基于触摸屏和PLC的番茄酱蒸发器自动控制系统
张晓燕
(中航工业北京航空制造工程研究所, 北京100024)

摘要: 在分析番茄酱蒸发器控制系统功能的基础上, 选用西门子PLC 与触摸屏相结合的硬件方案, 利用博软公司的MFC控制器软件, 实现了浓度、液位的自动控制; 基于W INCC 开发的交互控制程序, 可实时监测、控制系统的运行状态, 具有系统配置、故障报警等功能。

关键词: 触摸屏; PLC; 控制系统; MFC控制

中图分类号: TP216 文献标志码: A 文章编号: 1002- 1302( 2011) 02- 0501- 02

    PLC具有可靠、简便、开放性强、性价比高等优点, 在工程领域得到普遍应用, 而触摸屏则是人机界面的主流选择, 由触摸屏和PLC组成的C /S系统架构已成为一种稳定、可靠的解决方案[ 1] 。本研究设计的番茄酱蒸发器控制系统采用了PLC和触摸屏结合的控制方式, 实现了番茄浓缩加工过程的自动控制, 具有运行稳定、操作简单、故障率低等优点。

1  控制系统设计

1. 1 控制系统功能

    番茄酱蒸发器使用蒸汽加热真空环境下的果蔬汁, 根据真空低温蒸发原理实现果汁的浓缩。设计采用三效四段升膜式蒸发器, 包括一效蒸发室、二效蒸发室、双三效蒸发室、储存室、冷却水泵、冷凝器、循环泵、真空泵、电气控制系统等组成。一效、二效蒸发系统产生的蒸汽由三效蒸发系统重复利用, 实现多效节能。

    控制系统主要功能是按工艺流程要求实时监测各蒸发室液位和一效蒸发室浓度, 并自动控制各泵的启停、调速及各流量阀的开闭、开度, 并在触摸屏上动态显示系统状态, 接受人工操作指令。据此, 电气控制系统设计应实现以下功能:

(1)实现手自动一体控制, 正常工作时, 控制系统使蒸发器自动运行; 当设备出现故障或调试时, 可切换至手动状态,通过触摸屏上的手动按钮对设备进行操作。

(2)在触摸屏上实现蒸发器生产工艺组态, 动态显示生产中的工艺指标及设备的工作情况。

(3)当系统检测到故障时, 立即执行故障保护程序, 并发出声光报警信号, 同时在触摸屏上显示故障情况说明。

( 4)配置模拟量输入输出模块, 实现对液位、浓度等多个模拟变量的连续采集, 并对各泵速、进出流量阀开度进行闭环过程控制。

1. 2 控制系统的组成

    本设计方案选用西门子S7- 300 系列PLC 和M P277 10􀀁TOUCH触摸屏, 两者通过MPI通讯口连接。PLC 的CPU 模块选择CPU315- 2DP, 配备电源模块PS307。根据该蒸发器感器、1个浓度传感器, 即18个模拟量输入信号, 故选择3个模拟量输入模块SM 331; 需要控制7个调节阀的开度和2个变频器的泵速, 故选择2个模拟量输出模块SM332; 选择了1个数字量扩展模块SM 321, 用于监测40 路电机的状态信号; 选择了1个数字量输出模块SM322, 使用其中40路用于控制电机的启停和阀门的开关。系统硬件组成如图1所示。

 

1. 3 MFA 控制方法

    蒸发器控制系统主要被控量为产出酱的浓度和蒸发室的液位, 而酱的浓度是最关键的质量变量, 要求稳定在很小的变化范围。番茄酱浓度越高, 生产经济效益越好, 但也越容易在管道、蒸发室干糊, 造成生产浪费、停顿甚至设备损坏。目前国际最高浓度范围为36% ~ 38%。它们的控制量为蒸发室的进料流量阀开度和出料流量阀开度。如果采用单回路PID控制器分别控制液位和浓度, 2个回路的相互影响会导致设备运行不稳定, 进而破坏生产过程的稳定, 使得产量下降, 能源浪费,产品品质不一。蒸发器的液位和浓度回路是典型的M IMO过程。

    MFA控制器是一种无模型自适应控制方法。CyboCon软件是美国通控集团博软公司开发的基于MFA 控制器的专利技术产品, 具有应用范围广、自适应、􀀁即插即用􀀁等特点。本
系统选用CyboCon软件的M IMO MFA控制器, 用于蒸发室液位和浓度的过程控制。M IMO M FA 控制器通过同时调节进料流量和出料流量能快速精确地控制液位和浓度, 系统控制
原理框图如图2所示。

 

    图2中, r1、r2 分别是蒸发室液位和浓度的设定值, 作为MFA控制器的输入; MFA控制器输出模拟量u1、u2, 去分别控制进/出料流量阀开度; y1、y2 分别是蒸发室果酱液位、浓度的实测值。采用MFA控制器后, 系统运行稳定可靠, 在系统启停和正常工作情况下都能保持在自动控制状态, 番茄酱浓度、蒸发室液位能很快控制到设定值范围, 超调量很小, 产品品质得到了保证。

2  PLC应用程序设计

    STEP7是西门子PLC 程序专用设计软件, 可实现对整个控制系统(包括PLC、远程I /O、驱动装置和通信网络等)进行组态、编程和监控。蒸发器的PLC 程序包括主程序OB1、按
控制点分类的功能块FC1~ 13、16、21、22、30、36、38、39, 模拟量输入功能块FC101, 时间处理功能块FC102, 报警功能块FC302, 急停处理功能块FC301, 共享数据块DB1~ DB5(存储功能块的数据), 背景数据块(存储系统功能块的数据), 软启动组织块OB100( OB100中主要存放模拟量控制参考值、中间比较值及时间参考值), 调用功能块FB41, 通过持续的输入输出变量来控制工艺过程, 实现完整的PID控制; 程序按照控制点分类, 相关联的几个控制点为一个功能块, 便于程序检查及故障排除, 在功能块中包括时序控制、条件控制、模拟量数据处理运算、PID控制等。控制系统的软件流程如图3所示。

 

3􀀁 人机界面设计

    设计采用西门子MP277 10􀀁TOUCH触摸屏, 运用组态软件W inCC flex ib le 2008进行组态。根据控制系统功能要求,触摸屏程序设计应完成包括动画功能在内的人机界面程序,实现数据采集、图形显示、人机对话、实时通信、实时数据分析等多个任务的实时并行处理[ 2]。

    触摸屏界面主要设计了登录、主操作、手动控制、模拟量监控、报警记录和历史曲线等界面。登录界面要求操作员工登录前输入登录口令, 防止非操作人员进行操作, 保证了系统的安全性; 主操作画面显示蒸发器的工艺流程、设备状态, 如图4所示, 可通过单击工艺流程图中的控制点图标(各泵阀等)对现场设备进行控制; 手动操作界面利用触摸键丰富而灵活多样的功能设置, 对设备各部件直接进行启动、停机控制; 模拟量监控画面用于显示蒸发器控制系统所采集的现场模拟量的实时数值; 报警画面显示系统运行时出现的报警信息, 当有新的报警出现时, 触摸屏画面将自动弹出􀀁报警弹出窗口􀀁, 以提示用户注意报警信息, 保证系统的安全运行; 曲线记录画面显示监控过程中各个模拟量的实时输出值及趋势曲线, 方便观察。

触摸屏生产监控界面

4  结束语

    本系统采用西门子触摸屏和S7- 300系列PLC, 设计了番茄酱蒸发器电气控制系统, 实现了番茄浓缩加工过程的自动化控制, 人机界面友好, 操作简便、安全, 提高了生产效率和能源利用效率, 并可通过通讯模块与其他生产设备联网组成集中管理、分散控制的分散式控制系统。该设备也可用于其他果蔬汁的浓缩加工, 其主要性能指标与国外先进水平接近, 已在全国多家生产厂成功应用投产,经济效益显著, 并获得2009年中国机械工业科学技术三等奖、2009年航空科学技术三等奖。

参考文献:
[1]吕品. PLC和触摸屏组合控制系统的应用[ J]. 自动化仪表,2010, 31( 8) : 45- 51.
[2]任阿丹, 姜􀀁 明, 刘曙滨. 基于触摸屏和PLC的燃气热风炉控制系统[J] . 制造业自动化, 2010, 32( 8) : 137- 140.