基于PLC的微波膨化玉米設備的控制系統(tǒng)設計

甄 潔，張楊林子，王 順，洪廣富，周明干，楊明華

（中國電子科技集團公司第十二研究所，北京 100015）

1 引言

膨化作用能夠改善玉米的口感和風味，同時提高玉米的營養(yǎng)價值。膨化后的玉米體積膨大、質(zhì)地疏松，有利于腸胃消化酶的滲入，便于消化吸收，因此膨化玉米作為飼料具有更高的利用價值[1，2]。

相比于傳統(tǒng)膨化技術，微波膨化具有加熱速度快、產(chǎn)品質(zhì)量高、受熱均勻、殺菌消毒效果好等特點。微波膨化的原理是：微波加熱使物體內(nèi)部氣體溫度急劇上升，使內(nèi)部蒸汽的形成速率高于蒸汽的遷移速率，物料出現(xiàn)蒸汽壓梯度，當壓力超過纖維組織結構強度的承受能力時物料會膨化。

目前干燥加熱的微波設備多采用水平傳動的隧道式結構[3]，該結構中微波源位于加熱腔上方，加熱腔體積通常較大，物料處分布的微波功率密度低。本設計的微波膨化玉米設備采用立式腔體結構，微波源水平排布在腔體兩側(cè)，加腔體寬度設計依據(jù)微波在玉米中的穿透深度。玉米在加熱腔中垂直下落，通過調(diào)整下料速度控制微波的作用時間，最終達到膨化效果。該設備需要具備精確穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，根據(jù)監(jiān)測的實時溫度數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)設備的下料速度，使玉米達到穩(wěn)定的膨化效果。本文為微波膨化玉米設備設計了一套穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度PID自動調(diào)節(jié)、自動保護等功能，設備工作能夠一鍵控制。

2 微波玉米膨化設備的組成及工作原理

2.1 設備組成

微波玉米膨化設備結構組成框圖如圖1所示。設備主體自上而下分別為上料腔、微波膨化腔、出料腔，設備背部為控制柜。上料腔用于暫儲上料機提升的玉米原糧。微波膨化腔設備的核心部分，包括磁控管、激勵腔、開關電源、磁控管水冷系統(tǒng)、出料調(diào)速系統(tǒng)等。設備最下方是暫儲處理后物料的出料腔?？刂乒癜讼到y(tǒng)的配電器件、PLC及擴展模塊、設備操作觸摸屏、調(diào)速電機的變頻器和溫度信號變送器等。

圖1 設備組成框圖

2.2 設備工作原理

設備的工作原理為：玉米被上料機提升到上料腔后，下降堆積在微波膨化腔的加熱腔體中。當玉米堆積滿后，開啟微波發(fā)生器，對玉米進行加熱，同時開始控制出料電機。通過實時監(jiān)測出料口處的溫度，利用PLC控制器控制微波發(fā)生器的工作及出料變頻電機的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)微波對玉米的作用時間，從而使玉米在加熱腔內(nèi)達到具備最佳膨化效果的溫度。當玉米達到工藝要求以后，進入到出料腔，從出料口卸出。

3 控制系統(tǒng)硬件設計

3.1 控制系統(tǒng)硬件整體設計

工業(yè)微波設備設計中，利用PLC設計的控制系統(tǒng)具有工作可靠、抗干擾能力強、便于設計和安裝、維修方便等特點[4，5]。本設備設計選用了西門子S7-200系列PLC（CPU224）作為控制系統(tǒng)的核心。硬件系統(tǒng)組成如圖2所示，系統(tǒng)中添加模擬量采集模塊EM231進行模擬量采集?？刂葡到y(tǒng)中的昆侖通態(tài)MCGS觸摸屏、出料電機控制變頻器及物料測距傳感器和PLC之間的通信采用RS-485。

3.2 控制系統(tǒng)監(jiān)測與保護設計

控制系統(tǒng)需要選擇合適的傳感器來實現(xiàn)設備的自動化工作及設備的電氣工作保護。在進料腔中，使用紅外測距傳感器測量玉米堆放高度，將其與上料機相結合實現(xiàn)自動送料。溫度采集選用PT100接觸式溫度傳感器，測溫范圍在0～150℃，利用變送器將信號轉(zhuǎn)化為4～20mA的電流信號，輸出給PLC的模擬量采集模塊EM231。物料的測溫點位于微波膨化腔的最下方，此處并列排放置兩個傳感器，取平均值為溫度反饋的參考值。磁控管水冷循環(huán)系統(tǒng)中也放入溫度傳感器，當監(jiān)測溫度超過設定閾值后，系統(tǒng)自動切斷磁控管電源和下料電機，起到保護磁控管的作用。為了能夠?qū)崿F(xiàn)微波輸出部分系統(tǒng)的自動保護功能，采用在每個微波控制單元中串入電流傳感器。實時采集該單元的陽極電流數(shù)值，當測量的實際數(shù)值超過安全閾值后，控制系統(tǒng)可以自動切斷磁控管電源供電，從而起到自動保護作用。

圖2 控制系統(tǒng)硬件設計

3.3 PLC電路設計

PLC控制系統(tǒng)的電路設計如圖3所示。PLC的數(shù)字量輸出I/O端口控制水用于控制冷循環(huán)泵、進料電機、散熱風機、出料電機、以及4組磁控管電源的供電。兩個EM231模塊用于采集3路溫度信號及4組磁控管的電流信號。觸摸屏、變頻器以及物料高度檢測的激光測距儀則通過RS-485端口與PLC進行連接。

圖3 控制系統(tǒng)主電路

4 控制系統(tǒng)軟件

4.1 控制系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)軟件設計流程如圖4所示。自動控制時，系統(tǒng)上電后，在主頁面設置玉米出料的溫度和設備總工作時間，設置完畢后，按下開始鍵，設備開始工作。首先，上料機將玉米裝入上料腔，當玉米高度達到要求后，開啟磁控管水冷泵，有水流信號后，開啟磁控管電源，微波發(fā)生器開始工作。根據(jù)出料口采集的實時溫度，通過PID控制調(diào)節(jié)出料電機的轉(zhuǎn)速，控制出料速度，從而使玉米加熱到設定溫度。待設備工作時間完成后，依次關閉磁控管電源、出料電機、進料電機和水冷水泵等。在設備工作過程中，控制系統(tǒng)會對水冷水溫、磁控管電流和上料倉的物料高度進行實時檢測，當水溫過高或磁控管電流超出正常閾值時，系統(tǒng)會在控制屏幕上自動報警，并切斷磁控管電源。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

4.2 溫度PID控制

本控制系統(tǒng)在加熱的下料過程中利用S7-200的PID控制實現(xiàn)溫度控制如圖5所示。閉環(huán)控制系統(tǒng)的PID（比例-積分-微分）控制，可以根據(jù)設定值（給定）與被控對象的實際值（反饋）的差值，計算出控制器的輸出量，控制執(zhí)行機構去影響被控對象的變化。為了實現(xiàn)設備的自動化工作，選取了微波膨化腔最下方出料口的溫度作為PID的被控對象，出料電機的變頻器設置（即下料速度）為控制的執(zhí)行機構，實現(xiàn)閉環(huán)的PID調(diào)節(jié)，設備完成后，參考實際的實驗結果，對系統(tǒng)的PID的參數(shù)進行設置。最后使設備根據(jù)設定的溫度值，自動調(diào)節(jié)出料速度，保證玉米膨化效果和特性的一致。

圖5 PID調(diào)節(jié)過程示意圖

4.3 人機交互界面設計

本設計人機交互界面使用觸摸屏MCGS嵌入版組態(tài)環(huán)境[6]。人機交互界面主要包括主控界面和功率調(diào)節(jié)界面。主控界面包括開始按鈕、溫度設定框、實時溫度的顯示以及工作時間的設置。功率調(diào)節(jié)界面則主要用于自動或手動調(diào)節(jié)微波功率的輸出及工作過程中的保護和報警。界面如圖6所示。

5 實驗結果

經(jīng)過反復的實驗后，當出料溫度設置為120℃時，處理后的玉米達到膨化效果。膨化玉米的營養(yǎng)成分化驗結果如表1所示，結果表明，膨化后的玉米具有更高的營養(yǎng)價值。

圖6 人機交互界面

表1 玉米膨化前后營養(yǎng)成分化驗結果

6 結束語

本控制系統(tǒng)采用PLC與觸摸屏的控制方式，結合了激光測距、溫度、水流檢測等傳感器，實現(xiàn)了設備膨化玉米過程的自動化控制。經(jīng)過反復的實驗，設備控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，滿足微波膨化玉米設備工作的控制需求。實驗結果表明，當玉米溫度達到120℃時，膨化效果最佳。

[1] 王彩云.玉米膨化質(zhì)構變化的研究.中國糧油學報，1998，（3）：41～43.

[2] 張鐘，劉正.微波對玉米籽粒膨化效果的影響.糧油與飼料工業(yè)，1997，（10）：35～36，43.

[3] 趙桂豐，連續(xù)式微波加熱設備的研制[D].大連工業(yè)大學，2009.

[4] 李建國，楊薇，黃小麗等.微波干燥自動控制系統(tǒng)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2009，37（7）：3294，3321.

[5] 張康，劉淑良，井建等.基于PLC 的煤泥微波干燥自動控制系統(tǒng)設計與實驗[J].潔凈煤技術，2013，19（4）：109-111.

[6] 李清磊.工控組態(tài)軟件三維監(jiān)控界面人機交互技術的研究[D].北京工業(yè)大學，2008.