基于S7—300PLC果蔬真空預冷機控制系統(tǒng)的設(shè)計

閆靜文,王雪芹,劉寶林,周 燕,高志新

(上海理工大學低溫生物與食品冷凍研究所,上海 200093)

基于S7—300PLC果蔬真空預冷機控制系統(tǒng)的設(shè)計

閆靜文,王雪芹,劉寶林＊,周 燕,高志新

(上海理工大學低溫生物與食品冷凍研究所,上海 200093)

以果蔬真空預冷機的控制系統(tǒng)為例,分析其結(jié)構(gòu)和工藝原理,采用小型 PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器控制,進行了PLC選型和程序設(shè)計,實現(xiàn)了果蔬真空預冷機的 PLC自動控制,從而提高了預冷機的可靠性和自動化程度,對通用真空預冷控制系統(tǒng)的設(shè)計具有借鑒意義。

真空預冷機,PLC,控制

1 基本結(jié)構(gòu)及控制要求

1.1 基本結(jié)構(gòu)

果蔬真空預冷機的基本結(jié)構(gòu)如圖 1所示,主要由真空冷卻室、制冷系統(tǒng)、水汽凝結(jié)器和真空泵組成。

圖1 果蔬真空預冷機結(jié)構(gòu)示意圖

果蔬真空預冷的工作原理：將采摘后的果蔬放入真空冷卻室內(nèi),利用真空泵 7進行抽氣,使真空冷卻室內(nèi)的壓力降低,果蔬組織內(nèi)外水的沸點隨之降低,水汽化吸收周圍的熱量,使被處理的果蔬快速而均勻的冷卻。同時制冷劑經(jīng)壓縮機4、蒸發(fā)器3、膨脹閥2和冷凝器1完成制冷循環(huán);采用乙醇水溶液作為載冷劑,由循環(huán)水泵 5送到真空冷卻室底部的水汽凝結(jié)器 6。由于真空泵的連續(xù)抽氣,在真空箱與泵口之間造成一個壓力差,箱內(nèi)產(chǎn)生的水蒸汽由水汽凝結(jié)器 6捕集到并凝結(jié)為水,由真空冷卻室底部的排水閥放出,而清除了水汽的空氣通過真空泵排至室外。

1.2 控制要求

該真空預冷系統(tǒng)工作模式分為手動運行和自動運行兩種。手動運行分為制冷機運行、真空泵運行、滲氣閥運行、放氣閥運行和排水閥運行等工況;自動運行模式通過溫度傳感器檢測到的溫度信號自動判斷系統(tǒng)何時進入抽真空運行,同時根據(jù)實時檢測到的溫度信號確定制冷機、滲氣閥的啟停時間,以及放氣閥和排水閥的運行時間并運行相應(yīng)工況。操作者可以通過觸摸屏手動選擇工況,也可以在觸摸屏上按下“自動運行”選項,即進入自動運行狀態(tài)。當水汽凝結(jié)器溫度下降至-6℃以下,水汽凝結(jié)器表面溫度傳感器檢測到該溫度信號,經(jīng)溫度變送器,傳輸給PLC的模擬量輸入模塊,在 PLC內(nèi)部利用編程軟件進行數(shù)據(jù)處理,形成相應(yīng)的開關(guān)量輸出,控制中間繼電器開啟真空泵,同時開始預冷。制冷機在水汽凝結(jié)器溫度降至-17℃自動停止,在水汽凝結(jié)器溫度上升至-6℃自動起動,以防制冷機液擊;PLC控制滲氣閥在真空壓力低于設(shè)定下限時開啟,高于設(shè)定上限時關(guān)閉;當果蔬物品溫度降至設(shè)定溫度以下,PLC控制制冷機停止,真空泵停止,滲氣閥與放氣閥打開,排水閥延時打開,預冷過程結(jié)束。控制系統(tǒng)的啟動和停止均由觸摸屏實現(xiàn),觸摸屏可以實時顯示溫度、壓力、重量、濕度、工作電流等數(shù)據(jù),以及制冷機、真空泵、放氣閥、排水閥的運行狀態(tài)等,用戶可通過觸摸屏進行預冷終溫和極限壓力的設(shè)定,以及實時的監(jiān)控。同時,還要求控制系統(tǒng)具有系統(tǒng)正常運行必需的保護盒報警功能,如壓縮機高低壓保護和報警等。該系統(tǒng)溫度、壓力和重量為模擬量控制,其它均為開關(guān)量控制。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)果蔬真空預冷機的操作和控制要求,控制系統(tǒng)選用西門子公司的 S IMATI C S7-300系列 PLC, S IMATI C S7-300可編程序控制器是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合以用于擴展。S7-300系列具有極高的可靠性,極豐富的指令集,易于掌握、便捷的操作,豐富的內(nèi)置集成功能,實時特性、強勁的通訊能力,豐富的擴展模塊,具有極高的性價比。系統(tǒng)的主要配置如圖 2所示。

2.1 PLC配置

圖2 系統(tǒng)配置圖

出于對成本的考慮,選用帶集成數(shù)字量輸入和輸出的緊湊型 CPU 312(6ES7312-5BD01-0AB0),集成 10個數(shù)字量輸入點和 6個數(shù)字量輸出點,運行是需要微存儲卡(MMC),內(nèi)置MPI接口。系統(tǒng)的數(shù)字量輸入有 3個報警信號：壓縮機過載保護、水泵過載保護和真空泵過載保護,共 3個輸入點。系統(tǒng)的數(shù)字量輸出有通過中間繼電器控制壓縮機、水泵和真空泵的開啟以及 3個電磁閥門 (滲氣閥、放氣閥、排水閥)的開啟信號,共 6個數(shù)字量輸出點。由于要輸出傳感器(溫度、壓力、重量和濕度)的模擬量輸入信號,所以配置了2個 S M331 A I模塊(6ES7331-7NF00 -0AB0),8通道隔離輸入。分別是 1個水汽凝結(jié)器表面溫度,1個真空冷卻室內(nèi)溫度,7個果蔬制品的溫度,1個真空室內(nèi)壓力,1個真空室內(nèi)濕度,1個果蔬制品的重量和 1個工作電流。該系統(tǒng)還配置了MP277彩色觸摸屏,通過MPI協(xié)議與 S7-300進行通訊,承擔起整個系統(tǒng)的過程監(jiān)控、參數(shù)顯示、報警和參數(shù)設(shè)定等功能。

2.2 傳感器的選擇

在控制系統(tǒng)中,采用穩(wěn)定性和線性響應(yīng)都較好的鉑溫度傳感器 Pt100和 T型熱電偶作為檢測單元。測溫范圍分別-50～180℃和-200～350℃。1根熱電偶用來檢測水汽凝結(jié)器表面溫度,其余 3根探針式Pt100和 5根 T型熱電偶均放在真空冷卻室內(nèi),用來測真空室內(nèi)溫度和果蔬制品溫度。壓力傳感器采用電容式薄膜規(guī),位于真空箱頂,量程為 10kPa～10Pa,測量精度高,且配帶有 0～5V/4～20mA輸出。測量真空室內(nèi)的壓力變化并在觸摸屏上顯示。電子稱采用電阻應(yīng)變式傳感器,結(jié)構(gòu)簡單,抗偏載能力強。濕度傳感器選用 S302H3K型濕度模塊。它的輸出信號為0～1V電壓信號,穩(wěn)定性好,可靠性高,使用環(huán)境為-40～60℃。

通過上述傳感器檢測到的信號通過信號變送器轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓信號或電流信號連入A I模塊,轉(zhuǎn)化成為所對應(yīng)的實數(shù)值,存入 PLC,并且在觸摸屏上實時顯示出各個溫度曲線、壓力曲線、濕度曲線和重量曲線。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PLC應(yīng)用程序設(shè)計

根據(jù)果蔬真空預冷機的操作要求,確定各動作的順序和相互之間的關(guān)系,在 STEP7V5.3軟件平臺下進行 PLC程序的編寫,STEP7V5.3可支持梯形圖、S IMATI C指令和功能圖[9]。且具有指令豐富、結(jié)構(gòu)清晰、編程方便的優(yōu)點。該果蔬真空預冷機的整個程序主要由制冷機運行循環(huán)、滲氣閥運行循環(huán)、放氣閥、放水閥開啟等功能組成邏輯控制,系統(tǒng)主程序流程圖如圖 3所示。

其中,系統(tǒng)流程圖中的兩個循環(huán)簡述如下：

制冷機運行循環(huán)為：水汽凝結(jié)器表面溫度 T2=-17℃→關(guān)閉制冷機→水汽凝結(jié)器表面溫度 T1=-6℃=設(shè)定值 1→開啟制冷機;滲氣閥運行循環(huán)為：真空冷卻室壓力 ＜設(shè)定下限→滲氣閥打開→真空冷卻室壓力 ＞設(shè)定上限→滲氣閥關(guān)閉

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

3.2 上位機程序設(shè)計

MP277觸摸屏的功能畫面使用 S IMATI CW in CC flexible工程軟件,它集控制技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、人機界面技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和圖形技術(shù)于一身,包含動態(tài)顯示、報警、控件、趨勢及網(wǎng)絡(luò)通信等組件,提供友好的人機界面,便于用戶在不需要編程序代碼的情況下便可生成自己需要的應(yīng)用軟件。MP277通過MPI與下位機 PLC進行通訊。觸摸屏的起始界面如圖 4所示。在起始界面中用戶可以選擇手動操作;也可以單擊自動運行按鈕進行全自動運行。各按鈕之間互鎖,在起始界面可以實時顯示當前運行工況。同時,在起始界面還組態(tài)了真空室壓力、水汽凝結(jié)器溫度、參數(shù)設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)、電流曲線、溫度曲線、壓力曲線、重量曲線等子界面。例如觸摸“參數(shù)設(shè)置”鍵,即進入設(shè)置界面：可設(shè)置物品的冷卻終溫,真空室壓力的上下限。當樣品溫度低于設(shè)定溫度時,系統(tǒng)自動停止工作,當真空室壓力低于下限壓力時,滲氣閥自動開啟,高于上限壓力時,滲氣閥自動關(guān)閉。觸摸屏還設(shè)有“緊急停機”鍵,需要緊急停機時按下該鍵,自動運行即停止,同時滲氣閥、放氣閥和排水閥均會打開。

圖4 觸摸屏起始界面

4 結(jié)束語

根據(jù)果蔬真空預冷裝置的結(jié)構(gòu)和控制要求,本控制系統(tǒng)采用了基于西門子 PLC和觸摸屏的控制方式,改進了傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)存在的缺陷和不足,系統(tǒng)的元器件使用量少、接線少、抗干擾能力強,可靠性高,且成本較低,適用于國內(nèi)的中小型果蔬真空預冷機,僅需修改控制程序即可達到改善控制的要求,編程方法簡單易掌握。經(jīng)實際運行表明,本系統(tǒng)程序設(shè)計合理,運行穩(wěn)定,數(shù)據(jù)顯示直觀,采集存儲方便,對通用真空預冷系統(tǒng)的控制具有一定的借鑒作用。

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[9]西門子(中國)有限公司自動化與驅(qū)動集團 .深入淺出西門子 S7300 PLC[M].北京,西門子(中國)有限公司,2004.

Design of the control system of a vacuum cooler based on S7-300 PLC

YAN J ing-wen,WANG Xue-qin,L IU Bao-lin＊,ZHOU Yan,GAO Zhi-xin
(Institute of Cryobiology and Food Freezing,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

The control sys tem of a vacuum coole r for fruits and vege tab les was des igned based on S7-300PLC (Prog ramm ab le Log ic Controlle r).The trad itiona l re lay control sys tem was rep laced by the sm a ll-sca le PLC.This new PLC control sys tem can control the refrige ra ting m achine,the vacuum coole r,a se ries of va lves autom a tica lly. As a result,the re liab ility of the vacuum coole rwas imp roved.

vacuum coole r;PLC;control

TS255.35

A

1002-0306(2010)03-0320-03

真空預冷是目前國際上先進的預冷方法,可以快速均勻地除去采收帶來的田間熱,降低呼吸熱,從而延長貯存期,對果蔬保鮮和提高人們的生活水平具有極為重要的意義。早在 60年代初到 70年代初,西方發(fā)達國家以及日本已經(jīng)開始真空預冷技術(shù)的系統(tǒng)研究工作[1-3],我國從 80年代中期才開始進行真空預冷技術(shù)和設(shè)備的研究工作。目前國內(nèi)多家研究所、高校和企業(yè)先后對真空預冷技術(shù)和設(shè)備進行了更加深入的研究和開發(fā),并制造出了一些相關(guān)產(chǎn)品[4-8]。為了進一步優(yōu)化果蔬真空預冷機的預冷工藝和控制系統(tǒng),針對傳統(tǒng)的繼電器控制存在接線復雜、控制反應(yīng)速度慢、功能單一、靈活性差的缺陷,本文介紹了一種基于西門子 S IMATI C S7-300系列PLC,和人機界面友好的西門子 S IMATI C MP277觸摸屏作為現(xiàn)場監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集的平臺進行控制的果蔬真空預冷控制系統(tǒng),軟件分別選用 STEP 7-Micro/ W IN編程軟件和 S IMATI C W inCC flexible組態(tài)軟件,可以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控,并實時檢測溫度、壓力、濕度和重量等信號,實現(xiàn)動態(tài)顯示和人機交互功能。

2009-06-09 ＊通訊聯(lián)系人

閆靜文(1987-),女,碩士研究生,研究方向：真空預冷。

上海市重點學科建設(shè)項目 (S30503);教育部新世紀優(yōu)秀人才計劃(07-0559);上海高校東方學者計劃。