1 序言
真空均質乳化機(簡稱乳化機)主要應用於化工、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採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錶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。然後，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後，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，然後手動旋緊密封閥;
(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，並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，控制方法採用模糊PID恆溫控制，乳化鍋內原料將被加熱到用戶設定溫度;
(8)當乳化工作完成後，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，控制範圍依次是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，控制量範圍依次是：0~100℃、0~140℃、20~140℃;實現乳化壓力控制，控制範圍為-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，上位機採用台達的HMI(DOP-B)[3];下位機採用台達DVP48EH00R系列的PLC[4];電機的轉速控制，採用台達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)壓力採集模塊
實現將壓力儀錶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)模擬量輸入模塊採樣到PLC中。
(2)溫度採集模塊
油相鍋、水相鍋和乳化鍋的使用鉑電極(Pt100)測量溫度，採用三線制接法。信號通過PLC的TM(DVP-04PT-H)PT100模塊採樣到PLC中。
(3)連鎖保護模塊
設置硬體和軟體雙重安全連鎖裝置，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，對於電能的消耗大，由於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。
本系統中選用台達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 控制系統的軟體設計
4.1 軟體設計的基本要求
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，要求也越複雜，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。
