摘 要：在介紹UHT管式超高溫殺菌機工藝原理的基礎上，研討基于臺達機電產品的自動化成套系統設計。給出完整PLC控制程序。
關鍵字：UHT 殺菌機 臺達自動化 PLC
1、引言
ＵＨＴ超高溫瞬時（１３５℃以上數秒）滅菌工藝技術是流態食品最重要的加工技術。
UHT技術廣泛用于低酸無菌含顆粒的產品: 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、豆漿、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殺菌機廣泛用于液態
食品（無菌）熱處理的全自動系統，產品的粘度范圍很大，并能適應纖維和顆粒。本項目的UHT殺菌機系列生產能力1-10t/h，典型的殺菌溫度為90-140℃，控制系統基于臺達品牌
產品，包括PLC程控器及工控屏。蒸汽減壓閥及調節閥、分流閥、穩壓閥、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量標準的元件。
2、工藝原理及特點
2.1工藝原理
物料在連續流動的狀態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間(2～4秒)以達到商業無菌水平，然后在無菌狀態下無菌環境中灌裝于無菌包裝容器中。整個滅菌過程在高溫狀態下瞬時內完成，將能引起物料腐敗和變質的微生物和芽孢徹底殺滅，同時，極大的保存了食品原有的風味和營養成分。這種嚴格的加工工藝和設備精確的處理方法有效地防止了食品的二次污染，大大延長了產品的保質期。UHT工藝優選采用直列套管式換熱器殺菌系統，因其在較高蒸汽壓力及超高溫狀態下所具備的可靠工作性能，尤其連續工作時間可長達十多個小時，從而獲得了比板式殺菌系統更為廣泛的應用。管式UHT滅菌設備設計用于牛奶、果汁飲料或類似產品進行連續滅菌工藝。配備無菌灌裝設備可用于3-6個月保質期的產品生產。可連接分離機、脫氣、閃蒸等設備。該設備的產量主要由進料系統中的流量控制加以調節，在采用全流量均質方式時，利用均質機來控制流量。由于對產品的加熱和冷卻均在板式換熱器中熱回收部分進行，因而熱回收率最高可達90%以上。工藝流程如圖1所示。
圖1 UHT管式超高溫殺菌機工藝流程1．管式熱回收愈加熱段 2.均質機 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設備特點
（1）全自動配置。采用先進的電腦程序控制技術，按設定的工藝要求進行全過程生產運行控制，自帶CIP清洗程序，進行自動清洗。
（2）半自動配置。操作進行的全過程是半自動控制的，操作人員可從控制面板上對各臺泵及回流功能加以控制，由溫度自動控制器來維持滅菌溫度。殺菌溫度在記錄儀上有連續的記錄。
（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、長壽奶。 管式UHT滅菌機廣泛用于液態食品“無菌”和“非無菌”熱處理的全自動系統，產品的粘度范圍很大，并能適應纖維和顆粒。該滅菌機設計為高精度的產品，精確的控制水溫。產品從平衡泵入，預熱到均質溫度，在預熱到90-95℃，進行如蛋白質的穩定，然后超高溫滅菌，最后冷卻到灌裝溫度。系統用熱水與殺菌是在循環回路中，節省能源。管子的直徑、形狀（平直或波紋的）和管束的選擇有產品的需要決定。每年只需檢查一次。可以選擇熱灌裝，如90℃；附加冷卻段也可用于低溫灌裝產品，半自動機組適用于保鮮奶，鮮果汁的生產，如圖2所示。
圖2 UHT管式超高溫殺菌機3、自動化系統設計
3.1系統框圖設計
系統框圖設計如圖3所示。
圖3 系統框圖3.2系統構成設計
系統構成參見表1。
表1 主體自動化設備選型
3．3控制系統分析
（1）熱水溫度、物料溫度、均質溫度、出水溫度通訊控制。溫度的設定及其實時溫度的顯示通過通訊的方式進行。
（2）熱水閥因為使用的是比例閥。通過模擬量對其開度進行控制。PID調節熱水溫度，實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態的顯示，直觀實時了解熱水閥開度的大小。
（4）整個操作過程分為全自動運行和手動運行兩種方式。
（5）在正常的生產過程中，自動運行和手動運行切換時，系統先全部停機然后再切換到相應的工作狀態，以確保操作的安全性。
（6）殺菌溫度要控制在90℃~140℃.
（7）物料進口溫度為5℃;物料出口溫度為4~85℃.
（8）蒸汽進口壓力>0.6MPa.
（9）冰水進口溫度<=2℃.
（10）保溫時間15S、300S.
（11）要求在人機上要有當前溫度加溫曲線、歷史趨勢曲線.對當前溫度數據進行記錄.當前溫度超過極限溫度的設定值，系統提示報警信息并且安全保護。
4、梯形圖設計
4、系統調試
一般正常的情況下,為了保護PLC的輸出觸電,對于直流感性負載如:24V電磁閥,在電磁閥線圈的兩端應該加反向續流二極管。因為在線圈通電失電的瞬間電流變化較大,由此產生的感應電動勢在閉合回路中產生的感應電流需要通過反向續流二極管續流,否則長時間運行,可能回將PLC的輸出點燒毀。
臺達PLC上有接地點,是為了在整個設備包括電氣柜在可靠接地的情況下,降低各種干擾對PLC的影響。但在實際客戶端,可靠接地很少引起用戶的足夠重視,導致整個設備接地形同虛設。在這種情況下,如果將PLC的地與設備接地端連接起來,反而有時會把設備和電柜中的電氣干擾引入PLC,使PLC工作不正常,甚至會導致PLC出錯即ERROR燈閃爍,PLC無法運行。解決辦法:建議客戶將設備可靠接地,如果現場不容易做到,可以將PLC的接地端去掉或將PLC的接地端與開關電源的24V-連接。
在很多行業中,都會遇到通過比例閥控制加熱介質的流量,從而達到控制溫度的目的.通過臺達PLC中的PID指令做這樣的工作,基本無法達到客戶所要求的控制精度。其實通過控制比例閥的開度大小從而控制溫度,可以通過把設定的溫度細分為若干段,通過采樣實際開度溫度.把設定溫度與實際溫度做比較.求出二者差值,將差值進行一定范圍的細分,在不同的區域對比例閥的開度進行不同程度的控制,步進調試簡易,而且效果頗佳。
臺達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指令進行讀寫,響應速度較慢。如果系統對實時性要求較高,建議不要使用FROM/TO指令,用485通訊來完成。
5、結束語
本項目無菌波紋管式滅菌機原來的電氣系統主要使用進口產品。因為售后服務及新產品開發過程中售前的技術支持等問題影響到了食品設備制造商的信譽。本項目借助臺達機電自動化平臺一體化解決方案優勢，成功地開發了UHT管式超高溫殺菌機。
