余果，黃文玉，孫嘉欣，趙江豪，胡靈龍，顧勇 *

1. 杭州師范大學(xué) 工學(xué)院（杭州 310036）；2. 杭州師范大學(xué) 錢江學(xué)院（杭州 310036）

煎餅是中國北方傳統(tǒng)美食之一，用調(diào)成流體狀的面糊攤烙而成，食用攜帶方便，營養(yǎng)價值豐富，深受人們喜愛[1-4]。傳統(tǒng)的手工制作煎餅的過程非常復(fù)雜，包括調(diào)制面糊、架設(shè)鏊子、攤制和存放等。手工效率低下，費(fèi)時耗力，給生產(chǎn)生活帶來不便。目前，市場上已經(jīng)有人用機(jī)器制造煎餅，主要存在于兩種煎餅機(jī)：一種是手工攤制式的，只采用電加熱，不能連續(xù)生產(chǎn)；另一種是滾制式的，用煤或者燃?xì)饧訜?，煎餅機(jī)體積較大，需建造配套的煙囪，占用面積大，熱效率低，不能實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制。

通過對傳統(tǒng)工藝的研究，設(shè)計了新型滾筒式煎餅機(jī)，采用電熱管加熱，實(shí)現(xiàn)封閉加熱與溫度的精確控制，大大提高熱利用效率，進(jìn)料方便，連續(xù)生產(chǎn)，省工省力，體積小，還可系列化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)食品的現(xiàn)代化生產(chǎn)，給人們的生活帶來便利。

1 基本結(jié)構(gòu)及原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

滾筒式煎餅機(jī)裝置簡圖如圖1所示，其主要包括加熱系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)支架、傳動系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)四部分。

圖1 滾筒式煎餅機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

該煎餅機(jī)工作時，安裝在滾筒一端的加熱管加熱到預(yù)定溫度，機(jī)器其他部分開始運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)料箱內(nèi)的面糊受到對滾筒的推力，從出料口流出，粘在滾筒上，一邊被滾筒加熱一邊隨滾筒轉(zhuǎn)動。當(dāng)滾筒旋轉(zhuǎn)到刮刀位置，熟煎餅被刮刀刮下。

煎餅機(jī)以滾筒為加熱面，滾筒結(jié)構(gòu)形式見圖2。由無級變速的變頻電機(jī)帶動轉(zhuǎn)動，可以連續(xù)生產(chǎn)。采用加熱管作為加熱元件，并設(shè)計和安裝溫控裝置，提高熱利用效率，改善生產(chǎn)環(huán)境，減少對煎餅的污染，保證煎餅衛(wèi)生質(zhì)量。通過調(diào)節(jié)進(jìn)料箱內(nèi)的調(diào)節(jié)裝置，控制面糊的流速，適應(yīng)不同工藝，以提高其通用性。

圖2 筒體結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)主要由均布在滾筒端面封蓋上的六根加熱管組成，如圖3所示。它們以中心軸為中心，呈正六邊形排列；溫度傳感器同樣安裝在端面封蓋上，其軸線和加熱管軸線平行，見圖3。加熱管和溫度傳感器所在的滾筒封蓋固定在軸上不動，而滾筒是旋轉(zhuǎn)的。加熱管與加熱滾筒外部的溫度控制裝置相連接；溫度控制裝置通過交流接觸器控制加熱管的加熱，當(dāng)滾筒內(nèi)溫度高于預(yù)設(shè)溫度上限時，停止加熱；當(dāng)?shù)陀陬A(yù)設(shè)溫度下限時，啟動加熱。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)[5]，筒體大概需要的溫度控制范圍為250～270 ℃。滾筒兩端通過封蓋實(shí)現(xiàn)兩端密封，減少熱量損失。

圖3 加熱系統(tǒng)

2.2 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)主要包括變頻電機(jī)、減速機(jī)和鏈輪。采用變頻電機(jī)、變頻器、減速機(jī)驅(qū)動組合可實(shí)現(xiàn)無級變速。鏈輪安裝在加熱滾筒的一側(cè)，減速機(jī)通過鏈帶帶動加熱滾筒轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)連續(xù)加熱；通過變頻器可以調(diào)節(jié)變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速，滿足不同工藝的需要。

3 溫控系統(tǒng)設(shè)計

溫度是工業(yè)控制中的主要被控對象參數(shù)之一，在過去多是采用常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)器對溫度進(jìn)行控制，試驗(yàn)以筒體溫度為測量對象，溫度測量電路接收溫度傳感器（熱電偶）的信號，并將模擬信號通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入單片機(jī)系統(tǒng)，與預(yù)設(shè)的溫度對比，通過一定的控制算法，控制繼電器的通斷，從而控制加熱管的工作，使得筒體溫維持在設(shè)定的溫度附近。

3.1 PID控制邏輯

溫度控制系統(tǒng)是一種比較常見和典型的過程控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)控制中的主要被控對象參數(shù)之一，當(dāng)今計算機(jī)控制技術(shù)在這方面的應(yīng)用，已使溫度控制系統(tǒng)達(dá)到自動化和智能化，尤其是利用PID控制在可控性方面有很大的優(yōu)勢。PID控制是一種重要的工業(yè)控制主要技術(shù)[6-8]。PID控制的原理：將系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定值r(t)與輸出值y(t)進(jìn)行比較，構(gòu)成偏差e(t)=r(t)-y(t)，然后通過其比例、積分、微分運(yùn)算的線性組合構(gòu)成控制量u(t)進(jìn)行反饋。以煎餅機(jī)筒體溫度控制為例，被控對象是筒體溫度環(huán)境，輸入u(t)是加熱管的溫度，輸出y(t)是目標(biāo)溫度260 ℃，筒體實(shí)際溫度值為r(t)，調(diào)節(jié)器通過比例、積分、微分的方式對室溫輸出值與設(shè)定值的差值e(t)進(jìn)行增加或減小，進(jìn)而調(diào)節(jié)溫度達(dá)到目標(biāo)設(shè)定值，原理框圖見圖4。

圖4 PID控制邏輯圖

3.2 溫控電路

圖5是煎餅機(jī)的PID溫控系統(tǒng)電路圖。接通電源，合上QF0和QF1開關(guān)使溫控儀得電。調(diào)整溫控儀參數(shù)，設(shè)定目標(biāo)溫度260 ℃。此時接觸器線圈得電，帶動觸電接通，使得6組加熱管開始加熱，當(dāng)溫度傳感器（熱電偶）檢測到溫度達(dá)到260 ℃時，溫控儀12，13端子斷開，線圈不吸合，加熱管斷點(diǎn)停止加熱，當(dāng)溫度低于260 ℃時，KA線圈繼續(xù)導(dǎo)電，加熱裝置繼續(xù)得電。如此往復(fù)，形成一個恒定在260 ℃左右的溫度，以保證機(jī)器在煎制工作過程的順利進(jìn)行。

圖5 溫控系統(tǒng)電路

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過理論計算，不斷地優(yōu)化各個結(jié)構(gòu)，采用數(shù)控、鈑金、焊接以及機(jī)加工來完成各個裝置的所需零件，最終得到智能煎餅機(jī)的整體方案，其樣機(jī)實(shí)物如圖6所示，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示，該智能煎餅機(jī)能夠達(dá)到預(yù)期的效果。

圖6 煎餅機(jī)樣機(jī)實(shí)物圖

5 結(jié)論

機(jī)器占地面積小，結(jié)構(gòu)簡單，自動化程度高，便于加工制造，設(shè)備成本得到降低。使用加熱管進(jìn)行加熱的方式，加工環(huán)境衛(wèi)生清潔，利于保證產(chǎn)品的衛(wèi)生質(zhì)量。加熱滾筒完全密封，并加入溫度控制系統(tǒng)，熱利用效率高，能源得到節(jié)約，為生產(chǎn)生活帶來便利。