浅述乳品巴式杀菌机温度控制系统设计

邓飞

摘 要 在整个乳品生产工艺过程中，巴氏杀菌是牛乳加工的重要工艺之一。而巴氏杀菌机最为重要的控制参数就是杀菌温度。温度控制的精准和稳定，直接决定了巴氏杀菌剂控制系统的优劣。本文根据以往工作经验，对乳品巴氏杀菌工艺简介进行总结，并从巴氏杀菌机温度控制系统设计，控制系统参数及特点分析、硬件简介三方面，设计出这套控制系统。

关键词 乳品;巴式杀菌机;控制系统

巴氏杀菌工艺是牛乳加工的重要工艺之一。如果处理恰当，将会延长牛乳的保质期。巴氏杀菌机的杀菌温度和杀菌时间是非常重要的因素，必须依照牛乳的质量和所要求的保质期等进行精确地设定。通常均质的、常规牛乳高温短时巴氏杀菌温度通常为72～75℃，15～20s。由于各国的法规，巴氏杀菌工艺，国与国之间不尽相同。但是，所有国家的一个共同要求是巴杀热处理必须保证杀死不良微生物和致病菌，使得产品的营养成分例如蛋白质等不被破坏。一般来说，最为常见的巴氏杀菌机在组成上，主要包括板式换热器，保持管，均质机，储存罐，离心泵等设备。由于巴氏杀菌机牛乳的处理能力很大，这就导致了其蒸汽等能源消耗也会巨大。为了能够满足国家节能减排的要求，需要给巴氏杀菌机设计一套好的温度控制系统。本文对PLC技术下的乳品巴氏杀菌机温度控制系统进行了相关概述，分析了杀菌机工作原理，研究了杀菌机控制系统的设计。

1 乳品巴氏杀菌工艺简介

乳品巴氏杀菌工艺是将从牧场收集过来的经过过滤、脱脂、均质处理后的生牛乳，通过离心泵打入板式换热器。在板式换热器中，用热水先将生牛乳加热到72～75℃，然后继续用泵将其送入保持管中。牛乳流经保持管的时间需要控制在15～20s。接着从保持管出来的熟牛乳会被送到另一个板式换热器中，用冰水和塔水冷却降温到6℃以下，最终进入超洁净储罐进行保存，为产品最终罐装做准备[1]。

2 杀菌温度控制系统设计

生牛乳和热水在板式换热器中进行热交换，生牛乳从4℃加热到72℃。循环的热水与生牛乳换热后需要重新回到热水加热系统，用蒸汽对其进行加热。然后加热好的热水才能回到巴氏杀菌机板式换热器中继续工作（不用蒸汽直接加热生牛乳，是为了保证不会因为蒸汽过高的温度导致牛乳升温过快而被糊化）。为了对从板式换热器出来的牛乳的温度进行准确的控制，需要对蒸汽流量大小进行调节。这就要求我们根据牛乳出口的温度传感器的温度变化来调节蒸汽入口调节阀开度的大小，从而来控制蒸汽流量的大小，以此来满足巴氏杀菌温度的控制需求。这种常规的控制可以选用PID控制器[2]。

3 杀菌温度控制系统参数及特点分析

通过对实际回路的有效搭建，相关工作人员可以借助于合适的控制算法，将对象控制在良好状态之下，算法通常应用PID控制器，或者是改进PID控制器。在蒸汽压力和循环热水流量稳定的情况下，通过PID控制器控制蒸汽调节阀的开度来控制巴氏杀菌的温度。从而保证牛乳不會因温度上升过快而被局部糊化，也不会因温度上升过慢导致杀菌效率过低。

单独的比例控制也称“有差控制”，输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系，偏差越大输出越大，但实际控制结果存在较大余差。所以必须要引入积分控制。从具体积分控制过程中，能够将后续余差彻底消除。虽然引入积分消除了余差，弥补了纯比例控制的缺陷，获得较好的控制质量，但是积分作用的引入，会使系统稳定性变差。此时需要再引入微分控制度变化情况，适当将输出信号改变，降低外界干扰因素的影响，强化系统稳定性。当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变;比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定;而积分作用慢慢把余差克服掉。只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。

4 系统硬件简介

4.1 输入输出模块设计

根据系统控制的特点，上位机可以采用TP900触摸屏，较为直观的呈现人机交互界面，从而方便用户的操作。下位机可以采用S7-300 PLC，选用的CPU315-2PN/DP 内存容量大，支持浮点运算、指令丰富、支持混合编程，集成有Profibus-DP 和Ethernet 通信接口。选择ET200M/IM150-2为远程I/O，SM334、SM331、SM321 和SM322用作模拟量和数字量输入输出。另外，西门子S7-300系列PLC自带以太网接口，采用PROFUBUS或TCP/IP协议，实现与外部设备的有效通信。

4.2 温度传感器选型和安装注意事项

为了更好地满足系统运行需求，在温度传感器选型过程中，应该注意传感器的防护等级、输出信号模式，测量量程，连接接口等方面的问题。首先，在防护等级确定上，一般会选择IP等级较高的温度传感器，通常需要大于等于IP65，以保证仪表在一定湿度和粉尘的环境工作的情况下不易损坏。其次传感器输出信号通常选择为4～20mA电信号输出，且温度传感器量程范围可以选择为0到120℃。在选择传感器的接口选择上，需要保证其卫生且易拆卸，避免对后期维护操作产生影响。通常可以选用卡箍连接的方式。卡箍连接是非常卫生、方便的一种连接方式，广泛应用于生产乳品，饮料，啤酒等流体设备之中。

最后温度传感器的现场安装需要规范，比如要尽量远离有蒸汽等高热高湿区域，或者避免将传感器安装在温度超过60℃的工作环境内，这样可以有效延长传感器的寿命。一般来说，传感器安装在管道的合理位置，传感器探头插入深度一般为管道中心位置，这样可以保证对流体温度进行有效检测。另外，传感器也要做到定期检验校准，保证传感器的测量的准确性。

5 结束语

综上所述，通过乳品巴氏杀菌机温度控制系统设计，杀菌机综合性能能够得到明显提升。各种能源的消耗明显减少，从而减少了企业的运行成本，提高了企业的竞争力。同时，通过温度控制器的设计，提高了设备运行的稳定性，功能性、安全性和可靠性，从而更好地应用于乳品加工业中。

参考文献

[1] 朱名强.过程控制系统中温度控制系统设计分析[J].轻工科技，2020，36（2）：73-74.

[2] 张翠.基于模糊PID的鸡舍智能温度控制系统设计[J].现代农业研究，2020，26（2）：70-73.