函授机电一体化毕业论文(机械13-韩学锦)

淮阴工学院毕业论文

食品机械中控制、测量元件的技术及应用

系 别： 机电系（机械13）

专 业： 机电一体化

学生姓名： 韩学锦

指导老师： 张老师

论文开始日期：2015年 4月

论文完成日期：2015年4月

内容摘要

近几十年来，随着食品行业的快速发展，传统的手工食品加工机械或纯机械加工技术，越来不适应快速、准确高效的需要，故在食品机械中，增加对电子控制技术的应用，相当于为食品机械添加了美丽的翅膀。

电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，各种控制元件及PLC 技术，近年来在食品、制药及包装传输行业中都有极其广泛的应用。特别是在食品系列工程中，更需要 将机械和控制以及测量等方面的成果有机的结合。实现真正的机电一体化作业。由于控制技术的发展及广泛的应用，如何正确选用、安装和维护工作就越来越来越重要。传感器及测量仪器应用广泛，种类繁多、性能各异，分类方法也很多。本文主要介绍了机械传感器、液位传感器、温度传感器等在食品加工机械中如何选型、工作原理和使用中的运行维护。

关键词： 分类 选型及应用

引 言

在现代化生产过程控制中，传感器在机械及执行控制机械之间架起了一道桥梁，通过直接感受被测量，并将其转换为电信号，它是自动控制系统中不可缺少的组成部分。过去的国产各种传感器存在着控制手段落后、机械传动机构多、结构复杂、定位精度低、可靠性差等问题。整个机构缺乏完善的保护和故障诊断措施以及必要的通信手段，系统的安全性较差，不便与计算机联网。鉴于以上原因，采用传统的机械式的控制系统，可靠性和稳定性较差。自电子技术一问世, 电子技术和机械技术的结合就开始了, 把机械传感和电子传感有效的结合在一起," 机电一体化" 技术之后有了明显进展, 在食品、制药等机械中引起了

人们的广泛注重。

第一章 传感器分类、选型

1.1 传感器分类

传感器应用广泛，种类繁多、性能各异，分类方法也很多。

1. 根据各领域对传感器的不同理解以及传感器的技术发展，传感器可以分为两

大类型，即传统传感器和智能传感器。

2. 传感器的种类很多，概括起来可按以下几个方面进行分类。

1）按被测物理量不同，可分为位置传感器，速度传感器、加速度传感器、力学

传感器、温度传感器等。

2）按传感器的工作原理不同，要分为机械传感器、电气式传感器、光学式传感

器、流体式传感器等。

3）按信号变换特征不同，可分为物性型传感器与结构型传感器。

物性传感器是利用敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号转换的。例如水银温度计，是利用了水银的热胀冷缩性质，压力测力计是利用了石英晶体的

压电效应。

结构型传感器则是通过传感器结构参数的变化来实现信号转换的，例如，电容器传感器，是利用极间板距离的变化引起电容量的变化来感受被测量； 电感式

传感器是通过銜铁位移引起自感或互感的变化感受被测量等。

4）按敏感元件与被测对像之间的能量关系，可分为能量转换型传感器与能量控

制型传感器。

5）按输出信号不同，可分为模拟式传感器和数字式传感器。

3、其它类型的传感器如光学传感器、超声波传感器等。

1.2 传感器的选型

传感器是一种实现机、电控制的电信号装置。在食品、制药、包装及运输的控制方面起着不可替代的作用。随着近几年食品、制药行业的不断发展，人们对食品安全、卫生及效率的要求也越来越高，自动化的生产正逐步找替手工作业，而这些都需要机和电的及控制装置 的有机结合。对于实现各种控制要求的传感元件的选择及应用，也是各科研院所，企业技术设计部门，设备管理部门急需要掌握及了解的。以下是我们在生产实践中经常选用的传感器件，已为实现食品、制药等机械所运用，且取得了很好的控制效果。下面我介绍一下我们

食品行业中常用的传感器的选型。

1）压力传感器

国内常用品牌为朗博的，在反应釜上用的最多，目的是用来控制罐内的压力，通过控制信号的传输，来控制反应釜夹套加热的进汽量。夹套加热的进汽量是通过气动角座阀或电磁阀来控制的。传感器将信号传递给处理器，然后处理器发出信号让气动阀门动作，决定角座阀的开启角度，从而控制蒸汽进出量。目前压力传感器国内厂家也很多，产品质量基本能满足要求，但精确度较差点。

2） 液位传感器

在食品机械中，经常涉及到罐内物料的控制，同时还考虑在进料过程中的连续测量事项，以作为控制泵流量的一个重要环节。目前液位传感器均选为静压传感器结构。由于静压传感要求高，测量准确，国内目前做的不太理想，目前一般选择以上几种品牌。如北京E+H型，欧母龙，朗博等。

3） 超声波液位传感器

利用超声波原理，传感器发出声波，不需要与物料接触，就能测出液位的高度。通常在常温常压下使用。既可以测量液体的液位，也可以测量固体的液位。

4） 液位控制开关

对于不需要连续测量的设备，比如需要对进料高低液位的控制。即让物料在高液位进料停止，当设置物料在低位时，出物料停止，此时我们就可以选择高低液位开关了。一般高低液位开关有电容式，电阻式。常用的有欧母龙液位开关，音叉液位开关，浮球液位开关等。在选用时我们应当注意，对于电流式（电阻式）液位开关，只适合能够有离子导电的场合，如我们选择在纯净水中使用，效果会非常地差，反应就不灵敏，原因是纯净水中诸多导电粒子都被处理掉了，因不能导电，所以不适合。此时我们选择电容式，就可以了，比如音叉液位计，就非常的好。

5) 温度传感器

温度传感器是食品行业中测量及显示温度的一种重要的传感器。在反应釜、换热器以及加热设备得到广泛使用。如为了控制反应釜的加热温度，即需要控制釜内的温度，通过温度传感传递信号来引导进汽阀的大小调节。为了能及时显示罐内的工作情况，也需要温度传感器来显示。通常国内选用的有久茂品牌，质量比较好，与国外的精度差不多，能达到正负0.5度的精度。

温度传感器有直接接触式和间接接触式，根据设备需要，进行选用。

6） 光电开关

光电开关是我们在物体运动过程中用来控制转动及移动的一个重要的电器传感元件，通常还可以做二级保护控制。如在转动或移动中，通常会设置一个机械式行程开关，另外再配一个光电开关。其目的是为了防止行程开关失灵，而导致控制失效。

光电开关使用时，应当认真阅读使用说明书，注意安装的距离应附合要求，另外不易在高温、湿水环境下使用，这样会导致开关失灵而导致控制失效。

第二章 传感器上在食品锅的使用范例

2.1 食品煮锅的结构及工作原理

目前食品机械较常用的主要是蒸汽夹层锅，它主要用来蒸煮食品。传统的煮锅都是靠人来控制蒸煮温度和时间的，同时也无法知道罐内的热分布情况如何。通过对煮锅进行电器控制，结合PLC 的应用，较好地解决了这一问题，同时产品质量提高，生产效率也得到提升，减轻了劳动强度及危险作业。

2.1.1煮锅的结构

煮锅主要由内壳体、夹套加热体及外保温体组成。上部为快开门结构，具体强度计算按化工部的SW6-2011强度计算要求。由于煮锅为压力锅，故在设备顶部设有安全阀、压力表、温度计、压力传感器等；

由于煮锅为压力容器的快开门结构，故煮锅还设置有安全联锁装置，即：当罐内压力完全释放，方可打开快开门；当快开门完全关闭，放能打开进汽阀。此过程需要几方面的控制，以下我们根据煮锅的设计结构及操作特点来描述控制器的应用。

a) 快开门的控制

快开门为三件套结构，两个固定圈，一个为动圈，三个圈之间通过齿进行啮合。同时两侧设置带磁性旋转气缸，在门上下位置设置带磁性门锁气缸，在关门时，启动两侧旋转气缸，旋转动圈达到啮合状态，同时在啮合位置设备有光电开关，当到位时，光电开关同时发出信号，以防止误操作。磁性气缸发出信号，启动门锁气缸，门锁关闭，发出可以进汽信号。此时就可以进汽操作了。反过来，如果门锁没有打开，则启动任何一个按钮，都不能打开快开门。 b) 罐内压力控制

压力控制通过压力传感器来传递信号。当罐内压力为零时，压力传感器发出信号，此时表示可以启动门锁开关，实现的门的开启。但压力信号没有传递为零，则门锁得不到信号，则不会开启，此时启动任何开关都为无效状态。 c) 液位控制

为了能够确认罐内水是否达到某一位置，在罐的侧面设置电容式高低液位开关，这样，在水到高位时，音叉液位计发出信号，关闭进水泵，当水至低位时，为避免泵的空吸，则停止泵的出料。

d) 温度的适时调整和控制

在罐的底部，我们设置了温度传感器。在进汽口设置有蒸汽调节阀，即当罐内温度超过设置温度时，调节阀的开启角度随着温度的要求在变大或变小，以实现对罐内保温的控制。

以上控制由PLC 及触摸屏及其它软件一起实现。使该设备具有了电器一体化的功能，实现了自动控制的要求。

2.1.2下面我们看下常用食品煮锅的电器控制及操作规程：

一、 操作规程

1、锅门开启工作程序：

门开启:密封排气，启动安全定位气缸，插销脱离---开启水平旋转气缸。启动电液缸开门操作，门旋转至90~95度，行程或接近开关关闭电液缸。门开启动作完成。

门关闭：启动电液缸开关，门关闭到位，落下门，行程开关将电液缸停止（注意观察门落下情况）---旋转气缸开启---定位气缸定位---手动进气密封。

2、操作要求

进料：按上述程序要求开门，将笼框吊入锅内。进水，将水漫过笼框顶部。盖关闭。

蒸煮：打开蒸汽阀，夹套进汽蒸煮。直到蒸煮结束。

出笼和出液：停止进汽，待锅内温度低于80度时，底放料阀放料，直到料液出尽。

出渣：笼子内水已基本放尽，此时用吊钩将笼子吊出锅体外。

注意：本锅可以用热水泵通过外部加强热循环，强化换热及提取效果。 具体操作按以下电器控制操作方法

二、 电器控制操作方法

首先将电柜电源上电，电控柜上“方式选择”旋钮旋至“手动”状态，将气动阀门用压缩空气减压阀调在0.6—0.7MPa 之间, 按照触摸屏上的工艺流程和阀门编号点击相应的阀门，点一次打开，再点一次则关闭，检查各个阀门的对应性与开/关的灵敏性和正确性。在画面中泵阀开为红色，关闭兰色，手/自动过程中要检查实际泵阀开闭情况。

下面为三组工艺流程画面及阀门介绍

门关到位指

示 门开到位指

门降到位指示插销伸到位指示 门升到位指示 蒸汽大阀

示

操作中只要设置好温度与时间就可以了，具体设置就是点

击

上设置温度后面的就会出现下面的跳出对话

框：

输入相应的数值就可以了，时间也是一样的。

点击开关门操作按钮进入开关门操作画面，下面为开关门操作画面介绍

指示灯

关门的操作步骤是先点击再点

击

按钮，等降到位指示亮时，

按钮，等关到位指示亮时，再点

击

按钮，等伸到位指示亮时就代表关门操作执行完了。

开门的操作步骤是先点击

指示亮时，再点击

按钮，等缩到位

按钮，等开到位指示亮时，

再点击

按钮，等升到位指示灯亮时就代表开门操作执行完了。

门确认关好了，至于加热过程就是把电控柜上“方式选择”旋钮旋至“自动”状态，按一下电控柜上的启动按钮就可以自动加热到设定的温度进行保温，并保持到设定的时间，自动结束。 三、 安全和防护

1、除接受过关于本设备操作的培训人员之外，其他人员请不要靠近本设备。 2、请定期检查所有的安全装置（包括安全阀、压力表等）是否能正常发挥作用。

3、安全阀、压力表、温度表应定期做校准；

4、密封圈应定期检查，如发现密封圈损坏则应及时更换；

5、电液缸在运输过程或长时间不工作时，排气口应用螺丝堵塞，当处于工作状态时，应将螺丝堵取下，以便能使设备正常工作。电液缸应每隔半年检查一次，当发现缸内液体出现泄漏时应向供应商咨询处理，以保持设备完好状态。

6、在按下启动开关之前，请务必确认危险区域内（锅口）无人。 7、设备因不明原因停止工作时，请查明原因，在得到管理责任人员的许可

后方可再次启动。

8、每次生产后应把罐内外清洗干净。

9、所有生产用水（包括冷却水）应确保氯离子含量低于25mg/L；

10、对电机、电柜等有电的地方应确保绝缘，不能使设备带电； 11、保持相对稳定的洁净空气稳压气源。 四、 故障及排除方法见下表

五、 主要外购件、易损件一览表 （一）2000L 、3000L 蒸汽夹层锅配置

结束语

随着科学技术的发展，传感器在越来越多的行业里得到广泛应用。现在越来越多的传感器不但具有传感性能，还能及时处理和识别及时的工作状态，特别是智能传感器的发展与微处理器的紧密结合，更是为产品添加一双翅膀，应用领域非常广阔。

但是，我国传感器的发展起步较晚，制作水平及精度尚与国外有较大的差距，特别在制药、食品机械方面，比较重要、精确度和质量要求较高的场合，

大都采购国外的传感器。比如德国的郎博、北京E+H等等，有一大半被国外所占领，这个需要我国的科技人员不断研发，产学研结合，并充份吸取国外的经验，不断缩小差距，我们的控制能力和水平才能得到不断提高，从而提高产品的自动化水平，使产品更上一个台阶。

参考文献

1、吴民 传感器在食品工业自动化中的应用 《包装与食品机械》 1991年02期2、甘晓华． 测试技术．机械工业出版社2009.4 3、卢恩贵． 工厂电器控制与PLC 2011.5

4、王俊普． 智能控制[M]． 合肥：中国科学技术大学出版社，1996 5、殷际英． 光机电一体化实用技术[Ｍ]．北京：化学工业出版社，2003 6、梁景凯． 机电一体化技术与系统 机械工业出版社2009.4 7、张铮，机电控制与PLC ． 机械工业出版社2004.4