《基于PLC的均质乳化机设计和实现》
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【摘 要】为了提高食品生产过程中的均质效率,设计了一台基于PLC、变频器、HMI的智能均质乳化机.文章重点阐述了该设备的机械结构、电气原理图、PLC程序流程及触摸屏组态.实际应用表明,该乳化机满足了控制要求,具有操作简单、人机交互友好、自动化程度高等特点,减轻了工人的劳动强度,提高了生产效率.适应多种物料配方,设备利用率高.
【关键词】乳化机;PLC;HMI;均质效率
【中图分类号】TP237.5 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）01-0053-03
0 前言
在食品工业链中,均质乳化工艺处理是行业内不可或缺的部分.随着原料和工艺的进步,对于产品的乳化均质要求也越来越高,传统的乳化均质设备工艺已经不能满足行业发展的需求,出现诸如分散相粒径大、搅拌时空气混入制品中等问题[1],粒径大导致乳化物不稳定,缺少光泽;混入空气则会使制品气泡化、受细菌污染、易氧化及外表不光滑.
针对这些问题开发了一款高效的均质乳化装置,该装置能够高效、快速地进行物料的乳化均质生产,特别是诸如沙拉酱、蛋黄酱、日化膏霜、乳化油、润滑脂合成等产品,并且生产出来的物料乳化均质彻底,物料稳定性好,避免了传统生产设备生产时间长、乳化不彻底、物料稳定性差等问题.
1 设备整体设计
本机组由主锅（可升降锅盖、翻转式锅体）、水锅、油锅、真空装置、加热和温度控制系统、冷却系统、电气控制系统及机架等组成[2].真空均质乳化机结构示意图如图1所示.
水锅对水和水溶性物料进行预处理,油锅对油和油溶性物料进行预处理,它们均具有搅拌功能和加热冷却功能.
电机带动转锅均质器主通过转子和定子转动,将一种物料在剪切力作用下均匀地分散在互不相溶的另一种物料中,制得粒子精细、混合均匀的成品.搅拌装置是由中间的折叶桨式搅拌器与框式搅拌器组成,在框式搅拌器的周边装有刮壁的刮板[3],刮板的作用是使容器内壁与物料不断产生新的界面而不再留有任何死角.设备选用爪式咬合、双向吸料结构,能实现全方位的刮壁搅拌,避免物料难以吸入而造成的死角和漩涡现象,搅拌可以无级调速,可以使搅拌与物料在瞬间形成对流,可以将预混时间大大缩短,大大地改善预混效果,让产品更细腻润滑.
2 系统控制要求
2.1 电气设施
电气控制系统采用“三菱”FX3U系列PLC做控制器,配置485信号、模拟量输入和数字量输出模块;选用“三菱”触摸屏用来设置参数和進行现场操作;选用2个“三菱”变频器对均质和搅拌电机进行调速.
系统输出：电机M1～M6,共6个,包括真空泵M1、升降液压电机M2、水锅搅拌电机M3、油锅搅拌电机M4、均质电机M5和搅拌电机M6;液压阀4个;加热、冷却、出料等阀门13个;照明1个;报警蜂鸣器1个.
系统输入：4～20 mA压力变送器1个、温度变送器3 个、行程开关4个、流量计1个、急停按钮1个、状态及故障指示按钮若干个.
2.2 基本要求
运转部件有副锅搅拌系统、主锅均质系统、主锅升降系统、主锅搅拌系统、真空泵系统.操作面板上的按钮可控制照明灯的照明与熄灭、主锅搅拌的运转、主锅均质的运转、副锅搅拌的运转、真空泵的运转及主、副锅的加热.各项控制都可以在控制面板和HMI上进行.
为了现场操作方便,系统基本要求如下.
（1）触摸屏有手动、自动、设置、报警等界面,具有一键按程序自动运行的功能,主界面自动运行时显示当前的工作状态.
（2）手动调试界面,可在触摸屏上手动控制各部位按设置的参数单独动作.
（3）自动运行界面,可在触摸屏上显示累计产量、当前运行参数等.自动运行子程序有3条.①清洗：启动后设备按清洗工艺流程以设置的各项参数清洗;②灭菌：启动后设备按灭菌工艺流程以设置的各项参数灭菌;③生产：启动后设备按生产工艺流程以设置的各项参数生产.
（4）设置参数界面,设置物料温度、各电机的速度及需要延时部位的时间等.
（5）报警界面,显示故障原因和解除警报.
3 系统电气设计
3.1 电机电气连接
乳化机组的电气控制系统[4]包括均质电机、搅拌电机、变频器、PLC模块、触摸屏、传感器、电磁阀、照明、报警等.可以在搅拌的时候进行加热、冷却,还可以调整均质搅拌的速度、时间等,操作的自动化程度也大大提升了.
三相交流电经过总电源开关、交流接触器、热继电器接入真空泵M1、升降液压电机M2、水锅搅拌电机M3、油锅搅拌电机M4.主锅的均质和搅拌电机采用“三菱”FR-D740系列变频器控制,能控制电机的启停,实现无级调速.按下外部开关SA1,电源启动,电源指示灯亮.
3.2 PLC输入输出分配
乳化机由“三菱”触摸屏和PLC进行控制,采用按钮控制的操作方式,使用者可根据生产工艺调节电机速度、温度、压力和均质乳化时间等.系统的核心控制部分是PLC,根据现场输入信息,可实现系统自动运行与手动运行.在人机界面上可预先设置生产中需要的各项参数,实时显示运行状态（见表1）.
4 系统软件设计
4.1 组态界面设计
本设备设置了中英文两种语言,方便使用.控制系统的人机界面包括19个基本画面、10个窗口画面.基本画面包括初始画面、管理员画面、操作员画面、2个调整画面、2个自动画面、配方选择画面、10个配方画面、故障记录画面;窗口画面包括均质变频、搅拌变频、真空泵、升降液压、水锅搅拌和油锅搅拌6个故障,AB循环完成、管理员和急停3个指示.
在初始画面中,管理员与操作员因权限不同,点击按钮进入相应画面,可进行语言切换.在手动运行画面中可设置参数、控制阀门动作.自动运行画面中也能方便地设置各种参数.设备具有实时动态显示和操作功能,能够根据工艺流程对现场设备进行操作与控制,反映现场设备的运行情况.
4.2 系统程序流程
传统的乳化生产中,操作工靠经验来开启油锅、水锅等各阀门大小,以控制乳化过程中物料加入量.在乳化过程中,需操作工一直调节阀门,造成操作工劳动强度大,增加人工成本,且精度难控,影响乳化效果.本系统能有效克服现有技术的乳化控制需人工频繁调节阀门且精度难控等缺陷.系统控制流程如图2所示.
控制系统通过读取急停按钮、真空泵运行状态、液压电机运行状态、温度传感器、压力传感器等信息,并通过总线控制方式与控制器相连,利用PLC对均质乳化机中各动作单元进行通信连接[5],简单的按钮操作可完成产品的乳化启停工作,操作方便,同时可在HMI设定和读取相应参数,操作者可直接观察到各单元的工作状态,有助于提高工作效率,降低工人的劳动强度.
5 调试运行
机械部分装配好后,进行电气控制系统装调,设备调试过程需要遵守安全操作规范.首先接通总电源,电源指示灯点亮;接下来接通设备各管道,由于采用了高速电机,因此在锅体内空锅的状态下不得开机运转,电机接线启用时应点动试转.每次搅拌启动前都应点动,用自来水进行调试,节约成本.乳化生产前,先在触摸屏上选择手动或自动模式,然后根据流程进行调试.
把浸泡过的红豆放入真空均质机的主锅内,加热时,搅拌装置高速均质、破碎、剪切、乳化物料,最终快速形成细腻的豆沙泥原料产品.结果表明,设备均质乳化效果好;采用变频调速,可对主锅均质、搅拌转速进行调整,加热温度可自动设定与控制,清洗、灭菌、配方、生产、出料及清洗操作方便、灵活.
6 结论
设计开发的均质乳化机集混合、分散、均质、乳化及出料等功能于一體,采用PLC实现数据采集和现场生产流程控制,利用HMI组态设备运行状态、参数设置等,确保生产连续性,提高工作效率[6].本设备适应多种物料配方,很适合做月饼馅料、面包牛奶馅、各种豆沙馅等,可一机多用,设备利用率高,具有较好的市场价值.
参 考 文 献
[1]刘伟,宋弋,张洁.高压均质在食品加工中的研究进展[J].食品研究与开发,2017,38（24）：213-219.
[2]张相胜,潘丰,白春丽.基于PLC的均质机控制系统设计[J].机电工程,2010,27（10）：8-10.
[3]张文浩.基于数值计算的新型搅拌器的结构设计与性能研究[D].西安：西北大学,2017.
[4]张相胜.均质机控制系统的设计与应用研究[D].无锡：江南大学,2008.
[5]朱浪.基于全自动生产流程的均质机控制系统的设计与实现[D].无锡：江南大学,2014.
[6]朱浪,潘丰.WinCC组态在均质生产过程监控中的应用[J].江南大学学报（自然科学版）,2014,13（1）：17-22.
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乳化机和plc引用文献:
[1] 乳化机和plc论文范本 关于乳化机和plc方面专科毕业论文范文5000字
[2] 自动控制毕业论文的格式范文 硫化机和plc方面参考文献格式范文8000字
[3] 新颖的plc教学论文题目 plc教学论文题目哪个好
