基于觸摸屏和PLC的番茄醬蒸發(fā)器自動(dòng)控制系統(tǒng)
張曉燕
(中航工業(yè)北京航空制造工程研究所, 北京100024)

摘要: 在分析番茄醬蒸發(fā)器控制系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上, 選用西門子PLC 與觸摸屏相結(jié)合的硬件方案, 利用博軟公司的MFC控制器軟件, 實(shí)現(xiàn)了濃度、液位的自動(dòng)控制; 基于W INCC 開發(fā)的交互控制程序, 可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài), 具有系統(tǒng)配置、故障報(bào)警等功能。

關(guān)鍵詞: 觸摸屏; PLC; 控制系統(tǒng); MFC控制

中圖分類號(hào): TP216 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào): 1002- 1302( 2011) 02- 0501- 02

    PLC具有可靠、簡(jiǎn)便、開放性強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn), 在工程領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用, 而觸摸屏則是人機(jī)界面的主流選擇, 由觸摸屏和PLC組成的C /S系統(tǒng)架構(gòu)已成為一種穩(wěn)定、可靠的解決方案[ 1] 。本研究設(shè)計(jì)的番茄醬蒸發(fā)器控制系統(tǒng)采用了PLC和觸摸屏結(jié)合的控制方式, 實(shí)現(xiàn)了番茄濃縮加工過(guò)程的自動(dòng)控制, 具有運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、故障率低等優(yōu)點(diǎn)。

1  控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1. 1 控制系統(tǒng)功能

    番茄醬蒸發(fā)器使用蒸汽加熱真空環(huán)境下的果蔬汁, 根據(jù)真空低溫蒸發(fā)原理實(shí)現(xiàn)果汁的濃縮。設(shè)計(jì)采用三效四段升膜式蒸發(fā)器, 包括一效蒸發(fā)室、二效蒸發(fā)室、雙三效蒸發(fā)室、儲(chǔ)存室、冷卻水泵、冷凝器、循環(huán)泵、真空泵、電氣控制系統(tǒng)等組成。一效、二效蒸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽由三效蒸發(fā)系統(tǒng)重復(fù)利用, 實(shí)現(xiàn)多效節(jié)能。

    控制系統(tǒng)主要功能是按工藝流程要求實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各蒸發(fā)室液位和一效蒸發(fā)室濃度, 并自動(dòng)控制各泵的啟停、調(diào)速及各流量閥的開閉、開度, 并在觸摸屏上動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)狀態(tài), 接受人工操作指令。據(jù)此, 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能:

(1)實(shí)現(xiàn)手自動(dòng)一體控制, 正常工作時(shí), 控制系統(tǒng)使蒸發(fā)器自動(dòng)運(yùn)行; 當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障或調(diào)試時(shí), 可切換至手動(dòng)狀態(tài),通過(guò)觸摸屏上的手動(dòng)按鈕對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。

(2)在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器生產(chǎn)工藝組態(tài), 動(dòng)態(tài)顯示生產(chǎn)中的工藝指標(biāo)及設(shè)備的工作情況。

(3)當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到故障時(shí), 立即執(zhí)行故障保護(hù)程序, 并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào), 同時(shí)在觸摸屏上顯示故障情況說(shuō)明。

( 4)配置模擬量輸入輸出模塊, 實(shí)現(xiàn)對(duì)液位、濃度等多個(gè)模擬變量的連續(xù)采集, 并對(duì)各泵速、進(jìn)出流量閥開度進(jìn)行閉環(huán)過(guò)程控制。

1. 2 控制系統(tǒng)的組成

    本設(shè)計(jì)方案選用西門子S7- 300 系列PLC 和M P277 10􀀁TOUCH觸摸屏, 兩者通過(guò)MPI通訊口連接。PLC 的CPU 模塊選擇CPU315- 2DP, 配備電源模塊PS307。根據(jù)該蒸發(fā)器感器、1個(gè)濃度傳感器, 即18個(gè)模擬量輸入信號(hào), 故選擇3個(gè)模擬量輸入模塊SM 331; 需要控制7個(gè)調(diào)節(jié)閥的開度和2個(gè)變頻器的泵速, 故選擇2個(gè)模擬量輸出模塊SM332; 選擇了1個(gè)數(shù)字量擴(kuò)展模塊SM 321, 用于監(jiān)測(cè)40 路電機(jī)的狀態(tài)信號(hào); 選擇了1個(gè)數(shù)字量輸出模塊SM322, 使用其中40路用于控制電機(jī)的啟停和閥門的開關(guān)。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

 

1. 3 MFA 控制方法

    蒸發(fā)器控制系統(tǒng)主要被控量為產(chǎn)出醬的濃度和蒸發(fā)室的液位, 而醬的濃度是最關(guān)鍵的質(zhì)量變量, 要求穩(wěn)定在很小的變化范圍。番茄醬濃度越高, 生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益越好, 但也越容易在管道、蒸發(fā)室干糊, 造成生產(chǎn)浪費(fèi)、停頓甚至設(shè)備損壞。目前國(guó)際最高濃度范圍為36% ~ 38%。它們的控制量為蒸發(fā)室的進(jìn)料流量閥開度和出料流量閥開度。如果采用單回路PID控制器分別控制液位和濃度, 2個(gè)回路的相互影響會(huì)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定, 進(jìn)而破壞生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定, 使得產(chǎn)量下降, 能源浪費(fèi),產(chǎn)品品質(zhì)不一。蒸發(fā)器的液位和濃度回路是典型的M IMO過(guò)程。

    MFA控制器是一種無(wú)模型自適應(yīng)控制方法。CyboCon軟件是美國(guó)通控集團(tuán)博軟公司開發(fā)的基于MFA 控制器的專利技術(shù)產(chǎn)品, 具有應(yīng)用范圍廣、自適應(yīng)、􀀁即插即用􀀁等特點(diǎn)。本
系統(tǒng)選用CyboCon軟件的M IMO MFA控制器, 用于蒸發(fā)室液位和濃度的過(guò)程控制。M IMO M FA 控制器通過(guò)同時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)料流量和出料流量能快速精確地控制液位和濃度, 系統(tǒng)控制
原理框圖如圖2所示。

 

    圖2中, r1、r2 分別是蒸發(fā)室液位和濃度的設(shè)定值, 作為MFA控制器的輸入; MFA控制器輸出模擬量u1、u2, 去分別控制進(jìn)/出料流量閥開度; y1、y2 分別是蒸發(fā)室果醬液位、濃度的實(shí)測(cè)值。采用MFA控制器后, 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠, 在系統(tǒng)啟停和正常工作情況下都能保持在自動(dòng)控制狀態(tài), 番茄醬濃度、蒸發(fā)室液位能很快控制到設(shè)定值范圍, 超調(diào)量很小, 產(chǎn)品品質(zhì)得到了保證。

2  PLC應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

    STEP7是西門子PLC 程序?qū)Ｓ迷O(shè)計(jì)軟件, 可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)(包括PLC、遠(yuǎn)程I /O、驅(qū)動(dòng)裝置和通信網(wǎng)絡(luò)等)進(jìn)行組態(tài)、編程和監(jiān)控。蒸發(fā)器的PLC 程序包括主程序OB1、按
控制點(diǎn)分類的功能塊FC1~ 13、16、21、22、30、36、38、39, 模擬量輸入功能塊FC101, 時(shí)間處理功能塊FC102, 報(bào)警功能塊FC302, 急停處理功能塊FC301, 共享數(shù)據(jù)塊DB1~ DB5(存儲(chǔ)功能塊的數(shù)據(jù)), 背景數(shù)據(jù)塊(存儲(chǔ)系統(tǒng)功能塊的數(shù)據(jù)), 軟啟動(dòng)組織塊OB100( OB100中主要存放模擬量控制參考值、中間比較值及時(shí)間參考值), 調(diào)用功能塊FB41, 通過(guò)持續(xù)的輸入輸出變量來(lái)控制工藝過(guò)程, 實(shí)現(xiàn)完整的PID控制; 程序按照控制點(diǎn)分類, 相關(guān)聯(lián)的幾個(gè)控制點(diǎn)為一個(gè)功能塊, 便于程序檢查及故障排除, 在功能塊中包括時(shí)序控制、條件控制、模擬量數(shù)據(jù)處理運(yùn)算、PID控制等。控制系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示。

 

3􀀁 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

    設(shè)計(jì)采用西門子MP277 10􀀁TOUCH觸摸屏, 運(yùn)用組態(tài)軟件W inCC flex ib le 2008進(jìn)行組態(tài)。根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求,觸摸屏程序設(shè)計(jì)應(yīng)完成包括動(dòng)畫功能在內(nèi)的人機(jī)界面程序,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、圖形顯示、人機(jī)對(duì)話、實(shí)時(shí)通信、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析等多個(gè)任務(wù)的實(shí)時(shí)并行處理[ 2]。

    觸摸屏界面主要設(shè)計(jì)了登錄、主操作、手動(dòng)控制、模擬量監(jiān)控、報(bào)警記錄和歷史曲線等界面。登錄界面要求操作員工登錄前輸入登錄口令, 防止非操作人員進(jìn)行操作, 保證了系統(tǒng)的安全性; 主操作畫面顯示蒸發(fā)器的工藝流程、設(shè)備狀態(tài), 如圖4所示, 可通過(guò)單擊工藝流程圖中的控制點(diǎn)圖標(biāo)(各泵閥等)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制; 手動(dòng)操作界面利用觸摸鍵豐富而靈活多樣的功能設(shè)置, 對(duì)設(shè)備各部件直接進(jìn)行啟動(dòng)、停機(jī)控制; 模擬量監(jiān)控畫面用于顯示蒸發(fā)器控制系統(tǒng)所采集的現(xiàn)場(chǎng)模擬量的實(shí)時(shí)數(shù)值; 報(bào)警畫面顯示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的報(bào)警信息, 當(dāng)有新的報(bào)警出現(xiàn)時(shí), 觸摸屏畫面將自動(dòng)彈出􀀁報(bào)警彈出窗口􀀁, 以提示用戶注意報(bào)警信息, 保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行; 曲線記錄畫面顯示監(jiān)控過(guò)程中各個(gè)模擬量的實(shí)時(shí)輸出值及趨勢(shì)曲線, 方便觀察。

觸摸屏生產(chǎn)監(jiān)控界面

4  結(jié)束語(yǔ)

    本系統(tǒng)采用西門子觸摸屏和S7- 300系列PLC, 設(shè)計(jì)了番茄醬蒸發(fā)器電氣控制系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了番茄濃縮加工過(guò)程的自動(dòng)化控制, 人機(jī)界面友好, 操作簡(jiǎn)便、安全, 提高了生產(chǎn)效率和能源利用效率, 并可通過(guò)通訊模塊與其他生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)組成集中管理、分散控制的分散式控制系統(tǒng)。該設(shè)備也可用于其他果蔬汁的濃縮加工, 其主要性能指標(biāo)與國(guó)外先進(jìn)水平接近, 已在全國(guó)多家生產(chǎn)廠成功應(yīng)用投產(chǎn),經(jīng)濟(jì)效益顯著, 并獲得2009年中國(guó)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)三等獎(jiǎng)、2009年航空科學(xué)技術(shù)三等獎(jiǎng)。

參考文獻(xiàn):
[1]呂品. PLC和觸摸屏組合控制系統(tǒng)的應(yīng)用[ J]. 自動(dòng)化儀表,2010, 31( 8) : 45- 51.
[2]任阿丹, 姜􀀁 明, 劉曙濱. 基于觸摸屏和PLC的燃?xì)鉄犸L(fēng)爐控制系統(tǒng)[J] . 制造業(yè)自動(dòng)化, 2010, 32( 8) : 137- 140.