1 引言
食品的殺菌流程為：食品必須經(jīng)過殺菌機、冷卻機和干燥機三部分的依次作用來完成。舊式的殺菌系統(tǒng)通常采用繼電器式的自動控制柜，存在結(jié)構(gòu)復雜、體積大、故障率高、通用性差且控制精度不高等問題，嚴重影響了殺菌流程的效率。隨著自動化和計算機技術(shù)的發(fā)展，新一代食品殺菌控制系統(tǒng)，不僅自動化程度高，易操作，而且生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量也大大提高。
我們采用SIEMENS的小型PLC對整個殺菌系統(tǒng)進行控制，可實現(xiàn)較高的自動化程度，并能完成智能控制、狀態(tài)監(jiān)測和故障保護等任務(wù)，同時還提供良好的人機界面和操作員進行交互，使得修改各種參數(shù)簡單、易行，對于機械設(shè)備的運行狀態(tài)能夠及進、快速、準確的反映。
2 系統(tǒng)的功能和硬件構(gòu)成
2.1食品殺菌系統(tǒng)的主要功能及要求
食品殺菌控制系統(tǒng)的工藝流程如下：由殺菌機的蒸汽調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生設(shè)定溫度的熱水，對食品進行殺菌。接著進入冷卻機進行冷卻，由冷媒電磁閥控制冷卻機的內(nèi)水溫。最后經(jīng)過干燥機的干燥，把完成了殺菌作用的儀器由網(wǎng)帶送出。
根據(jù)上述工作流程，本食品殺菌控制系統(tǒng)要求：
(1)操作員能實現(xiàn)對殺菌過程中各個工作步驟的順序控制，該控制系統(tǒng)必須具有自動啟動、手動啟動、自動停止和手動停止殺菌機、冷卻機和干燥機的功能。
(2)對殺菌過程進行在線溫度/速度等物理量的檢測和控制，并實時顯示溫度速度值/速度值和水泵、閥及風機的狀態(tài)。
(3)可完成各種參數(shù)（如水溫，網(wǎng)帶速度和工號等）的設(shè)定。
(4)能夠定時、抽查和交班打印數(shù)據(jù)。
(5)實施必要的安全措施，如互鎖，緊急停車，現(xiàn)地越控，故障報警等。
2.2食品殺菌系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
通過分析該殺菌控制系統(tǒng)的功能要求，我們采用SIEWMENS的S7 226可編程控制器作為該控制系統(tǒng)的CPU，外加數(shù)字IO模塊，模擬量輸入、輸出模塊進行擴展。為了提供便于交互的人機界面和設(shè)計的方便，我們選用了SIEMENS的觸摸屏TP27。同時采用EPS為的LQ300K打印機按用戶需要打印數(shù)據(jù)或報警信息。網(wǎng)帶電機的速度我們使用SIEMENS的MicroMaster變頻器來進行控制。上述研制配置可滿足本系統(tǒng)的各項功能，主電控柜包括PLC、擴展模塊、觸摸屏和打印機，主電控柜上方是用于聲光報警的蜂鳴器和報警燈�，F(xiàn)地的控制屏用于顯示傳輸網(wǎng)帶速度，水槽內(nèi)的水溫，也可越控（即直接手動控制該系統(tǒng)中的某些裝置而不受PLC的影響，主要用于PLC故障或緊急情況）。殺菌機、冷卻機和干燥機主要包括網(wǎng)帶電機、水泵電機、風機、攪拌機、補水電磁閥、蒸汽調(diào)節(jié)閥和冷媒電磁閥等執(zhí)行器，同時包括溫度傳感器、液位開關(guān)、流量開關(guān)等用于判斷當前狀態(tài)和故障的傳感器。
3 控制方案
在食品殺菌控制系統(tǒng)中，對于水泵，風機等開關(guān)量的邏輯控制比較簡單，傳輸網(wǎng)帶的控制雖然要復雜些，也不過是根據(jù)設(shè)定的速度進行模擬量輸出，不存在困難。
3.1控制的難點
本系統(tǒng)中控制的難點在于水溫的控制，工藝要求殺菌機溫度控制范圍為：85℃~98℃，控制精度為：±1℃冷卻機溫度控制范圍為：0℃~4℃，控制精度為：±2℃。
從本質(zhì)上說，殺菌系統(tǒng)溫度控制的難點主要有兩方面，一是難以建立數(shù)學模型，二是其控制參數(shù)的時變性。具體的說，影響水槽內(nèi)水溫變化的因素：
1)殺菌的食品的不同（量的不同和質(zhì)的不同）導至水溫變化。
2)補水閥可能要對水槽進行補水（自來水），上述兩因素都是不確定的， 而可控制水溫的量僅有殺菌機的電磁調(diào)節(jié)閥或冷卻機的冷媒閥。
3)由于經(jīng)電磁調(diào)節(jié)閥出來的蒸汽要經(jīng)過一定的時間才能與水槽內(nèi)的水相混合，故存在較大的時滯。
綜上，可以看出該水溫控制系統(tǒng)是一模型不確定、并存在較大時滯的系統(tǒng)，如果我們采用傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)，無法給出能保證系統(tǒng)在任何情況下性能均良好的PID參數(shù)。我們可以考慮采用模糊控制技術(shù)。
3.2 模糊控制在水溫控制方案中的應(yīng)用
興起于70年代的模糊控制近年來取得了廣泛的應(yīng)用，充分顯示了模糊控制在大規(guī)模系統(tǒng)、多目標系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和無適當傳感器可檢測系統(tǒng)中的良好的應(yīng)用效果。模糊控制主要有不依賴精確的數(shù)字模型，對參數(shù)變化具有較強的魯棒性等優(yōu)點。
針對殺菌系統(tǒng)的水溫控制的特點，我們采用如下的控制器結(jié)構(gòu)。在水槽內(nèi)的溫度與設(shè)定溫度有較大的升溫和節(jié)能。在兩者溫差較小時，采用模糊控制，使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。為消除在零誤差附近的極限環(huán)振蕩，在溫差接近于零時，采用PID控制，引入積分，使系統(tǒng)在取得滿意的動態(tài)性能下，達到期望的穩(wěn)態(tài)性能。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)軟件的設(shè)計包括觸摸屏的軟件設(shè)計和PLC的軟件設(shè)計兩部分。
4.1觸摸屏的軟件設(shè)計
對觸摸屏的編程，我們采用ProTool/Pro CS組態(tài)軟件。ProTool/Pro CS完整的圖形用戶界面允許用戶方便地創(chuàng)建面向?qū)ο蟮�、基于符號的項目。在ProTool/Pro CS中界面上的操作單元與執(zhí)行器之間通過PLC利用變量進行通訊，也即在觸摸屏可以直接讀或?qū)慞LC上的存儲區(qū)域（地址）。
為了提供給操作員直觀、生動的人機交互界面，我們可考慮把水泵，網(wǎng)帶等在運行時做成動畫，便由于ProTool/Pro CS組態(tài)軟件本身沒有動畫功能，為此，我們的解決方法是當上述裝置運行時，由PLC啟動定時器，把某個定時變化的值傳給TP 27觸摸屏，而觸摸屏根據(jù)該值來切換圖畫，以產(chǎn)生動畫效果。
4.2PLC的軟件設(shè)計
我們采用STEP 7-Micro/Win32軟件工具包對PLC進行編程，該工具軟件包為S7-200 CPU與其它微型系統(tǒng)部件（如觸摸屏呀MicroMaster變頻器）的使用提供了便利。PLC的軟件設(shè)計部分我們采用模塊化的方法，大致可分為自動啟動/停止模塊、手動啟動/停止模塊、通訊模塊、報警模塊、水溫模糊PID混合控制模塊5個部分。
4.2.1自動啟動/停止模塊
為了方便操作員，本殺菌控制系統(tǒng)具有自動啟動/停止功能。冷卻機自動啟動的程序流程圖如圖3。殺菌機、干燥機的自動啟動程序流程圖類似。
而自動停止的流程，則按上述的逆序依欠關(guān)閉風機、網(wǎng)帶電機、冷媒閥和水泵。
4.2.2手動啟動/停止模塊
為了提供更加靈活的功能，我們也可讓操作員手動來啟動或停止指定的風機、網(wǎng)帶或水泵。我們的方法是在程序中設(shè)置一些標志位，分別對應(yīng)上述執(zhí)行器的開或關(guān)，當需要啟動或停止某一執(zhí)行器的時候，我們不是直接去控制該執(zhí)行器的輸出，而是去改變上述標志位，同時在PLC的主程序中根據(jù)該標志位來執(zhí)行相應(yīng)的動作，由于PLC一直在不斷地循環(huán)掃描程序，根據(jù)標志馬上能執(zhí)行相應(yīng)地動作。
4.2.3通訊模塊
由于我們用MicroMaste變頻器對網(wǎng)帶電機進行調(diào)速，所以本殺菌系統(tǒng)中對網(wǎng)帶的控制，實際上就是對其MicroMaster變頻器的控制。STEP 78-Micro/Win32軟件工具包提供了USS通信協(xié)議，從減少軟件的工作量和提高可靠性出發(fā)，我們采用USS協(xié)議來完成PLC與變頻器的通信。與變頻器的通信，對PLC的CPU掃描是異步的，完成一個變頻器通信事務(wù)通常需要幾次CPU掃描。這取決于連接的變頻器數(shù)目，波特率，以及CPU的掃描時間，使用USS協(xié)議的編程順序如下：
（1）通過調(diào)用USS_INIT指令改變USS通信參數(shù)，如啟用或禁止USS協(xié)議、設(shè)定波特率，指示哪些地址的變頻器是激活的（即可與之通信）。標志為激活的任何變頻器都自動地在后臺進行輪詢控制，匯集狀態(tài)，并防止變頻器的串行鏈路超時。
（2）把V存儲器地址分配給USS協(xié)議。
（3）通過調(diào)用DRV_CTRL指令來控制指定的變頻器，如啟停，控制方向，投定速度，查詢變頻器返回的狀態(tài)字等。也可調(diào)用READ_PM或WRITE_PM指令來讀取或?qū)懽冾l器參數(shù)。
（4）配置變頻器參數(shù)，以便與程序中所用的波特率和地址相匹配。
采用上述方法，我們可以很好地控制網(wǎng)帶的速度并查詢變頻器的狀態(tài)，把診斷信息反饋給PLC。
4.2.4報警模塊
為了實時通知操作員故障消息，以便盡快地排除故障，確保整個殺菌系統(tǒng)正常運行，本控制系統(tǒng)具有良好的故障報警措施。系統(tǒng)中一旦有諸如水溫過高、過低，水位過低，傳輸網(wǎng)逞過載，風機故障，流量過小等故障，馬上切斷該設(shè)備，并啟動蜂鳴器和燈光，進行聲光報警，同時把故障消息打印輸出，操作員也可在觸摸屏上查詢故障類型和發(fā)生時間。為了提高可靠性，我們在程序中進行了相應(yīng)的安全保護。如冷卻機主水泵故障時，除進行故障報警、切斷主水泵外，還自動啟動備用水泵。
我們在PLC程序中始終對相應(yīng)的傳感器輸入信號進行掃描，一旦發(fā)現(xiàn)故障，馬上進行聲光報警并切斷該輸出。考慮到工業(yè)現(xiàn)場可能的干擾，1）我們在程序中延遲報警，即只有當報警信號持續(xù)一定的時間（一般為幾十毫秒到幾百毫秒），才認為有故障。2）在啟動設(shè)備時，逐步開啟報警；而在停止設(shè)備時，逐步阻塞報警。上述兩個措施可有效的防止誤報警。
4.2.5水溫的模糊PID混合控制模塊
根據(jù)水溫控制方案，當水溫與設(shè)定溫定有一定差時，采用模糊控制，當兩者接近時采用PID控制。我們選取設(shè)定溫度與當前溫度的差e,以及的變化率△e作為模糊控制器的輸入，PLC模擬輸出模塊的控制量u作為模糊控制器的輸出。
為了完成模糊控制，需進行以下步驟：（1）量化，（2）制定模糊規(guī)則，（3）根據(jù)輸入和模糊規(guī)則，計算各種情況下的精確控制量，得到控制表。由于上述過程都是離線得到，并不影響控制時間。
為了完成PID控制，我們需要完成下列工作：
（1）回路控制類型的選擇，本系統(tǒng)中，我們僅采用比例、積分回路就可以滿足要求。
（2）回路輸入的轉(zhuǎn)換和標準化。每個PID回路有兩個輸入量，給定值（SP）和過程變量（PV）。本系統(tǒng)中的給定值和過程變量是水槽內(nèi)的水溫，在PID計算之前我們必須把這些現(xiàn)實世界的物理量轉(zhuǎn)化為標準的浮點型實數(shù)。
（3）回路輸出值轉(zhuǎn)換成刻度整數(shù)值�；芈份敵鲋狄话闶强刂谱兞�，本系統(tǒng)中是閥的開度，是0.0~1.0之間的標準化了的實數(shù)值，在回路輸出驅(qū)動模擬輸出之前，必須把回路輸出轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的16位整數(shù)，以提供給模擬輸出模塊。
為了讓PID運算以預想的采樣頻率工作，我們把PID控制放在定時發(fā)生的中斷程序中。
5 結(jié)束語
本殺菌控制系統(tǒng)的硬件有PLC、觸摸屏、變頻器等。波及到PLC對開關(guān)量，模擬量和水溫的控制，PLC與變頻器的通訊，人機交互界面的設(shè)計，故障報警，數(shù)據(jù)打印等，是一典型的工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)。我們在分析功能要求的基礎(chǔ)上，給出了良好的解決方案，該系統(tǒng)在河南某食品加工廠已投入運行，運行情況表明本系統(tǒng)自動化程度高，水溫控制情況良好，抗干擾能力強，大大提高了勞動效率。
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本文標題：PLC在食品殺菌控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
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