（机械制造及其自动化专业论文）豆腐皮机械化生产线的设计.pdf

浙江大学硕t 学位论文 摘要 摘要 豆腐皮含有丰富的植物蛋白质和多种维生素，是豆制品中的精华。随着豆腐 皮日益受到广大消费者的青睐，如何实现豆腐皮生产加工的机械化与自动化，已 成为人们关注的焦点。本文结合浙江省科技重点攻关项目“豆腐皮机械化生产关 键装备和工艺技术的研究，在详细分析豆腐皮加工工艺流程基础上，进行豆腐 皮机械化生产设备的设计研发工作，并从提高效率和质量的角度入手，采用嵌入 式控制系统实现对生产过程关键参数的自动化控制。论文的主要研究内容和相关 章节如下： 第一章阐述了豆腐皮生产的研究现状，论述了豆腐皮的成膜机理、成膜过程 中的关键影响因素以及因素控制等方面的研究现状和存在的问题，介绍了嵌入式 控制系统的开发过程，提出了论文的主要研究内容，最后给出了论文的总体结构。 第二章在分析了豆腐皮机械化生产线的设计要求的基础上，分析了豆腐皮生 产线的工作流程，阐述了生产线的总体组成方案，确定了生产线的关键部件，分 析了生产线各组成部分的功能及其相互关系，给出了总体结构设计，分析了控制 系统的结构及其工作流程，进行了控制系统软硬件的总体设计。 第三章介绍了豆腐皮机生产线机械部分的详细设计。根据豆腐皮的成膜机理 以及成膜过程中的关键影响因素，对生产线关键机械部件进行了详细设计，给出 了进浆系统、结皮系统、回浆系统、烘干系统、切割系统五个重要模块的具体设 计方案。 第四章在确定豆浆液温度、浓度控制系统框架的基础上，对控制系统的硬件 进行了详细的设计，给出了电源电路、时钟与复位电路、键盘与显示电路、输出 控制电路等具体电路。 第五章根据控制系统总体设计方案，设计了豆浆液温度、浓度控制软件，以 温度控制为例，对其模糊自适应p i d 控制器进行了详细的设计，得到了输出变量 的模糊调整控制表，最后给出了模糊自适应p i d 控制、温度采集等程序工作流程 及算法实现。 第六章回顾与总结了全文的主要研究内容，归纳了本文的主要研究成果，并 浙江大学硕上学位论文 摘要 对今后的研究工作作了展望。 关键词：豆腐皮，生产线，关键部件，控制系统，模糊自适应p i d 控制器 i l 浙江大学硕上学位论文a b s t t a c t a b s t r a c t s o y b e a nm i l ks k i nc o n t a i n sp l e n t yo fp l a n tp r o t e i n sa n dv i t a m i n sa n di st h e e s s e n c eo fb e a np r o d u c t s a ss o y b e a nm i l ks k i nb e c o m e sm o r ea n dm o r ep o p u l a r a m o n gc o n s u m e r s ，p e o p l en o w a r ef o c u s i n go nh o wt or e a l i z et h em e c h a n i z a t i o na n d a u t o m a t i o no fs o y b e a nm i l ks k i np r o d u c t i o na n dp r o c e s s i n g s u p p o r t e db yt h e s c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i cp r o j e c to fz h e j i a n gp r o v i n c e r e s e a r c ho nk e ye q u i p m e n t a n dp r o c e s st e c h n o l o g yo fm e c h a n i z a t i o ni ns o y b e a nm i l ks k i np r o d u c t i o n ，t h e p r o d u c t i o ne q u i p m e n ti sd e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o na c c o r d i n gt ot h ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g yo fs o y b e a nm i l ks k i na n df r o mt h ev i e wo fe f f i c i e n c ya n dq u a l i t y i m p r o v e m e n t ，e m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mi sa d o p t e d t om a k ek e yp a r a m e t e r s a u t o - c o n t r o ld u r i n gt h es o y b e a nm i l ks k i np r o d u c t i o np r o c e s s t h em a j o rc o n t e n t so f t h er e s e a r c ha n dt h er e l a t i v ec h a p t e r so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： i nc h a p t e ro n e ，t h er e s e a r c hs t a t u so fs o y b e a nm i l ks k i np r o d u c t i o ni se x p a t i a t e d t h ef i l mf o r m a t i o nm e c h a n i s mo fs o y b e a nm i l ks k i n , t h ek e yi n f l u e n t i a lf a c t o r s d u r i n gt h ep r o d u c t i o np r o c e s sa n dt h e r e s e a r c hs t a t u sa n dp r o b l e m so ft h ek e y i n f l u e n t i a lf a c t o r s c o n t r o la r ed i s s e r t a t e d t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fe m b e d d e d c o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e d t h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ep r o p o s e d f i n a l l y , t h es t r u c t u r eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni sg i v e n i nc h a p t e rt w o ，t h eg e n e r a ls c h e m ed e s i g no ft h em e c h a n i z e dp r o d u c t i o nl i n eo f s o y b e a nm i l ks k i ni sg i v e no nt h eb a s i so fd e s i g nr e q u i r e m e n t s t h ef u n c t i o n so fe a c h p a r to ft h ep r o d u c t i o nl i n ea n dt h e i ri n t e r r e l a t i o n s a r ei n t r o d u c e da n dt h eg e n e r a l s t r u c t u r ed e s i g ni sg i v e n t h es t r u c t u r eo fe m b e d d e dc o n t r o ls y s t e ma n di t sw o r k i n g f l o wa r ea n a l y z e d t h eg e n e r a ld e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m i sg i v e n i nc h a p t e rt h r e e ，t h ed e t a i l e dd e s i g no fm e c h a n i c a lp a r to ft h em e c h a n i z e d p r o d u c t i o nl i n eo fs o y b e a nm i l ks k i ni si n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h ef i l mf o r m a t i o n m e c h a n i s mo fs o y b e a nm i l ks k i na n dt h ek e yi n f l u e n t i a lf a c t o r sd u r i n gt h ep r o d u c t i o n p r o c e s s ，t h ek e yc o m p o n e n t so ft h ep r o d u c t i o nl i n ea r ed e s i g n e di nd e t a i l s t h ed e s i g n i i i 浙江大学硕士学位论文 a b s 仃a m s c h e m e so ff i v ei m p o r t a n tm e c h a n i c a lm o d u l e s ，i n c l u d i n gs o y b e a nm i l k e n t e r i n g s y s t e m ，f i l mf o r m a t i o ns y s t e m ，s o y b e a nm i l kr e f l u xs y s t e m ，d r y i n gs y s t e ma n dc u t t i n g s y s t e ma r eg i v e n i nc h a p t e rf o u r , h a r d w a l eo ft h et e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o nc o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e di nd e t a i l so i lt h eb a s i so ft h eg e n e r a lf r a m e w o r k t h ep o w e rc i r c u i t ，c l o c k a n dr e s e tc i r c u i t ，k e y b o a r da n d d i s p l a yc i r c u i ta n do u t p u tc o n t r o lc i r c u i ta l eg i v e n i n c h a p t e rf i v e ，a c c o r d i n gt ot h eg e n e r a ld e s i g ns c h e m e ，s o f t w a r eo ft h e t e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o nc o n t r o ls y s t e ma l ed e s i g n e di n d e t a i l s t a k i n g t e m p e r a t u r ec o n t r o la sa ne x a m p l e ，t h ed e t a i l e dd e s i g no ff u z z ys e l f - a d a p t i v ep i d c o n t r o l l e ri sg i v e na n dt h ef u z z yc o n t r o lt a b l e so ft h eo u t p u tv a r i a b l e sa l eo b t a i n e d f i n a l l y , t h ef l o wc h a r t sa n dt h ea l g o r i t h mi m p l e m e n t a t i o n so ft h ef u z z ys e l f - a d a p t i v e p i dc o n t r o la l g o r i t h mp r o g r a m ，t e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o np r o g r a ma l eg i v e n i nc h a p t e rs i x ，t h er e v i e wa n dc o n c l u s i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o n 锄es u m m a r i z e da n d t h ep r o s p e c to fr e s e a r c hw o r ki ss k e t c h e do u t k e y w o r d s ：s o y b e a nm i l ks k i n ，p r o d u c t i o nl i n e ，k e yc o m p o n e n t ，c o n t r o ls y s t e m ， f u z z ys e l f - a d a p t i v ep i dc o n t r o l l e r i v 学号2 q 鱼q 昼q 垒塞 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 硌夼丸动蝴期一壮歹肌日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸望盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 绵办劝 导师签名： 签字日期：j 口口孑年彳月，土日 签字日期： 铂旃新 i 小埘年，月，j 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：电话： 通讯地址：邮编 浙江大学硕上学位论文第一章绪论 第一章绪论 摘要：本章阐述了豆腐皮传统手工生产的加工流程及其机械化生产的研究现状， 论述了豆腐皮的成膜机理和成膜过程中的关键影响因素，分析了温度和浓度控制 的研究现状，讨论了嵌入式系统的开发过程，提出了论文的主要研究内容，最后 给出了论文的总体结构。 1 1 引言 豆腐皮是我国的传统特产之一，在我国已有1 3 0 0 多年的生产历史。豆腐皮， 又名豆腐衣，是豆浆中的蛋白质与空气中的氧份自然结合而形成的胶质膜，含有 丰富的植物蛋白质和人体所需多种维生素，是豆制品中的精华。其中蛋白质含量 约占4 2 0 o , - - 5 0 左右，脂肪占2 8 ，且绝大部分是不饱和脂肪酸，碳水化合物约 1 3 ，还有人体所需的各种微量元素，不含胆固醇1 】【2 】，而且，豆腐皮中所含的 蛋白质人体吸收率接近于1 0 0 1 3 1 。中医理论认为，豆腐皮性平味甘，有清热润 肺、止咳消痰、养胃、解毒、止汗等功效。明代伟大的药物学家和博物学家李时 珍所著的本草纲目中对豆腐皮有如下描述【4 】：“豆腐之法，始于汉淮南王刘 安。凡黑豆、黄豆及白豆、泥豆、豌豆、绿豆之类皆可为之。造法：水浸磴碎， 滤去滓，煎成，以盐卤汁或山矾汁、或酸浆醋淀，就釜收之。又有入缸内，以石 膏末收者。大抵得苦、咸、酸、辛之物，皆可收敛耳。其面上凝结者，揭取晾干， 名豆腐皮。”该书上说，大豆用水浸泡、碾碎、滤渣、煎成，其面上凝结者揭取 晾干，便制作成豆腐皮。这种制作方法和现在的制作工艺有着惊人的相似，只是 后期处理有所不用而已。因此可知，古人很早就知道豆腐皮的制作方法。 豆腐皮的生产加工长期以来一直采用手工的方式，传统手工制作的豆腐皮厚 薄不均、破损严重、成品合格率一般在6 5 左右，并且由于采用手工操作，劳动 强度大，生产效率低，成品质量特别是卫生指标较难保证，从而制约了该行业的 发展。近年来，豆腐皮的市场销售越来越广阔，随着生活水平的提高和消费者观 念的改变，人们对豆腐皮的品质和卫生指标相对有了更高的要求，国家在2 0 0 3 年颁布了非发酵型豆制品及面筋卫生标准的强制标准，对豆腐皮等豆制品的 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 微生物、重金属和食品添加剂等指标提出了具体的要求。同时随着食品q s 认证 的全面展开，手工作坊的豆腐皮生产方式将无法满足现代食品生产的要求，因此 急需开发豆腐皮加工的成套设备，同时研究与之相应的加工工艺，从而使其生产 加工过程实现机械化、自动化，提高劳动生产率，改善成品质量，使豆腐皮的生 产能够满足国内外市场的需求。 1 2 豆腐皮机械化生产线研究 1 2 1 豆腐皮传统手工生产加工流程 传统手工制作豆腐皮的加工工艺比较复杂，从生产过程来看，主要有选料、 浸泡、磨浆、滤浆、煮浆、提竹、烘干、回软等主要工艺流程【5 叨。 1 选料 制作豆腐皮的主要原料为大豆，选择皮色淡黄的大豆，通过过筛清除劣豆、 杂质和砂土，使其纯净，然后置于电动磨中，去掉豆衣。 2 浸泡 把去衣后的大豆放入缸或桶内，加入清水浸泡，让豆粒膨胀。浸水时间根据 温度的高低而有所不同。 3 磨浆 采用砂轮磨把大豆磨碎，此过程需加水，加水量的多少会直接影响到蛋白质 提取率以及豆浆液的浓度，进而影响产品质量。 4 滤浆 用热水冲洗豆浆，并搅拌均匀，把豆浆倒入吊袋内，摇晃吊袋进行滤浆，经 过三次滤浆就可以把豆浆沥尽。 5 煮浆 煮浆是豆腐皮制作过程中最关键的一个环节。煮浆的目的是通过高温清除大 豆的豆腥味和苦涩味，增加大豆的香味，并且提高蛋白质消化率。此外，通过高 温作用，能够使蛋白质得到充分变性，为后续过程创造必要的条件。 6 提竹 将豆浆倒入平底锅内，大约5 分钟后，豆浆表面就会自然结成一层薄膜，即 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 为豆腐皮。用竹竿沿着锅边挑起，使豆腐皮成竹条状。 7 烘干 烘干是为了除去豆腐皮中过多的水分，保持6 0 0c 左右的温度对豆腐皮进行 烘干。温度过高，会影响产品色泽。 8 回软 采用自然降温、回软。对于过干的豆腐皮，也可以采用适当喷水回软。 1 2 2 豆腐皮机械化生产研究现状 长期以来，为了进一步提高豆腐皮产品的质量以及加工生产效率，人们对其 机械化生产进行了一定程度的研究。豆腐皮机械化生产加工基本上是在遵循传统 手工加工豆腐皮制作工艺的基础上，通过对机械化加工设备的设计研制以及对相 应工艺参数的自动控制，达到豆腐皮的机械化生产。 目前，国内关于豆腐皮的连续结皮工艺和机械化生产设备的研究方面已有一 些相关的报道，并有专利申请。从公开的专利和检索的资料来看，豆腐皮加工设 备从单一的结皮锅至具有一定自动化程度的生产机械均有。归纳起来，主要有以 下三类： 1 连续结皮锅 豆腐皮连续结皮锅是对传统的间歇性结皮锅进行改进后的产品。该结皮锅的 主要组成部分是一个盛放豆浆的容器，容器为一长槽，将豆浆倒入槽中，使得豆 浆表面呈长条形，有利于豆腐皮的连续生产，并且能够保证豆腐皮形状的要求。 在长槽形容器内用隔板将容器分为两个结皮区，隔板端开有空隙。一方面，两个 结皮区可以分别从两端同时拉皮，从而提高了生产效率；另一方面，隔板上开有 空隙，供豆浆流动，可以增加豆浆表面与空气的接触。此外，在隔板上还装有泵， 能够加快豆浆的流动。容器外配有加热装置，由蒸汽管、夹套、保温层和罩壳组 成。 该结皮锅结构简单，豆浆流动性较好，与空气接触效果较好，可以实现连续 结皮，从而在一定程度上减少了工人的劳动强度，提高了劳动生产效率。配有烘 干设备，可以使豆腐皮实现自动烘干。 2 改进工艺采用连续式生产设备 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 此种连续式生产设备主要是采用改进工艺对豆腐皮进行生产，方法主要包括 悬浮法、喷淋法、滚筒法和浇注法等。 用这些方法生产出来的最终产品主要是一些类似于豆腐皮的薄膜状豆制品， 而并非传统意义上的蛋白质与空气中的氧份自然结合形成的胶质膜。 3 传统工艺采用连续式生产设备 此种连续式生产设备采用传统工艺，但是由于没有能够实现设备与工艺的具 体配合，以及针对性地解决豆腐皮生产的关键问题，因此大部分的设备脱离生产 现实，无法实现产业化生产。同时整体机械化研究水平还不高，缺乏对整个成膜 过程的有效控制。 从以上专利申请情况中可以看出，目前豆腐皮生产加工行业在机械化及产业 化方面仍然存在许多亟待解决的问题。比如，如何进一步实现生产加工的机械化、 自动化，以提高生产效率，如何在豆腐皮生产加工过程中实现对豆浆的温度和浓 度等关键工艺参数的控制，从而保证豆腐皮的产品质量等等。 1 3 豆腐皮机械化生产工艺技术研究 1 3 1 豆腐皮成膜机理 豆浆是一种含有乳浊液、胶体、真溶液三种分散体系的复杂分散系，在此分 散体系中，蛋白质是决定豆腐皮整个结皮过程成功与否的关键。 豆浆在正常情况下不会发生凝结，处于一个较稳定的状态。对豆浆进行加热 处理后，豆浆中的蛋白质发生变性，分子结构发生变化。若豆浆长时间保持在较 高的温度条件下，一方面，豆浆表面的水分不断蒸发，表面蛋白质的浓度相对提 高；另一方面【1 0 1 ，蛋白质分子获得较高的内能，运动加剧，这样使得蛋白质分子 间的接触、碰撞机会增加，蛋白质分子之间互相碰撞发生聚合反应而聚结，同时 以疏水健与脂肪结合从而形成大豆蛋白脂肪薄膜，即豆腐皮。随着时间的推移， 薄膜越结越厚，达到一定的机械强度后便可揭起，而后经人工干燥即成产品。豆 腐皮的形成过程、产品质量的好坏及豆腐皮的产率受大豆的质量、使用的水质、 蛋白质浓度的高低、温度变化等诸多因素的影响【1 1 】【1 2 1 。 4 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 1 3 2 成膜过程关键因素 豆腐皮的成膜过程受到许多因素的影响，比如豆浆液的温度、浓度、深度等 等。在这一方面，国内外的学者作了深入的研究，其中影响豆腐皮成膜过程的主 要工艺参数如下： 1 大豆组分 大豆组分对豆腐皮的凝胶强度具有很大的影响，主要是对豆腐皮抗拉强度、 延伸率和水蒸汽透过率的影响。欧锦强等研究表明【1 3 】，脂肪比例升高，豆腐皮的 抗拉强度、延伸率和透水率都下降；蔗糖比例升高，豆腐皮抗拉强度下降，延伸 率上升，透水率先增后降；含有l l s 蛋白亚基多的豆腐皮，其抗拉强度和阻水性 明显提高，阻水性的提高使其防腐效果更好，货架期更长，l l s 蛋白亚基含量影 响程度要比脂肪和蔗糖大得多。 2 豆浆液温度 在豆腐皮成膜过程中，豆浆液的温度是影响豆腐皮品质和产率的重要因素之 一。豆浆液保持在合适的温度能够为大豆蛋白变性提供足够的热量，即大豆蛋白 聚合所需的聚合能，从而影响蛋白质的凝胶结构以及豆腐皮的品质和产率。 h e r m a n s s o n 研究表吲14 1 ，给大豆蛋白加热，若温度不足以使大豆蛋白解离时， 则形成凝胶结构聚集紧密，不膨松；当加热温度高到足以使大豆球蛋白解离时， 则形成的凝胶结构呈多孔型，截面为空心圆筒形，内部可以充满其它成份。李利 华等研究表明【1 5 】，豆腐皮的产率随着豆浆液温度的升高先增加而后急剧降低，在 8 5 0 c 时达到最大产率。当温度过高，达到9 5 0 c 时，豆浆处于将沸状态，形成的腐豆 腐皮容易形成“鱼眼”。邓瑞君等研究表明【1 6 1 ，温度越高，豆腐皮的颜色越深， 逐步由浅黄变为褐黄。这主要是由于豆浆液中的还原糖与氨基酸发生了美拉德反 应，会使其中某些氨基酸受到损失，从而降低蛋白质的营养质量。 综合考虑，为了保证豆腐皮的品质和产率，合适的豆浆液温度应该控制在 8 5 0 c 。 3 豆浆液浓度 豆浆是一种复杂的分散体系，含有大量蛋白质和脂肪及少量无机盐和糖类， 其中对豆浆性质其决定作用的是蛋白质胶体分散系【1 7 1 。在低浓度时，豆浆浓度 增大，蛋白含量变大，产率也随着增大；但当浓度增大到一定值后，随着豆浆表 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 面水分的蒸发，特别是后期豆浆进一步浓缩，内部二硫键之间无法相互结合，蛋 白也就不能聚合，在豆浆表层就无法形成蛋白质网络结构【1 8 】，从而也就无法成膜， 导致产率降低。 韩智等研究表明【1 9 1 ，在豆浆浓度小于5 5 时，豆腐皮的产率和成膜速度随着 豆浆浓度的增加而增加，当豆浆浓度大于5 5 时，豆腐皮的产率和成膜速度反而 随着豆浆浓度增加而降低。在豆浆浓度在1 1 5 时，豆腐皮产率为零。 豆浆液的浓度对豆腐皮的品质也有很大影响【1 9 】，在浓度低于6 o 时，豆腐 皮颜色亮黄，表面光滑，质地细腻，韧性和弹性也较好；在浓度大于6 0 时， 豆腐皮的品质有很大的降低，颜色变褐黄，质地变软，韧性和弹性也变差。 在豆腐皮生产的整个过程中，需要同时兼顾豆腐皮的产率和品质两方面因 素。综上所述，豆浆液的浓度应该控制在5 5 比较合适。 4 豆浆液深度 豆腐皮的产率随着豆浆液深度的增加在不断增大【1 9 1 ，这主要是由于最后无法 成膜的豆浆所占的比例减少的缘故。但是，当豆浆液的深度超过5 e m 后，虽然 产率还在增加，但是幅度大大降低，成膜速度也在下降。 在实际生产过程中，豆浆液的深度不仅影响到豆腐皮的产率，还会对豆腐皮 的品质产生很大的影响。豆浆液越深，结皮时间就会越长，其中的部分糖类就越 容易分解成还原性糖，与豆浆中的氨基酸产生美拉德反应，最终使产品颜色变黄， 甚至呈现褐色，使产品在感观上变差；而豆浆液较浅时，豆腐皮质量较好，但是 产率很低。 综合考虑，为了能够同时保证豆腐皮的产率以及品质，成型槽中的豆浆液深 度应该控制在5 c m 。 5 豆浆液p h 值 豆浆液p h 值升高有利于豆腐皮的形成，豆腐皮的产率显著提高；但是，豆 浆液p h 值不宜过高，否则在结皮后期会造成豆腐皮颜色加深，影响质量【2 0 l 。 w u l c 和b a t e s r p 2 1 1 2 2 1 也针对豆浆液p h 值对豆腐皮生产的影响作了深 入的研究，认为豆浆液p h 值为9 0 时，豆腐皮的产率最大，但此时产品颜色发黑。 在实际生产中，豆浆液p h 值应以7 0 为宜。 在豆腐皮的生产加工过程中，大豆经过自来水磨浆之后，豆浆液的p h 值都 6 浙江大学硕士学位论文第章绪论 能够保持在7 0 左右。 归纳起来，豆腐皮成膜过程的关键因素如图1 1 所示。 图1 - 1 成膜过程关键因素 1 3 3 关键因素控制系统的研究现状 如上所述，在豆腐皮生产加工过程中，豆浆液的温度、浓度、深度以及p h 值是影响豆腐皮产品质量和产率的关键因素。其中，豆浆液的p h 值都能够保持 在7 0 左右，而且在豆腐皮生产过程中豆浆液的p h 值基本保持不变。豆浆液的 深度也比较容易控制，虽然伴随着豆腐皮的结皮过程会有水分的蒸发使得豆浆液 深度发生变化，但是由于新鲜浆液的不断流入，可以使豆浆液的深度保持不变。 因此，如何控制豆腐皮生产加工过程中豆浆液的温度以及浓度便成为需要解决的 重要问题。 液体的温度和浓度控制问题长期以来一直是人们关注和研究的焦点，科学技 术的不断发展使得这一方面的研究取得了长足的进展。 1 3 3 1 控制装置的发展 在2 0 世纪4 0 年代以前，温度和浓度的控制过程大多处于手工操作状态，操 作工人通过观察以及经验来调整生产过程。 7 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 5 0 年代前后，一些企业实现了仪表控制和局部自动化。 6 0 年代，随着电子技术的迅速发展，企业界开始大量采用单元组合仪表以及 组装仪表，以适应比较复杂的控制系统的需要。 6 0 年代中期，计算机开始应用于控制领域，出现了用计算机实现的直接数字 控制系统和计算机监控系统。 7 0 年代中期，一些厂家推出了分布式计算机控制系统和可编程控制器，将其 自动化程度向前推进了一大步。 此外，高新技术的发展和新材料的应用也促进了工业仪表的发展。数字化， 多变量和专用集成电路的广泛应用，产生出许多智能传感器和执行器。伴随着以 太网的广泛应用，控制系统也变得更为灵活、方便和经济【2 3 1 。 1 3 3 2 控制策略与算法的发展 几十年来，控制策略与算法出现了三种类型：简单控制、复杂控制与先进控 制。 通常将单回路p i d 控制称为简单控制。p i d 控制以经典控制理论为基础，主 要用频域方法对控制系统进行分析设计与综合。目前，p i d 控制仍然广泛应用于 液体温度、浓度的控制过程当中。 从2 0 世纪5 0 年代开始，出现了串级控制、比例控制、前馈控制、均匀控制 和s m i t h 预估控制等控制策略和算法，称之为复杂控制。它们仍然以经典控制理 论为基础，但是在结构与应用上各有特色，目前仍在继续改进与发展。 从2 0 世纪8 0 年代开始，在现代控制理论和人工智能发展的理论基础上，针 对控制过程本身的非线性、时变性、耦合性和不确定性等特性，提出了许多行之 有效的解决方法，如解耦控制、推断控制、预测控制、模糊控制、自适应控制、 人工神经网络控制等，常统称为先进控制。近十年来，以专家系统、模糊逻辑、 神经网络、遗传算法为主要方法的基于知识的智能处理方法已经成为控制的重要 技术。先进控制方法可以有效地解决那些采用常规控制效果差，甚至无法控制的 复杂过程的控制问题。实践证明，先进控制方法能取得更高的控制品质和更大的 经济效益，具有广阔的发展前景【2 4 1 。 虽然近年来液体温度和浓度控制方面的研究取得了很大的进展，但是从国内 外的研究成果以及专利申请情况来看，目前这些先进的技术和设备并没有应用到 8 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 豆腐皮的生产过程当中，豆浆液的温度以及浓度还是依靠工人的经验来判断，对 其只是大致的估计，无法实现精确控制，这样不仅增加了工人的劳动强度，而且 还会无法避免地因关键因素控制不当而影响到豆腐皮的结皮过程，从而影响到豆 腐皮的产品质量。因此，亟需开发相应的控制设备，以实现对豆腐皮结皮过程中 各个关键因素的自动、精确的控制。 1 4 嵌入式系统 1 4 1 嵌入式系统开发过程 嵌入式系统开发的最重要的特点就是需要对软件和硬件进行综合开发，原因 主要有两个方面：一方面，任何一个嵌入式产品都是软件和硬件的结合体，在整 个系统中用户看到的只是一个个的硬件产品，而其中起核心作用的软件是不可见 的；另一方面，嵌入式产品的软件是固化在其相应的硬件环境当中的，因此，嵌 入式产品一经完成，除了预留的扩展接口以外，用户无法对其中的任何部分进行 修改，也就是说，嵌入式系统的软件是针对相应的硬件而开发的，是专用的。这 一特点就决定了嵌入式系统的开发模式不同于传统的软件工程开发模式。 嵌入式系统的开发过程是以软件生存周期方法学为基础的开发过程，从任务 的抽象逻辑分析开始，一个阶段一个阶段地进行开发。前一个阶段任务的完成是 后一个阶段工作开始的前提和基础，而后一个阶段任务的完成又是前一个阶段所 提出的解法的更进一步具体化。具体开发流程如图1 2 所示【2 5 】【2 6 1 。 9 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 图1 - 2 嵌入式系统开发过程 1 4 2 嵌入式系统设计方法 软 件 设 计 实 现 i = l 口口 嵌入式系统是专用的计算机系统，所以嵌入式系统的设计主要包含了两个部 分：硬件设计和软件设计。传统意义上的嵌入式系统开发过程大多采用的是软件、 硬件分离的开发方式，如图1 3 所示。这种方式虽然在系统设计的初始阶段考虑 到了软、硬件的接口问题，但是由于整个过程是对软、硬件分别进行开发，因此， 各个部分的修改和缺陷很容易导致系统集成出现错误。由于设计方法的限制，这 些错误不但难于定位，而且对它们的修改往往会涉及整个软件结构或硬件配置的 变动，代价非常巨大【2 7 1 。 1 0 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 为了避免上述问题的发生，近年来，一种新的设计方法应运而生软硬件 协同设计方法。这种方法的特点在于协同设计、协同测试和协同验证，在设计时 从系统功能的实现考虑，把实现时的软件和硬件同时考虑进去，并在设计的每个 层次上给与测试验证，以便能够尽早发现问题，并给与解决，避免致命错误出现。 这样既可以最大限度地利用有限资源，缩短开发周期，又能取得更好的设计效果。 此外，由于减少了系统集成这一环节，使得整个系统的开发效率大大提高，可以 更好地适应嵌入式系统设计的需求【2 8 1 【2 9 1 。协同设计方法流程如图1 - 4 所示。 图1 3 传统嵌入式系统设计方法图1 4 软硬件协同设计方法 1 5 课题背景与论文的主要研究内容 1 5 1 课题背景 随着豆腐皮日益受到广大消费者的青睐，如何能够实现豆腐皮生产加工的机 械化与自动化，便成为人们关注的焦点。本文结合浙江省科技重点攻关项目“豆 腐皮机械化生产关键装备和工艺技术的研究 ，在详细分析豆腐皮加工工艺流程 基础上，进行豆腐皮机械化生产线的设计研发工作，并从提高效率和质量的角度 入手，采用嵌入式系统实现对生产过程关键参数的自动化控制。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 5 2 论文的主要研究内容 本文按照豆腐皮的加工工艺流程，考虑到对加工过程中关键参数的控制，首 先制定了豆腐皮机械化生产线的总体设计方案，包括生产线的机械部分和控制部 分两大部分，然后分别对机械部分、控制部分的软、硬件各个具体模块进行了详 细设计，主要内容包括： 第一章阐述了豆腐皮传统手工生产的加工流程及其机械化生产的研究现状， 论述了豆腐皮的成膜机理和成膜过程中的关键影响因素，分析了温度和浓度控制 系统的研究现状，讨论了嵌入式系统的开发过程，提出了论文的主要研究内容， 最后给出了论文的总体结构。 第二章确定了豆腐皮机械化生产线的总体设计方案，分析了生产线各组成部 分及其作用，阐述了控制系统的结构，并对控制系统中各关键器件进行了选型。 第三章论述了豆腐皮机械化生产线机械部分的详细设计，根据豆腐皮的成膜 机理以及成膜过程中的关键参数，对关键机械装备进行了详细设计，给出了进浆 系统、结皮系统、回浆系统、烘干系统、切割系统五个重要模块的设计方案。 第四章根据总体设计方案，在确定温度、浓度控制系统框架的基础上，对控 制系统的硬件包括电源电路、时钟与复位电路、键盘与显示电路、输出控制电路 等具体电路进行了详细的设计。 第五章根据总体设计方案，对温度、浓度控制系统的软件部分进行了设计， 以温度控制为例，对其模糊自适应p i d 控制器进行了详细的设计，最后给出了主 程序、模糊自适应p i d 控制算法程序、温度采集程序等程序实现流程。 第六章回顾与总结了全文的主要研究内容，归纳了本文的主要研究成果，并 对今后的研究工作作了展望。 1 5 3 论文总体结构 本文的总体结构如图1 5 所示。 1 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 6 本章小结 第一章绪论 l 弋夕 第二章豆腐皮机械化生产线总体设计 之乡之乡之乡 第三章 第四章第五章 关键机械装备 温度、浓度温度、浓度 控制系统控制系统 详细设计 硬件设计软件设计 之乡之乡之乡 第六章总结与展望 图1 - 5 论文总体结构 本章介绍了豆腐皮机械化生产的加工流程以及加工生产线的关键装备及其 研究现状，论述了豆腐皮机械化生产制作过程中的主要工艺参数，分析了温度和 浓度控制系统的研究现状，提出了论文的主要研究内容，最后给出了论文的总体 结构。 浙江大学硕士学位论文第二章豆腐皮机械化生产线总体设计 第二章豆腐皮机械化生产线总体设计 摘要：本章在分析豆腐皮机械化生产线总体要求的基础上，分析了豆腐皮生产线 的工作流程，阐述了生产线的总体组成方案，分析了各组成部分及其功能，给出 了总体结构设计；分析了控制系统的总体及其工作过程，研究了控制系统硬件和 软件部分的总体设计。 2 1 引言 随着人们生活水平的提高和消费观念的改变，对豆腐皮品质和卫生指标相对 有了更高的要求，手工作坊的豆腐皮生产方式已经无法满足现代食品生产的要 求，因此急需开发豆腐皮机械化生产的成套设备，同时研究与之相应的加工工艺， 并实现关键加工工艺参数的自动控制，从而在保证豆腐皮产品质量的基础上，使 豆腐皮生产加工过程实现机械化、自动化，提高劳动生产率，满足国内外市场的 需求。 2 2 豆腐皮机械化生产线总体设计方案 2 2 1 豆腐皮机械化生产线设计总体要求 豆腐皮机械化生产加工工艺与传统手工豆腐皮生产加工工艺大致相同，在遵 循此工艺的基础上，通过对生产线的研制以及控制系统的设计，实现豆腐皮的机 械化、自动化生产。本文针对从豆浆液进入结皮装置开始的各个环节所组成的生 产线进行了研究。 2 211 主要技术经济指标 加工出的豆腐皮产品应达到以下指标： 1 感官指标 a ) 外观：呈一定几何形状，呈半透明状，厚薄均匀，质地细腻； 1 4 浙江大学硕士学位论文第二章豆腐皮机械化生产线总体设计 b ) 色泽：呈淡黄色或金黄色，色泽均匀，无深色焦斑； c ) 气味和滋味：具有豆制品特有的香气、无异昧。 2 物理指标 a ) 厚度：超薄型0 2 - 4 ) 5 i 蛐； b ) 抗拉强度：2 2 5 m p a c m 2 ； c ) 延伸率：2 0 3 0 。 3 化学指标 水分2 0 ，蛋白质4 0 5 0 ，脂肪2 0 - - 2 5 。 4 卫生指标 砷( 以a s 计) o 5 m g k g ，铅( 以p b 计) 1 0 m g k g ，食品添加剂附合 g b 2 7 6 0 要求。 整条生产线应达到以下指标： a ) 采用热循环利用，比传统方法节省能源3 0 - - 4 0 ； b ) 加热采用密闭式设计，提高制品卫生质量，同时改善车间的工作环境和 卫生环境； c ) 采用人工通风和降温，适合于全天候生产； d ) 实现机械化和自动化以降低工人的劳动强度； e ) 每条生产线产量1 5 0k g 天，投料3 0 0 k g 7 天：，用工1 人。 2 2 1 2 豆腐皮生产加工工艺参数要求 如第一章所述，在豆腐皮生产加工过程中，为了保证豆腐皮产品的质量和产 率，要实现对豆浆液温度和浓度两大关键参数的控制。 本系统中，豆浆液温度控制在8 5 。c ，控制精度l 。c ，豆浆液浓度控制在 5 5 ，控制精度o 2 。 2 2 2 豆腐皮机械化生产线的总体方案 豆腐皮机械化生产线能够实现产品的机械化、自动化生产，其生产加工工艺 与传统手工豆腐皮生产加工工艺大致相同，具体如图2 1 所示。 浙江大学硕士学位论文 第二章豆腐皮机械化生产线总体设计 图2 - 1 豆腐皮生产加工工艺 根据上述豆腐皮机械化生产加工工艺，本文将豆腐皮机械化生产线按功能和 流程分布分为五大系统，分别为进浆系统、结皮系统、回浆系统、烘干系统和切 割系统。五大系统的关系如图2 2 所示。 豆浆液 图2 2 五大系统关系图 1 进浆系统 进浆系统中，豆浆液存放在储浆桶中，新鲜豆浆液与系统的回浆不断注入储 浆桶，在其中充分混合均匀后进入结皮槽。 在豆腐皮的结皮过程中，虽然豆浆液表面不断结皮使豆浆液的浓度略有降 低，但是在8 5 ( 2 的温度下，豆浆液中的水分蒸发得更快，因此造成豆浆液的浓 度没有降低反而升高。高浓度的豆浆液通过回浆系统进入储浆桶与新鲜豆浆液混 合，使得储浆桶中豆浆液浓度变高。为了保证进入结皮槽的豆浆液浓度控制在结 1 6 浙江大学硕士学位论文第二章豆腐皮机械化生产线总体设计 皮最佳浓度，在储浆桶上方安装进水装置，包括进水管道及电磁阀。进浆系统中 安装浓度检测装置，采集豆浆液浓度信号，通过单片机控制电磁阀的通断从而实 现对进浆浓度的自动控制。 进浆系统的设计主要包括电磁阀的选择以及浓度检测及控制装置的设计与 实现。 2 结皮系统 结皮是豆腐皮生产加工过程中的一道重要工序，传统的圆锅形手工制作方法 无法实现生产的连续化，而且豆腐皮厚薄不均匀，有一定的破损现象，无法保证 豆腐皮的质量。 结皮系统主要包括结皮槽和加热装置两大部分。结皮槽为一长方形槽，豆浆 液不断流入结皮槽内并在其中缓慢流动，在此过程中，豆浆液中的蛋白质与空气 中的氧结合，液面逐渐形成一层胶质膜，即为豆腐皮。由于结皮过程中温度的要 求，需要在结皮系统中设计豆浆液加热装置，使豆浆液温度保持在最佳结皮温度， 以保证结皮质量。豆浆液加热采用蒸汽加热的形式，在结皮槽下面铺设蒸汽管道， 在管道上均匀地打孔，蒸汽通过这些孔注入到蒸汽加热室，给结皮槽中的豆浆液 加热。蒸汽加热室下面多加一层石棉板，减少热量流失。为了实现温度的自动控 制，在豆浆液中放置温度传感器，采集温度信号，通过单片机自动调节蒸汽阀的 通断，从而实现温度的自动控制。 结皮系统的设计包括结皮槽尺寸的设计、蒸汽阀的选择以及温度检测及控制 装置的设计与实现。 3 回浆系统 回浆系统的主要部件是泵，根据系统的特点，选用离心泵。泵的安装位置为 远离进浆口而靠近干燥系统的位置，即结皮系统和干燥系统之间。系统回浆通过 泵的作用回到储浆桶，在储浆桶中回浆与新鲜豆浆液充分混合。 回浆系统的设计包括泵的选型以及回浆管道的铺设方案设计。 4 烘干系统 烘干是为了除去豆腐皮中过多的水分，是豆腐皮结皮过程中一个重要的环 节。传统的烘干方法，时间长，卫生条件差，因此需要采用自动、连续、封闭的 烘干方式，这样，不仅可以减少能量的损失，还可以保证豆腐皮产品的质量。 烘干系统的设计主要包括传动装置和加热装置的设计两大部分组