基于PLC技術的果汁生產控制系統的設計

高士杰

（江蘇食品職業技術學院，淮安 223003）

0 引言

隨著社會的進步和人民生活水平的提高，一日三餐的生活方式早已成為歷史，廣大民眾已經越來越注重個人生活品質的提高，各式各樣的飲品漸漸地成為百姓生活的必須品，果汁飲料作為天然飲品，無論在營養成分上，還是在口感方面都明顯要優于其他種類的飲品，因而受到廣泛的歡迎。

社會主義新農村建設的推進，很重要的目的就是要讓廣大農民盡快脫貧致富，為全面實現小康社會奠定堅實的基礎，廣大農民通過種植經濟植物，來提高年產收入，很多農民就選擇種植果樹生產水果。大量的消費不完的新鮮水果，就需要通過生產果汁的形式，實現保值，避免損失。這就要求果汁生產企業能夠極大地提高生產率，降低生產成本，滿足社會的需要。

果汁生產的自動化控制，采用MCGS+PLC的控制方式，其中大量的基本的控制環節和控制功能都通過PLC來實現，而MCGS組態軟件主要用于開發控制系統的監控工程，實現報警提示、數據查詢、報表輸出及生產監控等功能。

1 系統控制方案和系統構成

果汁生產過程，主要分為以下幾個環節，即洗果，粉碎，榨汁，配液、消毒、罐裝、裝箱等。具體的生產環節將因果汁的不同種類略有差異，但基本環節就是這些。

在系統設計時，考慮到集中控制的優越性，同時還考慮現場生產環節操作以及設備檢修工作的安全性和方便性等，因而，將整個系統分成本地操作站和中央控制室兩個部分。考慮生產企業的生產規模，有多條生產線時，各生產線之間通過PLC網絡控制進行連接。

控制系統有5個PLC本地操作站：清洗站、粉碎榨汁站、濾渣配液站、消毒罐裝站和輸水泵房站，各站PLC均采用三菱公司FX系列PLC產品，在輸水泵上使用的變頻器采用F—A044—2.2K，所有電氣設備上都設立了“手動/自動”切換開關，以實現不同的控制，以免因自控系統故障導致生產的停滯。切換開關放置于生產現場的操作箱中。

中央控制室負責對全廠的生產過程進行控制、監視和管理，能及時動態反映各部分的運行狀態，主要的生產過程參數、工藝參數。上位機采用研華IP610，系統平臺為WindowsXP，用MCGS軟件進行工程開發。上位機與下位機之間采用RS-485通信方式，在上位機與PLC之間接入FX—485PC—IF接口，實現RS—232/485轉換，再通過FX2N—485—BD、FX2NC—485ADP和FX2N—CNV—BD實現通信擴展和RS—485/232變換。在多條生產線之間，通過PLC聯網控制實現互聯。PLC控制方式采用就地控制方式。控制系統的結構如圖1所示。

2 信號檢測和處理

果汁生產控制系統的監控對象主要包括系統運行狀態、各水泵機組運行情況、變頻器運行情況、各工作站的液位顯示、電壓、電流、功率等。

2.1 開關量信號檢測和處理

系統各種運行狀態均由開關量反映,FX2N—32MR的I/O點數各為16點，其對應的輸入、輸出繼電器狀態反映了各控制設備的運行狀態，上位機可通過MCGS組態軟件讀取PLC的輸入、輸出繼電器狀態即可獲取各控制設備的運行狀態。

2.2 模擬量信號檢測和處理

系統運行時的電壓、電流、液位等模擬量通過配置模塊FX2N—4AD來采集，并實現數摸轉換，以12位數字量輸出，以16位二進制補碼方式存貯在FX2N—4AD的緩沖寄存器的BFM中。FX2N—4AD的4個輸入通道（CH1～CH4）通過輸入端子接線可以選擇為電壓輸入或電流輸入，電壓輸入通道分辨率為5mV，電流輸入通道分辨率為20μA ，FX2N—4AD接地端應與PLC主單元接地端連接。

通過設定BFM#15來選擇模擬量轉換速度，正常速度為15ms/通道，高速為6 ms/通道。為減少外部干擾和內部躁聲對采集數據準確的影響，保證數據采集的可靠性，對采樣值進行軟件濾波。通過BFM#1—BFM#4來設定各通道的軟件濾波采樣個數，然后求和取平均值，將獲得平均采樣值存入BFM#5—BFM#8。PLC通過功能指令FROM將其內容傳送到主機的內部數據寄存器D0～D5保存。此外，為了消除外界的信號干擾，還對模擬信號進行有效性檢查，剔除過大或過小的采樣值。

由于各模擬量變松送器的輸入為不同性質的物理量，且輸入范圍不同，而輸出均采用4～20mA的電流信號，因而各變送器的分辨率是不同的，相應地FX2N—4AD輸出單位數字量對應的模擬量大小不同。上位機對D0～D5的數據作處理時，應考慮各實際變送器的分辨率。

3 上位機監控系統設計

圖1 果汁生產控制系統結構圖

上位機監控系統有MCGS組態軟件設計開發，MCGS是一套32位全中文自動化控制組態軟件，可運行于Windows95/98.NT/2000/XP操作系統 ，集動畫顯示、流程控制、數據采集、設備控制與輸出、網絡數據傳輸、雙機熱備、工程報表、歷史數據與曲線等諸多強大功能于一身，并支持國內外眾多數據采集與輸出設備，廣泛應用于石油、電力、化工、鋼鐵、智能樓宇、實驗室等多種工程領域。

圖2 果汁生產系統監控窗口畫面

果汁生產系統監控畫面的設計應以操作方便、實用為原則，如圖2所示，能實現實時監控各重要設備的運行狀態和相關數據，實現歷史數據的存儲和查詢，可通過報表或曲線圖形的方式滿足數據管理功能要求，實現自動報警功能和遠程操作等功能。并通過設置系統管理員和系統操作員兩個級別的訪問權限，系統管理員可以修改系統參數，畫面組態、實時監控、系統運行和退出、用戶管理；系統操作員可修改參數、實時監控和退出系統，以達到保證系統安全性。

圖3 通信控制程序

4 PLC與MCGS的通信連接

為實現實時監控需在MCGS中進行設備連接，使PLC和上位計算機建立起正確的通信，在MCGS設備窗口中首先添加一個通用串口父設備，設置設備屬性，選擇通信參數端口號為0—COM1，波特率為9600，7位數據位，1位停止位，偶校驗，數據采集方式為同步采集。在父設備下面創建一個三菱FX系列串口子設備，設置子設備PLC的屬性，主要進行通道連接操作，將相應通道與MCGS實時數據庫中的變量相連，對PLC的X、Y、M、D等寄存器進行讀、寫，即可實現外部信號的輸入和控制PLC的輸出。計算機與PLC之間采用主/從應答方式，計算機處于主動狀態，根據需要向PLC發出讀/寫命令，為實現PLC與上位機之間的通信，要求他們的通信參數設置匹配，因此，需在PLC中運行如圖3所示的一段通信控制程序，實現對PLC內三個特殊數據寄存器D8120、D8121、D8129進行設置。其中D8120是一個特殊寄存器，設置了通信的數據長度、奇/偶校驗形式、波特率和協議方式；D8121用來設置站號，用于計算機決定訪問哪一臺可編程控制器，而D8129設置的是校驗時間。

5 結束語

利用PLC技術和MCGS組態軟件結合開發而成的果汁生產控制系統，很好地提高了生產過程的自動化控制和管理水平，系統操作簡便，運行可靠，穩定性好，對降低功耗，提高生產效率起到了很好的效果，具有較好的推廣價值。

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