1 序言
真空均質乳化機（簡稱乳化機）主要應用于化工、醫(yī)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(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)構成，操作人員需要根據(jù)經驗和儀表顯示輸入指令或數(shù)據(jù)進行手動操作，自動化程度不高，同時控制系統(tǒng)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(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)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(xù)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(jù)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(tǒng)的構成
3.1 控制系統(tǒng)的結構
根據(jù)系統(tǒng)設計要求，實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)乳化壓力控制，控制范圍為-100Kpa~+100Kpa和液壓升降控制。
系統(tǒng)的結構如圖2所示？刂葡到y(tǒng)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(xiàn)。
圖2 乳化機控制系統(tǒng)結構圖
3.2 控制系統(tǒng)的模塊劃分
系統(tǒng)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(xiàn)將壓力儀表的模擬電壓信號轉化為PLC可以識別的數(shù)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(tǒng)模塊圖
3.3 PLC容量選擇
乳化機控制系統(tǒng)的I/O點數(shù)分析見表1。
表1 I/O點數(shù)分析表
3.4 變頻器的選擇及通信
乳化機系統(tǒng)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(jié)能和軟啟動節(jié)能的作用，因此考慮選擇用變頻器。
本系統(tǒng)中選用臺達VFD-M和B系列的變頻器。根據(jù)人機界面上控制的轉速設定，輸出4～20mA的信號以調節(jié)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(tǒng)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(tǒng)的規(guī)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(shù)據(jù)、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(shù)據(jù)結構分析
工業(yè)現(xiàn)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(xiàn)場的數(shù)據(jù)作為對被控對象進行控制的源信息。通過對PLC的工作現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行分析，確定了每一個I/O信號的地址。依據(jù)生產過程從前至后，I/O點數(shù)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
4.3 溫度控制
乳化機的溫度控制系統(tǒng)是以三個鍋的溫度為被控制參數(shù)，冷卻水流量為控制參數(shù)的回路控制。由于鍋溫系統(tǒng)是具有大滯后和時變性的系統(tǒng)，被調量不能及時反映系統(tǒng)受到的擾動，調節(jié)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(tǒng)的響應超調過大或發(fā)生振蕩，導致系統(tǒng)過渡到其他操作狀態(tài)，用常規(guī)PID控制很難得到滿意的控制結果。
本控制系統(tǒng)采用臺達公司的DVP48EH00R系列的PLC為核心部件，實現(xiàn)恒溫控制，控制系統(tǒng)的原理框圖如圖5所示[5]。PLC根據(jù)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(guī)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(jié)閥來調節(jié)蒸汽或者冷卻水的流量，實現(xiàn)系統(tǒng)溫度的智能控制。
圖5 控制系統(tǒng)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(tǒng)，開發(fā)成本低、操作方便，能夠實現(xiàn)在線監(jiān)視、控制和警報。目前控制系統(tǒng)運行良好，顯著提高了乳化控制系統(tǒng)的自動化程度，降低了控制系統(tǒng)的超調量，減少系統(tǒng)運行時間，有效降低乳化機能耗。