豆腐皮—机械化生产的工艺设计

豆腐皮机械化生产的工艺设计摘要：豆腐皮的生产，源远流长，至今已有1300多年的历史。随着人们生活水平的提高和消费观念的改变，传统的手工生产加工方式已不符合们对豆腐皮品质和卫生指标越来越高的要求。因此急需开发豆腐皮加工的成套设备，同时研究其相应的加工工艺，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。本文首先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。然后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。关键词：豆腐皮、机械化、工艺设计、经济效益前言豆腐皮的生产在浙江历史悠久，源远流长，至今已有1300多年的历史，也是我国的传统特产之一。据传富阳东坞山豆腐皮是浙江豆腐皮的发源地。东坞山豆腐皮薄如蝉翼，轻如绢纱，能透视背面的物体，500g豆腐皮有130多张，厚度是20-25um，全国独一无二。它色泽洁白、油润洁净、落水不糊，有“金篓玉衣”之美称。它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42%-50%左右，脂肪占28%，且绝大部分是不饱和脂肪酸，碳水化合物约13%，还有人体所需的各种微量元素，不含胆固醇。常食豆腐皮不仅可以提供丰富的营养，而且能改善心血管功能，增强免疫力。在烹饪方法上，可煎、可炒、可煮、可炸、可凉拌、又可做食品包裹物。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做法就有描述，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65%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。 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。本文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。一、 豆腐皮机械化生产线研究1、豆腐皮机械化生产研究现状首先说一下传统手工制作豆腐皮的加工工艺，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。（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60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。后来，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，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。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;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巫待解决的问题。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。2、豆腐皮机械化生产工艺技术研究2.1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，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一脂肪薄膜，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。2.2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。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。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11S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，11S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。合适的豆浆液温度应该控制在85。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。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，从而也就无法成膜，导致产率降低。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，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5cm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。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5cm。5.豆浆液pH值豆浆液pH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pH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。在实际生产中，豆浆液pH值应以7.0为宜。综上，皮成膜过程的关键因素如图1一1所示。二、 豆腐皮机械化生产线总体设计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。1、1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)外光：呈一定几何形状，呈半透明状，厚薄均匀，质地细腻;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、无异味。2. 物理指标 a)厚度:超薄型0.2一0.5mm;b)抗拉强度:2一2.5 Mpa/cm2;e)延伸率:20一30%。3化学指标水分20%，蛋白质40一50%，脂肪20一25%。4.卫生指标砷(以As计)0.5mg/kg，铅(以Pb计) 1.0mg/kg，食品添加剂附合GB2760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30一40%;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;1、2豆腐皮生产加工工艺参数要求 本系统中，豆浆液温度控制在85oC，控制精度士1“C，豆浆液浓度控制在5.5%，控制精度士0.2%。2、豆腐皮机械化生产线设计的总体方案 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2一1所示。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2一2所示。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85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成。其中，以传动装置的设计为主体，包括传动方案的制定、电动机的选择、传动轴的设计、键与轴承的强度校核、链条传动及链轮的设计等。5.切割系统对于已经过烘干处理的豆腐皮按照产品的要求进行切割。切割系统主体为一个有切槽的滚筒，切割刀按一定频率压入滚筒切槽，使豆腐皮的长度符合相应产品规格的要求。本次设计中，切割过程仍然是由手工操作完成。3、总体结构示意图根据豆腐皮加工工艺流程以及加工过程中各个关键参数的要求，设计豆腐皮机械化生产线总体结构如图2一3所示。4、豆浆液温度、浓度控制系统总体设计 4、1控制系统方案控制系统的原理结构如图2一4所示，主要包括主机模块、数据采集模块、键盘输入与显示模块和控制执行模块。控制系统工作过程如下:1.数据采集模块实现对豆浆液温度值和浓度值的测量，通过传感器把各个参数值非电量转换成电量，通过放大电路将其放大为0一5伏标准信号，经过A/D转换后传给主机模块。2.主机模块对信号进行分析处理，通过控制执行模块实现对豆浆液温度和浓度的控制，当检测到的参数值超出设置的适宜参数范围时，自动打开或关闭相应的控制设备，从而保证温度和浓度的稳定。3.豆浆液温度值和浓度值的显示分别采用2位共阴LED动态显示方式，显示内容为温度值的十位和个位以及浓度值的个位和小数点后一位。定义7个有效键，功能如表2一1所示。4、2控制系统硬件设计 4.2.1温度传感器的选择目前，温度传感器主要分为四类:热电阻，热敏电阻，热电偶和集成温度传感器。 1.热电阻式传感器是利用金属的电阻率随温度而变化的效应制成的传感器。其缺点在于:响应较慢;工作时需要提供稳定的电流源;本身电阻小，且电阻变化小，容易形成误差;需要标定温度;有自热效应，影响测量结果。 2.热敏电阻是利用半导体材料电阻率随温度而变化的效应制成的传感器。其缺点在于:工作时需要提供稳定的电流源;需要标定温度;线性度差，测量结果需要进行线性补偿，造成后级电路复杂;有自热效应，影响测量结果。3.热电偶就是把两种金属线在一端接在一起，而在另一端打开的一种器件。其缺点在于:线性度差，输出电压低，需要基准，稳定性和敏感性最差。 4. 集成温度传感器是将传感器以及相关处理电路集成在一起的温度传感器，根据输出信号的不同可以分为电压、电流和数字三类。其中数字型集成温度传感器可以直接读取温度值，可靠性高，硬件连接简单。其缺点在于:测温范围较小，一般在250oC以下;是有源器件，需要提供供电电源;数字型集成温度传感器编程复杂。本系统要求豆浆液的温度控制在85”C，控制精度士1”C;由于本系统中豆浆液温度具有以下特点: a)变化较慢，响应速度要求不高;b)传感器浸入豆浆液中，自热效应影响不大;c)稳定性较好。因此根据系统的设计要求，综合考虑成本、精度、线性度和数字化误差等各个方面，采用集成温度传感器。同时为了能进一步简化电路，提高测量精度和可靠性，降低综合成本，选用DS18B20数字温度传感器。DS18B20数字温度传感器的管芯内集成了温敏元件、数据转换芯片、存储器芯片和计算机接口芯片等多功能模块，可以直接输出二进制温敏信号，并通过串行输出方式与单片机进行通讯，具体特性如下:a)单线接口，只需要一根总线与CPU连接;b)不需要外部元件，不需要备份电源，可以用数据线供电;c)支持多点组网功能，多个 Dsl8B20可以并联在唯一的三线上;d)温度测量范围从-50 +125;e)在-10 +85范围内，测量精度为士0.5;f)具有负压特性，电源极性接反时，不会因发热而烧毁，但不能正常工作。4.2.2浓度传感器的选择浓度传感器选用兰州科丰电子有限公司生产的KF一102型浓度计。该浓度计可以实现非接触式在线测量，适用于本系统中高温豆浆液浓度的测量，并且符合食品卫生的要求。KF一102型浓度计具体特性如下:a)浓度测量精度为0.2%;b)可输出0-5V标准电压;c)长期稳定运行，确保运行精度。4.2.3单片机型号的选择 单片机是把微型计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又叫做单片控制器。单片机的特点主要有以下几点:a)可靠性好。b)易扩展。c)控制功能强。 目前的单片机种类繁多，功能各异。单片机的选择遵循以下原则:优先考虑熟悉的机型;功能和性能满足需要的机型;优先选用编程方便的机型;优先选用开发环境好的机型;优先选用有丰富参考资料的机型。本系统选用ATMEL公司生产的8位AT89C51单片机。AT89C51是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个4K字节的可编程可擦除只读存储器，各个输出引脚以及指令系统都与MCS一51兼容。AT89C51是一种功能强大，灵活性高而且价格合理的单片机，可以方便的应用在各种控制领域。AT89C51具有以下特点: a)AT89csl单片机内Fo口的数量和种类较多且齐全，共有32根FO口线。尤其是它有一个全双工的串行口，有四种工作方式，可以通过编程选定。 b)Af89C51具有较为完善的中断系统。一般系统正常时，需要有处理紧急突发事件的能力，而且拥有实时控制能力。系统运行时，在输入输出异常或出现紧急情况时应报警和处理，处理这些问题一般都采用中断控制的方式。 c)AT89C51单片机有2个16位定时器/计数器，可以通过编程实现四种工作模式。这种单片机在内部RAM中开设了四个通用工作寄存器区，共32个通用寄存器，以适应多种中断或子程序嵌套的要求。 d)AT89C51单片机具有强大的指令系统功能，其指令系统中包含各种运算操作和多种位操作指令。e)足够的存储容量。如果单片机有限的存储容量不够使用时，可以用扩展存储容量的办法，以保证采集来的数据在分析处理完之前有足够的存放空间。4.2.4 A/D转换器的选择 A/D转换器的种类较多，性能也不尽相同，设计时，应选择性能合适、性价比高的A/D转换芯片。A/D转换器的主要性能指标有:分辨率、转换时间、转换精度、输入电压范围、输入电阻、供电电源、数字输出特性、工作环境等。影响A/D转换器性能指标的主要因素有:外接时钟频率和电源电压的稳定性、外界有无干扰等。 目前常用的A/D转换器有双积分式A/D转换器和逐次逼近式A/D转换器。双积分式A/D转换器的优点是转换精度高、抗干扰能力强、价格便宜，但是转换速度比较慢。逐次积分式A/D转换器的优点是转换速度快、精度高，是目前应用较多的一种A/D转换器结构。本系统选用ADC0809逐次逼近式A/D转换器。ADC0809是一种常用的8位A/D转换芯片。芯片的内部结构包括8路模拟选通开关、通道地址锁存器、8位逐次比较式A/D转换器和三态输出锁存器。通过片内设置的8路模拟选通开关以及相应的通道地址锁存及译码电路，可以实现8路模拟信号的分时采集转换。之所以选择ADC08O9主要基于以下考虑:a)可以满足精度要求。ADC0809转换器是8位A/D转换器，其相对精度完全可以满足本系统测量和控制的要求。b)单一电源供电。ADC08O9转换器只需单一的+SV电源供电。c)多通道。ADC0809转换器是8通道A/D转换器，内置多路开关，电路简单。d)价格便宜。ADC0809转换器的价格大约在10元左右，成本较低。4、3控制系统软件设计4.3.1语言工具的选取 本系统中，控制核心是单片机，所以选择汇编语言为编程工具。汇编语言由助记符、保留字和伪指令等组成，汇编语言编写的程序可以被翻译成机器语言，即目标代码。采用汇编语言编程，用户可以直接操作到单片机内部的工作寄存器，能非常具体的表述出数据的处理过程，可以在空间和时间上充分发掘微型计算机的潜力。本系统选用的是MCS一51汇编语言。4.3.2控制算法选择 制算法决定了控制系统的精度，因此，控制算法的选择便成为设计控制系统的关键因素。在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是应用最为广泛，也是最基本的一种控制方法。PID控制是比例积分微分控制的简称，是经典控制理论中最典型的控制方法。PID控制具有以下优点:a)原理简单，使用方便。PID控制的基本组成原理比较简单，参数的物理意义也比较明确。b)适应性强。可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种生产部门。按照PID控制进行工作的自动调节器早已商品化。在具体实现上，它们经历了机械式、液动式、气动式、电子式等发展阶段，但始终没有脱离PID控制的范畴。即使目前最新式的过程控制计算机，其基本控制功能也仍然是PID控制。c)鲁棒性强。其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。由于具有这些优点，在过程控制中，人们首先想到的总是PID控制。这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果，但是PID控制在其参数自整定方面仍然存在一定的问题，主要体现在以下两个方面:第一，如果自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是比较困难的。 第二，如果自整定是基于控制规律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。 随着传统控制理论的迅速发展以及计算机控制技术在上述复杂工业过程控制中的广泛应用，智能控制应运而生。而模糊控制是智能控制研究中最为活跃而又富有成果的领域，模糊控制不需要精确的数学模型，因而是解决不确定性系统控制的一种有效途径。此外，模糊逻辑是柔性的，对于给定的系统很容易处理以及直接增加新的功能，易于与传统的控制技术相结合。但是，单纯的模糊控制也存在控制品质粗糙、精度不高、易产生极限环振荡等问题。从上述模糊控制和PD控制各自的优势和局限性来看，如果把传统PID控制和模糊控制结合起来，取长补短，可以使系统的控制性能得到提高，是一种很实用的控制方法。 人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则及有关信息作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，即可实现对PID参数的最佳调整。 本文中豆浆液温度、浓度控制系统具有时变性、非线性和时滞性等特点，这几个特点都严重影响传统PID控制的效果，因此本系统中采用模糊自适应整定PID控制算法，对豆浆液温度、浓度进行自动控制。三、 关键机械装备详细设计1、 进浆系统设计 进浆系统的设计主要包括储浆桶及管道的设计、电磁阀的选择以及浓度检测及控制装置的设计与实现。本节给出储浆桶及管道的设计方案，如图3一1所示。 储浆桶为圆柱体状，采用不锈钢板制作，钢板厚度为4mm。系统回浆回到储浆桶中，与新鲜浆液和系统进水充分混合后再次进入结皮槽。单片机输出控制信号，通过控制电磁阀的通断，即系统进水量的大小，实现对进入结皮槽的豆浆液浓度的自动控制。2、 结皮系统设计 结皮系统主要包括结皮槽和加热装置两大部分。豆浆液加热采用蒸汽加热的形式，在结皮槽下铺设蒸汽管道，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。由于在结皮过程中，豆浆液的温度和浓度会对此过程产生重要的影响，因此，采用温度传感器以及浓度传感器，分别采集温度信号和浓度信号，而后通过单片机控制蒸汽阀门以及进浆阀门的通断，从而实现豆浆液温度以及浓度的自动控制。21结皮槽设计 结皮槽为长方体状，采用不锈钢板制作，钢板厚度为4mm。根据第二章中所述豆腐皮最佳生产工艺条件，当豆浆液的温度控制在85，豆浆液的深度控制在c=50mm，豆浆液的浓度控制在5.5%时，豆腐皮产品质量最佳。 结皮槽的宽度根据豆腐皮产品规格的要求，设计为Bo=500mm，结皮槽的高度要略大于豆浆液最佳结皮深度，取c=70mm。主动滚筒直径D2=200mm，转速n2=8r/min，计算得到豆腐皮的结皮速度v= D2n2=0.084m/s。根据生产经验，豆腐皮整个结皮过程需要的总时间为t=1min，所以结皮槽的长度大致需要M=vt=0.084m/sl min=5.04m=5040mm，取M=6000mm。 22加热装置设计 加热装置的设计主要是确定豆浆液的加热方案。根据目前企业的实际生产情况，对结皮槽中的豆浆液采用蒸汽加热完全可以达到85oC的温度要求，故本文采用蒸汽加热的方式。蒸汽从蒸汽炉出来后，经由蒸汽管道到达蒸汽加热室。蒸汽管道采用公称通径为32mm的普通钢管，管道置于加热室的中间位置，并对加热室内的钢管进行打孔，高温蒸汽从管道孔中喷出，充满整个蒸汽加热室，蒸汽加热室位于结皮槽正下方，高温蒸汽均匀加热结皮槽，给结皮槽上方豆浆液提供热量，使豆浆液温度升高到85，并保持相对稳定。具体打孔方式如图3一2所示。在6000mm长的管道上每间隔 100mm对管道进行打孔，每个打孔位置孔数为三个，其中两个位于管道的左右两侧，为蒸汽孔，另一个位于管道的正下方，为出水孔。蒸汽孔的大小随着打孔位置到蒸汽入口距离的增加而不断增大，出水孔直径不变。如上图所示，蒸汽孔1一20的直径为 0.5mm，而后依次增大为1mm和1.5mm，出水孔的直径均为1mm。3、 回浆系统设计 回浆系统的设计主要是泵的选型以及回浆管道的铺设方案设计，进浆管道和出浆管道的通径在选定泵的同时选定。 31泵的选择泵的选择主要考虑以下几个方面:1.计算流量Q 流量Q是选泵的重要性能数据之一，它直接关系到整个装置的生产能力和输送能力。豆浆液横截面积S=Boc=0.5*0.05=0.025 m2，在不考虑结皮过程中流量损失的情况下，计算出最大回浆流量Q=1/2Sv=1/2*0.025 m2 *0.084 m/s=3.78 m3/h2.计算扬程H装置系统所需的扬程H是选泵的另一个重要性能数据，一般要用放大5%一10%余量后的扬程来选型。豆腐皮生产设备高度约为Ao=2m，则H=Ao (l+10%)=2.2m 。3.泵的选型本设计中，液体介质为豆浆液，因此，主要应考虑豆浆液的温度和食品卫生状况。豆浆液的最佳结皮温度为85，根据这一温度要求可以排除一些耐温性能较差的泵，并且所设计的豆腐皮生产设备属于食品机械，必须要求所选的泵能够达到食品卫生的要求。综上考虑，选择一种氟塑料衬里耐腐泵。氟塑料衬里耐腐泵是将聚四氟乙烯树脂采用模压(或镶嵌)的方法置于钢质或铁质的泵承压件的内壁或管件的外表面，利用其在抗强腐蚀介质方面的独特性能制作成各类泵。由于聚四氟乙烯在抗腐蚀方面具有无可比拟的优异性能，将聚四氟乙烯内衬于泵内壁，既克服了聚四氟乙烯材料强度低的缺点，又解决了泵主体材料抗腐蚀性能差、成本高的不足。 此外，聚四氟乙烯除了具有优异的化学稳定性外，其防污、防粘性良好，动、静摩擦系数值极小且相近，减摩润滑性能良好。综合考虑以上计算所得的流量Q和扬程H，选择型号为FS一32一25一100的泵，具体参数如图3一3所示。根据上述泵的技术参数，可以确定进浆口管道的通径为32mm，出浆口管道的通径为25mm，流量Q二4m3/h，扬程H=8m。 根据流量公式反推得:32管道的布置泵安装在远离进浆口而靠近干燥系统的位置，即结皮槽和干燥系统之间。管道从结皮槽末端经过泵之后回到储浆桶，即回浆进入储浆桶，而后与新鲜浆液混合一同再次进入结皮槽中，如图3一1所示。之所以设计回浆到储浆桶中，是因为豆浆液表面在不断的结皮的同时，豆浆液中的水分在高温状态下较快地蒸发，使结皮槽内的浆液浓度不断升高，如果回浆直接进入结皮槽，就无法通过控制进浆口的豆浆液浓度进而实现对结皮槽中豆浆液浓度的有效、及时的控制。因此，选择回浆入储浆桶，通过控制进水阀门的通断，从而保证储浆桶中豆浆液浓度恒定，进而实现结皮槽进浆口浆液浓度的恒定。由于豆浆液会与普通钢管内壁产生粘着，导致回浆管道阻塞，因此，选用直径为25mm的塑料管作为系统的回浆管道。4、 烘干系统设计烘干系统主要包括两大部分:传动装置和加热装置。传动装置的作用是将结皮槽中的豆腐皮传送到加热装置中，对豆腐皮进行烘干，而后再传送到切割系统，对烘干后的豆腐皮进行切割。传动装置的设计包括传动方案的确定、链传动的设计、传动轴的设计以及校核等。加热装置的作用是完成对豆腐皮的烘干，加热装置的设计主要是加热方式的确定。41传动方案烘干系统传动方案如图3一4所示。42电动机的选择选择电动机的类型，必须适应机械负载特性、平稳或冲击程度、运行状态、调速范围以及起动、制动的频繁程度等要求。本设计中，传动速度要求为n1=20r/min。由于减速比很大，符合设计所需减速比的减速箱需要三级展开式圆柱齿轮减速器，其传动比范围可以达到40-200，但是体积和重量都偏大，不符合要求。因此，这里直接选择体积小、重量轻的齿轮减速电机，型号为YYCJ一250一3。具体技术指标如下:a)输出功率(W):250b)电压(V):380c)电源频率(HZ):50d)速度可调范围(转/分):20一65HZe)电流(A):1.00效率(%):63g)减速器规格:减速比17743轴设计 轴的疲劳强度计算方法主要有按照许用切应力计算方法、按照许用弯曲应力计算方法和安全系数法。在进行轴的结构设计时，通常按照许用切应力方法初步估算轴的直径。对于以传递转矩为主的传动轴和不重要的轴，也可以作为最后计算结果。按照许用弯曲应力计算主要适用于主要结构形状和尺寸、轴上零件的位置以及外载荷和支反力的作用位置均己确定的轴。一般重要的、弯扭复合的轴采用这一方法进行强度计算己经足够可靠。安全系数法的校核计算要在轴的结构设计完成以后进行，目的是在计入应力集中、尺寸效应和表面状态等各种因素后，精确地确定各个危险截面的安全程度。这一方法计算精度高，通常用于重要轴的计算Is0。根据以上各种方法的特点，本设计采用许用切应力方法计算轴的疲劳强度。 以主动滚筒主轴为例，滚筒直径D1=200mm，电机输出功率p。=0.25kw，传动效率=0.95，则 轴上开有键槽时，应增大轴颈以考虑键槽对轴强度的影响。当轴直径的的d1100mm时，单键应增大5%-7%，双键应增大10%-15%。本设计中，轴上开有双键，按直径增加15%计算，则d1 = d1 min(l+15%)=34.7x(l+15%)=39.9mm，圆整为d1=40mm。44键的强度校核 本设计中，键传递的转矩T=283.5Nm，轴的直径d1=40mm，键的类型为圆头平键，联接工作方式为静联接，载荷性质为静载荷。 对于普通平键联接(静联接)，其主要失效形式是键、轴上键槽和轮毅上键槽三者中较弱者工作面被压溃。由于轮毅上的键槽深度较浅，轮毅的材料强度通常在三者中也最弱，所以，平键联接的强度计算通常以轮毅为计算对象，按照其工作面上的挤压应力来进行强度校核计算。假设载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键联接的强度条件为45链传动设计 链传动是属于具有中间挠性件的啮合传动，具有以下优点:a)与带传动相比，没有弹性滑动，传动比精确，传动可靠，张紧力小，装配容易，轴与轴承的载荷较小，传动的效率较高，可达98%;b)与齿轮传动相比，可以有较大的中心距;c)可在高温或润滑油环境中工作，也可用于多灰尘的环境。本设计中，传动功率PL=0.16kw;主动轴转速n1=20r/min;传动速度v3m/s;传动种类:倾斜传动;传动比i=2.5，设计计算过程如下:1. 链轮传动速度v3m/s，推荐齿数Z1min=15一17，由于链节通常取偶数，考虑到均匀磨损问题，链轮齿数最好选用质数或不能整除链节数的数目，故选取主动链轮齿数Z1=170根据传动比，则从动链轮齿数Z2=iZ1=2.5*17二42.5，选取Z2=43。2. .在工作情况为平稳载荷，输入动力为电动机时，工况系数KA=1.0，求得计算功率 3. 在没有张紧装置的情况下，a25 P，由中心距计算公式得:选取a=20P，计算链节数为4. 单根链传递功率为根据小链轮的转速，查表得:根据小链轮的转速以及单根链传递功率，查图，选择链号10A。由链号，查表得到链节距p=15.875mm。5. 中心距a中心距减小量=(0.002一0.004)a=0.65-1.3lmm则实际中心距6. 验算链轮速度与已知条件相符。7.链轮结构采用整体式钢制小链轮，其主要结构尺寸有:分度圆直径dl，齿顶圆直径da，齿根圆直径df，轮毅厚度h，轮毅长度l，轮毅直径dh，齿宽bf，内链节内宽b1。对于大链轮，齿数Z2=43，孔径dk=40mm，计算得:对于小链轮，同理得8.润滑方式的选定根据滚子链节距p=15.875mm和链条的运动速度v=0.09m/s，查图，选用润滑方式I，即用油刷或油壶人工定期润滑。46加热装置设计 烘干系统的加热装置采用蒸汽管道加热的方式，管道铺设在传送带的上下两侧，依靠管道散发出来的热量将豆腐皮烘干，如图3一5所示。 5、 切割系统设计切割系统的设计主要是切割滚筒的设计，滚筒上有切槽，便于切割刀压入切槽内，实现对豆腐皮成品的切割，如图3一6所示。四、设备清单： i. 过滤净化桶 两个. ii. 杀菌净化桶 一个 iii. 脱皮机. 一台iv. 浸泡桶 一个v. 磨浆机 一台vi. 浆液分离机 一台vii. 煮浆锅 一个 viii. 储浆桶 一个ix. 蒸汽阀 一个x. 保温罐 一个xi. 结皮槽 一个xii. 烘干机 一台xiii. 切割机 一台xiv.