摘 要：在介绍UHT管式超高温杀菌机工艺原理的基础上，研讨基于台达机电产品的自动化成套系统设计。给出完整PLC控制程序。
关键字：UHT 杀菌机 台达自动化 PLC
1、引言
ＵＨＴ超高温瞬时（１３５℃以上数秒）灭菌工艺技术是流态食品最重要的加工技术。
UHT技术广泛用于低酸无菌含颗粒的产品: 牛奶、酸奶、奶油、乳酪、蛋液、巧克 力、糖
浆、 冰淇淋、果汁、含果粒汁、果酱、果冻、番茄酱、豆浆、色拉酱、糊状食品、脂肪及
油脂、麦芽汁、啤酒、葡萄酒、米酒、茶汁、咖啡饮料等。 管式UHT杀菌机广泛用于液态
食品（无菌）热处理的全自动系统，产品的粘度范围很大，并能适应纤维和颗粒。本项目的UHT杀菌机系列生产能力1-10t/h，典型的杀菌温度为90-140℃，控制系统基于台达品牌
产品，包括PLC程控器及工控屏。蒸汽减压阀及调节阀、分流阀、稳压阀、物料泵、热水泵。其他阀门及管接件等所有流体配件都选用高质量标准的元件。
2、工艺原理及特点
2.1工艺原理
物料在连续流动的状态下通过套管式热交换器加热至138～150℃，并在这一温度下保持一定的时间(2～4秒)以达到商业无菌水平，然后在无菌状态下无菌环境中灌装于无菌包装容器中。整个灭菌过程在高温状态下瞬时内完成，将能引起物料腐败和变质的微生物和芽孢彻底杀灭，同时，极大的保存了食品原有的风味和营养成分。这种严格的加工工艺和设备精确的处理方法有效地防止了食品的二次污染，大大延长了产品的保质期。UHT工艺优选采用直列套管式换热器杀菌系统，因其在较高蒸汽压力及超高温状态下所具备的可靠工作性能，尤其连续工作时间可长达十多个小时，从而获得了比板式杀菌系统更为广泛的应用。管式UHT灭菌设备设计用于牛奶、果汁饮料或类似产品进行连续灭菌工艺。配备无菌灌装设备可用于3-6个月保质期的产品生产。可连接分离机、脱气、闪蒸等设备。该设备的产量主要由进料系统中的流量控制加以调节，在采用全流量均质方式时，利用均质机来控制流量。由于对产品的加热和冷却均在板式换热器中热回收部分进行，因而热回收率最高可达90%以上。工艺流程如图1所示。
图1 UHT管式超高温杀菌机工艺流程
1．管式热回收愈加热段 2.均质机 3.热保管
4.管式加热灭菌段 5.管式热回收段 6.最终冷却段
7.CIP 装置 8.水加热段 9.过滤器
2.2设备特点
（1）全自动配置。采用先进的电脑程序控制技术，按设定的工艺要求进行全过程生产运行控制，自带CIP清洗程序，进行自动清洗。
（2）半自动配置。操作进行的全过程是半自动控制的，操作人员可从控制面板上对各台泵及回流功能加以控制，由温度自动控制器来维持灭菌温度。杀菌温度在记录仪上有连续的记录。
（3）适用于：保鲜奶、巴氏奶、酸奶、花生奶、果汁、茶饮料、葡萄酒、冰淇淋、豆奶、乳饮料、长寿奶。 管式UHT灭菌机广泛用于液态食品“无菌”和“非无菌”热处理的全自动系统，产品的粘度范围很大，并能适应纤维和颗粒。该灭菌机设计为高精度的产品，精确的控制水温。产品从平衡泵入，预热到均质温度，在预热到90-95℃，进行如蛋白质的稳定，然后超高温灭菌，最后冷却到灌装温度。系统用热水与杀菌是在循环回路中，节省能源。管子的直径、形状（平直或波纹的）和管束的选择有产品的需要决定。每年只需检查一次。可以选择热灌装，如90℃；附加冷却段也可用于低温灌装产品，半自动机组适用于保鲜奶，鲜果汁的生产，如图2所示。
图2 UHT管式超高温杀菌机
3、自动化系统设计
3.1系统框图设计
系统框图设计如图3所示。
图3 系统框图
3.2系统构成设计
系统构成参见表1。
表1 主体自动化设备选型
3．3控制系统分析
（1）热水温度、物料温度、均质温度、出水温度通讯控制。温度的设定及其实时温度的显示通过通讯的方式进行。
（2）热水阀因为使用的是比例阀。通过模拟量对其开度进行控制。PID调节热水温度，实际上是通过控制比例阀的开度控制热水温度，使之尽可能的保持热水温度维持在恒定的温度。
（3）热水阀的开度能够动态的显示，直观实时了解热水阀开度的大小。
（4）整个操作过程分为全自动运行和手动运行两种方式。
（5）在正常的生产过程中，自动运行和手动运行切换时，系统先全部停机然后再切换到相应的工作状态，以确保操作的安全性。
（6）杀菌温度要控制在90℃~140℃.
（7）物料进口温度为5℃;物料出口温度为4~85℃.
（8）蒸汽进口压力>0.6MPa.
（9）冰水进口温度<=2℃.
（10）保温时间15S、300S.
（11）要求在人机上要有当前温度加温曲线、历史趋势曲线.对当前温度数据进行记录.当前温度超过极限温度的设定值，系统提示报警信息并且安全保护。
4、梯形图设计
4、系统调试
一般正常的情况下,为了保护PLC的输出触电,对于直流感性负载如:24V电磁阀,在电磁阀线圈的两端应该加反向续流二极管。因为在线圈通电失电的瞬间电流变化较大,由此产生的感应电动势在闭合回路中产生的感应电流需要通过反向续流二极管续流,否则长时间运行,可能回将PLC的输出点烧毁。
台达PLC上有接地点,是为了在整个设备包括电气柜在可靠接地的情况下,降低各种干扰对PLC的影响。但在实际客户端,可靠接地很少引起用户的足够重视,导致整个设备接地形同虚设。在这种情况下,如果将PLC的地与设备接地端连接起来,反而有时会把设备和电柜中的电气干扰引入PLC,使PLC工作不正常,甚至会导致PLC出错即ERROR灯闪烁,PLC无法运行。解决办法:建议客户将设备可靠接地,如果现场不容易做到,可以将PLC的接地端去掉或将PLC的接地端与开关电源的24V-连接。
在很多行业中,都会遇到通过比例阀控制加热介质的流量,从而达到控制温度的目的.通过台达PLC中的PID指令做这样的工作,基本无法达到客户所要求的控制精度。其实通过控制比例阀的开度大小从而控制温度,可以通过把设定的温度细分为若干段,通过采样实际开度温度.把设定温度与实际温度做比较.求出二者差值,将差值进行一定范围的细分,在不同的区域对比例阀的开度进行不同程度的控制,步进调试简易,而且效果颇佳。
台达SS/SA/SC/SX包括EH系列PLC的模拟量输入模块和输出模块如果用FROM/TO指令进行读写,响应速度较慢。如果系统对实时性要求较高,建议不要使用FROM/TO指令,用485通讯来完成。
5、结束语
本项目无菌波纹管式灭菌机原来的电气系统主要使用进口产品。因为售后服务及新产品开发过程中售前的技术支持等问题影响到了食品设备制造商的信誉。本项目借助台达机电自动化平台一体化解决方案优势，成功地开发了UHT管式超高温杀菌机。
