淺述乳品巴式殺菌機溫度控制系統設計

鄧飛

摘 要 在整個乳品生產工藝過程中，巴氏殺菌是牛乳加工的重要工藝之一。而巴氏殺菌機最為重要的控制參數就是殺菌溫度。溫度控制的精準和穩定，直接決定了巴氏殺菌劑控制系統的優劣。本文根據以往工作經驗，對乳品巴氏殺菌工藝簡介進行總結，并從巴氏殺菌機溫度控制系統設計，控制系統參數及特點分析、硬件簡介三方面，設計出這套控制系統。

關鍵詞 乳品;巴式殺菌機;控制系統

巴氏殺菌工藝是牛乳加工的重要工藝之一。如果處理恰當，將會延長牛乳的保質期。巴氏殺菌機的殺菌溫度和殺菌時間是非常重要的因素，必須依照牛乳的質量和所要求的保質期等進行精確地設定。通常均質的、常規牛乳高溫短時巴氏殺菌溫度通常為72～75℃，15～20s。由于各國的法規，巴氏殺菌工藝，國與國之間不盡相同。但是，所有國家的一個共同要求是巴殺熱處理必須保證殺死不良微生物和致病菌，使得產品的營養成分例如蛋白質等不被破壞。一般來說，最為常見的巴氏殺菌機在組成上，主要包括板式換熱器，保持管，均質機，儲存罐，離心泵等設備。由于巴氏殺菌機牛乳的處理能力很大，這就導致了其蒸汽等能源消耗也會巨大。為了能夠滿足國家節能減排的要求，需要給巴氏殺菌機設計一套好的溫度控制系統。本文對PLC技術下的乳品巴氏殺菌機溫度控制系統進行了相關概述，分析了殺菌機工作原理，研究了殺菌機控制系統的設計。

1 乳品巴氏殺菌工藝簡介

乳品巴氏殺菌工藝是將從牧場收集過來的經過過濾、脫脂、均質處理后的生牛乳，通過離心泵打入板式換熱器。在板式換熱器中，用熱水先將生牛乳加熱到72～75℃，然后繼續用泵將其送入保持管中。牛乳流經保持管的時間需要控制在15～20s。接著從保持管出來的熟牛乳會被送到另一個板式換熱器中，用冰水和塔水冷卻降溫到6℃以下，最終進入超潔凈儲罐進行保存，為產品最終罐裝做準備[1]。

2 殺菌溫度控制系統設計

生牛乳和熱水在板式換熱器中進行熱交換，生牛乳從4℃加熱到72℃。循環的熱水與生牛乳換熱后需要重新回到熱水加熱系統，用蒸汽對其進行加熱。然后加熱好的熱水才能回到巴氏殺菌機板式換熱器中繼續工作（不用蒸汽直接加熱生牛乳，是為了保證不會因為蒸汽過高的溫度導致牛乳升溫過快而被糊化）。為了對從板式換熱器出來的牛乳的溫度進行準確的控制，需要對蒸汽流量大小進行調節。這就要求我們根據牛乳出口的溫度傳感器的溫度變化來調節蒸汽入口調節閥開度的大小，從而來控制蒸汽流量的大小，以此來滿足巴氏殺菌溫度的控制需求。這種常規的控制可以選用PID控制器[2]。

3 殺菌溫度控制系統參數及特點分析

通過對實際回路的有效搭建，相關工作人員可以借助于合適的控制算法，將對象控制在良好狀態之下，算法通常應用PID控制器，或者是改進PID控制器。在蒸汽壓力和循環熱水流量穩定的情況下，通過PID控制器控制蒸汽調節閥的開度來控制巴氏殺菌的溫度。從而保證牛乳不會因溫度上升過快而被局部糊化，也不會因溫度上升過慢導致殺菌效率過低。

單獨的比例控制也稱“有差控制”，輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關系，偏差越大輸出越大，但實際控制結果存在較大余差。所以必須要引入積分控制。從具體積分控制過程中，能夠將后續余差徹底消除。雖然引入積分消除了余差，彌補了純比例控制的缺陷，獲得較好的控制質量，但是積分作用的引入，會使系統穩定性變差。此時需要再引入微分控制度變化情況，適當將輸出信號改變，降低外界干擾因素的影響，強化系統穩定性。當偏差階躍出現時，微分立即大幅度動作，抑制偏差的這種躍變;比例也同時起消除偏差的作用，使偏差幅度減小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制規律，因此可使系統比較穩定;而積分作用慢慢把余差克服掉。只要三個作用的控制參數選擇得當，便可充分發揮三種控制規律的優點，得到較為理想的控制效果。

4 系統硬件簡介

4.1 輸入輸出模塊設計

根據系統控制的特點，上位機可以采用TP900觸摸屏，較為直觀的呈現人機交互界面，從而方便用戶的操作。下位機可以采用S7-300 PLC，選用的CPU315-2PN/DP 內存容量大，支持浮點運算、指令豐富、支持混合編程，集成有Profibus-DP 和Ethernet 通信接口。選擇ET200M/IM150-2為遠程I/O，SM334、SM331、SM321 和SM322用作模擬量和數字量輸入輸出。另外，西門子S7-300系列PLC自帶以太網接口，采用PROFUBUS或TCP/IP協議，實現與外部設備的有效通信。

4.2 溫度傳感器選型和安裝注意事項

為了更好地滿足系統運行需求，在溫度傳感器選型過程中，應該注意傳感器的防護等級、輸出信號模式，測量量程，連接接口等方面的問題。首先，在防護等級確定上，一般會選擇IP等級較高的溫度傳感器，通常需要大于等于IP65，以保證儀表在一定濕度和粉塵的環境工作的情況下不易損壞。其次傳感器輸出信號通常選擇為4～20mA電信號輸出，且溫度傳感器量程范圍可以選擇為0到120℃。在選擇傳感器的接口選擇上，需要保證其衛生且易拆卸，避免對后期維護操作產生影響。通常可以選用卡箍連接的方式。卡箍連接是非常衛生、方便的一種連接方式，廣泛應用于生產乳品，飲料，啤酒等流體設備之中。

最后溫度傳感器的現場安裝需要規范，比如要盡量遠離有蒸汽等高熱高濕區域，或者避免將傳感器安裝在溫度超過60℃的工作環境內，這樣可以有效延長傳感器的壽命。一般來說，傳感器安裝在管道的合理位置，傳感器探頭插入深度一般為管道中心位置，這樣可以保證對流體溫度進行有效檢測。另外，傳感器也要做到定期檢驗校準，保證傳感器的測量的準確性。

5 結束語

綜上所述，通過乳品巴氏殺菌機溫度控制系統設計，殺菌機綜合性能能夠得到明顯提升。各種能源的消耗明顯減少，從而減少了企業的運行成本，提高了企業的競爭力。同時，通過溫度控制器的設計，提高了設備運行的穩定性，功能性、安全性和可靠性，從而更好地應用于乳品加工業中。

參考文獻

[1] 朱名強.過程控制系統中溫度控制系統設計分析[J].輕工科技，2020，36（2）：73-74.

[2] 張翠.基于模糊PID的雞舍智能溫度控制系統設計[J].現代農業研究，2020，26（2）：70-73.