兩站式泡沫清洗系統的設計

李湘偉，劉尉

（1.廣東輕工職業技術學院，廣東廣州510300；2.廣州輕機機械設備有限公司，廣東廣州510250）

兩站式泡沫清洗系統的設計

李湘偉1，劉尉2

（1.廣東輕工職業技術學院，廣東廣州510300；2.廣州輕機機械設備有限公司，廣東廣州510250）

敘述了兩站式泡沫清洗系統的設計。詳細介紹了此裝置的總體設計、主站設計、從站設計管路設計和電氣系統設計等具體內容。該系統具有自動化程度高、使用方便、清洗效果好等優點。

泡沫清洗；消毒；氣液混合；PLC

隨著現在食品工業的快速發展和人們生活質量的不斷提高，對產品的生產環境和質量有了更高的要求。生產設備的清潔對生產過程都有非常重要的影響，設備清洗可以降低食品受污染的報廢率、降低食品的投訴率，提高食品的安全性，延長設備的使用壽命。傳統的清潔方式不僅要消耗大量的人力、物力，而且對機器的清潔時間長，效果也不夠好，不夠徹底，要消耗大量的水，還容易形成二次污染。目前泡沫清洗技術正逐步投入使用。泡沫清洗的原理大致如下：水通過增壓泵產生一定的壓力，發泡劑溶液在混合器內被壓縮空氣充分混合后使其發泡，通過輸送軟管送到噴槍將泡沫噴向各被清洗表面，發泡后的清洗液就會附在被洗物的表面，其去污清潔成分通過潤濕、滲透、乳化、混懸、反絮凝、分散與溶解等較復雜的物理作用、化學作用，降低物體之間的黏合力和固體液體之間的表面張力，使各種污物從表面逸出，去除污垢；同時再通過消毒成分對表面、縫隙內的細菌、病毒進行殺滅和消毒。此時再用高壓水洗刷、污垢便很容易除去，這種方法只需用少量的洗滌劑效果就很好[1]。

以美國ECOLAB和DIVERSEY等化學清洗劑公司為代表，其配置的外部泡沫清洗系統自動化程度增高、工藝流程多樣成為發展的趨勢。國內也有一些企業已經開始進入泡沫清洗系統的研究之中，致力于研究符合我國國情的泡沫清洗設備，填補國內的空白，保持技術先進性，降低設備成本[2-4]。根據某肉制品行業的清潔要求，設計了兩站式泡沫清洗系統。

1 泡沫清洗系統的設計

1.1設計思路

水在泡沫洗消中的作用分成兩部分，一部分作為清水噴淋，因為有的清洗流程只需要用清水，或者當泡沫清洗結束后，必須進行清水的噴淋或沖洗，保證人員或裝備的干凈；另一部分通過流量計調節后講入混合器，作為發泡的主要成分之一。由于進入混合器的水壓必須和氣體壓力保持相等，否則易引起水或者氣體的倒流，導致供氣單元或供水單元損壞，因此必須對進入混合器的水壓進行調節[5]。解決的方法是采用一種恒壓供水裝置，通過PLC來控制水的壓力。整個工藝過程為：水經主站送出，通過變頻器調節水壓，將水送往手動從站，一路在手動從站中進入噴槍，可進行清水噴淋（或沖洗），另一路經過液體流量計調節水流量后進入從站的混合器。空氣壓縮機出來的氣體經過減壓閥減到一定壓力后，直接通過調節閥調節后直接進入從站混合器，作為發泡不可缺的一種成分[6]。清洗劑罐罐內清洗劑通過從站內的文丘里管產生的虹吸作用，被吸入裝置內的混合器，由調節閥調節后進入混合器。消毒劑罐罐內消毒清洗劑通過從站內的文丘里管產生的虹吸作用，被吸入裝置內的混合器，由調節閥調節后進入混合器。在混合器內各種物質被精密的混合在一塊形成清洗混合物，然后經過管路輸送到噴槍，通過噴嘴施放泡沫，實施洗消。在洗消過程中還能通過從站閥門來控制不同的清洗方式，從而達到清洗的效果。工藝流程圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

泡沫清洗系統結構示意圖如圖2所示。

圖2 泡沫清洗系統結構示意圖

1.2 主站設計

工作主站主要是負責提供應高壓水，以滿足泡沫從站的用水需求。主站由一臺增壓泵及控制系統組成，配合流量開關和壓力傳感器，在可編程控制器（PLC）和變頻器控制下，根據水量要求自動調整輸出壓力，以保證每臺泡沫從站輸出的壓力保持恒定。主站如圖3所示。

圖3 主站示意圖

在主站中泵是的主要元件，從站需要≥1.5 MPa工作壓力的清洗用水，水流量的要求為1.8 m3/h.故最終選擇的水泵為南方特種泵業有限公司生產的CDLF8-2/1FSWSC型泵，其轉速為2 900 r/min，功率為0.75 kW，電壓380 V，流量為8 m3/h，揚程為9 m.與泵共同作用的電機額定電壓為380 V、轉速為2 900 r/min.泵在PLC和變頻器的控制下，可以連續、穩定的提供≥1.5 MPa的輸出壓力，可以輸出恒定壓力和流量的清洗液。

主站采用全不銹鋼支架及箱體。增壓泵配備自動排氣閥，有效防止氣蝕。其它與清洗水源接觸的管道均采用304不銹鋼，可有效防止腐蝕。

1.3 從站設計

泡沫從站主要負責化學物品調配，實現清水、泡沫、消毒劑的轉換；同時也是清洗系統的使用終端，配置清洗軟管、噴槍及噴嘴，方便人工對各個清洗區域洗。結構見圖2.

從站中有個重要結構就是混合器，本系統采用了文丘里管來自動吸取清洗劑和泡沫。文丘里管工作原理為：當水流經文丘里管，水流在文丘里管前后有壓力差，水流流速越大，所產生的壓力差越大，在文丘里管中部產生的負壓就越大，在此處開孔通液體，就可以產生“吸液”的作用。

本系統最后設計了新型文丘里“氣-液-液”混合裝置。該裝置示意圖和圖片見圖4.外觀圖見圖5.該裝置此技術可以同時實現液-液混合和氣-液混合。文丘里噴嘴設計成模塊化更換結構，對于不同的清洗用量及配比，只要更換文丘里噴嘴即可實現，無需更換清洗程序，操作簡單，非常適合各種用戶不同清洗工藝要求。

圖4 新型文丘里“氣-液-液”混合裝置

圖5 混合裝置圖片

壓縮空氣供氣壓力為0.6 MPa，200 L/min.工作壓力為0.3~0.35 MPa.供水要求為：1.6 MPa，1.8 m3/h.可按照不同工藝，實現清水、泡沫、消毒劑的任意組合。軟管、噴嘴均選用快插設計，根據需要轉換。

1.4 管路設計

泡沫清洗系統的管路原理圖如圖6所示。管路外觀參考圖2所示。

圖6 管路原理圖

2 電氣系統的設計

2.1 電氣元件的選型

該系統采用單泵控制單從站式，綜合考慮其控制功能、所需存儲量及所應用I/O數量，及以后產品的拓展發展，選用的是西門子s7-200PLC[7]，CPU226，拓展模塊選用的是E235.變頻器的選型主要考慮的是變頻器容量、變頻器負載類型及控制方式。泡沫清洗系統采用的是泵類負載，而且調速的范圍不大，所以采用了U/f控制方式。綜合考慮變頻器功能要求及產品經濟可靠的要求，最終選擇與電動機容量匹配的丹佛斯FC-051系列變頻器。其它元器件選型：選配防護等級IP55的電機；配備丹佛斯變頻器和IFM壓力傳感器；采用S7200 PLC控制；觸摸屏采用西門子觸摸屏。

2.2 PLC程序設計

主站由高壓站及控制系統組成，高壓站由一臺增壓泵及清洗水泵，配合流量開關和壓力傳感器，通水即啟動增壓泵，無水流通過則自動停泵，實現自動管理，防止水泵缺水或過壓運行造成的損壞，使用方便、安全，同時大幅延長使用壽命。在變頻器控制下，可根據水量要求自動調整輸出壓力，以保證每臺泡沫分站輸出的壓力保持恒定。通過管道系統向各泡沫分站提供≥1.5 MPa工作壓力的清洗用水。

根據供水要求，主程序設計如下：按下啟動按鈕，系統啟動，在人機界面上按下自動運行，流量開關有水經過，延時1 s，啟動流量泵；當HMI界面壓力顯示值小于泵運行壓力值，延時5 s，達到泵啟動條件，啟動增壓泵。在PLC運行的同時，調用所有子程序。程序結構如圖7.

圖7 主程序結構圖

2.3 觸摸屏程序設計

人機界面是在操作人員和機器設備之間做雙向溝通的橋梁，用戶可以自由的組合文字、按鈕、圖形、數字等來處理、監控、管理隨時可能變化的信息。人機界面程序有以下界面：

主界面：開啟電源后，觸摸屏上會顯示主界面。如圖8所示。

圖8 主界面

監控界面：如圖9所示。在監控畫面中可以看到以下數據：離心泵工作頻率（Hz）；出口壓力實際值（MPa）；故障報警信息顯示：如變頻器故障、電機過載、急停、流量異常等。

圖9 監控畫面

自動模式。進入界面后，按下監控畫面中的“運行確定”，系統就會按設定值運行。這時運行確定會變為“運行取消”，在按下“運行取消”就可以停止運行。

手動模式。進入界面后，如圖10所示，可以設置供水泵頻率，按下“泵手動”，即可使泵以設定頻率運行。

圖10 手動界面

參數設置：如圖11所示。參數的設定操作修改時需要權限，一般調試人員設定后，參數不另行修改。參數設置功能有：PID調節壓力平穩的參數；設置供水壓力；設定開泵壓力的下限值；設定報警溫度值。

圖11 參數設置界面

3 結束語

本文根據某肉制品行業的清潔要求，設計了兩站式泡沫清洗系統。目前該系統已經設計、制造安裝完畢，已經投入某肉制品公司投入使用，外觀圖見圖12，完全達到設計要求，由于具有自動化程度高、使用方便、清洗效果好等特點，受到用戶好評。

圖12 參數設置界面

[1]劉雪嬌.最新技術的清洗殺菌方法和機械裝置[J].包裝與食品機械，1991（01）：53-54.

[2]胡叔平.泡沫清洗/消毒在啤酒廠的應用[J].食品工業，2002（04）：3-4.

[3]卓曲，李英，張軍，等.泡沫型清潔消毒劑在畜禽養殖業上的應用[J].養豬，2011（06）：75-77.

[4]肖華黨，李紅民.淺談低壓泡沫清洗消毒技術在肉類工業中的應用[J].肉類工業，2011（08）：22-23.

[5]張伶艷，陸一平，李建平.小型汽車清洗設備的研制[J].機械設計與制造，2007（04）：98-100.

[6]許文彩.泡沫洗消裝置的設計研究[D].北京：北京化工大學，2007：79-120.

[7]廖常初.PLC編程及應用[M].4版.北京：機械工業出版社，2013：1-120.

Design of the Two-Station Foam Cleaning System

LI Xiang-wei1，WEI Liu2
（1.Guangdong Industry Polytechnic，Guangzhou Guangdong 510300，China；2.Guangzhou Light Machinery Equipment Limited Company，Guangzhou Guangdong 510250，China）

The paper describes the design of the two-station foam cleaning system.The total design，main station design，slave station design and electric system design are also explained.The system have the advantages of high automation，easy to use，good cleaning effect.

foam cleaning；disinfection；gas and liquid mixture；PLC

TS251

A

1672-545X（2017）06-0116-03

2017-03-20

李湘偉（1975－），男，湖南郴州人，博士，副教授，主要研究方向為輕工裝備、自動化儀表和機電一體化技術。