補充入漂洗系統(tǒng)中。

1.5 攪拌系統(tǒng)

攪拌系統(tǒng)主要由攪拌池、攪拌桿和攪拌電機組成，利用翻騰原理完成對桂圓清洗和留存。

1.6 水回收暫存系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由暫存罐及其附屬設(shè)備組成，預(yù)煮池的水經(jīng)過濾后最終輸入暫存罐中，等待配料系統(tǒng)取用。

1.7 全利用零排放系統(tǒng)工藝設(shè)計

冰凍桂圓從桂圓投放系統(tǒng)中堆垛保存，自動投入預(yù)煮系統(tǒng)中，于發(fā)泡清洗后，經(jīng)過漂洗系統(tǒng)、翻滾噴淋廊道、攪拌系統(tǒng)，最終在桂圓暫存出口結(jié)束清洗過程。預(yù)煮系統(tǒng)和漂洗系統(tǒng)由外部通入熱水及蒸汽，而翻滾噴淋廊道和攪拌系統(tǒng)由外部通入純水。翻滾噴淋廊道和攪拌系統(tǒng)回水自動輸入漂洗系統(tǒng)，漂洗系統(tǒng)回水自動輸入預(yù)煮系統(tǒng)，預(yù)煮系統(tǒng)回水自動輸入水回收暫存罐，等待配料系統(tǒng)取用。CIP清洗按要求對預(yù)煮系統(tǒng)和水回收暫存系統(tǒng)中的管路及罐體進行熱水清洗或者酸堿清洗。所以，清洗后的桂圓水全部回收進入配料系統(tǒng)，沒有向污水站排放，最終實現(xiàn)水資源零排放的目的。圖2為具體工藝流程圖。

圖2 桂圓清洗工藝流程圖Fig.2 Longan cleaning process flow chart

2 系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)由西門子1200系列PLC作為主控制器搭建[13]，執(zhí)行設(shè)備包括各類電機、閥島和超聲波發(fā)生器等，并與配料系統(tǒng)和CIP清洗系統(tǒng)進行聯(lián)動控制，與中控系統(tǒng)實現(xiàn)集中控制。現(xiàn)場上位機為西門子KTP400型觸摸屏。其中，蒸汽加熱為比例閥控制蒸汽進入量大小，由軟件實現(xiàn)PID控制與前饋模型（回水系統(tǒng)）設(shè)計。設(shè)備中通訊方式皆利用西門子Profinet IO總線協(xié)議，完成搭建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，其中包含10個以太網(wǎng)變頻器，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System network control structure diagram

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件架構(gòu)與工藝組成模塊類似，主要分為6個部分，即桂圓干投放系統(tǒng)、預(yù)煮系統(tǒng)、漂洗系統(tǒng)、翻滾噴淋廊道，攪拌系統(tǒng)和水回收暫存系統(tǒng)。6部分之間有相互聯(lián)動交互功能，以下主要介紹系統(tǒng)清洗發(fā)泡桂圓核心部分（預(yù)煮系統(tǒng)和漂洗系統(tǒng)）的控制流程。

當(dāng)操作人員選定產(chǎn)品種類后，按下啟動按鈕，設(shè)備自動運行。首先對預(yù)煮池進行液位檢測并進行補水，啟動噴淋系統(tǒng)，在噴淋過程中完成升溫。在達到最低溫度要求后，桂圓肉投放設(shè)備自動按預(yù)設(shè)置值投入桂圓干塊。而后，啟動超聲波發(fā)生器和水汽浴鼓泡。若在預(yù)煮過程中，預(yù)煮池液位降低，則先由漂洗池回水進入預(yù)煮池，如果漂洗池液位無法滿足回水要求，則直接從配料系統(tǒng)中取熱水。當(dāng)預(yù)煮池水溫達到設(shè)定溫度一段時間后，默認為預(yù)煮清洗發(fā)泡結(jié)束，關(guān)閉超聲波發(fā)生器和水汽浴鼓泡。通過預(yù)煮輸送鏈板把該批完成發(fā)泡的桂圓按預(yù)設(shè)節(jié)拍送入漂洗池。在預(yù)煮輸送節(jié)拍完成后默認為預(yù)煮階段結(jié)束，若達到預(yù)煮池回水次數(shù)要求，將把預(yù)煮池水按最低液位輸入暫存罐，否則，桂圓肉投放設(shè)備會按情況重新投入新的桂圓干塊，開啟新的預(yù)煮程序。預(yù)煮系統(tǒng)程序如圖4所示。

圖4 預(yù)煮系統(tǒng)控制流程圖Fig.4 Pre-cooking system control flow chart

與預(yù)煮系統(tǒng)類似，漂洗系統(tǒng)在設(shè)備啟動后，對漂洗池進行液位檢測并進行補水。在預(yù)煮輸送鏈板啟動后，啟動水汽浴鼓泡、水泵噴淋加熱和毛刷運行。而漂洗輸送鏈板按預(yù)設(shè)節(jié)拍接受預(yù)煮池里的桂圓，并進行來回輸送運動。在來回輸送桂圓過程中，水汽浴、毛刷和噴淋等共同作用完成清洗潔凈桂圓目的，同時也向后道翻滾噴淋廊道輸送桂圓。如果預(yù)設(shè)漂洗輸送鏈板節(jié)拍結(jié)束，默認為漂洗功能結(jié)束，停止水汽浴鼓泡、水泵噴淋加熱和毛刷運行，改為向預(yù)煮池自動補水，等待下一次預(yù)煮發(fā)泡完成。漂洗系統(tǒng)程序如圖5所示。

圖5 漂洗系統(tǒng)控制流程圖Fig.5 Rinsing system control flow chart

3 試驗與分析

3.1 發(fā)泡效率分析

桂圓發(fā)泡是指經(jīng)烘烤風(fēng)干后冰凍儲存的新鮮桂圓肉，在八寶粥生產(chǎn)過程中重新發(fā)泡的過程。由于罐裝八寶粥生產(chǎn)中后道需要進行蒸煮罐加熱，所以對前道清洗中桂圓發(fā)泡效果要求為桂圓充分吸水脹開，果肉與果核分離。桂圓發(fā)泡前后對比如圖6所示。

圖6 桂圓發(fā)泡前后對比Fig.6 Longan comparison before and after foaming

因為在低溫水中，冰凍桂圓經(jīng)過長時間浸泡也能達到良好發(fā)泡效果，所以影響發(fā)泡效果的關(guān)鍵因素為時間。因此從超聲波對發(fā)泡時間影響和溫度對發(fā)泡時間影響2方面進行測試。

3.1.1 超聲波對發(fā)泡時間影響

試驗以預(yù)煮水池水溫85 ℃，漂洗水池水溫50 ℃為條件，對超聲波發(fā)生器的頻率和電流對發(fā)泡時間影響進行測試，分別取15，20，25和30 kHz 4組頻率，在每個頻率的不同電流對發(fā)泡時間進行記錄。數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7所示。結(jié)果顯示，超聲波電流＜7 A時，電流增大對發(fā)泡時間有明顯影響；超聲波電流≥7 A時，電流增大對發(fā)泡時間未見明顯影響。超聲波頻率＜25 kHz時，頻率增大對發(fā)泡時間有明顯影響；超聲波頻率≥25 kHz時，頻率增大對發(fā)泡時間未見明顯影響。所以，對于桂圓一類的較硬果類，超聲波的小電流有良好發(fā)泡效果，可以選取超聲波頻率為25 kHz，功率為1.5 kW較為適宜。

圖7 超聲波數(shù)據(jù)記錄圖Fig.7 Ultrasonic data recording chart

3.1.2 溫度對發(fā)泡時間影響

試驗以超聲波頻率為25 kHz，功率為1.5 kW為條件，對預(yù)煮池水溫度與發(fā)泡時間影響進行測試。數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8所示。結(jié)果顯示，水溫對桂圓發(fā)泡時間影響較大。在溫度＜80 ℃時，發(fā)泡時間增加明顯。在溫度≥80 ℃時，發(fā)泡時間增加不明顯。由參考文獻[14]中的公式可知，如果設(shè)備機械結(jié)構(gòu)與外部供水供熱條件一定，能耗與溫度設(shè)定值存在正比線性關(guān)系。根據(jù)圖8結(jié)果，選取80℃作為發(fā)泡池水溫度較為經(jīng)濟合適。

圖8 水溫數(shù)據(jù)記錄圖Fig.8 Water temperature data record chart

3.2 清洗效果分析

試驗選取相同批次冰凍桂圓塊，分別使用人工挑揀清洗與全自動系統(tǒng)清洗。系統(tǒng)設(shè)定預(yù)煮水溫80 ℃，漂洗水溫50 ℃，超聲波發(fā)生器頻率25 kHz、功率 1.5 kW。通過后道人工二次篩檢，對毛發(fā)、塑料絲、石子和蟲子等數(shù)據(jù)進行記錄。具體如表1所示。

表1 清洗效果比較Tab.1 Cleaning effect comparison

通過以上數(shù)據(jù)分析，使用該系統(tǒng)后對毛發(fā)、石子類清除效果有改進，分別降低22%和40%；而塑料絲、蟲子類雜質(zhì)清除效果無改進，分別上升19%和33%。綜合來看，雖然系統(tǒng)對部分雜物分離存在困難，但是也與人工挑揀效果相接近，其中毛發(fā)、石子類清除效果優(yōu)于人工清洗。所以，增加后道人工二次篩檢工位，產(chǎn)品質(zhì)檢風(fēng)險肯定會低于2次人工挑揀清洗方式。

3.3 生產(chǎn)成本分析

系統(tǒng)生產(chǎn)成本主要由電能損耗、純水損耗、熱水損耗、原糖節(jié)省、低壓氣損耗、蒸汽損耗，清洗損耗和人力成本等組成。試驗條件為2條八寶粥線連續(xù)生產(chǎn)24小時，所有時間也按工藝要求包含CIP清洗、設(shè)備清洗以及回水等待時間等。通過流量表、電能表和發(fā)貨表等讀數(shù)，實際測得以上7類能耗，并按當(dāng)?shù)貙嵃l(fā)工資，估算人力成本，最終進行綜合生產(chǎn)成本統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)成本比較Tab.2 System cost comparison

其中，熱水損耗和純水損耗由于暫存罐糖水重新輸入配料系統(tǒng)，而暫存罐水與熱水罐水溫度相差不大，所以認為無熱水損耗。按工藝要求，蔗糖節(jié)省標準為100公斤桂圓水可以替代5公斤蔗糖；清洗損耗在系統(tǒng)改進后，增加CIP清洗為10天1次，單班清洗1天2次。成本計算如下式：

式中 P ——總體生產(chǎn)成本值；

αi——單項權(quán)重計算值。

根據(jù)當(dāng)?shù)毓I(yè)實際情況，對αi分別取值為α1=1.8，α2=2.7，α3=5，α4=-5，α5=1，α6=220，α7=200，α8=342。

計算可得，P前=8 975，P后=3 009.4?？梢钥闯觯倪M后桂圓清洗系統(tǒng)可以節(jié)約生產(chǎn)成本將近2/3，其中大部分節(jié)約來自于蔗糖節(jié)省、蒸汽消耗與人工成本。

4 結(jié)語

（1）針對清洗及發(fā)泡桂圓綜合能耗高，自動化程度低的情況，設(shè)計一種利用水汽浴、超聲波和熱噴淋等技術(shù)共同作用的桂圓清洗控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可與CIP清洗系統(tǒng)、配料系統(tǒng)做聯(lián)動控制，與中控系統(tǒng)做集中控制，并且在桂圓清洗生產(chǎn)過程中，無需人工干預(yù)，系統(tǒng)自動化程度較高。

（2）從3組試驗數(shù)據(jù)分析可知，系統(tǒng)提高桂圓清洗效果，能對發(fā)泡效率優(yōu)化控制，水溫80 ℃，超聲波發(fā)生器頻率 25 kHz、功率 1.5 kW，最終綜合生產(chǎn)成本降低2/3。

（3）與其他農(nóng)產(chǎn)品清洗不同，依據(jù)清洗桂圓水可回收的特殊性，新設(shè)計系統(tǒng)在滿足清洗發(fā)泡桂圓同時，增加水回收系統(tǒng)，合理降低蔗糖原料消耗，增加產(chǎn)品口感。展望未來，此系統(tǒng)存在非常大的市場應(yīng)用前景。