樓 彬 沈焱鑫 申 進(jìn)

（1.嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江嘉興，314000；2.上海美睿智能科技有限公司，上海奉賢，201400；3.無錫睿控物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司，江蘇無錫，214000）

制膏是牙膏生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的工序，傳統(tǒng)的制膏方式，需要大量人工的參與，進(jìn)行配料、稱重和投料，不僅工作效率低，而且會(huì)增加不必要的浪費(fèi)，生產(chǎn)質(zhì)量也得不到根本保障。隨著智能化水平的不斷提升，各種自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，各種不同類型的制膏設(shè)備相繼問世，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求將不同的原材料投入到制膏設(shè)備中，經(jīng)剪切、攪拌等程序混合在一起。但是，混合過程中的不可控因素很多，混料過程中存在混合不均勻、混料功能單一等缺點(diǎn)，這就需要對(duì)制膏設(shè)備進(jìn)行完善和改進(jìn)[1-4]。

本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、控制科學(xué)等技術(shù)，建立了基于工藝配方管理的制膏智能自控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)制膏過程的透明化、可視化、智能化，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，同時(shí)工藝配方可以進(jìn)行預(yù)設(shè)并進(jìn)行版本管理，滿足不同產(chǎn)品的生產(chǎn)需求。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

制膏就是快速、均勻地將一個(gè)相或多個(gè)相(液體、固體、氣體)糅合的過程。在通常情況下各個(gè)相是互不相溶的，通過高速機(jī)械攪拌，促使不相溶的固相、液相、氣相在相應(yīng)成熟工藝和適量添加劑的共同作用下，瞬間均勻精細(xì)地分散乳化，經(jīng)過高頻的循環(huán)往復(fù)，最終得到穩(wěn)定的高品質(zhì)產(chǎn)品。本系統(tǒng)的總體架構(gòu)由水相鍋、油相鍋、預(yù)混鍋（根據(jù)要求定制）、乳化鍋、控制柜組成，系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

其中，水相鍋用來溶解水液料，原料一般性為純水+小料等水性溶劑。油相鍋用來溶解油料，一般性為山梨醇、PEG(聚乙二醇)、甘油等濕潤(rùn)劑。某些廠家要求水相鍋與油相鍋合二為一，稱預(yù)混鍋。乳化鍋用來實(shí)現(xiàn)主要工藝的場(chǎng)景，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)組成為刮板攪拌、快速攪拌、均質(zhì)攪拌、真空控制（吸料+除泡）、香精添加。粉倉(cāng)用來存儲(chǔ)碳酸鈣、磷酸氫鈣、焦磷酸鈣、水合硅石等摩擦劑，粉料投遞（稱重）采用人工投料或真空自動(dòng)吸料。該系統(tǒng)在電氣化控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合PLC可編程智能控制，實(shí)現(xiàn)不同工藝配方管理的制膏自控系統(tǒng)。系統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程見圖2。

圖2 系統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程圖

系統(tǒng)操作工藝步驟如下。

（1）在水相鍋加入水，加入糖精鈉等水溶性原料后開攪拌電機(jī)，攪拌10～12 min至物料溶解均勻。

（2）在油相鍋加入山梨醇等，加入鈦白粉等小料后開攪拌電機(jī)，攪拌5～7 min至物料混合均勻。

（3）開啟粉倉(cāng)混合攪拌電機(jī)，投入摩擦劑、增稠劑等粉料。

（4）開啟主機(jī)真空泵，當(dāng)真空度達(dá)到-0.050～-0.030 Mpa時(shí)，開啟進(jìn)水閥吸入水相鍋溶液，待水相鍋溶液吸入完畢后，開啟刮板再將油相鍋溶液吸入主機(jī)。

（5）完成步驟（4）后開啟雙高速攪拌電機(jī)在真空度達(dá)-0.065 MPa或-0.070 MPa時(shí)開始吸入粉倉(cāng)粉料，主機(jī)程序控制進(jìn)粉，在真空度下降至-0.050 MPa時(shí)暫停吸粉，待真空度重新達(dá)到-0.060 MPa或-0.070 MPa時(shí)繼續(xù)吸粉，如此重復(fù)直至稱重模塊為0，至此粉料吸料完畢（吸粉時(shí)間3～5 min）。

（6）粉料吸完后開啟均質(zhì)機(jī)，在真空達(dá)-0.092 MPa以上時(shí)強(qiáng)力攪拌15 min。

（7）完成步驟（6）后打開香精斗閥門加入香精，香精吸完后關(guān)閉均質(zhì)機(jī)同時(shí)維持真空達(dá)-0.094 MPa以上繼續(xù)攪拌（開刮板及雙高速盤）脫氣10 min。

備注：如有加薄荷微丸或愛心亮片脫氣10 min后需開蓋加入，然后保持真空達(dá)-0.092 MPa以上僅開刮板攪拌5 min。

（8）完成步驟（7）后關(guān)閉雙高速攪拌電機(jī)、刮板電機(jī)、破真空、關(guān)真空泵，升鍋蓋取樣檢測(cè)，檢測(cè)合格后出料（膏體溫度≤40℃）。

2 硬件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)工藝要求，每套制膏智能自控系統(tǒng)配置：一臺(tái)水相鍋，一臺(tái)油相鍋，一臺(tái)預(yù)混鍋（根據(jù)要求定制），一臺(tái)乳化鍋，一臺(tái)粉倉(cāng)，具體容量大小可根據(jù)要求個(gè)性化定制。此外，系統(tǒng)配備了一臺(tái)星形下料發(fā)送器，一臺(tái)震動(dòng)投料裝置，一臺(tái)粉料除塵回料裝置。粉塵吸收回收裝置自動(dòng)把投粉過程中吸收的粉塵、粉料反吹回粉攪拌倉(cāng)，保證粉料的不浪費(fèi)，保證上一鍋的配方粉料與下一鍋粉料不交叉污染，既保證了環(huán)境衛(wèi)生，又保證了投料的精準(zhǔn)性。系統(tǒng)設(shè)備配置見圖3，系統(tǒng)主要設(shè)備清單見表1。

圖3 系統(tǒng)設(shè)備配置圖

表1 系統(tǒng)主要設(shè)備清單

續(xù)表1 系統(tǒng)主要設(shè)備清單

3 軟件實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)支持用戶自定義配方的柔性生產(chǎn)，數(shù)據(jù)流通過數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型與西門子PLC結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型相對(duì)應(yīng)獲取。生產(chǎn)過程通過數(shù)據(jù)流定義，反復(fù)執(zhí)行面向過程的自定義工藝步驟，直到捕捉到工藝步序等于預(yù)設(shè)工藝步序。生產(chǎn)完畢后，系統(tǒng)主動(dòng)提示操作人員進(jìn)行化驗(yàn)步序，化驗(yàn)結(jié)果如不符合指標(biāo)，可無縫切換至人工調(diào)整模式，直至產(chǎn)品符合生產(chǎn)要求。產(chǎn)品符合化驗(yàn)指標(biāo)，主動(dòng)提示出料，至此產(chǎn)品生產(chǎn)完成。系統(tǒng)軟件部分的總體流程見圖4。

圖4 系統(tǒng)軟件部分的總體流程

系統(tǒng)主界面見圖5，可顯示水相鍋、油相鍋、乳化鍋、粉倉(cāng)狀態(tài)及各閥門狀態(tài)。系統(tǒng)的工作模式主要有手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)模式。根據(jù)不同的工藝配方，在參數(shù)設(shè)置區(qū)域內(nèi)設(shè)置相關(guān)的任務(wù)及參數(shù)。全部配方任務(wù)及參數(shù)設(shè)置完畢后，輸入配方號(hào)及配方名稱，點(diǎn)擊創(chuàng)建配方，用于在數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建此配方，并且能對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改完成配方的更新。如需查詢存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的工藝配方，可啟用報(bào)表查詢功能。

圖5 系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常情況，可點(diǎn)擊“暫?！卑粹o，暫停運(yùn)行，處理完畢后長(zhǎng)按2s“再繼續(xù)”按鈕，系統(tǒng)即可繼續(xù)運(yùn)行。報(bào)警界面，記錄了設(shè)備所有報(bào)警信息，用于查詢報(bào)警記錄。當(dāng)有報(bào)警時(shí)設(shè)備不能進(jìn)行下一步操作，需要在此處點(diǎn)擊報(bào)警復(fù)位，報(bào)警界面見圖6。實(shí)時(shí)監(jiān)控采集生產(chǎn)過程中的執(zhí)行情況，對(duì)于異常情況，提前發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理，從而減少損失，事后做好分析，持續(xù)改善產(chǎn)品質(zhì)量。

圖6 報(bào)警界面

4 結(jié)語

本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，搭建了基于工藝配方管理的制膏智能自控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)不同的生產(chǎn)工藝要求，滿足客戶的個(gè)性化需求，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程全自動(dòng)化控制和程序化管理，能夠進(jìn)行生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)記錄和遠(yuǎn)程監(jiān)控，生產(chǎn)可追溯，進(jìn)而形成全面的正反向追溯體系，提升生產(chǎn)效率的同時(shí)，還能有效保證產(chǎn)品質(zhì)量。