蒸汽量自動(dòng)控制的魚(yú)面集成加工裝置設(shè)計(jì)

程 宏 江志剛 范 卓 向 鵬

(武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430081)

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蒸汽量自動(dòng)控制的魚(yú)面集成加工裝置設(shè)計(jì)

程 宏 江志剛 范 卓 向 鵬

(武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430081)

設(shè)計(jì)了一種蒸汽量自動(dòng)控制的魚(yú)面集成加工裝置。該裝置能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)魚(yú)面厚度和裝置運(yùn)行速度，利用最小二乘法計(jì)算與其相對(duì)應(yīng)的蒸汽量，通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)蒸汽量的智能化控制；同時(shí)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸，帶動(dòng)傳送皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)魚(yú)面，完成魚(yú)面機(jī)的壓—蒸—切一體化自動(dòng)操作。該裝置保證了魚(yú)面加工的質(zhì)量，同時(shí)為魚(yú)面加工制作的高效化、節(jié)能化提供技術(shù)支持。

魚(yú)面；蒸汽量自動(dòng)控制；高效化；節(jié)能化

魚(yú)面是一種將魚(yú)糜、小麥粉和食鹽按配比混合制造的食品，它不但提高了面條蛋白質(zhì)的含量，還彌補(bǔ)了單純植物性蛋白質(zhì)氨基酸組成不完全的缺陷。目前魚(yú)面加工裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，初加工、和面和搟面等工序都需人工操作，生產(chǎn)效率低[1]。雖然魚(yú)面加工的關(guān)鍵如和面、搟面、蒸制、切片等操作也會(huì)采用現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)備，但這些設(shè)備的處理方式均會(huì)影響其加工效率及制品的質(zhì)量。具體而言，首先魚(yú)面不同于一般的面食，其筋性或柔性遠(yuǎn)不如水餃和包子皮，不宜在現(xiàn)有壓面機(jī)中直接進(jìn)行壓制，會(huì)導(dǎo)致魚(yú)面四分五裂，無(wú)法形成完整的片體；其次根據(jù)魚(yú)面工藝要求，為保證口感質(zhì)量，需要特別注意蒸制時(shí)間，需要對(duì)蒸汽量予以控制，不能簡(jiǎn)單套用現(xiàn)有的面食生產(chǎn)系統(tǒng)。此外，目前對(duì)食品機(jī)械的設(shè)計(jì)制造除要求物美價(jià)廉外，更注重產(chǎn)品的制造周期，要能夠迅速生產(chǎn)使用[2]。這些問(wèn)題都是魚(yú)面生產(chǎn)企業(yè)面臨的一大難題，尤其是魚(yú)面加工裝置的集成化研究。

目前許多學(xué)者針對(duì)魚(yú)面機(jī)加工展開(kāi)了研究，如盧建中[3]公開(kāi)了一種魚(yú)面條定形機(jī)及其定形方法，通過(guò)將魚(yú)面漿從噴頭直接送入煮面槽由此形成條狀的面條，解決了魚(yú)面快速成型的問(wèn)題，但不能實(shí)現(xiàn)魚(yú)面成產(chǎn)的一體化，有些過(guò)程還需人工操作；章梁[4]提出采用雙螺桿擠壓機(jī)將喂料、輸送、加熱和混合成型等集成為一體，并重點(diǎn)分析了分區(qū)溫度對(duì)加工過(guò)程的影響，該裝置實(shí)現(xiàn)了魚(yú)面的一體化操作，但裝置傳送速度和魚(yú)面厚度等因素對(duì)加工過(guò)程的影響沒(méi)有具體分析；林向陽(yáng)等[5]以傳統(tǒng)的魚(yú)面生產(chǎn)工藝為基礎(chǔ)，提出了一種工藝流程簡(jiǎn)單、產(chǎn)量大的新魚(yú)面加工工藝，但該工藝不能有效利用設(shè)備資源，容易造成加工所耗時(shí)間較長(zhǎng)?；诖耍狙芯繑M通過(guò)對(duì)魚(yú)面加工原理的分析，設(shè)計(jì)一種蒸汽量自動(dòng)控制的魚(yú)面集成加工裝置，以實(shí)現(xiàn)魚(yú)面加工資源的最大化利用，提高魚(yú)面加工質(zhì)量，同時(shí)具備加工效率高、自動(dòng)化和智能化等特點(diǎn)。

1 整體裝置結(jié)構(gòu)和工作流程

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

對(duì)魚(yú)面加工裝置的設(shè)計(jì)如圖1所示。包括作為整體安裝框架的機(jī)架，以及沿著水平方向依次安裝在該機(jī)架上的進(jìn)料單元、動(dòng)力單元、壓制單元、蒸制單元、切割單元和電控單元，其中該進(jìn)料單元包括用于將魚(yú)面原料予以導(dǎo)入的進(jìn)料漏斗；該動(dòng)力單元包括由第一傳動(dòng)軸、主動(dòng)軸、第二傳動(dòng)軸和齒輪組組成的減速機(jī)構(gòu)，以及聯(lián)接鏈條，能夠在魚(yú)面輸送—壓制—蒸制—切割等一體化概念下實(shí)現(xiàn)高度集成和便于操控的流水線作業(yè)；該壓制單元包括第一壓制組件和第二壓制組件，分別執(zhí)行對(duì)魚(yú)面的水平和豎直方向的壓制；該蒸制單元包括蒸汽爐和蒸汽閥，并通過(guò)操作蒸汽入口個(gè)數(shù)及其進(jìn)氣量來(lái)實(shí)現(xiàn)蒸汽量調(diào)節(jié)；該切割單元包括用于將完成蒸制后的魚(yú)面原料切割為所需形狀的切面輥，由此獲得魚(yú)面成品；該電控單元包括控制器、傳感器、報(bào)警器和電控面板等，以實(shí)現(xiàn)魚(yú)面加工的智能化自動(dòng)控制。在整個(gè)魚(yú)面加工運(yùn)行過(guò)程中，蒸汽利用率提高75%左右，加工效率提高55%左右。

1. 進(jìn)料漏斗 2. 壓面輥 3. 水平調(diào)節(jié)座 4. 機(jī)架 5. 傳動(dòng)皮帶 6. 皮帶輪組 7. 改向滾筒 8. 改向滾筒調(diào)節(jié)器 9. 壓面支撐輥 10. 豎直調(diào)節(jié)座 11. 支撐輥 12. 撒粉器 13. 控制面板 14. 蒸汽閥 15. 蒸汽爐 16. 電風(fēng)扇 17. 切面輥 18. 軸承座 19. 螺旋拉緊裝置 20. 聯(lián)接鏈條 21. 水循環(huán)單元

圖1 蒸汽量自動(dòng)控制的魚(yú)面集成加工裝置整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

Figure 1 Schematic diagram of Automatic Steam Control of Integrated Processing for Fish Noodle

1.2 整體裝置的工作流程

蒸汽量自動(dòng)控制的魚(yú)面集成加工裝置工作時(shí)，首先進(jìn)行速度選擇，速度選擇通過(guò)傳感器反饋至控制器存儲(chǔ)，裝置運(yùn)行后，魚(yú)面從進(jìn)料漏斗1進(jìn)行初次壓制，壓制后的魚(yú)面在皮帶5上移動(dòng)至壓面輥9進(jìn)行二次壓面，以達(dá)到最終厚度，壓制的厚度也將通過(guò)傳感器反饋至PLC控制器存儲(chǔ)，控制器根據(jù)裝置的速度和魚(yú)面的厚度，按照設(shè)定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，推出最適合的蒸汽量并將信息反映給蒸汽爐15元件。壓好的魚(yú)面繼續(xù)傳動(dòng)至蒸汽爐15進(jìn)行蒸制，整個(gè)蒸汽過(guò)程5～10 min，蒸汽爐15根據(jù)反饋信息調(diào)節(jié)進(jìn)氣爐進(jìn)氣口個(gè)數(shù)和進(jìn)氣量，實(shí)現(xiàn)蒸汽的自動(dòng)控制。蒸好的魚(yú)面通過(guò)皮帶5運(yùn)送至切面輥17，進(jìn)行切削，以得到所需的大小。傳送過(guò)程中有撒粉器12對(duì)其撒粉，避免魚(yú)面粘度較大粘在皮帶上；蒸汽爐15旁邊有電風(fēng)扇16，對(duì)蒸好的魚(yú)面迅速降溫。

2 主要系統(tǒng)及工作單元的設(shè)計(jì)

蒸汽量自動(dòng)控制的魚(yú)面集成加工裝置主要包括整體安裝框架的機(jī)架，以及沿著水平方向依次安裝在該機(jī)架上的進(jìn)料單元、壓制單元、蒸制單元、切割單元和電控單元。

2.1 進(jìn)料單元

該魚(yú)面加工裝置的進(jìn)料單元包括進(jìn)料漏斗，它沿著豎直方向固定設(shè)置在所述傳動(dòng)皮帶的上部，用于魚(yú)面原料的導(dǎo)入。機(jī)架上表面設(shè)置有傳動(dòng)皮帶，所述傳動(dòng)皮帶安裝在皮帶輪組上且配備有螺旋拉緊裝置，由此在動(dòng)力單元的驅(qū)動(dòng)下執(zhí)行對(duì)魚(yú)面原材料的水平輸送。

2.2 動(dòng)力單元

動(dòng)力單元安裝在機(jī)架的下端內(nèi)部，并包括用于使得整體設(shè)備運(yùn)作的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由第一傳動(dòng)軸、主動(dòng)軸、第二傳動(dòng)軸和齒輪組組成的減速機(jī)構(gòu)，以及聯(lián)接鏈條。由于動(dòng)力系統(tǒng)采用減速電機(jī)，可以通過(guò)電機(jī)設(shè)定低、中、高三檔，針對(duì)不同魚(yú)面實(shí)現(xiàn)裝置速度控制；減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速，以精確達(dá)到裝置所需速度；在使用時(shí)，整個(gè)裝置由電機(jī)作為動(dòng)力輸出，減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速，鏈輪連接壓面輥，傳動(dòng)輥和加工系統(tǒng)使其工作。動(dòng)力單元的相關(guān)尺寸參照文獻(xiàn)[6]和[7]計(jì)算而得，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)第3節(jié)，其俯視圖見(jiàn)圖2。

22. 第一傳動(dòng)軸 23. 主動(dòng)軸 24. 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 25. 第二傳動(dòng)軸 26. 齒輪組

2.3 壓制單元

壓制單元包括第一壓制組件、第二壓制組件和撒粉器。對(duì)于第一壓制組件而言，它由第一壓面輥和水平調(diào)節(jié)座共同組成，其中第一壓面輥相對(duì)設(shè)置在所述進(jìn)料漏斗水平兩側(cè)，通過(guò)水平調(diào)節(jié)座對(duì)第一壓面輥進(jìn)行間距調(diào)節(jié)來(lái)滿足第一次壓面所需厚度，并將輸送至此的魚(yú)面原料沿著豎直方向執(zhí)行初步壓制，見(jiàn)圖3；對(duì)于第二壓制組件而言，它由第二壓面輥和豎直調(diào)節(jié)座共同組成，其中第二壓面輥相對(duì)設(shè)置在上述傳動(dòng)皮帶的上下兩側(cè)，通過(guò)豎直調(diào)節(jié)座對(duì)第二壓面輥進(jìn)行間距調(diào)節(jié)確保魚(yú)面達(dá)到所需厚度，并將輸送至此的魚(yú)面原料沿著水平方向執(zhí)行二次壓制，見(jiàn)圖4；撒粉器則設(shè)置在傳動(dòng)皮帶的上部且處于第二壓制組建的下游側(cè)，用于對(duì)壓好的魚(yú)面進(jìn)行重新撒粉，使淀粉充分填入到空隙中，避免魚(yú)面表面不光滑、疙瘩多，同時(shí)以降低粘度。

壓制單元中的水平調(diào)節(jié)座和豎直調(diào)節(jié)座分別具備12 mm的最大調(diào)節(jié)間距，其最小調(diào)節(jié)精度設(shè)定為0.5 mm，由此在水平方向或豎直方向上實(shí)現(xiàn)對(duì)魚(yú)面厚度的調(diào)節(jié)，同時(shí)防止魚(yú)面厚薄不均以及推積。

2. 壓面輥 3. 水平調(diào)節(jié)座

9. 壓面支撐輥 10. 豎直調(diào)節(jié)座 11. 支撐輥

2.4 蒸制單元

蒸制單元由蒸汽爐、蒸汽閥和蒸汽控制器構(gòu)成，其中蒸汽爐通過(guò)多個(gè)蒸汽入口與外部的蒸汽源可控地相連；蒸汽控制器針對(duì)待進(jìn)入到蒸汽爐內(nèi)的魚(yú)面原料，分別采集其厚度和傳送速度相關(guān)的數(shù)據(jù)，然后基于采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算得出對(duì)應(yīng)的蒸汽量；蒸汽閥則按照所述蒸汽控制器所計(jì)算得出的蒸汽量，相應(yīng)控制所述蒸汽爐的蒸汽入口個(gè)數(shù)及其進(jìn)氣量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)蒸汽爐的智能化自動(dòng)調(diào)節(jié)。

蒸制單元的結(jié)構(gòu)如圖5所示。蒸汽爐上方設(shè)有蒸汽口，并通過(guò)管道與蒸汽鍋爐聯(lián)接，蒸汽爐里有控制器，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器收集魚(yú)面厚度與傳送速度信息反饋到控制器，從建立的數(shù)學(xué)模型找出對(duì)應(yīng)的適當(dāng)蒸汽量，調(diào)整進(jìn)氣口個(gè)數(shù)和蒸汽量排放；此外，蒸汽爐下方有冷凝裝置，收集冷凝水和多余的水蒸氣，通過(guò)過(guò)濾裝置和抽水泵流到蒸汽鍋爐進(jìn)行循環(huán)利用。

27. 管道 28. 冷凝裝置 29. 蒸汽鍋爐

考慮到在整個(gè)加工過(guò)程中，裝置速度、魚(yú)面厚度等關(guān)鍵工藝參數(shù)直接影響到最終的加工效果以及資源的合理利用程度，因此本裝置中除了提出構(gòu)建電控單元對(duì)其執(zhí)行智能化控制之外，還對(duì)蒸汽量與裝置速度、魚(yú)面厚度之間的特定函數(shù)關(guān)系進(jìn)行了更進(jìn)一步的研究。

裝置進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，魚(yú)面進(jìn)行壓面后的厚度通過(guò)厚度傳感器將信號(hào)傳遞給控制器，測(cè)得魚(yú)面的厚度和蒸汽量見(jiàn)表1。

然后采用最小二乘法擬合原理,通過(guò)Matlab對(duì)其執(zhí)行多項(xiàng)式擬合，得到厚度與蒸汽量的函數(shù)關(guān)系式，其多項(xiàng)式方程：

(1)

該多項(xiàng)式擬合方程的擬合誤差平方和最小。裝置工作時(shí)，控制器對(duì)獲取的魚(yú)面厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)式(1)計(jì)算相應(yīng)的蒸汽量。接著，同樣通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得不同魚(yú)面機(jī)速度對(duì)應(yīng)的蒸汽量，見(jiàn)表2。

表1 魚(yú)面厚度與蒸汽量數(shù)據(jù)表

同理，通過(guò)最小二乘法擬合原理對(duì)其進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得魚(yú)面機(jī)速度與蒸汽量之間的多項(xiàng)式方程：

(2)

當(dāng)魚(yú)面厚度與加工速度共同作用時(shí)，以蒸汽量使用最少為目標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型。

(3)

(4)

式中：

μi——當(dāng)魚(yú)面厚度與加工速度協(xié)同作用時(shí)，厚度與蒸汽量的協(xié)同效用值；

μj——當(dāng)魚(yú)面厚度與加工速度協(xié)同作用時(shí)，速度與蒸汽量的協(xié)同效用值；

G——蒸汽量，kg/h。

最后，控制器接收信號(hào)，通過(guò)先前擬合的厚度與速度信息智能控制蒸汽爐的進(jìn)氣口數(shù)量和蒸汽量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)蒸汽爐的智能化自動(dòng)調(diào)節(jié)。

表2 魚(yú)面機(jī)速度與蒸汽量數(shù)據(jù)表

2.5 切割單元

蒸汽量自動(dòng)控制的魚(yú)面集成加工裝置中切割單元包括切面輥，它設(shè)置在蒸制單元的出口端附近，并用于將完成蒸制后的魚(yú)面原料切割為所需的形狀，由此獲得魚(yú)面成品，且在經(jīng)過(guò)蒸制工序后，在皮帶附近還可以布置電風(fēng)扇對(duì)蒸好的魚(yú)面迅速降溫。

2.6 電控單元

電控系統(tǒng)由控制器、傳感器、報(bào)警器、電控面板等組成，在魚(yú)面機(jī)工作時(shí)，由PLC控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作[8]。厚度和速度傳感器分別測(cè)量魚(yú)面厚度和裝置速度；報(bào)警器能在蒸汽量達(dá)到蒸汽爐最大量時(shí)報(bào)警，此時(shí)加熱裝置停止加熱；電控面板里的控制器接收來(lái)自厚度傳感器和速度傳感器的信號(hào)，并控制裝置的開(kāi)關(guān)。

蒸汽控制器是電控系統(tǒng)中重要元件，首先對(duì)魚(yú)面的厚度和速度通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)感應(yīng)，并反饋至控制器存儲(chǔ)，然后根據(jù)所獲得的速度與魚(yú)面的厚度，按照設(shè)定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，推出最適合的蒸汽量并將信息反映給蒸汽爐元件，以控制進(jìn)氣口個(gè)數(shù)和進(jìn)氣量，實(shí)現(xiàn)蒸汽量的自動(dòng)控制，減少多余的蒸汽量排放。例如，速度傳感器被布置在電機(jī)旁邊并測(cè)量裝置的速度；厚度傳感器被布置在壓面輥上并測(cè)得魚(yú)面的厚度；報(bào)警器能在蒸汽爐里檢測(cè)到蒸汽量達(dá)到最大值時(shí)報(bào)警，此時(shí)加工系統(tǒng)停止加工魚(yú)面，整個(gè)裝置急停；控制器接收來(lái)自所述速度傳感器與厚度傳感器的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)蒸汽量和裝置速度與魚(yú)面厚度之間成對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系。圖6為控制器的工作原理圖；圖7為plc結(jié)構(gòu)圖；圖8為裝置電控系統(tǒng)系統(tǒng)圖。

3 魚(yú)面裝置的主要參數(shù)

(1) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)：選用齒輪減速電機(jī)，電機(jī)功率0.5 kW；額定轉(zhuǎn)速1 400 r/min，輸入電壓380/220 V。

(2) 鏈輪傳動(dòng)：鏈輪采用單鏈輪和雙鏈輪，鏈號(hào)10A，齒數(shù)z=20，節(jié)距p=15.875，排距p=18.11。

(3) 齒輪傳動(dòng)：第一對(duì)齒輪參數(shù)為m=2，z1=21，z2=67；第二對(duì)齒輪參數(shù)為：m=4，z3=14，z4=45。

圖6 控制器的工作原理圖

圖7 控制器原理圖

圖8 裝置電控單元系統(tǒng)圖

(4) 魚(yú)面機(jī)：加工能力80 kg/h，加熱功率15 kW，裝置長(zhǎng)度5 m，效率提高5%～10%。

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)分析魚(yú)面加工制作原理，對(duì)魚(yú)面整體生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行一體化研究，提出了魚(yú)面機(jī)壓—蒸—切一體化概念，確定了蒸汽量自動(dòng)控制的魚(yú)面集成加工裝置的整機(jī)結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)以及關(guān)鍵組件的特定組成結(jié)構(gòu)。

(2) 針對(duì)魚(yú)面的蒸汽量與魚(yú)面的厚度、裝置的速度等工藝參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行研究，構(gòu)造了電控單元并由其執(zhí)行智能化控制處理。

(3) 本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的蒸汽量自動(dòng)控制的魚(yú)面集成加工裝置實(shí)現(xiàn)了蒸汽量的自動(dòng)控制及壓—蒸—切一體化，提高了魚(yú)面加工效率，減少了中間過(guò)程資源浪費(fèi)，還能通過(guò)電控單元和水循環(huán)分別實(shí)現(xiàn)蒸汽量的最大化利用和水資源的節(jié)約。

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Design of automatic steam control of integrated processing device for fish noodle

CHENG HongJIANGZhi-gangFANZhuoXIANGPeng

(WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,Hubei430081,China)

A fish noodles integrated processing device, with steam volume controlled automatically, was designed in this study. Using this device, the thickness of fish noodles and operation speed could be detected real-timely. A least square method was used to calculate the corresponding steam volume, and then a smart the intelligent control of steam was realized. Simultaneously, the automatic operation of pressuring, steaming and cutting was integrated, by using motor-driven transmission shaft, and then transmission belt was driven to run fish noodle. The fish noodles device could ensure the quality of fish noodle processing and provide technical support for both the producing efficiency and energy conservation.

fish noodles; automatic steam control; efficiency; energy conservation

程宏(1992—)，男，武漢科技大學(xué)在讀碩士研究生。

E-mail：13659877125@163.com

2016-04-06