楊曉星，孔德文

江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院（無(wú)錫 214000）

近年來(lái)，隨著中國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的大幅調(diào)整，果蔬種植范圍越來(lái)越大[1]。但日益增長(zhǎng)的果蔬種植卻與果蔬產(chǎn)品的加工水平并不相符，果蔬產(chǎn)品的深加工水平較低，從而導(dǎo)致果蔬出現(xiàn)過(guò)度損耗。果蔬干燥作為果蔬儲(chǔ)藏的主要方式，可以通過(guò)不同方法降低果蔬水分，使其干燥化處理，從而提高儲(chǔ)藏時(shí)間[2-4]。

中國(guó)大多果蔬設(shè)備無(wú)法連續(xù)穩(wěn)定可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，其復(fù)雜的工藝及系統(tǒng)穩(wěn)定性差等原因，導(dǎo)致果蔬生產(chǎn)率低下。果蔬膨化設(shè)備大多采用手動(dòng)控制方法，其氣體流量、溫度、濕度均無(wú)法進(jìn)行精確控制。果蔬膨化設(shè)備工作環(huán)境通常較為惡劣，膨化設(shè)備對(duì)于控制系統(tǒng)的要求較為嚴(yán)格，控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行，對(duì)于保障果蔬的連續(xù)加工至關(guān)重要。

果蔬加工企業(yè)采用的膨化設(shè)備控制系統(tǒng)大多通過(guò)國(guó)外進(jìn)口，此控制系統(tǒng)不具有可移植性，不能根據(jù)企業(yè)具體工藝要求進(jìn)行隨時(shí)更改控制程序，且控制系統(tǒng)硬件也具有一定局限性?？删幊炭刂破鳎╬rogrammable logic controller）是專(zhuān)門(mén)為工業(yè)環(huán)境下使用而設(shè)計(jì)一款能夠邏輯編程的控制器，該控制器因其具有穩(wěn)定性高、可擴(kuò)展能力強(qiáng)、可編程性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域中被廣泛使用[5-9]。基于此，為提高果蔬膨化設(shè)備的穩(wěn)定性及智能性，開(kāi)發(fā)一套基于PLC的果蔬膨化控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件和軟件。該控制系統(tǒng)可以顯著提高果蔬膨化加工效率，大幅降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)于提升企業(yè)的生產(chǎn)效率具有積極意義。

1 果蔬膨化設(shè)備

果蔬膨化設(shè)備主要由傳送系統(tǒng)、稱(chēng)重系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、膨化系統(tǒng)及成品冷卻系統(tǒng)組成。

1.1 傳送系統(tǒng)

果蔬在傳送過(guò)程中為減小損傷，采用電磁振動(dòng)傳送設(shè)備對(duì)果蔬進(jìn)行傳送，電磁振動(dòng)傳送設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于安裝，能夠避免果蔬在運(yùn)輸過(guò)程中損傷外表。電磁振動(dòng)傳送設(shè)備如圖1所示。

圖1 電磁振動(dòng)設(shè)備

1.2 稱(chēng)量系統(tǒng)

稱(chēng)量系統(tǒng)主要包括稱(chēng)量壓力傳感器、料斗及料門(mén)等組成。通過(guò)電磁振動(dòng)設(shè)備將果蔬傳送到稱(chēng)量系統(tǒng)，稱(chēng)量系統(tǒng)稱(chēng)出一定質(zhì)量的果蔬后，打開(kāi)料頭閥門(mén)將物料傳送至加熱系統(tǒng)中，此后料斗關(guān)閉等待下一次稱(chēng)量。稱(chēng)重傳感器通過(guò)采集壓力信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為4～20 mA的模擬量信號(hào)并傳送到控制器中。稱(chēng)量設(shè)備如圖2所示。

圖2 稱(chēng)量設(shè)備

1.3 加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)主要由加熱倉(cāng)以及加熱管子組成，將加熱管子纏繞在加熱四周并均勻分布，是加熱倉(cāng)均勻受熱。加熱倉(cāng)中外部由溫控儀表、壓力儀表、泄壓裝置等設(shè)備。

1.4 膨化系統(tǒng)

膨化系統(tǒng)主要由一個(gè)真空罐體組成，在真空罐體上方安裝有壓力傳感器、溫度儀表，其外部連接真空泵，壓力傳感器檢測(cè)到壓力過(guò)高時(shí)，則啟動(dòng)真空泵進(jìn)行抽真空，從而保證膨化罐中始終處于真空狀態(tài)。

1.5 冷卻系統(tǒng)

果蔬在經(jīng)過(guò)膨化系統(tǒng)后，溫度達(dá)100 ℃以上，因此需要經(jīng)過(guò)冷卻系統(tǒng)將果蔬迅速進(jìn)行冷卻，該冷卻系統(tǒng)主要采用高壓氮?dú)鈬婌F方式使果蔬迅速降溫。冷卻系統(tǒng)由減壓閥、氣路、壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器等組成。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

果蔬膨化設(shè)備控制系統(tǒng)用PLC作為控制系統(tǒng)的主控器，用觸摸屏作為控制系統(tǒng)的下位機(jī)。PLC具有較強(qiáng)的抗干擾能力、可靠性強(qiáng)，PLC能夠根據(jù)膨化設(shè)備不同工藝要求任意更改硬件配置。觸摸屏主要實(shí)現(xiàn)工人與設(shè)備的人際交互，數(shù)據(jù)的輸入、監(jiān)控及故障顯示和處理。因此采用PLC和觸摸屏相結(jié)合的方式組成上下位機(jī)控制，使得該控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的靈活性?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 PLC

PLC選用德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-1200系列PLC，CPU為是1214C，擴(kuò)展DI/DO型號(hào)為SM1223DC/RLY，模擬量采集模塊為SM1231，模擬量輸出模塊為SM1232。

S7-1200控制器使用靈活、功能強(qiáng)大，可用于控制各種各樣的設(shè)備以滿(mǎn)足自動(dòng)化需求。S7-1200結(jié)構(gòu)緊湊、組態(tài)靈活且具有功能強(qiáng)大的指令集，這些特點(diǎn)的組合使各種應(yīng)用控制都有完美解決方案。CPU 1214C本機(jī)擁有14路DI輸入和10路DO輸出及2路模擬量輸入，工作存儲(chǔ)器100 KB，轉(zhuǎn)載存儲(chǔ)器4 MB，支持8個(gè)信號(hào)模塊擴(kuò)展，最大的本地?cái)?shù)字量為284點(diǎn)，最大模擬量點(diǎn)數(shù)為67點(diǎn)。PLC硬件通過(guò)博圖進(jìn)行組態(tài)設(shè)置，PLC硬件組態(tài)如圖4所示。

圖4 PLC硬件組態(tài)

2.2 觸摸屏

觸摸屏主要實(shí)現(xiàn)與PLC數(shù)據(jù)交互，能夠完成控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、故障顯示、數(shù)據(jù)曲線(xiàn)顯示及控制指令的下發(fā)。觸摸屏選擇KTP1200Basic系列，12.1’’ TFT顯示屏，1280像素×800像素，64 K色；按鍵和觸摸操作，10個(gè)功能鍵；1個(gè)PROFINET和1個(gè)USB，通過(guò)PROFINET與PLC進(jìn)行通信。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

果蔬膨化控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將控制系統(tǒng)分成五大部分，主要包括啟動(dòng)模塊、機(jī)組安全監(jiān)測(cè)模塊、稱(chēng)重模塊、PID自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊及參數(shù)設(shè)置模塊。通過(guò)OB1組織塊將五個(gè)程序運(yùn)行模塊按照一定順序進(jìn)行組織，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不斷調(diào)用上述模塊函數(shù)。OB1主程序如圖5所示。

圖5 OB1主程序

為實(shí)現(xiàn)果蔬膨化系統(tǒng)溫度壓力等模擬量的精確控制，采用PID進(jìn)行自動(dòng)控制，系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)目標(biāo)值，并將模擬量實(shí)時(shí)測(cè)量值傳送到西門(mén)子S7-1200PLC中的PID模塊中，通過(guò)比較二者差值大小，如果偏差大則增加輸出，偏差小則逐漸減小輸出。

PID控制算法是依據(jù)采樣值PV和設(shè)定值SP疊加誤差e(t)值的積分、微分及比例運(yùn)算，獲取輸出信號(hào)的控制過(guò)程，其過(guò)程如式（1）[10-11]。

式中：GP為積分參數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。離散化處理式（1）獲取增量式PID公式，如式（2）所示。

式中：GI=GP/TI為微分參數(shù)；GD=GP×TD為比例參數(shù)。在果蔬膨化設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)GP、GI、GD等參數(shù)可實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的最優(yōu)控制。PLC中PID自動(dòng)控制模塊程序如圖6所示。

圖6 PID模塊程序

4 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)果蔬膨化設(shè)備的智能化和自動(dòng)化，提高生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)一款PLC和觸摸屏為核心的果蔬膨化控制系統(tǒng)。采用西門(mén)子S7-1200PLC作為控制系統(tǒng)核心，由PLC對(duì)果蔬膨化設(shè)備的工藝動(dòng)作進(jìn)行邏輯組織，實(shí)現(xiàn)設(shè)備各結(jié)構(gòu)的順序自動(dòng)控制。由觸摸屏實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)一鍵啟動(dòng)和一鍵停機(jī)、參數(shù)設(shè)置、曲線(xiàn)顯示、故障監(jiān)控。該控制系統(tǒng)由于采用工業(yè)可編程控制器，因此穩(wěn)定性高，且能夠擴(kuò)展硬件，可根據(jù)不同工藝要求編寫(xiě)不同程序。