基于PLC的真空均質乳化機設計與實現*

劉艷紅

（江蘇信息職業技術學院，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器的均質剪切作用，讓它們互相融合在一起，形成最終的產品。真空均質乳化機是集混合、分散、均質、乳化及吸粉等多功能于一體的成套系統。它廣泛應用于食品、制藥以及日化等領域，用于批量生產果醬、膏霜類、蜜類、乳液乳劑等乳化產品。傳統乳化機的主要作用就是攪拌混合，大部分采用傳統的繼電器控制，操作人員手動操作設備，大多有操作頻繁、溫度控制超調量大、控制不精確、能耗高等缺點[1]。經技術升級后，乳化機采用自動控制，可在攪拌時進行加熱、冷卻，還可調整均質攪拌的速度時間等，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，本文開發設計了一款真空均質乳化機，由均質攪拌器、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質產品。

此設備采用變頻器實現均質電機調速，利用PLC實現數據采集及現場生產流程控制功能，應用HMI實現運行狀態監控、參數設置、報警、數據曲線打印等，引入PID算法使控制更精準，提升生產效率。實際運行結果表明，所設計的乳化機提高了乳化過程的穩定性并保證了產品品質。

1 機械原理與結構

主鍋由可升降的鍋蓋和翻轉式鍋體組成，鍋蓋上由粉料投入口、視鏡、真空壓力表、空氣過濾器等；翻轉式鍋體包含刮板、高速均質器、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成溫控系統。圖1所示為乳化機局部剖視圖。

通過均質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方式，鍋蓋攪拌均質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，它具有投料、監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。

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

圖1 主鍋示意圖

表1 設備主要技術參數

根據實際的乳化工藝要求，得到真空乳化機樣機如圖2所示。根據乳化機的工藝流程，物料在水鍋、油鍋內通過加熱、攪拌混合反應后，由真空泵吸入主鍋[4]；通過聚四氟乙烯刮板、主鍋內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生新界面；然后經過葉片剪斷、壓縮、折疊，使其攪拌、混合而往下流往位于鍋體下方的均質器處；通過高速旋轉的轉子（切割輪）和定子（固定的切割套）之間所產生的強力的剪斷、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。由于主鍋內處于真空狀態，物料在攪拌過程中產生的氣泡被及時抽走。這種抽真空方式，實現了產品富有光澤、細膩及延展性良好。

圖2 真空均質乳化機實物圖

2 控制系統硬件

2.1 控制要求

乳化效果的好壞與物料性質、罐體溫度、壓力等有直接關系，為此在乳化機的罐體上配有檢測用傳感器，實現各參數數據記錄和實時控制[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下直接吸入主鍋。

（2）出料方式為主鍋鍋體翻轉可傾式。

（3）實現油鍋、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的導熱介質進行加熱來實現對物料的加溫，在夾層內接入冷卻水即可對物料進行冷卻，操作簡單、方便；夾層外設有保溫層，加熱溫度通過控制面板上的溫度控制儀設定調節，自動控制。

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

（5）根據設計要求，需要實現各電機的轉速控制，其中：油鍋攪拌、水鍋攪拌轉速范圍均為10～1 500 r/min，主鍋攪拌轉速范圍為10～80 r/min，主鍋均質攪拌轉速范圍100～4 500 r/min。

（6）實現乳化壓力控制，控制范圍為-100～+100 kPa。

2.2 硬件設計

乳化機控制系統主要包括均質電機、攪拌電機、變頻器、PLC模塊、觸摸屏、傳感器、電磁閥、照明、報警等。

控制系統主要由上位機、下位機2部分組成，上位機采用HMI，主要實現監控功能和對現場設備運行狀態調整的功能；下位機采用PLC，主要實現對設備的現場控制、采集數據、反饋控制和對控制量進行連鎖保護[6]；電機的轉速控制，采用變頻器實現。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 控制系統整體框架

（1）壓力采集模塊

實現將壓力儀表的模擬電壓信號轉化為PLC可以識別的數字量信號，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 電氣設計

引入PLC和觸摸屏的乳化機控制系統克服了現有技術的乳化控制需人工頻繁調節閥門且無法精確控制物料瞬時加入量等缺陷。其硬件結構如圖4所示。

圖4 乳化機控制系統硬件結構圖

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

（2）控制器：三菱FX3U系列PLC，系統主控制選用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，用于設置參數、現場操作。

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

主鍋均質電機和攪拌電機，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、壓力和溫度等參數進行控制，實現數據采集及現場生產流程控制功能。為了實現生產時對乳化過程中各參數數據的集中管理，本設計采用上位機組態軟件對乳化控制系統進行監控。根據乳化工藝和控制要求，對控制任務進行分解，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，向鍋內加入原料，然后打開蒸汽閥通入蒸汽，（由于夾套內有冷卻水，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，當溫度達到設定值時，關閉蒸汽閥。當水鍋和油鍋的初級品生產完成后，可通過泵將初級品吸入主鍋中。

可通過PLC實時調整鍋體真空壓力。壓力傳感器中的采集模塊可以實現將壓力儀表的模擬電壓信號轉化為PLC可以識別的數字量信號，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，等到真空度達到設定值（-0.08 MPa），關閉真空閥，打開水鍋出料閥和油鍋出料閥，把預乳化后的產品吸入主鍋內；通過物料添加口，補充物料，通過主鍋內蒸汽閥向鍋內通入蒸汽，同時開啟均質電機和攪拌電機，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

主鍋設有壓力傳感器，壓力傳感器用于檢測主鍋內的壓力值，在乳化過程中，為減少產生泡沫，需根據主鍋內物料的不同及生產產物的不同設置PLC的壓力設定值。壓力傳感器實時采集主鍋內的壓力值，并將該壓力值發送至PLC，PLC根據壓力值和壓力設定值并基于PID算法調節排氣閥的開度，使主鍋內壓力恒定在操作人員設定壓力。主鍋內乳化溫度控制是通過通入冷水和熱水來實現的，當溫度高于設定值，通入冷水，反之通入熱水。PLC根據溫度測量值和溫度設定值并基于PID算法調節閥門，實現溫度控制。

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 組態界面

利用組態技術對乳化生產過程進行監控界面設計，通過上位機與下位機PLC的通信連接，實時傳送數據，實現了過程數據采集和閥門控制，監控界面形象直觀。設備的人機界面包括運行畫面、參數畫面等。運行畫面如圖7所示，可以是實現操作模式選擇，主要設定參數的顯示，還有閥門氣缸控制信號輸入，還可進入參數設定畫面。

圖7 運行畫面

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

圖8 參數畫面

從組態畫面上可以方便地設置具體參數，直觀地觀察設備運行狀況，便于用戶使用。通過對生產過程的監控，可了解到現場設備運行狀況，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需要的恒定壓力設定值和物料的流量設定值輸入控制器中，還可對乳化過程中重要數據，如罐內實時壓力、實時流量、物料剩余量等數值進行監控并存儲，保證數據的可追溯性。

4 設備調試運行

利用開發設計的乳化機，進行蛋黃醬生產調試，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，電源指示燈亮。

（2）接通均質鍋各管道，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）均質切削、刮板攪拌，先加料（可用水代替），再分別打開相應的控制開關均質切削，觀察刮板攪拌速度。均質器切割輪轉向為面對切割輪看逆轉，均質攪拌轉向為面對攪拌看即從下向上看逆轉。調試時應點動試轉，確認無誤后再正式讓均質器運轉。攪拌啟動前也應點動，檢查攪拌刮壁是否有異常，如有應即刻排除。

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

設備操作先后步驟為：打開電源，油鍋水鍋加料，油水鍋合蓋；油水鍋加熱攪拌，均質鍋合蓋，關閉蓋上其它閥門，打開抽真空閥門進行抽真空（吸料）；均質鍋加熱（溫度可調），均質攪拌乳化，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，循環工作。

蛋黃醬生產中，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節，真空均質乳化機實現了高效的混合、均質、分散，可對物料進行加熱和冷卻，結構設計合理，并采用自動控制。實際調試數據為250 L蛋黃醬生產只需要12 min，成品口感細膩，乳化效果好。系統采用變頻調速，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；系統有較完善的調試、監視和報警功能，加上硬件安全防護，運行更安全、穩定。

5 結束語

本文設計的真空均質乳化機采用真空方式，使所生產的制品在攪拌過程中不再混入氣泡，產品富有光澤、細膩及延展性良好，均質乳化效果好；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下直接吸入主鍋，加熱溫度任意設定，自動控制；適應多種物料，可以用于食品、制藥、日化等多種行業，一機多用，設備利用率高；操作方便，靈活，采用變頻調速，可對主鍋均質、攪拌轉速進行調整，以確保主鍋內的物料有效滿足工藝生產的需求。現場生產結果表明，相對于傳統繼電器控制的乳化方式，本設備不僅節約了人力資本，降低能耗，效率高，還提高了產品質量，有一定的市場推廣價值。