《控制與傳動》2012第五期 江南大學 張相勝 李艷坡  供稿

1 序言

      真空均質乳化機（簡稱乳化機）主要應用于化工、醫藥、生物、食品等諸多領域中非均相液一固和液一液多相體分散體系的混合。目前該設備在國內主要是采用傳統的繼電器控制系統構成，操作人員需要根據經驗和儀表顯示輸入指令或數據進行手動操作，自動化程度不高，同時控制系統存在操作繁瑣、溫度控制超調量大、能耗高等缺點。

2 乳化機的工作過程

2.1 工作原理

      乳化機由乳化鍋、水相鍋、油相鍋、真空裝置、溫度控制系統、電氣控制系統等組成。

      生產工藝流程如圖1所示[1，2]。油溶性和水溶性原料分別在油相鍋和水相鍋內熔化或溶解，溫度一般保持在80℃左右，將用水蒸氣加熱的油相和水相原料通過過濾器加至乳化鍋內，以進行均質攪拌、乳化和真空脫氣。然后，向夾套通入冷水，冷卻到一定溫度后，添加香精，繼續冷卻至要求的溫度停止攪拌，待恢復常壓即可出料。

2.2 工作過程

      (1)油相鍋、水相鍋進料后，啟動油相、水相攪拌電機，在線設定油相、水相電機的轉速；

      (2)設定油相鍋、水相鍋控制溫度后，啟動油相鍋、水相鍋的溫度控制；

      (3)當油相鍋、水相鍋內原料初處理完成后，啟動油相鍋、水相鍋出料泵，將初處理后的物料泵入乳化鍋內；

      (4)當油相鍋、水相鍋內的物料完全泵入乳化鍋內后，出料泵停止運行。啟動液壓電機，垂直下降主攪拌器與均質攪拌器，當下降到位時，液壓電機停止工作，然后手動旋緊密封閥；

      (5)當真空乳化鍋密封后，啟動主攪拌、均質攪拌電機。轉速將從零上升到用戶的設定值，并可根據不同的加工要求，在線改變主攪拌、均質攪拌電機的轉速；

      (6)啟動真空泵電機，乳化鍋負壓力不斷變大，最終將達到用戶設定值；達到用戶設定值后真空泵電機自動停止；

      (7)啟動乳化鍋溫度控制，自動對乳化鍋進行加熱控制，控制方法采用模糊PID恒溫控制，乳化鍋內原料將被加熱到用戶設定溫度；

      (8)當乳化工作完成后，通過排氣口減小乳化鍋內負壓力，當乳化鍋壓力為零時，打開出料閥，排出乳化品。

 

圖1 乳化生產工藝流程

3 控制系統的構成

3.1 控制系統的結構

      根據系統設計要求，實現油相、水相、主攪拌、均質攪拌電機轉速控制，控制范圍依次是10rpm~1500rpm、10rpm~1500rpm、10rpm~80rpm、100rpm~4500rpm；實現油相鍋、水相鍋、乳化鍋溫度的智能控制，控制量范圍依次是：0~100℃、0~140℃、20~140℃；實現乳化壓力控制，控制范圍為-100Kpa~+100Kpa和液壓升降控制。

      系統的結構如圖2所示。控制系統主要由上位機、下位機兩個部分組成，上位機采用臺達的HMI(DOP-B)[3]；下位機采用臺達DVP48EH00R系列的PLC[4]；電機的轉速控制，采用臺達VFD系列變頻器實現。

 

圖2 乳化機控制系統結構圖

3.2 控制系統的模塊劃分

      系統的控制部分可以劃分為各種模塊，如圖3所示。

     （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(DVP-04AD-H)模擬量輸入模塊采樣到PLC中。

     （2）溫度采集模塊

      油相鍋、水相鍋和乳化鍋的使用鉑電極(Pt100)測量溫度，采用三線制接法。信號通過PLC的TM（DVP-04PT-H）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，保證乳化鍋在抽真空的過程中不能打開鍋蓋，液壓站也不能啟動。

 

圖3 乳化機控制系統模塊圖

3.3 PLC容量選擇

      乳化機控制系統的I/O點數分析見表1。

     表1 I/O點數分析表

3.4 變頻器的選擇及通信

      乳化機系統有主攪拌電機1個，均質電機1個，液壓站電機1個，真空泵1個，功率均為KW級，對于電能的消耗大，由于變頻器具有調速節能和軟啟動節能的作用，因此考慮選擇用變頻器。

      本系統中選用臺達VFD-M和B系列的變頻器。根據人機界面上控制的轉速設定，輸出4～20mA的信號以調節電機的轉速，變頻器的運行需要和PLC進行MODBUS通信來確定是否啟動或停止。

4 控制系統的軟件設計

4.1 軟件設計的基本要求

      操作功能主要是方便操作，需要人機對話界面。系統的規模越大，自動化程度越高，要求也越復雜，比如下拉式菜單設計、趨勢報警、I/O信息的顯示以及有關數據、表格的更新存儲和輸出等。圖4為設計的乳化鍋人機界面。

 

圖4 乳化鍋人機界面

4.2 I/O信號及數據結構分析

      工業現場的檢測信號是多種多樣的，有模擬量也有開關量，PLC就以這些現場的數據作為對被控對象進行控制的源信息。通過對PLC的工作現場數據進行分析，確定了每一個I/O信號的地址。依據生產過程從前至后，I/O點數由小到大的原則把I/O信號集中編址。部分I/O信號的分配見表2。

表2 I/O信號的分配表



      乳化機的溫度控制系統是以三個鍋的溫度為被控制參數，冷卻水流量為控制參數的回路控制。由于鍋溫系統是具有大滯后和時變性的系統，被調量不能及時反映系統受到的擾動，調節器的動作需經過一定的滯后時間才能影響被調量，經常會引起系統的響應超調過大或發生振蕩，導致系統過渡到其他操作狀態，用常規PID控制很難得到滿意的控制結果。

      本控制系統采用臺達公司的DVP48EH00R系列的PLC為核心部件，實現恒溫控制，控制系統的原理框圖如圖5所示[5]。PLC根據采集的信號計算出偏差e(t)和偏差變化率ec(t)，按照模糊PID的控制規則計算控制量u(t)，并輸出控制量u(t)。經過PLC的D/A轉換，變成4～20mA的電流信號，送到調節閥來調節蒸汽或者冷卻水的流量，實現系統溫度的智能控制。

 

圖5 控制系統結構圖

5 總結

      本文采用臺達PLC、HMI、變頻器設計了一套均質機自動控制系統，開發成本低、操作方便，能夠實現在線監視、控制和警報。目前控制系統運行良好，顯著提高了乳化控制系統的自動化程度，降低了控制系統的超調量，減少系統運行時間，有效降低乳化機能耗。