雙向變頻振壓制曲機控制系統設計

李 宏 王文樂 花 勇（江蘇食品藥品職業技術學院機電工程系，江蘇 淮安 223005）

機械制曲在中國釀酒企業已得到廣泛的應用，與人工踩曲相比，機械壓制的曲坯大小均勻、生產率高［1，2］。按機械制曲的成型次數分，有單次模壓成型、多次模壓成型［3］。但無論是哪種裝置成型的曲坯，其“皮緊內松”、“提漿差”的現象均沒有得到根本的解決［4，5］。本研究擬開發一種回轉式雙向變頻振壓制曲機［6］，設計基于PLC的雙向變頻振壓制曲機電氣控制系統，完成了PLC現場控制軟硬件設計和上位機監控程序設計。

1 回轉式雙向變頻振壓制曲機的工作原理

制曲機的作用是將松散的曲料壓制成曲塊。回轉式雙向變頻振壓制曲機由曲料上料機構、低頻雙向振壓機構、高頻拍打提漿機構、曲坯定型機構、曲坯出料機構以及控制柜等部分組成。上料機構、曲坯定型機構的壓曲模板為平板，低頻雙向振壓機構、高頻拍打提漿機構的上下兩塊壓曲模板，為帶有半球形狀的凹凸板（剖面為波浪形），上模板的凸處與下模板的凹處，彼此錯開。低頻振壓機構的模板半球大而疏，拍打提漿機構的模板半球小而密；上下模板與曲料接觸面為半球形狀的凹凸曲面，保證振動壓曲過程中模板與曲料充分擠揉，實現柔性、重復擠壓，解決傳統機械壓曲中曲坯“皮緊內松”、“提漿差”的問題。

1.1 雙向變頻振壓制曲機動作過程分析

為滿足目前企業車間的實際布局情況，減少機械制曲設備升級換代對場地的依賴，雙向變頻振壓制曲機采用回轉五工位，依次為：振動上料工位—低頻雙向振壓工位—高頻拍打提漿工位—停振保壓定型工位—曲坯下料工位，見圖1。

圖1 雙向變頻振壓制曲機工作原理示意圖Figure 1 The working principle diagram of starter－making process using bidirectional variable frequency vibration pressing

1.1.1 振動上料動作過程 變頻振壓制曲機動作時，回轉工作臺帶動曲模成型箱定位。曲模成型箱上方料箱中按比例搭配攪拌好的曲料，經定量料斗向上料工位的模箱進行定量裝填。為保證曲模成型箱中曲料均勻填實，定量裝填后曲模成型箱平底板保持一定頻率振動（頻率為10Hz，振幅為2mm），延時30s后停止回到起點。當轉位時間到，回轉工作臺帶著裝好曲料的曲模成型箱，進入低頻雙向振壓工位。

1.1.2 低頻雙向振壓動作過程 低頻雙向振壓模板與低頻振動電機相聯，振動電機安裝在活動橫梁上，由液壓油缸活塞桿的伸縮實現上下移動，帶動低頻上下模板對曲料進行預壓。當曲模成型箱內設定的傳感器，檢測曲坯表面壓力達到設定的低頻振動啟動壓力值時，由傳感器控制啟動低頻振動電機動作，帶動低頻上下模板邊壓縮邊振動。低頻振動上模板以振動頻率20Hz、振幅3mm進行振動，低頻振動下模板以振動頻率15Hz、振幅2mm進行振動，上模板與下模板振動頻率不同使曲料的運動產生一個速度差，對曲料顆粒進行反復擠揉。當曲模成型箱上設定傳感器，檢測曲坯中間側面壓力達到設定的低頻振動停止壓力值時，由傳感器控制停止低頻振動電機動作，完成低頻雙向振壓工作，活動橫梁退回到起點。當轉位時間到，回轉工作臺帶著完成低頻雙向振壓的曲模成型箱，進入高頻拍打提漿工位。

1.1.3 高頻拍打提漿動作過程 高頻拍打提漿模板與高頻振動電機相聯，振動電機安裝在活動橫梁上，由液壓油缸活塞桿的伸縮實現上下移動，帶動高頻拍打提漿上下模板對曲料進行預壓。當曲模成型箱內設定傳感器，檢測曲坯中間側面壓力達到低頻振壓過程的結束壓力時，曲模成型箱中的傳感器讓拍打橫梁停止運動，同時啟動電機實現對曲坯表面拍打提漿。上模板的振動頻率為55Hz、振幅為1.2mm，下模板的振動頻率為50Hz、振幅為0.9mm，上模板與下模板振動頻率不同使曲料的運動產生一個速度差，通過高頻振動對曲料顆粒進行反復擠揉、對曲坯表面拍打提漿延時20s后，完成高頻拍打提漿工作，活動橫梁退回到起點。當轉位時間到，回轉工作臺帶著完成高頻拍打提漿的曲模成型箱，進入停振保壓定型工位。

1.1.4 保壓定型動作過程 保壓定型先通過液壓機構上下移動橫梁，帶動安裝在橫梁上的定型上下平模板對曲料進行預壓。當曲模成型箱內設定傳感器，檢測曲坯中間側面壓力達到設定的高頻振壓過程結束時的壓力時，保持此壓力值不變進行保壓定型，延時10s后保壓定型橫梁退回到起點。直至轉位時間到。當轉位時間到，回轉工作臺帶著完成保壓定型的曲模成型箱，進入曲坯下料工位。

1.1.5 曲坯下料動作過程 曲坯下料時液壓機構移動下橫梁，帶動下料平模板將曲坯頂出曲模成型箱，由橫向出料推桿頂到傳送帶上，傳送帶將壓制好的曲坯送入庫房培菌，至此完成一個壓制曲坯的流程。

1.2 雙向變頻振壓制曲機工作流程圖

傳感器安裝在曲模成型箱內部中間，在振壓過程中實時測量壓力值，并將測得的壓力值傳遞給PLC。轉位時取上料工位、低頻雙向振壓工位、高頻拍打提漿工位、停振保壓定型工位、下料工位中所需時間最長的那一個工位的時間，作為回轉工作臺自動啟動轉入下一工位的轉位時間，工作流程見圖2。

圖2 回轉式雙向變頻振壓制曲機工作流程圖Figure 2 The workflow flowchart of starter－making process using rotary bidirectional variable frequency vibration pressing

2 回轉式雙向變頻振壓制曲機控制系統的設計與實現

2.1 回轉式雙向變頻振壓制曲機控制系統的硬件設計

PLC控制系統由輸入信號元件（按鈕、傳感器、接近開關、限位開關）、輸出執行器件（電磁閥、接觸器、繼電器、信號燈）、顯示器件和PLC構成。根據回轉式雙向變頻振壓制曲機的工作要求及運動規律，其控制系統的硬件設計主要包括確定PLC的I/O點個數，選擇PLC機型，I/O點地址分配和PLC系統的外部接線圖等。

2.1.1 確定PLC的I/O點個數 雙向變頻振壓制曲控制系統的PLC有以下輸入信號，包括：啟動、停止按鈕各1個；用于不同操作方式的手動/自動連續旋動開關1個；定量料斗供料開關2個；上下模壓板的上下限位行程開關4個；旋轉工作臺限位開關1個；曲模成型箱內的傳感器3個等。外部輸入元器件包括：9個檢測元件、22個按鈕。

PLC的輸出信號包括：1個用來顯示工作狀態開始的指示燈；1個手動運行指示燈；1個自動連續運行指示燈與1個報警指示燈等。外部輸出元件包括：10個電磁閥；4個接觸器，4個指示燈。

2.1.2 確定PLC的型號 考慮到回轉式雙向變頻振壓制曲機控制系統的經濟性、復雜性、可靠性及實際需求等綜合因素，由于雙向變頻振壓制曲控制要求所需的端子數較多，還需留一定的I/O節點作為系統的預留。現采用SIEMENS公司S7－400系列PLC的基本結構，其中CPU選型416－2DP CPU，對I/O信號的接受與發送通過擴展2塊32點的DI模板和2塊32點的DO模板實現，DI模板選型為6ES7 421－1BL01－0AA0，DO 模板選型為 6ES7 422－1BL00－0AA0。該PLC選型設計具有速度快、精度高、穩定性好等特點，可滿足雙向變頻振壓制曲控制系統要求。

2.1.3 PLC的輸入輸出端的分配表 根據生產工藝將輸入信號和輸出信號按各自的功能類型進行分類編排，其中按鈕輸入信號分配在第一塊DI模板，檢測元件信號分配在第二塊DI模板；執行元件信號分配在第一塊DO模板，指示燈輸出信號分配在第二塊DO模板。啟動按鈕用綠色鈕，急停按鈕用紅色鈕，缺料信號采用電容式接近開關，各個執行機構的到位指示采用電感式接近開關，動作執行信號利用電磁閥上的電磁鐵。列出各種控制元件和執行元件的輸入輸出的I/O分配表，見表1、2。

表1 I地址分配表Table 1 I address distribution list

表2 O地址分配表Table 2 O address distribution list

2.1.4 PLC輸入輸出I/O分配接線圖 根據前文所要求的控制要求，設計成硬件接線圖（圖3），更加形象的展示出PLC控制的方式。

圖3 硬件接線圖Figure 3 Hardware wiring diagram

2.2 回轉式雙向變頻振壓制曲機控制系統的軟件設計

2.2.1 PLC的功能圖 本研究設計的回轉式雙向變頻振壓制曲機是按照上料準備、按下啟動按鈕、定量上料開始、振動勻實、低頻振壓開始動作、壓力傳感器檢測到位動作、低頻振壓結束、高頻提漿開始、壓力傳感器檢測到位動作、高頻提漿結束、曲醅定型開始、壓力傳感器檢測到位動作、曲醅定型結束、脫模等。上述一系列的動作結束后，各元器件的限位開關到位，旋轉工作臺統一旋轉進入下一個循環。

本研究設計的系統的軟件功能，主要通過兩種編程語言實現，其中邏輯控制部分通過LAD（梯形圖）編程實現，雙向變頻振壓制曲機的控制功能部分通過GRAPH（順序功能圖）編程實現。順序功能圖是將運動系統分成若干個順序相連的階段，各階段按照一定的順序進行自動控制，簡便精確地執行了雙向變頻振壓制曲機的控制功能。軟件設計實物圖見圖4。

2.2.2 上位機監控程序設計 本控制系統利用西門子WINCC組態軟件虛擬儀器開發人機界面，用戶可以利用該人機界面對整個回轉式雙向變頻振壓制曲機的工作過程進行直觀的監控，并采集過程數據通過PROFIBUS－DP總線和RS－485總線實現工控機與智能儀表的連接，把采集到的數據送往PLC；WINCC使用CP5611通訊卡通過PROFIBUS與西門子S7－400PLC連接。通過WINCC界面，可以使整個制曲機的操作簡單易行、直觀清晰。監控主界面見圖5。

圖4 控制系統的軟件設計實物圖Figure 4 The software design physical map of the control system

圖5 監控主界面Figure 5 Main picture of WINCC

2.3 系統調試和運行

回轉式雙向變頻振壓制曲機有手動控制和自動控制兩種工作模式。手動控制用于系統維護及軟件調試，正常生產時為自動控制，并具有報警和故障處理功能。通過人機界面可輸入工藝加工參數、顯示關鍵工藝參數、歷史數據曲線和實時數據曲線等。

合上手動或自動開關I0.0和I0.1總電路得電，合上供料開關I0.2供料開始，供料開始電磁閥Q0.0動作，稱重傳感器I2.5檢測到位動作合上開關I0.3供料停止，供料結束電磁閥Q0.1動作，供料回到限位；合上開關I0.4低頻振壓開，低頻振壓開始電磁閥Q0.2動作，壓力傳感器I2.6檢測到位合上開關I0.5低頻振壓關，低頻振壓結束電磁閥Q0.3動作，低頻振壓上限位和下限位分別回到限位；合上開關I0.6高頻拍打提漿開，高頻拍打開始電磁閥Q0.4動作，壓力傳感器I2.6檢測到位合上開關I0.7高頻拍打提漿關，高頻拍打結束電磁閥Q0.5動作，高頻拍打上下限位分別回到限位；合上開關I1.0曲坯定型開，曲坯定型開始電磁閥Q0.6動作，壓力傳感器I2.6檢測到位合上開關I1.1曲坯定型關，曲坯定型結束電磁閥Q0.7動作，曲坯定型上下限位回到限位；合上開關I1.2脫模桿向上推出，脫模桿向上電磁閥Q1.0動作，合上開關I1.3脫模桿向下收回，脫模桿向下收回電磁閥Q1.1動作，脫模桿回到限位。

3 結論

本研究開發的回轉式雙向變頻振壓制曲機，通過凹凸不平的上下模板的變頻振動，從上下兩個方向傳遞交變壓力，對曲坯進行柔性化重復擠揉，創新曲坯成型方式。設計了回轉式雙向變頻振壓制曲機電氣控制系統，應用PLC控制實現自動化生產，提高了壓曲的效率和可靠性。結果表明：由于曲料與模盒間的振動，致使曲料不易粘在模盒上，無需再對模盒進行清洗，簡化了加工工藝。所制成型曲坯密度均勻、孔隙度好，軟硬適中、易于脫模，外形平正、四角飽滿，獲得了較理想的表面提漿效果。

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5 李宏.雙向變頻振壓制曲試驗分析［J］.食品與機械，2014，30（4）：224～226，270.

6 李宏，趙剛，花勇，等.回轉式變頻振壓制曲機：中國，CN103865716B［P］.2015—04—22.