分步式糖化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

項(xiàng)亞南，鄧小龍，王成龍，蘆 俊，潘 豐

(1.江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫 214153；2.江南大學(xué)，輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dá)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(dá)峰戰(zhàn)略不斷推進(jìn)，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(dòng)作業(yè)的方法，操作人員的經(jīng)驗(yàn)對(duì)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(shí)的質(zhì)量要求[5]，并且無法對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行在線監(jiān)視、實(shí)時(shí)控制[6-7]。文獻(xiàn)[8]研究表明要確保達(dá)到糖化最佳效果不僅要控制好溫度及保溫時(shí)間，而且還需要控制酶用量、pH及電機(jī)轉(zhuǎn)速等條件。為了提高糖化轉(zhuǎn)化效率，劉建黨等在文獻(xiàn)[9]中研究雙酶糖化工藝，通過正交試驗(yàn)尋找黃姜粉最佳糖化條件，但是何時(shí)在各步驟最佳時(shí)間介入實(shí)驗(yàn)是個(gè)重難點(diǎn)。文獻(xiàn)[10]提出一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與正交試驗(yàn)相結(jié)合的建模方法，進(jìn)一步優(yōu)化糖化參數(shù)，效果較好。文獻(xiàn)[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(dòng)力學(xué)模型，建立糖化預(yù)測(cè)模型。

針對(duì)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(jìn)糖化生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)加熱水高效、循環(huán)的使用目標(biāo)。并基于PLC和人機(jī)界面(HMI)，設(shè)計(jì)出糖化自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)等部件組成的一套控制，完成對(duì)糖化生產(chǎn)的全流程自動(dòng)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(jì)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(cè)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(cè)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(jì)，閥門，電加熱，調(diào)節(jié)閥門，蒸汽噴射器，變頻電機(jī)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(shí)現(xiàn)快速加熱。在熱水罐中配有攪拌電機(jī)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(cè)，及時(shí)補(bǔ)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(bǔ)水裝置，冷水罐中接入的是自來水，整個(gè)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(cè)。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(gè)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(jī)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(shí)吸水、受熱膨脹，它的晶狀結(jié)構(gòu)被破壞形成凝膠，從細(xì)胞壁中釋放出來。配料罐的底部配有變頻配料泵、流量計(jì)、閥門及管道，用于將配好的料進(jìn)行進(jìn)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(jìn)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(jìn)行進(jìn)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(gè)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(jìn)入到糖化罐中。

糖化罐是將液化的材料進(jìn)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(jī)以保證液化材料均勻[16]。此時(shí)，控制溫度保持一段時(shí)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(jì)

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(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中測(cè)量和管理[17-18]。設(shè)計(jì)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(kuò)FX3U RS485-DB模塊，實(shí)現(xiàn)與變頻器和HMI 2個(gè)部件從站的串口通信功能。并右擴(kuò)溫度擴(kuò)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(hào)都接為漏型形式(NPN信號(hào))。

現(xiàn)場的人機(jī)操作界面選用型號(hào)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(shí)時(shí)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(diǎn)的溫度、流量，控制各閥門、電機(jī)來動(dòng)協(xié)調(diào)5個(gè)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(duì)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(hào)。交流接觸器選用LC1D09BDC，它的驅(qū)動(dòng)電壓為DC 24 V，可以用PLC直接驅(qū)動(dòng)(前端加保險(xiǎn)絲保護(hù))。

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(shí)現(xiàn)串口通信。流量測(cè)量選用渦街流量計(jì)，型號(hào)為(DY200-EALAJ2-0D)，它將瞬時(shí)流量變換為脈沖輸出信號(hào)，PLC接收脈沖信號(hào)后再利用瞬時(shí)流量計(jì)算出累計(jì)流量。蒸汽調(diào)節(jié)閥(H1，H2，H3)選用電動(dòng)二通球閥CN7510電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器，通過控制閥門開度調(diào)節(jié)蒸汽進(jìn)氣量實(shí)現(xiàn)快速升溫。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(duì)各罐體的溫度調(diào)節(jié)，以及對(duì)電磁閥、調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、變頻器的在線監(jiān)控來實(shí)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(zhǔn)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(duì)配料罐中的材料升溫加熱，達(dá)到設(shè)定溫度后保持(時(shí)間根據(jù)要求自行設(shè)定)。配料罐的夾套水會(huì)自動(dòng)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(jī)，淀粉受熱糊化，待糊化完成之后，進(jìn)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(jìn)水閥(V3)和配料變頻電機(jī)(P4)給液化管組送料，直到達(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)入到糖化罐中。糖化罐的四周設(shè)計(jì)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(dòng)回流至熱水罐中循環(huán)使用。溫度保持一段時(shí)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(jìn)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(jìn)水量實(shí)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(jìn)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(dá)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(jì)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(jì)流量采用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，變頻器流量控制算法流程圖如圖6所示。流量計(jì)測(cè)量出管道流量累計(jì)值，再與累計(jì)流量設(shè)定值比較，通過PID變換電機(jī)頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)瞬時(shí)流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)累計(jì)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(jì)

糖化控制的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)一主兩從的通信。MCGS與PLC實(shí)現(xiàn)通信需要在各自的軟件上進(jìn)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(xiàng)目，將串口端號(hào)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(yàn))。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(jì)與實(shí)現(xiàn)

控制對(duì)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(cè)量、控制操作主要在HMI主監(jiān)控界面中完成，包括測(cè)量參數(shù)、控制參數(shù)、報(bào)警參數(shù)及設(shè)置、實(shí)時(shí)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(jì)結(jié)構(gòu)圖

6 結(jié)束語

改進(jìn)糖化生產(chǎn)中的工藝流程，并設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了糖化過程的自動(dòng)化監(jiān)控管理，而且相對(duì)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(shí)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(shí)際需求設(shè)計(jì)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。