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摘 要：在介紹UHT管式超高溫殺菌機(jī)工藝原理的基礎(chǔ)上，研討基于臺(tái)達(dá)機(jī)電產(chǎn)品的自動(dòng)化成套系統(tǒng)設(shè)計(jì)。給出完整PLC控制程序。
關(guān)鍵字：UHT 殺菌機(jī) 臺(tái)達(dá)自動(dòng)化 PLC
1、引言
ＵＨＴ超高溫瞬時(shí)（１３５℃以上數(shù)秒）滅菌工藝技術(shù)是流態(tài)食品最重要的加工技術(shù)。
UHT技術(shù)廣泛用于低酸無菌含顆粒的產(chǎn)品:　牛奶、酸奶、奶油、乳酪、蛋液、巧克 力、糖
漿、 冰淇淋、果汁、含果粒汁、果醬、果凍、番茄醬、豆?jié){、色拉醬、糊狀食品、脂肪及
油脂、麥芽汁、啤酒、葡萄酒、米酒、茶汁、咖啡飲料等。 管式UHT殺菌機(jī)廣泛用于液態(tài)
食品（無菌）熱處理的全自動(dòng)系統(tǒng)，產(chǎn)品的粘度范圍很大，并能適應(yīng)纖維和顆粒。本項(xiàng)目的UHT殺菌機(jī)系列生產(chǎn)能力1-10t/h，典型的殺菌溫度為90-140℃，控制系統(tǒng)基于臺(tái)達(dá)品牌
產(chǎn)品，包括PLC程控器及工控屏。蒸汽減壓閥及調(diào)節(jié)閥、分流閥、穩(wěn)壓閥、物料泵、熱水泵。其他閥門及管接件等所有流體配件都選用高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的元件。
2、工藝原理及特點(diǎn)
2.1工藝原理
物料在連續(xù)流動(dòng)的狀態(tài)下通過套管式熱交換器加熱至138～150℃，并在這一溫度下保持一定的時(shí)間(2～4秒)以達(dá)到商業(yè)無菌水平，然后在無菌狀態(tài)下無菌環(huán)境中灌裝于無菌包裝容器中。整個(gè)滅菌過程在高溫狀態(tài)下瞬時(shí)內(nèi)完成，將能引起物料腐敗和變質(zhì)的微生物和芽孢徹底殺滅，同時(shí)，極大的保存了食品原有的風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)成分。這種嚴(yán)格的加工工藝和設(shè)備精確的處理方法有效地防止了食品的二次污染，大大延長(zhǎng)了產(chǎn)品的保質(zhì)期。UHT工藝優(yōu)選采用直列套管式換熱器殺菌系統(tǒng)，因其在較高蒸汽壓力及超高溫狀態(tài)下所具備的可靠工作性能，尤其連續(xù)工作時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)十多個(gè)小時(shí)，從而獲得了比板式殺菌系統(tǒng)更為廣泛的應(yīng)用。管式UHT滅菌設(shè)備設(shè)計(jì)用于牛奶、果汁飲料或類似產(chǎn)品進(jìn)行連續(xù)滅菌工藝。配備無菌灌裝設(shè)備可用于3-6個(gè)月保質(zhì)期的產(chǎn)品生產(chǎn)?？蛇B接分離機(jī)、脫氣、閃蒸等設(shè)備。該設(shè)備的產(chǎn)量主要由進(jìn)料系統(tǒng)中的流量控制加以調(diào)節(jié)，在采用全流量均質(zhì)方式時(shí)，利用均質(zhì)機(jī)來控制流量。由于對(duì)產(chǎn)品的加熱和冷卻均在板式換熱器中熱回收部分進(jìn)行，因而熱回收率最高可達(dá)90%以上。工藝流程如圖1所示。

圖1 UHT管式超高溫殺菌機(jī)工藝流程
1．管式熱回收愈加熱段 2.均質(zhì)機(jī) 3.熱保管
4.管式加熱滅菌段 5.管式熱回收段 6.最終冷卻段
7.CIP 裝置 8.水加熱段 9.過濾器

2.2設(shè)備特點(diǎn)
（1）全自動(dòng)配置。采用先進(jìn)的電腦程序控制技術(shù)，按設(shè)定的工藝要求進(jìn)行全過程生產(chǎn)運(yùn)行控制，自帶CIP清洗程序，進(jìn)行自動(dòng)清洗。
（2）半自動(dòng)配置。操作進(jìn)行的全過程是半自動(dòng)控制的，操作人員可從控制面板上對(duì)各臺(tái)泵及回流功能加以控制，由溫度自動(dòng)控制器來維持滅菌溫度。殺菌溫度在記錄儀上有連續(xù)的記錄。
（3）適用于：保鮮奶、巴氏奶、酸奶、花生奶、果汁、茶飲料、葡萄酒、冰淇淋、豆奶、乳飲料、長(zhǎng)壽奶。 管式UHT滅菌機(jī)廣泛用于液態(tài)食品“無菌”和“非無菌”熱處理的全自動(dòng)系統(tǒng)，產(chǎn)品的粘度范圍很大，并能適應(yīng)纖維和顆粒。該滅菌機(jī)設(shè)計(jì)為高精度的產(chǎn)品，精確的控制水溫。產(chǎn)品從平衡泵入，預(yù)熱到均質(zhì)溫度，在預(yù)熱到90-95℃，進(jìn)行如蛋白質(zhì)的穩(wěn)定，然后超高溫滅菌，最后冷卻到灌裝溫度。系統(tǒng)用熱水與殺菌是在循環(huán)回路中，節(jié)省能源。管子的直徑、形狀（平直或波紋的）和管束的選擇有產(chǎn)品的需要決定。每年只需檢查一次?？梢赃x擇熱灌裝，如90℃；附加冷卻段也可用于低溫灌裝產(chǎn)品，半自動(dòng)機(jī)組適用于保鮮奶，鮮果汁的生產(chǎn)，如圖2所示。

圖2 UHT管式超高溫殺菌機(jī)
3、自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)
系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框圖
3.2系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)計(jì)
系統(tǒng)構(gòu)成參見表1。
表1 主體自動(dòng)化設(shè)備選型


3．3控制系統(tǒng)分析
（1）熱水溫度、物料溫度、均質(zhì)溫度、出水溫度通訊控制。溫度的設(shè)定及其實(shí)時(shí)溫度的顯示通過通訊的方式進(jìn)行。
（2）熱水閥因?yàn)槭褂玫氖潜壤y。通過模擬量對(duì)其開度進(jìn)行控制。PID調(diào)節(jié)熱水溫度，實(shí)際上是通過控制比例閥的開度控制熱水溫度，使之盡可能的保持熱水溫度維持在恒定的溫度。
（3）熱水閥的開度能夠動(dòng)態(tài)的顯示，直觀實(shí)時(shí)了解熱水閥開度的大小。
（4）整個(gè)操作過程分為全自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)運(yùn)行兩種方式。
（5）在正常的生產(chǎn)過程中，自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)運(yùn)行切換時(shí)，系統(tǒng)先全部停機(jī)然后再切換到相應(yīng)的工作狀態(tài)，以確保操作的安全性。
（6）殺菌溫度要控制在90℃~140℃.
（7）物料進(jìn)口溫度為5℃;物料出口溫度為4~85℃.
（8）蒸汽進(jìn)口壓力>0.6MPa.
（9）冰水進(jìn)口溫度<=2℃.
（10）保溫時(shí)間15S、300S.
（11）要求在人機(jī)上要有當(dāng)前溫度加溫曲線、歷史趨勢(shì)曲線.對(duì)當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄.當(dāng)前溫度超過極限溫度的設(shè)定值，系統(tǒng)提示報(bào)警信息并且安全保護(hù)。
4、梯形圖設(shè)計(jì)






















4、系統(tǒng)調(diào)試
一般正常的情況下,為了保護(hù)PLC的輸出觸電,對(duì)于直流感性負(fù)載如:24V電磁閥,在電磁閥線圈的兩端應(yīng)該加反向續(xù)流二極管。因?yàn)樵诰€圈通電失電的瞬間電流變化較大,由此產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在閉合回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流需要通過反向續(xù)流二極管續(xù)流,否則長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,可能回將PLC的輸出點(diǎn)燒毀。
臺(tái)達(dá)PLC上有接地點(diǎn),是為了在整個(gè)設(shè)備包括電氣柜在可靠接地的情況下,降低各種干擾對(duì)PLC的影響。但在實(shí)際客戶端,可靠接地很少引起用戶的足夠重視,導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備接地形同虛設(shè)。在這種情況下,如果將PLC的地與設(shè)備接地端連接起來,反而有時(shí)會(huì)把設(shè)備和電柜中的電氣干擾引入PLC,使PLC工作不正常,甚至?xí)?dǎo)致PLC出錯(cuò)即ERROR燈閃爍,PLC無法運(yùn)行。解決辦法:建議客戶將設(shè)備可靠接地,如果現(xiàn)場(chǎng)不容易做到,可以將PLC的接地端去掉或?qū)LC的接地端與開關(guān)電源的24V-連接。
在很多行業(yè)中,都會(huì)遇到通過比例閥控制加熱介質(zhì)的流量,從而達(dá)到控制溫度的目的.通過臺(tái)達(dá)PLC中的PID指令做這樣的工作,基本無法達(dá)到客戶所要求的控制精度。其實(shí)通過控制比例閥的開度大小從而控制溫度,可以通過把設(shè)定的溫度細(xì)分為若干段,通過采樣實(shí)際開度溫度.把設(shè)定溫度與實(shí)際溫度做比較.求出二者差值,將差值進(jìn)行一定范圍的細(xì)分,在不同的區(qū)域?qū)Ρ壤y的開度進(jìn)行不同程度的控制,步進(jìn)調(diào)試簡(jiǎn)易,而且效果頗佳。
臺(tái)達(dá)SS/SA/SC/SX包括EH系列PLC的模擬量輸入模塊和輸出模塊如果用FROM/TO指令進(jìn)行讀寫,響應(yīng)速度較慢。如果系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高,建議不要使用FROM/TO指令,用485通訊來完成。
5、結(jié)束語
本項(xiàng)目無菌波紋管式滅菌機(jī)原來的電氣系統(tǒng)主要使用進(jìn)口產(chǎn)品。因?yàn)槭酆蠓?wù)及新產(chǎn)品開發(fā)過程中售前的技術(shù)支持等問題影響到了食品設(shè)備制造商的信譽(yù)。本項(xiàng)目借助臺(tái)達(dá)機(jī)電自動(dòng)化平臺(tái)一體化解決方案優(yōu)勢(shì)，成功地開發(fā)了UHT管式超高溫殺菌機(jī)。