高黏度水凝膠自動(dòng)灌裝系統(tǒng)研發(fā)

尤啟航

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

水凝膠是由親水性高分子鏈交聯(lián)形成的網(wǎng)狀聚合物。它可以在水中發(fā)生溶脹，形成具有高黏度的水溶液或膠體。水凝膠可以通過靜電相互作用、共價(jià)鍵交聯(lián)等方法進(jìn)行交聯(lián)制備得到。水凝膠中含有大量的水，生物相容性較高，因此，它能被應(yīng)用到組織工程、日常消費(fèi)品、藥物釋控、醫(yī)療衛(wèi)生、軟電子等諸多領(lǐng)域。

在食品、醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，可以利用水凝膠對水、酒精等物質(zhì)進(jìn)行增稠，制成消毒凝膠。所制備的消毒凝膠黏度非常高，達(dá)幾十甚至上百萬厘泊，屬于高黏度流體，不易流動(dòng)。在灌裝過程中，容易出現(xiàn)兩個(gè)問題：（1）由于管道較長，產(chǎn)品黏度大，罐內(nèi)空氣不易排出，在凝膠內(nèi)形成氣泡，影響產(chǎn)品外觀和品質(zhì)；（2）灌裝過程難以定量，計(jì)量誤差較大。國內(nèi)的高黏度液體灌裝很多還需要工人操作，沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。灌裝生產(chǎn)過程中，需要由工人定時(shí)定量添加到儲罐中，整個(gè)過程需要由至少一名工人實(shí)時(shí)等候，從下達(dá)配料信息到稱重完成至少需要2分鐘以上。這種灌裝工藝費(fèi)時(shí)費(fèi)力、成本高，且精度和實(shí)時(shí)性難以保證。目前，液體灌裝設(shè)備在市面上種類較多，但是，有些還是需要手動(dòng)調(diào)節(jié)，有些自動(dòng)灌裝設(shè)備雖然精度比較高，但是，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大，設(shè)備昂貴。另外，現(xiàn)有設(shè)備不是針對水凝膠的特性進(jìn)行專門定制，無法完全滿足水凝膠自動(dòng)化灌裝的需求。針對目前高黏度水凝膠生產(chǎn)過程中的問題，設(shè)計(jì)一套自動(dòng)灌裝系統(tǒng)，滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)高黏度水凝膠溶液的自動(dòng)化灌裝。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)要求

（1）水凝膠中含有75%左右乙醇，20%～25%的水，丙三醇以及0.5%～1%左右的親水聚合物，黏度2000～4000MPa·s。

（2）混合攪拌釜裝有真空脫泡、攪拌裝置，在混料完成后需要進(jìn)行真空脫泡。

（3）混合攪拌釜體積1000升，中間儲罐體積100升，中間儲罐裝有稱重模塊，當(dāng)儲罐內(nèi)凝膠量低于一定液位時(shí)，由隔膜泵進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)料。

（4）每次灌裝量為200～500g，灌裝精度控制在±2%內(nèi)。

（5）自動(dòng)控制，配備手自動(dòng)切換按鈕，急停按鈕以及指示燈等，并可以通過觸摸屏設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)。

1.2 工藝流程（圖1）

（1）配料。根據(jù)配方將不同的原料，按一定比例加入攪拌釜中。

圖1 灌裝工藝流程圖

（2）混料。在一定溫度下，攪拌一段時(shí)間，使水凝膠溶液混合均勻。

（3）真空脫泡。抽真空，將攪拌釜中的氣泡脫除，停止攪拌。

（4）進(jìn)料。通過進(jìn)料隔膜泵向中間儲罐進(jìn)行進(jìn)料，儲罐內(nèi)設(shè)有稱重模塊，并通過該裝置的PLC進(jìn)行控制隔膜泵加料量。當(dāng)儲罐質(zhì)量低于設(shè)定最低質(zhì)量時(shí)，啟動(dòng)隔膜泵開始進(jìn)行進(jìn)料；當(dāng)儲罐質(zhì)量高于設(shè)定的最高質(zhì)量值時(shí)，關(guān)閉進(jìn)料隔膜泵，停止進(jìn)料。

如果在進(jìn)行過程中，進(jìn)料隔膜泵一直在工作，儲罐質(zhì)量沒有增加，說明攪拌釜原料用完，系統(tǒng)則會進(jìn)行報(bào)警，提醒工作人員進(jìn)行配料，并停止隔膜泵進(jìn)料。

（5）灌裝。由稱重控制器對產(chǎn)品瓶進(jìn)行稱重，利用PLC控制螺桿泵進(jìn)行灌裝，當(dāng)接近目標(biāo)重量時(shí)，降低進(jìn)料量，稱重完成后停止進(jìn)料。

1.3 控制系統(tǒng)

（1）控制系統(tǒng)架構(gòu)。根據(jù)系統(tǒng)工藝流程和機(jī)械結(jié)構(gòu)分析，控制系統(tǒng)具有模擬量輸入、數(shù)字量輸入輸出、RS485通訊等。因此，此控制系統(tǒng)采用西門子Step7-200作為控制器，MCGS作為人機(jī)界面，溫控器作為溫度采集模塊?？刂萍軜?gòu)如圖2。

圖2 控制架構(gòu)圖

（2）控制流程圖。根據(jù)設(shè)備工藝流程圖和設(shè)備功能，設(shè)計(jì)控制流程圖，如圖3所示。

圖3 控制流程圖

（3）主要控制程序。其他主要控制程序圖如圖4～7所示。

圖4 溫度處理程序

圖5 計(jì)時(shí)程序圖

圖6 報(bào)警程序圖

圖7 modbus通訊程序模塊圖

（4）人機(jī)交互。PLC與MCGS采用modbus通訊協(xié)議，根據(jù)工藝流程，人機(jī)界面包括手動(dòng)操作界面、參數(shù)界面和登錄界面。手動(dòng)操作界面如圖8所示。

圖8 人機(jī)交互界面

2 結(jié)果與討論

高黏度液體的灌裝計(jì)量方式分為體積式和稱重式兩種。體積計(jì)量方式的灌裝速度快，以流量計(jì)灌裝機(jī)為例，它是利用安裝在每個(gè)灌裝工位的管路上的高精度電子流量計(jì)，對流量進(jìn)行測量，利用計(jì)量灌裝的液體體積的方式實(shí)現(xiàn)液體的定量灌裝。這種灌裝方式具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，方便進(jìn)行灌裝量調(diào)整，適用于不同黏度液體的灌裝，灌裝準(zhǔn)確度相對較高等優(yōu)點(diǎn)。但是，它的缺點(diǎn)是灌裝重量受液料比重、溫度等的影響較大，不適用于沒有導(dǎo)電性或含有氣體的物料。稱重式灌裝是在灌裝工位上安裝一個(gè)高精度動(dòng)態(tài)電子稱重模塊，通過采集重量傳感器的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對液體的定量灌裝。這種灌裝方式不受液料比重影響，特別適合灌裝重量比較大的產(chǎn)品。但是，這種灌裝方式控制過程時(shí)間長，采用高精度、高性能的稱重傳感器，設(shè)備成本較高。因此，它適用價(jià)值較高液體的罐裝和較大灌裝量的罐裝。高黏度水凝膠在輸送過程中容易產(chǎn)生氣泡，影響產(chǎn)品計(jì)量精度，因此，本文采用稱重式灌裝方式。由于螺桿泵在高黏度液體的輸送中具有一定的優(yōu)勢，因此本系統(tǒng)亦采用螺桿泵進(jìn)行輸送灌裝。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，利用本系統(tǒng)進(jìn)行高黏度水凝膠的自動(dòng)灌裝。按照配方將不同的小料、水以及乙醇加入攪拌釜中，控制一定的溫度，混合均勻。在攪拌作用下，溶液中黏度上升，含有大量的氣泡。開啟真空脫泡，一段時(shí)間后，溶液中的氣泡脫除干凈，形成均勻、透明的凝膠狀溶液。通過隔膜泵將高黏度水凝膠輸送到緩沖儲罐中，利用PLC控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)料。采用螺桿泵進(jìn)行凝膠灌裝，避免了在灌裝過程中將管道內(nèi)的空氣重新引入溶液中。利用稱重模塊進(jìn)行重量計(jì)量，PLC控制自動(dòng)灌裝，灌裝精度高，可以將灌裝誤差控制在±2%以內(nèi)。

3 結(jié)語

本文開發(fā)了一套適用于高黏度水凝膠的自動(dòng)灌裝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)配料、攪拌、脫泡、進(jìn)料、灌裝的全自動(dòng)操作。本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用真空脫泡裝置，去除溶液中含有的氣泡，提高產(chǎn)品外觀透明度，減少計(jì)量誤差。

（2）中間儲罐采用稱重模塊進(jìn)行計(jì)量，利用PLC控制儲罐自動(dòng)補(bǔ)料和下料以及低液位告警，控制精度高，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

（3）自動(dòng)灌裝單元采用螺桿泵進(jìn)行輸送，稱重模塊進(jìn)行計(jì)量，避免了在輸送過程中引入氣泡，灌裝精度高，誤差小。

（4）PLC、人機(jī)界面和稱重模塊之間的實(shí)時(shí)通訊，操作人員可以實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和參數(shù)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、高效灌裝。