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

摘要: 在分析番茄醬蒸發器控制系統功能的基礎上, 選用西門子PLC 與觸摸屏相結合的硬件方案, 利用博軟公司的MFC控制器軟件, 實現了濃度、液位的自動控制; 基于W INCC 開發的交互控制程序, 可實時監測、控制系統的運行狀態, 具有系統配置、故障報警等功能。

關鍵詞: 觸摸屏; PLC; 控制系統; MFC控制

中圖分類號: TP216 文獻標志碼: A 文章編號: 1002- 1302( 2011) 02- 0501- 02

    PLC具有可靠、簡便、開放性強、性價比高等優點, 在工程領域得到普遍應用, 而觸摸屏則是人機界面的主流選擇, 由觸摸屏和PLC組成的C /S系統架構已成為一種穩定、可靠的解決方案[ 1] 。本研究設計的番茄醬蒸發器控制系統采用了PLC和觸摸屏結合的控制方式, 實現了番茄濃縮加工過程的自動控制, 具有運行穩定、操作簡單、故障率低等優點。

1  控制系統設計

1. 1 控制系統功能

    番茄醬蒸發器使用蒸汽加熱真空環境下的果蔬汁, 根據真空低溫蒸發原理實現果汁的濃縮。設計采用三效四段升膜式蒸發器, 包括一效蒸發室、二效蒸發室、雙三效蒸發室、儲存室、冷卻水泵、冷凝器、循環泵、真空泵、電氣控制系統等組成。一效、二效蒸發系統產生的蒸汽由三效蒸發系統重復利用, 實現多效節能。

    控制系統主要功能是按工藝流程要求實時監測各蒸發室液位和一效蒸發室濃度, 并自動控制各泵的啟停、調速及各流量閥的開閉、開度, 并在觸摸屏上動態顯示系統狀態, 接受人工操作指令。據此, 電氣控制系統設計應實現以下功能:

(1)實現手自動一體控制, 正常工作時, 控制系統使蒸發器自動運行; 當設備出現故障或調試時, 可切換至手動狀態,通過觸摸屏上的手動按鈕對設備進行操作。

(2)在觸摸屏上實現蒸發器生產工藝組態, 動態顯示生產中的工藝指標及設備的工作情況。

(3)當系統檢測到故障時, 立即執行故障保護程序, 并發出聲光報警信號, 同時在觸摸屏上顯示故障情況說明。

( 4)配置模擬量輸入輸出模塊, 實現對液位、濃度等多個模擬變量的連續采集, 并對各泵速、進出流量閥開度進行閉環過程控制。

1. 2 控制系統的組成

    本設計方案選用西門子S7- 300 系列PLC 和M P277 10􀀁TOUCH觸摸屏, 兩者通過MPI通訊口連接。PLC 的CPU 模塊選擇CPU315- 2DP, 配備電源模塊PS307。根據該蒸發器感器、1個濃度傳感器, 即18個模擬量輸入信號, 故選擇3個模擬量輸入模塊SM 331; 需要控制7個調節閥的開度和2個變頻器的泵速, 故選擇2個模擬量輸出模塊SM332; 選擇了1個數字量擴展模塊SM 321, 用于監測40 路電機的狀態信號; 選擇了1個數字量輸出模塊SM322, 使用其中40路用于控制電機的啟停和閥門的開關。系統硬件組成如圖1所示。

 

1. 3 MFA 控制方法

    蒸發器控制系統主要被控量為產出醬的濃度和蒸發室的液位, 而醬的濃度是最關鍵的質量變量, 要求穩定在很小的變化范圍。番茄醬濃度越高, 生產經濟效益越好, 但也越容易在管道、蒸發室干糊, 造成生產浪費、停頓甚至設備損壞。目前國際最高濃度范圍為36% ~ 38%。它們的控制量為蒸發室的進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個回路的相互影響會導致設備運行不穩定, 進而破壞生產過程的穩定, 使得產量下降, 能源浪費,產品品質不一。蒸發器的液位和濃度回路是典型的M IMO過程。

    MFA控制器是一種無模型自適應控制方法。CyboCon軟件是美國通控集團博軟公司開發的基于MFA 控制器的專利技術產品, 具有應用范圍廣、自適應、􀀁即插即用􀀁等特點。本
系統選用CyboCon軟件的M IMO MFA控制器, 用于蒸發室液位和濃度的過程控制。M IMO M FA 控制器通過同時調節進料流量和出料流量能快速精確地控制液位和濃度, 系統控制
原理框圖如圖2所示。

 

    圖2中, r1、r2 分別是蒸發室液位和濃度的設定值, 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/出料流量閥開度; y1、y2 分別是蒸發室果醬液位、濃度的實測值。采用MFA控制器后, 系統運行穩定可靠, 在系統啟停和正常工作情況下都能保持在自動控制狀態, 番茄醬濃度、蒸發室液位能很快控制到設定值范圍, 超調量很小, 產品品質得到了保證。

2  PLC應用程序設計

    STEP7是西門子PLC 程序專用設計軟件, 可實現對整個控制系統(包括PLC、遠程I /O、驅動裝置和通信網絡等)進行組態、編程和監控。蒸發器的PLC 程序包括主程序OB1、按
控制點分類的功能塊FC1~ 13、16、21、22、30、36、38、39, 模擬量輸入功能塊FC101, 時間處理功能塊FC102, 報警功能塊FC302, 急停處理功能塊FC301, 共享數據塊DB1~ DB5(存儲功能塊的數據), 背景數據塊(存儲系統功能塊的數據), 軟啟動組織塊OB100( OB100中主要存放模擬量控制參考值、中間比較值及時間參考值), 調用功能塊FB41, 通過持續的輸入輸出變量來控制工藝過程, 實現完整的PID控制; 程序按照控制點分類, 相關聯的幾個控制點為一個功能塊, 便于程序檢查及故障排除, 在功能塊中包括時序控制、條件控制、模擬量數據處理運算、PID控制等。控制系統的軟件流程如圖3所示。

 

3􀀁 人機界面設計

    設計采用西門子MP277 10􀀁TOUCH觸摸屏, 運用組態軟件W inCC flex ib le 2008進行組態。根據控制系統功能要求,觸摸屏程序設計應完成包括動畫功能在內的人機界面程序,實現數據采集、圖形顯示、人機對話、實時通信、實時數據分析等多個任務的實時并行處理[ 2]。

    觸摸屏界面主要設計了登錄、主操作、手動控制、模擬量監控、報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, 防止非操作人員進行操作, 保證了系統的安全性; 主操作畫面顯示蒸發器的工藝流程、設備狀態, 如圖4所示, 可通過單擊工藝流程圖中的控制點圖標(各泵閥等)對現場設備進行控制; 手動操作界面利用觸摸鍵豐富而靈活多樣的功能設置, 對設備各部件直接進行啟動、停機控制; 模擬量監控畫面用于顯示蒸發器控制系統所采集的現場模擬量的實時數值; 報警畫面顯示系統運行時出現的報警信息, 當有新的報警出現時, 觸摸屏畫面將自動彈出􀀁報警彈出窗口􀀁, 以提示用戶注意報警信息, 保證系統的安全運行; 曲線記錄畫面顯示監控過程中各個模擬量的實時輸出值及趨勢曲線, 方便觀察。

觸摸屏生產監控界面

4  結束語

    本系統采用西門子觸摸屏和S7- 300系列PLC, 設計了番茄醬蒸發器電氣控制系統, 實現了番茄濃縮加工過程的自動化控制, 人機界面友好, 操作簡便、安全, 提高了生產效率和能源利用效率, 并可通過通訊模塊與其他生產設備聯網組成集中管理、分散控制的分散式控制系統。該設備也可用于其他果蔬汁的濃縮加工, 其主要性能指標與國外先進水平接近, 已在全國多家生產廠成功應用投產,經濟效益顯著, 并獲得2009年中國機械工業科學技術三等獎、2009年航空科學技術三等獎。

參考文獻:
[1]呂品. PLC和觸摸屏組合控制系統的應用[ J]. 自動化儀表,2010, 31( 8) : 45- 51.
[2]任阿丹, 姜􀀁 明, 劉曙濱. 基于觸摸屏和PLC的燃氣熱風爐控制系統[J] . 制造業自動化, 2010, 32( 8) : 137- 140.