在中國食品機械行業(yè)中，電、機的結(jié)合越來越廣泛。本文主要介紹在食品蒸煮行業(yè)的一種常用設(shè)備 - 蒸煮鍋及其磁翻板液位計的應(yīng)用。

 

0 引言

在近代生產(chǎn)過程中，機械加工技術(shù)越來越成熟，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不同學(xué)科間的相互交叉、滲透與融合，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命和改造。微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透促進了機電一體化的形成 , 原先在重工業(yè)領(lǐng)域率先發(fā)展的機電一體化技術(shù)在食品飲料、包裝及制藥等機械中引起了人們的廣泛重視，而且越來越多的應(yīng)用在這些行業(yè)里，本文通過介紹食品用高溫蒸煮鍋的結(jié)構(gòu)和配置方面說明其在機電一體化方面的應(yīng)用。

 

1、食品蒸煮鍋的結(jié)構(gòu)

目前食品機械較常用的蒸汽夾層鍋，它主要用來蒸煮食品。使食品熟化，同時發(fā)生部分化學(xué)反應(yīng)，蛋白分子分解，產(chǎn)生新的物質(zhì)分子。傳統(tǒng)的煮鍋都是靠人工來控制蒸煮溫度和時間的，當(dāng)蒸煮溫度到規(guī)定值時，通過開啟手動閥門控制進汽量的大小而調(diào)節(jié)鍋內(nèi)的溫度，從而達到控制蒸煮溫度的目的。但由于人為操作，控制相當(dāng)困難，溫度超前或滯后現(xiàn)象明顯，時高時低，罐內(nèi)各處溫度分布情況無法得到實際檢測，罐內(nèi)熱分布不均勻，殺菌不徹底，產(chǎn)品品質(zhì)及風(fēng)味難以保證，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。通過對煮鍋進行電器控制方面的結(jié)合應(yīng)用，解決了設(shè)備操作難度大、勞動強度高、作業(yè)風(fēng)險大、質(zhì)量不穩(wěn)定、勞動效率低等問題。由于機電的介入，使得食品蒸煮鍋自動控制能力加強，蒸煮設(shè)備技術(shù)含量也得到了很大提升，產(chǎn)品在原基礎(chǔ)上得到了升級，使傳統(tǒng)食品煮鍋再一次煥發(fā)了新的生命。

 

1.1 煮鍋的結(jié)構(gòu)

煮鍋主要由內(nèi)殼體、夾套加熱體及外保溫體組成，見示意圖。

上部為快開門結(jié)構(gòu)，具體強度計算按化工部的 SW6-2011【1】強度計算要求。由于煮鍋為壓力鍋，故在設(shè)備頂部設(shè)有安全閥、壓力表、溫度計、磁翻板液位計等；由于煮鍋為壓力容器的快開門結(jié)構(gòu)，故煮鍋還設(shè)置有安全聯(lián)鎖裝置，并符合 TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》【2】中的規(guī)定要求，即：當(dāng)罐內(nèi)壓力完全釋放，方可打開快開門；當(dāng)快開門完全關(guān)閉，放能打開進汽閥。自動控制主要體現(xiàn)在控制元件與機械的完美結(jié)合，其在實際運用中著重體現(xiàn)以下幾個方面。

傳統(tǒng)煮鍋是通過上下兩片法蘭聯(lián)接，用螺栓固定，見圖示。當(dāng)蒸煮完成后得用人工將幾十顆螺栓逐一擰下，才能將門打開。引進了控制技術(shù)后，煮鍋投料門的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)根本性的變化即采用了快開門三件套結(jié)構(gòu)，兩個為固定圈，一個為動圈，見圖示 3，三個圈之間通過齒進行嚙合。同時兩側(cè)設(shè)置帶磁性旋轉(zhuǎn)氣缸，在門上下位置設(shè)置帶磁性門鎖氣缸，在關(guān)門時，啟動兩側(cè)旋轉(zhuǎn)氣缸，旋轉(zhuǎn)動圈達到嚙合狀態(tài)，同時在嚙合位置設(shè)備有光電開關(guān)，當(dāng)?shù)轿粫r，光電開關(guān)同時發(fā)出信號，以防止誤操作。磁性氣缸發(fā)出信號，啟動門鎖氣缸，門鎖關(guān)閉，發(fā)出可以進汽信號。此時就可以進汽操作了。反過來，如果門鎖沒有打開，則啟動任何一個按鈕，都不能打開快開門。解決了多年來高溫運行煮鍋勞動強度高，效率低的大問題。

b) 罐內(nèi)壓力控制

壓力控制通過壓力傳感器來傳遞信號。當(dāng)罐內(nèi)壓力為零時，磁翻板液位計發(fā)出信號，此時表示可以啟動門鎖開關(guān)，實現(xiàn)的門的開啟。但壓力信號沒有傳遞為零，則門鎖得不到信號，則不會開啟，此時啟動任何開關(guān)都為無效狀態(tài)。確保開快門的安全聯(lián)鎖有效，保證了設(shè)備運行的安全性要求。

c) 液位控制

為了能夠確認罐內(nèi)水是否達到某一位置，在罐的側(cè)面設(shè)置磁翻板液位計，這樣，在水到高位時，磁翻板液位計發(fā)出信號，關(guān)閉進水泵，當(dāng)水至低位時，為避免泵的空吸，則停止泵的出料。

d) 溫度的適時調(diào)整和控制

在罐的底部，我們設(shè)置了溫度傳感器。在進汽口設(shè)置有蒸汽調(diào)節(jié)閥，即當(dāng)罐內(nèi)溫度超過設(shè)置溫度時，磁翻板液位計適時傳出信號，控制程序自動對調(diào)節(jié)閥的開啟高度進行調(diào)整，以實現(xiàn)對罐內(nèi)保溫的控制。

以上控制由 PLC 及觸摸屏及其它軟件一起實現(xiàn)。使該設(shè)備具有了機電一體化的功能，實現(xiàn)了自動控制的要求。

 

1.2 煮鍋的機械動力配置

為了給煮鍋的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)提供動力功能，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)工作以完成預(yù)定的主功能。在煮鍋設(shè)計中，為其提供了電、液、氣三種動力源。由于快開門通用轉(zhuǎn)軸從水平按轉(zhuǎn)軸向上轉(zhuǎn)動，此處是利用杠桿原理，動力裝置采用液壓推桿作拉推動作，實現(xiàn)門的開啟，當(dāng)推桿拉動時，門向上轉(zhuǎn)動開啟，當(dāng)推桿放松時，門向下關(guān)上。其中液壓推桿由電機、液壓泵和液壓缸組成，利用液壓力轉(zhuǎn)換為推拉力，該設(shè)備為液壓和油缸一體化結(jié)構(gòu)，不需要外在的液壓泵站。電機啟動時，帶動腔體內(nèi)葉片泵，給油缸增壓，帶動油缸移動，油缸推進的速度通過調(diào)節(jié)閥控制。當(dāng)選用推桿時，應(yīng)計算好推桿的行程，安裝時調(diào)整好位置，有利于實現(xiàn)動作的控制。由于門在開啟前需要實現(xiàn)銷緊門圈的旋轉(zhuǎn)運動，需要轉(zhuǎn)動氣缸實現(xiàn)轉(zhuǎn)動動作，故為氣缸旋轉(zhuǎn)提供高壓空氣源。

 

2 傳感裝置及控制系統(tǒng)

正如前面所述，磁翻板液位計是一種實現(xiàn)機、電控制的電信號裝置。在食品、制藥、包裝及運輸?shù)目刂品矫嫫鹬豢商娲淖饔?。隨著近幾年食品、制藥行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對食品安全、衛(wèi)生及效率的要求也越來越高，自動化的生產(chǎn)正逐步找替手工作業(yè)，而這些都需要機和電的及控制裝置 的有機結(jié)合。對于實現(xiàn)各種控制要求的傳感元件的選擇及應(yīng)用，也是各科研院所，企業(yè)技術(shù)設(shè)計部門，設(shè)備管理部門急需要掌握及了解的。以下是我們在生產(chǎn)實踐中經(jīng)常選用的磁翻板液位計件，已為實現(xiàn)食品、制藥等機械所運用，且取得了效果顯著。

 

2.1 以本設(shè)備的動作為例，在鎖緊門圈正反方面動作時，為了實現(xiàn)定位，設(shè)置了接觸性開關(guān) - 行程開關(guān)，非接觸開關(guān)接近開關(guān)；同樣，門的開合也是利用接近和行程開關(guān)雙配，檢測其位置，以實現(xiàn)液壓缸的動作。

2.2 壓力傳感器、溫度傳器和液位傳感器的運用磁翻板液位計通過測試鍋內(nèi)壓力來控制門的開啟，實現(xiàn)門的安全聯(lián)鎖。

溫度傳感器是通過檢測鍋內(nèi)溫度情況，采集信息返饋信號，控制夾套氣動調(diào)節(jié)閥。夾套加熱的進汽量是通過氣動角座閥或電磁閥來控制的，傳感器將信號傳遞給處理器，然后處理器發(fā)出信號讓氣動閥門動作，決定角座閥的開啟角度，從而控制蒸汽進出量。溫度傳感器是食品行業(yè)中測量及顯示溫度的一種重要的傳感器。在反應(yīng)釜、換熱器以及加熱設(shè)備得到廣泛使用。如為了控制反應(yīng)釜的加熱溫度，即需要控制鍋內(nèi)的溫度，通過溫度傳感傳遞信號來引導(dǎo)進汽閥的大小調(diào)節(jié)。為了能及時顯示罐內(nèi)的工作情況，也需要溫度傳感器來顯示。通常國內(nèi)選用的有久茂品牌，質(zhì)量比較好，與國外的精度差不多，能達到正負 0.5 度的精度。在食品機械中，經(jīng)常涉及到罐內(nèi)物料的控制，同時還考慮在進料過程中的連續(xù)測量事項，。目前液位傳感器均選為靜壓傳感器結(jié)構(gòu)。由于靜壓傳感要求高，測量準(zhǔn)確，國內(nèi)目前做的不太理想，目前一般選擇以上幾種品牌。如北京 E+H 型，歐母龍，朗博等。液位傳感器通過采集液位信號來實現(xiàn)鍋內(nèi)的進水量，以作為控制泵流量的一個重要環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了操作的簡單化自動化。目前壓力及液位傳感器國內(nèi)廠家也很多，產(chǎn)品質(zhì)量基本能滿足要求，但精確度較差。

 

2.3 光電開關(guān)

光電開關(guān)是我們在物體運動過程中用來控制轉(zhuǎn)動及移動的一個重要的電器傳感元件，通常還可以做二級保護控制。如在煮鍋氣缸推動或回收過程中，起到了定位及信號傳輸作用。轉(zhuǎn)動或移動動作中，通常會設(shè)置一個機械式行程開關(guān)，另外再配一個光電開關(guān)。其目的是為了防止行程開關(guān)失靈，而導(dǎo)致控制失效。

 

3 信息處理及控制系統(tǒng)

煮鍋的門開啟動作、安全聯(lián)鎖、壓力控制、液位控制以及溫度控制均是通過計算機采集信號，然后通過處理器運算再返饋執(zhí)行裝置執(zhí)行的，實現(xiàn)煮鍋的自動控制。在設(shè)備使用前，將按煮鍋生產(chǎn)工藝的操作過程編制在電腦中，實現(xiàn)多種情況下的控制，只要設(shè)置好參數(shù)要求，系統(tǒng)將自動運行。操作人員在操作時，在觸膜屏上設(shè)備參數(shù)，啟動手動模式或自動模式，系統(tǒng)將在程序的指導(dǎo)下實現(xiàn)自動運行，蒸煮結(jié)束，系統(tǒng)自動停止。

4 執(zhí)行機構(gòu)

本煮鍋的執(zhí)行機構(gòu)主要有：液壓推桿、轉(zhuǎn)動氣缸、氣動安全插銷等。通過這些執(zhí)行機械的動作，實現(xiàn)煮鍋的功能化需求。

 

5 常用食品煮鍋的操作要求

5.1 鍋門開啟工作程序：

門開啟 : 密封排氣，啟動安全定位氣缸，插銷脫離 ---開啟水平旋轉(zhuǎn)氣缸。啟動電液缸開門操作，門旋轉(zhuǎn)至90~95 度，行程或接近開關(guān)關(guān)閉電液缸。門開啟動作完成。門關(guān)閉：啟動電液缸開關(guān)，門關(guān)閉到位，落下門，行程開關(guān)將電液缸停止（注意觀察門落下情況）--- 旋轉(zhuǎn)氣缸開啟 --- 定位氣缸定位 --- 手動進氣密封。

 

5.2 操作要求

進料：按上述程序要求開門，將籠框吊入鍋內(nèi)。進水，將水漫過籠框頂部。蓋關(guān)閉。

蒸煮：打開蒸汽閥，夾套進汽蒸煮。直到蒸煮結(jié)束。出籠和出液：停止進汽，待鍋內(nèi)溫度低于 80 度時，底放料閥放料，直到料液出盡。

出渣：籠子內(nèi)水已基本放盡，此時用吊鉤將籠子吊出鍋體外。

 

6 執(zhí)行控制程序的編程要求

 

6.1 快開門的動作編制一定要注意前后次序，其主要體現(xiàn)在開門和關(guān)門時間點的確認。

 

 

6.2 快開門的zui重要一點是安全性能的要求，一定要按 TSG21-2016《固容規(guī)》要求，實現(xiàn)聯(lián)鎖功能。

 

6.3 鍋內(nèi)溫度點的選擇要有代表性，這樣能使熱分布更能得到合理取值。

 

6.4 所選用的控制元器件應(yīng)是精度較高、質(zhì)量穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品。

 

7 結(jié)語：

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，磁翻板液位計在越來越多的行業(yè)里得到廣泛應(yīng)用。機電一體化的運用更是為產(chǎn)品添加一雙翅膀，各行各業(yè)都取得了很好的成績。

但是，由于技術(shù)更新的速度很快，許多原手工作業(yè)的技術(shù)還有點跟不上時代現(xiàn)在的發(fā)展趨勢，與現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展還有很大差距，需要行業(yè)內(nèi)技術(shù)人員不斷學(xué)習(xí)新技術(shù)，利用新技術(shù)，創(chuàng)新設(shè)計，才能不斷提高機電一體化產(chǎn)品的自動化水平，使產(chǎn)品更上一個臺階。