全利用零排放的桂圆清洗控制系统设计与试验

王 玮，刘泽良，王 刚，黄毅华

（杭州娃哈哈精密机械有限公司，杭州 310018）

0 引言

目前，八宝粥生产线中的冰冻桂圆肉解冻发泡工艺是用3种夹层锅加热预煮桂圆，而之后桂圆果肉清洗全依靠人工对单个桂圆中的毛发、果壳、石子等杂物进行挑拣。随着八宝粥整线设备自动化程度提高，老式发泡清洗工段已经严重影响整线自动化水平，而且过多的人工干预并不利于产品质量标准保证，夹层锅设备升温预煮也有蒸汽能耗过大、纯水消耗、糖水浪费等问题。

针对以上问题，国内外学者有对这类清洗装置进行研究。陈育辉[1]提出了水汽浴与超声波技术在蔬菜清洗中实现机理的理论依据，但未对桂圆或较硬物体清洗机理进行总结。马雪飞等[2]针对整叶类蔬菜，进行水汽浴理论研究，分析了清洗量、清洗时间、汽浴强度等对清洗率与破损率影响，但没有考虑加入超声波技术。丁羽等[3]设计利用喷淋与超声波技术的红枣连续清洗装置，试验得出红枣清洗的最佳超声波电气特性，对桂圆清洗有一定参考意义。MULUGATE等[4]利用热水喷淋等技术制作土豆清洗设备，对土豆表面有良好清洗效果。

本文利用水汽浴、超声波及热喷淋等技术交叉作用，并结合原桂圆发泡清洗工艺，设计一种集预煮、清洗、发泡以及多级水回收利用，可实现糖水和热能高效利用的桂圆清洗控制系统。

1 设备系统组成与工艺设计

桂圆清洗系统分成6个模块，即桂圆投放系统、预煮系统、漂洗系统、翻滚喷淋廊道、搅拌系统和水回收暂存系统等。

1.1 桂圆投放系统

系统实现冰冻桂圆投放自动控制。由于冰冻桂圆初始为压缩块状物体（类似方砖形式），每次投入计量依据预煮池大小进行设定，自动控制加快整体设备工作效率，也避免操作人员在投入桂圆干块时被烫伤风险。

1.2 预煮系统

系统主要由预煮池及升温管路设备构成。在预煮池内部，溢流面上方安装热水循环喷淋系统，溢流面下方安装超声波发生器设备，水池底部安装水汽浴设备[5]，如图1所示。

图1 预煮系统原理图Fig.1 Schematic diagram of pre-cooking system

热水循环喷淋系统由温度和液位传感器、预煮喷淋水泵和蒸汽加热器组件等组成。在预煮生产过程中，预煮池内补水主要来自漂洗池回水，并进行实时加温，实现水温恒定控制[6-8]；在多次预煮结束后，预煮池水可以过滤后输入暂存罐，此后补水主要来自于配料系统中热水罐。热水循环喷淋系统作用在于：（1）控制水温，降低能耗，使得桂圆肉干尽快发泡；（2）水面上方喷淋可以对预煮池上层桂圆肉进行冲刷翻腾清洗；（3）方向性的喷淋可以使预煮池内桂圆肉进行流动，保证所有桂圆清洗的机会；（4）回收糖水，最终实现所有清洗水零排放全部进入配料系统，保证桂圆糖分留存，增加产品口感。

超声波发生器设备兼顾发泡和清洗2种功能。其原理在于超声波本身具有的能量作用、空穴破坏能量作用[9-11]，由于喷淋系统加入，超声波发生器对水流的搅拌作用非常小。超声波的能量作用原理为利用水浴中能量传导快于空气介质，把绝大部分能量传导到更远水域，造成预煮池水内质点分布不匀，水质点根据分布致密区域内的正、负声压获得随机动能，使桂圆肉内石子、毛发、果壳等杂质从果肉中分离出来，并且不停的碰撞可以使得冰冻桂圆尽快解冻升温，发泡完成。而空穴破坏能量与水汽浴设备喷出的大型连续气泡相互作用，全角度冲击桂圆肉内的杂物，达到去污效果。

水汽浴设备主要由大功率风机、喷嘴和滤网等组成，实现预煮池从下到上冒泡的功能[12]。此设备作用：（1）压缩空气由水底部向水面喷射，加强预煮池水上下层流动；（2）气泡爆气的作用可以振动桂圆内外部附着污物，使其脱落；（3）间断性改变风机频率，有助于小体积大比重杂质在爆气过程中沉降。

1.3 漂洗系统

系统主要由漂洗池与清洗毛刷组成。内部亦有水回收系统、热水循环喷淋系统和水汽浴设备等。水回收系统可以在预煮系统生产中根据预煮池液位情况自动补水，热水循环喷淋系统可以在漂洗池工作时进行循环喷淋，配合多组毛刷对果肉进行清洗。漂洗系统水汽浴设备与预煮系统水汽浴设备类似，实现相同功能。

1.4 翻滚喷淋廊道

喷淋廊道中每个桂圆从高处沿着毛刷不停翻滚落下，毛刷与桂圆不停碰撞弹跳。与毛刷形成直角的喷淋水一直工作，从正面再次清洗桂圆，达到分离杂物效果。此系统中水根据漂洗池液位情况，过滤后自动补充入漂洗系统中。

1.5 搅拌系统

搅拌系统主要由搅拌池、搅拌杆和搅拌电机组成，利用翻腾原理完成对桂圆清洗和留存。

1.6 水回收暂存系统

系统主要由暂存罐及其附属设备组成，预煮池的水经过滤后最终输入暂存罐中，等待配料系统取用。

1.7 全利用零排放系统工艺设计

冰冻桂圆从桂圆投放系统中堆垛保存，自动投入预煮系统中，于发泡清洗后，经过漂洗系统、翻滚喷淋廊道、搅拌系统，最终在桂圆暂存出口结束清洗过程。预煮系统和漂洗系统由外部通入热水及蒸汽，而翻滚喷淋廊道和搅拌系统由外部通入纯水。翻滚喷淋廊道和搅拌系统回水自动输入漂洗系统，漂洗系统回水自动输入预煮系统，预煮系统回水自动输入水回收暂存罐，等待配料系统取用。CIP清洗按要求对预煮系统和水回收暂存系统中的管路及罐体进行热水清洗或者酸碱清洗。所以，清洗后的桂圆水全部回收进入配料系统，没有向污水站排放，最终实现水资源零排放的目的。图2为具体工艺流程图。

图2 桂圆清洗工艺流程图Fig.2 Longan cleaning process flow chart

2 系统硬件与软件设计

2.1 系统硬件设计

系统由西门子1200系列PLC作为主控制器搭建[13]，执行设备包括各类电机、阀岛和超声波发生器等，并与配料系统和CIP清洗系统进行联动控制，与中控系统实现集中控制。现场上位机为西门子KTP400型触摸屏。其中，蒸汽加热为比例阀控制蒸汽进入量大小，由软件实现PID控制与前馈模型（回水系统）设计。设备中通讯方式皆利用西门子Profinet IO总线协议，完成搭建网络系统架构，其中包含10个以太网变频器，如图3所示。

图3 系统网络控制结构图Fig.3 System network control structure diagram

2.2 系统软件设计

软件架构与工艺组成模块类似，主要分为6个部分，即桂圆干投放系统、预煮系统、漂洗系统、翻滚喷淋廊道，搅拌系统和水回收暂存系统。6部分之间有相互联动交互功能，以下主要介绍系统清洗发泡桂圆核心部分（预煮系统和漂洗系统）的控制流程。

当操作人员选定产品种类后，按下启动按钮，设备自动运行。首先对预煮池进行液位检测并进行补水，启动喷淋系统，在喷淋过程中完成升温。在达到最低温度要求后，桂圆肉投放设备自动按预设置值投入桂圆干块。而后，启动超声波发生器和水汽浴鼓泡。若在预煮过程中，预煮池液位降低，则先由漂洗池回水进入预煮池，如果漂洗池液位无法满足回水要求，则直接从配料系统中取热水。当预煮池水温达到设定温度一段时间后，默认为预煮清洗发泡结束，关闭超声波发生器和水汽浴鼓泡。通过预煮输送链板把该批完成发泡的桂圆按预设节拍送入漂洗池。在预煮输送节拍完成后默认为预煮阶段结束，若达到预煮池回水次数要求，将把预煮池水按最低液位输入暂存罐，否则，桂圆肉投放设备会按情况重新投入新的桂圆干块，开启新的预煮程序。预煮系统程序如图4所示。

图4 预煮系统控制流程图Fig.4 Pre-cooking system control flow chart

与预煮系统类似，漂洗系统在设备启动后，对漂洗池进行液位检测并进行补水。在预煮输送链板启动后，启动水汽浴鼓泡、水泵喷淋加热和毛刷运行。而漂洗输送链板按预设节拍接受预煮池里的桂圆，并进行来回输送运动。在来回输送桂圆过程中，水汽浴、毛刷和喷淋等共同作用完成清洗洁净桂圆目的，同时也向后道翻滚喷淋廊道输送桂圆。如果预设漂洗输送链板节拍结束，默认为漂洗功能结束，停止水汽浴鼓泡、水泵喷淋加热和毛刷运行，改为向预煮池自动补水，等待下一次预煮发泡完成。漂洗系统程序如图5所示。

图5 漂洗系统控制流程图Fig.5 Rinsing system control flow chart

3 试验与分析

3.1 发泡效率分析

桂圆发泡是指经烘烤风干后冰冻储存的新鲜桂圆肉，在八宝粥生产过程中重新发泡的过程。由于罐装八宝粥生产中后道需要进行蒸煮罐加热，所以对前道清洗中桂圆发泡效果要求为桂圆充分吸水胀开，果肉与果核分离。桂圆发泡前后对比如图6所示。

图6 桂圆发泡前后对比Fig.6 Longan comparison before and after foaming

因为在低温水中，冰冻桂圆经过长时间浸泡也能达到良好发泡效果，所以影响发泡效果的关键因素为时间。因此从超声波对发泡时间影响和温度对发泡时间影响2方面进行测试。

3.1.1 超声波对发泡时间影响

试验以预煮水池水温85 ℃，漂洗水池水温50 ℃为条件，对超声波发生器的频率和电流对发泡时间影响进行测试，分别取15，20，25和30 kHz 4组频率，在每个频率的不同电流对发泡时间进行记录。数据结果如图7所示。结果显示，超声波电流＜7 A时，电流增大对发泡时间有明显影响；超声波电流≥7 A时，电流增大对发泡时间未见明显影响。超声波频率＜25 kHz时，频率增大对发泡时间有明显影响；超声波频率≥25 kHz时，频率增大对发泡时间未见明显影响。所以，对于桂圆一类的较硬果类，超声波的小电流有良好发泡效果，可以选取超声波频率为25 kHz，功率为1.5 kW较为适宜。

图7 超声波数据记录图Fig.7 Ultrasonic data recording chart

3.1.2 温度对发泡时间影响

试验以超声波频率为25 kHz，功率为1.5 kW为条件，对预煮池水温度与发泡时间影响进行测试。数据结果如图8所示。结果显示，水温对桂圆发泡时间影响较大。在温度＜80 ℃时，发泡时间增加明显。在温度≥80 ℃时，发泡时间增加不明显。由参考文献[14]中的公式可知，如果设备机械结构与外部供水供热条件一定，能耗与温度设定值存在正比线性关系。根据图8结果，选取80℃作为发泡池水温度较为经济合适。

图8 水温数据记录图Fig.8 Water temperature data record chart

3.2 清洗效果分析

试验选取相同批次冰冻桂圆块，分别使用人工挑拣清洗与全自动系统清洗。系统设定预煮水温80 ℃，漂洗水温50 ℃，超声波发生器频率25 kHz、功率 1.5 kW。通过后道人工二次筛检，对毛发、塑料丝、石子和虫子等数据进行记录。具体如表1所示。

表1 清洗效果比较Tab.1 Cleaning effect comparison

通过以上数据分析，使用该系统后对毛发、石子类清除效果有改进，分别降低22%和40%；而塑料丝、虫子类杂质清除效果无改进，分别上升19%和33%。综合来看，虽然系统对部分杂物分离存在困难，但是也与人工挑拣效果相接近，其中毛发、石子类清除效果优于人工清洗。所以，增加后道人工二次筛检工位，产品质检风险肯定会低于2次人工挑拣清洗方式。

3.3 生产成本分析

系统生产成本主要由电能损耗、纯水损耗、热水损耗、原糖节省、低压气损耗、蒸汽损耗，清洗损耗和人力成本等组成。试验条件为2条八宝粥线连续生产24小时，所有时间也按工艺要求包含CIP清洗、设备清洗以及回水等待时间等。通过流量表、电能表和发货表等读数，实际测得以上7类能耗，并按当地实发工资，估算人力成本，最终进行综合生产成本统计。统计结果如表2所示。

表2 系统成本比较Tab.2 System cost comparison

其中，热水损耗和纯水损耗由于暂存罐糖水重新输入配料系统，而暂存罐水与热水罐水温度相差不大，所以认为无热水损耗。按工艺要求，蔗糖节省标准为100公斤桂圆水可以替代5公斤蔗糖；清洗损耗在系统改进后，增加CIP清洗为10天1次，单班清洗1天2次。成本计算如下式：

式中 P ——总体生产成本值；

αi——单项权重计算值。

根据当地工业实际情况，对αi分别取值为α1=1.8，α2=2.7，α3=5，α4=-5，α5=1，α6=220，α7=200，α8=342。

计算可得，P前=8 975，P后=3 009.4。可以看出，改进后桂圆清洗系统可以节约生产成本将近2/3，其中大部分节约来自于蔗糖节省、蒸汽消耗与人工成本。

4 结语

（1）针对清洗及发泡桂圆综合能耗高，自动化程度低的情况，设计一种利用水汽浴、超声波和热喷淋等技术共同作用的桂圆清洗控制系统。该系统可与CIP清洗系统、配料系统做联动控制，与中控系统做集中控制，并且在桂圆清洗生产过程中，无需人工干预，系统自动化程度较高。

（2）从3组试验数据分析可知，系统提高桂圆清洗效果，能对发泡效率优化控制，水温80 ℃，超声波发生器频率 25 kHz、功率 1.5 kW，最终综合生产成本降低2/3。

（3）与其他农产品清洗不同，依据清洗桂圆水可回收的特殊性，新设计系统在满足清洗发泡桂圆同时，增加水回收系统，合理降低蔗糖原料消耗，增加产品口感。展望未来，此系统存在非常大的市场应用前景。