基于S7—300PLC果蔬真空預冷機控制系統的設計

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的設計

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為例,分析其結構和工藝原理,采用小型 PLC代替傳統的繼電器控制,進行了PLC選型和程序設計,實現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的設計具有借鑒意義。

真空預冷機,PLC,控制

1 基本結構及控制要求

1.1 基本結構

果蔬真空預冷機的基本結構如圖 1所示,主要由真空冷卻室、制冷系統、水汽凝結器和真空泵組成。

圖1 果蔬真空預冷機結構示意圖

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,利用真空泵 7進行抽氣,使真空冷卻室內的壓力降低,果蔬組織內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。同時制冷劑經壓縮機4、蒸發器3、膨脹閥2和冷凝器1完成制冷循環;采用乙醇水溶液作為載冷劑,由循環水泵 5送到真空冷卻室底部的水汽凝結器 6。由于真空泵的連續抽氣,在真空箱與泵口之間造成一個壓力差,箱內產生的水蒸汽由水汽凝結器 6捕集到并凝結為水,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何時進入抽真空運行,同時根據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。當水汽凝結器溫度下降至-6℃以下,水汽凝結器表面溫度傳感器檢測到該溫度信號,經溫度變送器,傳輸給PLC的模擬量輸入模塊,在 PLC內部利用編程軟件進行數據處理,形成相應的開關量輸出,控制中間繼電器開啟真空泵,同時開始預冷。制冷機在水汽凝結器溫度降至-17℃自動停止,在水汽凝結器溫度上升至-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定下限時開啟,高于設定上限時關閉;當果蔬物品溫度降至設定溫度以下,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,預冷過程結束。控制系統的啟動和停止均由觸摸屏實現,觸摸屏可以實時顯示溫度、壓力、重量、濕度、工作電流等數據,以及制冷機、真空泵、放氣閥、排水閥的運行狀態等,用戶可通過觸摸屏進行預冷終溫和極限壓力的設定,以及實時的監控。同時,還要求控制系統具有系統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。該系統溫度、壓力和重量為模擬量控制,其它均為開關量控制。

2 控制系統硬件設計

根據果蔬真空預冷機的操作和控制要求,控制系統選用西門子公司的 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構設計。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。系統的主要配置如圖 2所示。

2.1 PLC配置

圖2 系統配置圖

出于對成本的考慮,選用帶集成數字量輸入和輸出的緊湊型 CPU 312(6ES7312-5BD01-0AB0),集成 10個數字量輸入點和 6個數字量輸出點,運行是需要微存儲卡(MMC),內置MPI接口。系統的數字量輸入有 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。系統的數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個水汽凝結器表面溫度,1個真空冷卻室內溫度,7個果蔬制品的溫度,1個真空室內壓力,1個真空室內濕度,1個果蔬制品的重量和 1個工作電流。該系統還配置了MP277彩色觸摸屏,通過MPI協議與 S7-300進行通訊,承擔起整個系統的過程監控、參數顯示、報警和參數設定等功能。

2.2 傳感器的選擇

在控制系統中,采用穩定性和線性響應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,用來測真空室內溫度和果蔬制品溫度。壓力傳感器采用電容式薄膜規,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。測量真空室內的壓力變化并在觸摸屏上顯示。電子稱采用電阻應變式傳感器,結構簡單,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,穩定性好,可靠性高,使用環境為-40～60℃。

通過上述傳感器檢測到的信號通過信號變送器轉化為相應的電壓信號或電流信號連入A I模塊,轉化成為所對應的實數值,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 控制系統軟件設計

3.1 PLC應用程序設計

根據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、結構清晰、編程方便的優點。該果蔬真空預冷機的整個程序主要由制冷機運行循環、滲氣閥運行循環、放氣閥、放水閥開啟等功能組成邏輯控制,系統主程序流程圖如圖 3所示。

其中,系統流程圖中的兩個循環簡述如下：

制冷機運行循環為：水汽凝結器表面溫度 T2=-17℃→關閉制冷機→水汽凝結器表面溫度 T1=-6℃=設定值 1→開啟制冷機;滲氣閥運行循環為：真空冷卻室壓力 ＜設定下限→滲氣閥打開→真空冷卻室壓力 ＞設定上限→滲氣閥關閉

圖3 系統程序流程圖

3.2 上位機程序設計

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、數據庫技術、人機界面技術、網絡技術和圖形技術于一身,包含動態顯示、報警、控件、趨勢及網絡通信等組件,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,在起始界面還組態了真空室壓力、水汽凝結器溫度、參數設置、歷史數據、電流曲線、溫度曲線、壓力曲線、重量曲線等子界面。例如觸摸“參數設置”鍵,即進入設置界面：可設置物品的冷卻終溫,真空室壓力的上下限。當樣品溫度低于設定溫度時,系統自動停止工作,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,滲氣閥自動關閉。觸摸屏還設有“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 結束語

根據果蔬真空預冷裝置的結構和控制要求,本控制系統采用了基于西門子 PLC和觸摸屏的控制方式,改進了傳統繼電器控制系統存在的缺陷和不足,系統的元器件使用量少、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。經實際運行表明,本系統程序設計合理,運行穩定,數據顯示直觀,采集存儲方便,對通用真空預冷系統的控制具有一定的借鑒作用。

[1]ASHRAE.Guide and Data Book Application(1966-1969) [M].New York：ASHRAE Publication,1969：245-266.

[2]Dewey D H,Herner R C.Pre-cooling in the Great Lakes region[C].ASHRAE Symposium on Pre-cooling Fruit and Vegetables,San Francisco,CA,January,1970.

[3]杜建通 .日本果蔬預冷技術的發展和現狀[J].制冷,1999 (1)：25-28.

[4]鄧東泉,孫恒,等 .真空預冷技術的現狀和發展前景[J].食品工業科技,2002,23(7)：73-75.

[5]翟家佩,蘇樹強 .果蔬真空預冷裝置的設計與研究[J].真空,2001(2)：25-30.

[6]李德芳 .食品真空冷卻技術及其設備的設計[J].輕工機械,2007(2)：107-109.

[7]王雪芹,陳兒同,王芳 .全自動真空冷卻性能測試裝置的研制[J].制冷與空調,2005,5(2)：26-30.

[8]上海鮮綠真空保鮮設備有限公司 .VAC型系列真空預冷機.

[9]西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團 .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,西方發達國家以及日本已經開始真空預冷技術的系統研究工作[1-3],我國從 80年代中期才開始進行真空預冷技術和設備的研究工作。目前國內多家研究所、高校和企業先后對真空預冷技術和設備進行了更加深入的研究和開發,并制造出了一些相關產品[4-8]。為了進一步優化果蔬真空預冷機的預冷工藝和控制系統,針對傳統的繼電器控制存在接線復雜、控制反應速度慢、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觸摸屏作為現場監控及數據采集的平臺進行控制的果蔬真空預冷控制系統,軟件分別選用 STEP 7-Micro/ W IN編程軟件和 S IMATI C W inCC flexible組態軟件,可以實現對整個系統運行狀態的監控,并實時檢測溫度、壓力、濕度和重量等信號,實現動態顯示和人機交互功能。

2009-06-09 ＊通訊聯系人

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項目 (S30503);教育部新世紀優秀人才計劃(07-0559);上海高校東方學者計劃。