自動控制技術在大豆面條生產中的應用

聶洪淼，趙寒濤，2，白廣利，2，李 麒，2

(1.黑龍江省科學院智能制造研究所，哈爾濱 150090；2.黑龍江省科學院高技術研究院，哈爾濱 150010)

0 引 言

面條是我國傳統大眾主食，有著巨大的消費市場和產能需求，制面企業每年新增生產線至少20條來滿足升級改造和提效增質的需求，面制品生產設備智能制造升級的緊迫性日益凸顯[1]。市面銷售的面條是以小麥粉為主要原料，營養價值相對較低，缺乏氨基酸、賴氨酸和B族維生素等營養物質。大豆面條蛋白質、不飽和脂肪酸含量較高，且氨基酸比例均衡，營養物質豐富，口味獨特，符合當今大眾消費理念，具有較大的市場價值[2]。

1 大豆面條自動化生產制作工藝

在自動化和機械化生產線中，因為面條產量大且要求品質穩定，所以生產工藝與傳統方法不同。大豆面條的生產工藝流程為：研磨成粉→攪拌和面→熟化→擠壓成形→挑竿上架→烘干脫水→切段包裝。將大豆研磨成粉，篩粉后，按照比例與水混合，在真空和面機中進行攪拌。和面工序環節采用真空和面機，負壓狀態下攪拌面粉和水，增加面團吸水的均勻性，促使面筋網絡結構充分形成，使面條的韌性增強，斷條率降低。攪拌時可根據工藝調節電機速度，提高品質，降低能耗[3]。熟化可使面粉內部的面筋網絡更加完善，充分舒展，面團質量更加穩定，面條各項品質有所提高。通常，熟化在理論上是靜態工藝，而在高產量的大機械化生產過程中，大塊面團會在靜置中形成，給擠壓面條裝置的喂料環節造成障礙和不便，所以不得不使用慢速攪拌動態熟化工藝，來防止面團聚結成大塊，滿足喂料順暢要求[4-5]。擠壓工藝是將面團放入到擠壓機中，通過螺桿的推壓帶動，在模具壓力下擠出所需尺寸和形狀。面條經高壓、高溫、剪切、擠壓、熟化、熔融等一系列加工，使大豆面團中的部分纖維細化，降解，淀粉糊化，蛋白質發生變形、聚集，以改善大豆面條因蛋白質含量過高而導致的硬度高、口感差、難聚合、易斷裂等問題，提高了面條品質。擠壓出的濕面條按每桿長度切斷，經掛竿挑起后被傳輸進入烘房。面條烘干是脫水過程，使產品符合規定的含水量，便于儲存、運輸，使其有較佳的烹調性能和商品屬性[5-6]。大豆面條干燥過程包括水分和能量傳遞，溫度、風速和空氣濕度都會對面條的干燥結果產生影響[7]。將烘干完成的大豆面條傳輸到切段工序和包裝工序加工位置的過程稱為下架工序。由于烘干桿上的面條過長會對面條包裝、貯存、運輸、烹飪和食用帶來諸多不便，所以在下架工序后，要切斷長面。掛面的計量是對最小單位包裝掛面的稱重，是定價銷售和流通的前提，重量誤差在1%左右。采用圓柱形包裝，因其工藝相對成熟，價格低廉，便于貯存和流通，目前市場占有率最高[5,8]。

2 大豆面條生產線組成及功能

大豆面條生產線由監控系統、生產機器設備、傳動機械、傳感器、電氣控制線路、通信線路等構成。監控系統是以PLC為核心組成的自動控制系統，對生產裝備系統進行控制、協調，達到高質效的生產目標。生產裝備系統可分為面條制作設備組、面條烘干設備組、面條包裝設備組。

2.1 大豆面條生產線監控系統

監控系統采用PLC模塊為主控制器。PLC控制技術有強大的可靠性和靈活性，并以抗干擾能力強、實用性好的優勢成為自動化生產線中較有競爭力的中心控制器[9]。PLC執行工藝程序對各種傳感器、I/O擴展模塊、模擬量I/O模塊、變頻器、編碼器等反饋信號進行接收與處理，對生產線各設備進行連續、自動控制。本生產線中，由于設備較多，信號點數多，設備分布距離較大，可選用多控制器系統，控制器合理分配給生產線的裝備組，留出擴展裕量。上位機采用HMI(人機界面)，對設備進行遠程監控、參數設置、啟停等。下位機可通過機柜控制面板的按鈕對設備進行控制。上位機和下位機都設置設備組和生產線的緊急啟停按鈕，自動/手動選擇按鈕，單獨設備的點動/長動控制按鈕。

2.2 面條制作設備組工作系統及控制

面條制作設備組包括研磨設備、和面設備(和面加水控制設備)、熟化喂料設備、擠壓設備、挑竿上架設備。

研磨設備將干豆磨粉后，通過電子計量桶、減重稱將豆粉質量傳送給PLC，PLC根據此信號和設定工藝對氣力輸送設備啟停時間進行控制，達到定量供給豆粉的自動控制。通過PLC控制研磨機輸送大豆的速度和磨盤電機轉速、磨粉時間，控制磨豆粉的參數[10]。

真空和面設備將磨成的豆粉和水傳送給和面設備。水溫和與面的比例對面團質量有著重要影響，在PLC控制下，定溫定量加水罐和出水電磁閥按照程序工作，實現對和面加水的自動控制，達到最佳的水面比例和溫度。真空和面設備通過PLC控制(快慢)雙速電機和真空泵，實現真空環境下的和面。PLC通過控制電機轉速和時間，使攪拌軸以最佳轉速和時間來攪拌和面，采用流程控制管理加料順序，真空泵和攪拌電機工作時序與倉蓋的開關[5，11]。真空和面可以大幅減少熟化時間，也有文獻提出不用熟化(在小麥面粉掛面制作工藝中)[5]。但大量生產大豆面條的過程中，面團易結成大塊，給擠壓喂料造成困難，用慢速攪拌熟化喂料設備，可以防止結成大塊，給生產線提供了可進行熟化工藝的選擇。

熟化喂料設備輸送面團到螺桿擠壓腔中，螺桿持續擠壓面團到模具擠出面條，當水和豆粉比例確定時，螺桿轉速和擠壓溫度是要控制的重要參數。通過PLC和變頻器控制螺桿電機，達到控制轉速和啟停的目的。PLC通過溫控模塊控制擠壓套筒的溫度，以控制擠壓腔內的溫度。

挑竿上架設備組。挑竿上架設備是將濕面條傳送到烘干工序的傳送系統。挑竿上架設備包括濕面切斷機構、濕面傳送機構、供竿機構、掛竿機構和舉竿機構。各機構用傳送帶、鏈條來傳送面條、面竿。此設備組控制系統由PLC、變頻器、減速電機、接近開關傳感器等構成。切斷刀切斷面條，方便挑竿上架。濕面傳送機構將切斷的濕面條送至掛桿處。供竿機構將面竿從面箱送至掛竿處。掛竿機構將面條放置在面竿上。舉竿機構將掛有面條的面竿送至烘干傳送鏈上。機械運動控制主要有兩方面：根據產能要求、設備機械結構和面條參數，得出各機構的運轉周期、速度。根據接近傳感器對面條、面竿位置的判斷，來控制各減速電機運轉周期及執行機構動作的啟停。根據機械運動控制和生產工藝參數來編寫挑竿上架程序。PLC通過程序控制變頻器、減速電機、接近開關，來實現面條挑竿上架的自動控制。

3 結語

對大豆面條生產工藝、生產設備組及PLC關鍵技術進行研究，可提高大豆面條生產效率和質量。其中，高效的真空和面設備多數依賴國外技術，全生產線的殺菌、消毒需要大幅提升，這兩方面可作為下一步的研究方向。