李湘伟，刘尉

（1.广东轻工职业技术学院，广东广州510300；2.广州轻机机械设备有限公司，广东广州510250）

两站式泡沫清洗系统的设计

李湘伟1，刘尉2

（1.广东轻工职业技术学院，广东广州510300；2.广州轻机机械设备有限公司，广东广州510250）

叙述了两站式泡沫清洗系统的设计。详细介绍了此装置的总体设计、主站设计、从站设计管路设计和电气系统设计等具体内容。该系统具有自动化程度高、使用方便、清洗效果好等优点。

泡沫清洗；消毒；气液混合；PLC

随着现在食品工业的快速发展和人们生活质量的不断提高，对产品的生产环境和质量有了更高的要求。生产设备的清洁对生产过程都有非常重要的影响，设备清洗可以降低食品受污染的报废率、降低食品的投诉率，提高食品的安全性，延长设备的使用寿命。传统的清洁方式不仅要消耗大量的人力、物力，而且对机器的清洁时间长，效果也不够好，不够彻底，要消耗大量的水，还容易形成二次污染。目前泡沫清洗技术正逐步投入使用。泡沫清洗的原理大致如下：水通过增压泵产生一定的压力，发泡剂溶液在混合器内被压缩空气充分混合后使其发泡，通过输送软管送到喷枪将泡沫喷向各被清洗表面，发泡后的清洗液就会附在被洗物的表面，其去污清洁成分通过润湿、渗透、乳化、混悬、反絮凝、分散与溶解等较复杂的物理作用、化学作用，降低物体之间的黏合力和固体液体之间的表面张力，使各种污物从表面逸出，去除污垢；同时再通过消毒成分对表面、缝隙内的细菌、病毒进行杀灭和消毒。此时再用高压水洗刷、污垢便很容易除去，这种方法只需用少量的洗涤剂效果就很好[1]。

以美国ECOLAB和DIVERSEY等化学清洗剂公司为代表，其配置的外部泡沫清洗系统自动化程度增高、工艺流程多样成为发展的趋势。国内也有一些企业已经开始进入泡沫清洗系统的研究之中，致力于研究符合我国国情的泡沫清洗设备，填补国内的空白，保持技术先进性，降低设备成本[2-4]。根据某肉制品行业的清洁要求，设计了两站式泡沫清洗系统。

1 泡沫清洗系统的设计

1.1设计思路

水在泡沫洗消中的作用分成两部分，一部分作为清水喷淋，因为有的清洗流程只需要用清水，或者当泡沫清洗结束后，必须进行清水的喷淋或冲洗，保证人员或装备的干净；另一部分通过流量计调节后讲入混合器，作为发泡的主要成分之一。由于进入混合器的水压必须和气体压力保持相等，否则易引起水或者气体的倒流，导致供气单元或供水单元损坏，因此必须对进入混合器的水压进行调节[5]。解决的方法是采用一种恒压供水装置，通过PLC来控制水的压力。整个工艺过程为：水经主站送出，通过变频器调节水压，将水送往手动从站，一路在手动从站中进入喷枪，可进行清水喷淋（或冲洗），另一路经过液体流量计调节水流量后进入从站的混合器。空气压缩机出来的气体经过减压阀减到一定压力后，直接通过调节阀调节后直接进入从站混合器，作为发泡不可缺的一种成分[6]。清洗剂罐罐内清洗剂通过从站内的文丘里管产生的虹吸作用，被吸入装置内的混合器，由调节阀调节后进入混合器。消毒剂罐罐内消毒清洗剂通过从站内的文丘里管产生的虹吸作用，被吸入装置内的混合器，由调节阀调节后进入混合器。在混合器内各种物质被精密的混合在一块形成清洗混合物，然后经过管路输送到喷枪，通过喷嘴施放泡沫，实施洗消。在洗消过程中还能通过从站阀门来控制不同的清洗方式，从而达到清洗的效果。工艺流程图如图1所示。

图1 工艺流程图

泡沫清洗系统结构示意图如图2所示。

图2 泡沫清洗系统结构示意图

1.2 主站设计

工作主站主要是负责提供应高压水，以满足泡沫从站的用水需求。主站由一台增压泵及控制系统组成，配合流量开关和压力传感器，在可编程控制器（PLC）和变频器控制下，根据水量要求自动调整输出压力，以保证每台泡沫从站输出的压力保持恒定。主站如图3所示。

图3 主站示意图

在主站中泵是的主要元件，从站需要≥1.5 MPa工作压力的清洗用水，水流量的要求为1.8 m3/h.故最终选择的水泵为南方特种泵业有限公司生产的CDLF8-2/1FSWSC型泵，其转速为2 900 r/min，功率为0.75 kW，电压380 V，流量为8 m3/h，扬程为9 m.与泵共同作用的电机额定电压为380 V、转速为2 900 r/min.泵在PLC和变频器的控制下，可以连续、稳定的提供≥1.5 MPa的输出压力，可以输出恒定压力和流量的清洗液。

主站采用全不锈钢支架及箱体。增压泵配备自动排气阀，有效防止气蚀。其它与清洗水源接触的管道均采用304不锈钢，可有效防止腐蚀。

1.3 从站设计

泡沫从站主要负责化学物品调配，实现清水、泡沫、消毒剂的转换；同时也是清洗系统的使用终端，配置清洗软管、喷枪及喷嘴，方便人工对各个清洗区域洗。结构见图2.

从站中有个重要结构就是混合器，本系统采用了文丘里管来自动吸取清洗剂和泡沫。文丘里管工作原理为：当水流经文丘里管，水流在文丘里管前后有压力差，水流流速越大，所产生的压力差越大，在文丘里管中部产生的负压就越大，在此处开孔通液体，就可以产生“吸液”的作用。

本系统最后设计了新型文丘里“气-液-液”混合装置。该装置示意图和图片见图4.外观图见图5.该装置此技术可以同时实现液-液混合和气-液混合。文丘里喷嘴设计成模块化更换结构，对于不同的清洗用量及配比，只要更换文丘里喷嘴即可实现，无需更换清洗程序，操作简单，非常适合各种用户不同清洗工艺要求。

图4 新型文丘里“气-液-液”混合装置

图5 混合装置图片

压缩空气供气压力为0.6 MPa，200 L/min.工作压力为0.3~0.35 MPa.供水要求为：1.6 MPa，1.8 m3/h.可按照不同工艺，实现清水、泡沫、消毒剂的任意组合。软管、喷嘴均选用快插设计，根据需要转换。

1.4 管路设计

泡沫清洗系统的管路原理图如图6所示。管路外观参考图2所示。

图6 管路原理图

2 电气系统的设计

2.1 电气元件的选型

该系统采用单泵控制单从站式，综合考虑其控制功能、所需存储量及所应用I/O数量，及以后产品的拓展发展，选用的是西门子s7-200PLC[7]，CPU226，拓展模块选用的是E235.变频器的选型主要考虑的是变频器容量、变频器负载类型及控制方式。泡沫清洗系统采用的是泵类负载，而且调速的范围不大，所以采用了U/f控制方式。综合考虑变频器功能要求及产品经济可靠的要求，最终选择与电动机容量匹配的丹佛斯FC-051系列变频器。其它元器件选型：选配防护等级IP55的电机；配备丹佛斯变频器和IFM压力传感器；采用S7200 PLC控制；触摸屏采用西门子触摸屏。

2.2 PLC程序设计

主站由高压站及控制系统组成，高压站由一台增压泵及清洗水泵，配合流量开关和压力传感器，通水即启动增压泵，无水流通过则自动停泵，实现自动管理，防止水泵缺水或过压运行造成的损坏，使用方便、安全，同时大幅延长使用寿命。在变频器控制下，可根据水量要求自动调整输出压力，以保证每台泡沫分站输出的压力保持恒定。通过管道系统向各泡沫分站提供≥1.5 MPa工作压力的清洗用水。

根据供水要求，主程序设计如下：按下启动按钮，系统启动，在人机界面上按下自动运行，流量开关有水经过，延时1 s，启动流量泵；当HMI界面压力显示值小于泵运行压力值，延时5 s，达到泵启动条件，启动增压泵。在PLC运行的同时，调用所有子程序。程序结构如图7.

图7 主程序结构图

2.3 触摸屏程序设计

人机界面是在操作人员和机器设备之间做双向沟通的桥梁，用户可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等来处理、监控、管理随时可能变化的信息。人机界面程序有以下界面：

主界面：开启电源后，触摸屏上会显示主界面。如图8所示。

图8 主界面

监控界面：如图9所示。在监控画面中可以看到以下数据：离心泵工作频率（Hz）；出口压力实际值（MPa）；故障报警信息显示：如变频器故障、电机过载、急停、流量异常等。

图9 监控画面

自动模式。进入界面后，按下监控画面中的“运行确定”，系统就会按设定值运行。这时运行确定会变为“运行取消”，在按下“运行取消”就可以停止运行。

手动模式。进入界面后，如图10所示，可以设置供水泵频率，按下“泵手动”，即可使泵以设定频率运行。

图10 手动界面

参数设置：如图11所示。参数的设定操作修改时需要权限，一般调试人员设定后，参数不另行修改。参数设置功能有：PID调节压力平稳的参数；设置供水压力；设定开泵压力的下限值；设定报警温度值。

图11 参数设置界面

3 结束语

本文根据某肉制品行业的清洁要求，设计了两站式泡沫清洗系统。目前该系统已经设计、制造安装完毕，已经投入某肉制品公司投入使用，外观图见图12，完全达到设计要求，由于具有自动化程度高、使用方便、清洗效果好等特点，受到用户好评。

图12 参数设置界面

[1]刘雪娇.最新技术的清洗杀菌方法和机械装置[J].包装与食品机械，1991（01）：53-54.

[2]胡叔平.泡沫清洗/消毒在啤酒厂的应用[J].食品工业，2002（04）：3-4.

[3]卓曲，李英，张军，等.泡沫型清洁消毒剂在畜禽养殖业上的应用[J].养猪，2011（06）：75-77.

[4]肖华党，李红民.浅谈低压泡沫清洗消毒技术在肉类工业中的应用[J].肉类工业，2011（08）：22-23.

[5]张伶艳，陆一平，李建平.小型汽车清洗设备的研制[J].机械设计与制造，2007（04）：98-100.

[6]许文彩.泡沫洗消装置的设计研究[D].北京：北京化工大学，2007：79-120.

[7]廖常初.PLC编程及应用[M].4版.北京：机械工业出版社，2013：1-120.

Design of the Two-Station Foam Cleaning System

LI Xiang-wei1，WEI Liu2
（1.Guangdong Industry Polytechnic，Guangzhou Guangdong 510300，China；2.Guangzhou Light Machinery Equipment Limited Company，Guangzhou Guangdong 510250，China）

The paper describes the design of the two-station foam cleaning system.The total design，main station design，slave station design and electric system design are also explained.The system have the advantages of high automation，easy to use，good cleaning effect.

foam cleaning；disinfection；gas and liquid mixture；PLC

TS251

A

1672-545X（2017）06-0116-03

2017-03-20

李湘伟（1975－），男，湖南郴州人，博士，副教授，主要研究方向为轻工装备、自动化仪表和机电一体化技术。