自动控制技术在大豆面条生产中的应用

2021-01-14聂洪淼赵寒涛白广利

黑龙江科学 2021年8期

聂洪淼，赵寒涛，2，白广利，2，李麒，2

(1.黑龙江省科学院智能制造研究所，哈尔滨 150090；2.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨 150010)

0 引言

面条是我国传统大众主食，有着巨大的消费市场和产能需求，制面企业每年新增生产线至少20条来满足升级改造和提效增质的需求，面制品生产设备智能制造升级的紧迫性日益凸显[1]。市面销售的面条是以小麦粉为主要原料，营养价值相对较低，缺乏氨基酸、赖氨酸和B族维生素等营养物质。大豆面条蛋白质、不饱和脂肪酸含量较高，且氨基酸比例均衡，营养物质丰富，口味独特，符合当今大众消费理念，具有较大的市场价值[2]。

1 大豆面条自动化生产制作工艺

在自动化和机械化生产线中，因为面条产量大且要求品质稳定，所以生产工艺与传统方法不同。大豆面条的生产工艺流程为：研磨成粉→搅拌和面→熟化→挤压成形→挑竿上架→烘干脱水→切段包装。将大豆研磨成粉，筛粉后，按照比例与水混合，在真空和面机中进行搅拌。和面工序环节采用真空和面机，负压状态下搅拌面粉和水，增加面团吸水的均匀性，促使面筋网络结构充分形成，使面条的韧性增强，断条率降低。搅拌时可根据工艺调节电机速度，提高品质，降低能耗[3]。熟化可使面粉内部的面筋网络更加完善，充分舒展，面团质量更加稳定，面条各项品质有所提高。通常，熟化在理论上是静态工艺，而在高产量的大机械化生产过程中，大块面团会在静置中形成，给挤压面条装置的喂料环节造成障碍和不便，所以不得不使用慢速搅拌动态熟化工艺，来防止面团聚结成大块，满足喂料顺畅要求[4-5]。挤压工艺是将面团放入到挤压机中，通过螺杆的推压带动，在模具压力下挤出所需尺寸和形状。面条经高压、高温、剪切、挤压、熟化、熔融等一系列加工，使大豆面团中的部分纤维细化，降解，淀粉糊化，蛋白质发生变形、聚集，以改善大豆面条因蛋白质含量过高而导致的硬度高、口感差、难聚合、易断裂等问题，提高了面条品质。挤压出的湿面条按每杆长度切断，经挂竿挑起后被传输进入烘房。面条烘干是脱水过程，使产品符合规定的含水量，便于储存、运输，使其有较佳的烹调性能和商品属性[5-6]。大豆面条干燥过程包括水分和能量传递，温度、风速和空气湿度都会对面条的干燥结果产生影响[7]。将烘干完成的大豆面条传输到切段工序和包装工序加工位置的过程称为下架工序。由于烘干杆上的面条过长会对面条包装、贮存、运输、烹饪和食用带来诸多不便，所以在下架工序后，要切断长面。挂面的计量是对最小单位包装挂面的称重，是定价销售和流通的前提，重量误差在1%左右。采用圆柱形包装，因其工艺相对成熟，价格低廉，便于贮存和流通，目前市场占有率最高[5,8]。

2 大豆面条生产线组成及功能

大豆面条生产线由监控系统、生产机器设备、传动机械、传感器、电气控制线路、通信线路等构成。监控系统是以PLC为核心组成的自动控制系统，对生产装备系统进行控制、协调，达到高质效的生产目标。生产装备系统可分为面条制作设备组、面条烘干设备组、面条包装设备组。

2.1 大豆面条生产线监控系统

监控系统采用PLC模块为主控制器。PLC控制技术有强大的可靠性和灵活性，并以抗干扰能力强、实用性好的优势成为自动化生产线中较有竞争力的中心控制器[9]。PLC执行工艺程序对各种传感器、I/O扩展模块、模拟量I/O模块、变频器、编码器等反馈信号进行接收与处理，对生产线各设备进行连续、自动控制。本生产线中，由于设备较多，信号点数多，设备分布距离较大，可选用多控制器系统，控制器合理分配给生产线的装备组，留出扩展裕量。上位机采用HMI(人机界面)，对设备进行远程监控、参数设置、启停等。下位机可通过机柜控制面板的按钮对设备进行控制。上位机和下位机都设置设备组和生产线的紧急启停按钮，自动/手动选择按钮，单独设备的点动/长动控制按钮。

2.2 面条制作设备组工作系统及控制

面条制作设备组包括研磨设备、和面设备(和面加水控制设备)、熟化喂料设备、挤压设备、挑竿上架设备。

研磨设备将干豆磨粉后，通过电子计量桶、减重称将豆粉质量传送给PLC，PLC根据此信号和设定工艺对气力输送设备启停时间进行控制，达到定量供给豆粉的自动控制。通过PLC控制研磨机输送大豆的速度和磨盘电机转速、磨粉时间，控制磨豆粉的参数[10]。

真空和面设备将磨成的豆粉和水传送给和面设备。水温和与面的比例对面团质量有着重要影响，在PLC控制下，定温定量加水罐和出水电磁阀按照程序工作，实现对和面加水的自动控制，达到最佳的水面比例和温度。真空和面设备通过PLC控制(快慢)双速电机和真空泵，实现真空环境下的和面。PLC通过控制电机转速和时间，使搅拌轴以最佳转速和时间来搅拌和面，采用流程控制管理加料顺序，真空泵和搅拌电机工作时序与仓盖的开关[5，11]。真空和面可以大幅减少熟化时间，也有文献提出不用熟化(在小麦面粉挂面制作工艺中)[5]。但大量生产大豆面条的过程中，面团易结成大块，给挤压喂料造成困难，用慢速搅拌熟化喂料设备，可以防止结成大块，给生产线提供了可进行熟化工艺的选择。

熟化喂料设备输送面团到螺杆挤压腔中，螺杆持续挤压面团到模具挤出面条，当水和豆粉比例确定时，螺杆转速和挤压温度是要控制的重要参数。通过PLC和变频器控制螺杆电机，达到控制转速和启停的目的。PLC通过温控模块控制挤压套筒的温度，以控制挤压腔内的温度。

挑竿上架设备组。挑竿上架设备是将湿面条传送到烘干工序的传送系统。挑竿上架设备包括湿面切断机构、湿面传送机构、供竿机构、挂竿机构和举竿机构。各机构用传送带、链条来传送面条、面竿。此设备组控制系统由PLC、变频器、减速电机、接近开关传感器等构成。切断刀切断面条，方便挑竿上架。湿面传送机构将切断的湿面条送至挂杆处。供竿机构将面竿从面箱送至挂竿处。挂竿机构将面条放置在面竿上。举竿机构将挂有面条的面竿送至烘干传送链上。机械运动控制主要有两方面：根据产能要求、设备机械结构和面条参数，得出各机构的运转周期、速度。根据接近传感器对面条、面竿位置的判断，来控制各减速电机运转周期及执行机构动作的启停。根据机械运动控制和生产工艺参数来编写挑竿上架程序。PLC通过程序控制变频器、减速电机、接近开关，来实现面条挑竿上架的自动控制。