基于PLC-MCGS的全自動油炸小吃機設計

劉永佳 潘宇韓 殷 雪 徐軼凌 肖會芹

（湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412000）

0 引言

近年來，我國食品工業快速發展，食品制造業正在由傳統加工方式向現代化加工方式逐步轉型。油炸設備也在朝著工廠化、系列化和智能化方向發展。傳統的設備油炸過程存在效率低、衛生情況難以達標、容易出現生產事故等問題。而全自動油炸流水線設備雖然生產效率高、產品質量穩定，但機械結構復雜、占地面積大、成本高，多用于大型生產企業。目前，小型的食品加工場所，如小吃店鋪等，還是以傳統的手工生產方式為主。

本文以油炸雞排為例，設計了一款小型商用的全自動油炸小吃機。小吃機采用S7-200系列PLC作為控制器，PLC控制系統操作方便、編程簡單[1]，保證了食品制作的精度和穩定生產。油炸小吃機采用機械轉軸和傳送帶運輸的方式運送食品。首先放入原材料，由溫度探針感應其內部溫度達到預設值之后開始炸制，漏勺翻轉，半成品由傳送帶從油鍋運輸至切割裝置內進行產品的切割和撒料，最后運出，完成收集和包裝。該設備生產效率高，人工成本低，且能保證產品品質和衛生安全，彌補了目前市場中同類型機器欠缺某些功能的空白，綜合降低了小型店鋪的生產成本，具有很高的應用價值。

全自動油炸小吃機的主要技術特點如下：（1）實現全自動一體化操作流程，結構簡單緊湊，體積相對小巧，成本低廉，效率高，有很強的實用性。（2）全程監測，故障分級。該設備能及時反饋信息，遇重大故障可自動急停，遇其他故障可手動靈活調整。（3）采用閉環溫控系統，控制油溫在指定范圍內，對于不同小吃可使用不同溫度炸制，保證油炸小吃應有的風味與口感。

1 整體結構設計

全自動油炸小吃機主體結構包括加熱結構、翻轉結構、傳送結構、切割結構以及撒料結構等。其總體結構如圖1所示。

1.1 加熱結構

該裝置的加熱結構由電加熱管和溫控計組成。該裝置對初始溫度進行設定后，電加熱管進行加熱，溫控計實時監測油溫，當油溫到達設定溫度后，溫控計向主控發送信號，PLC通過閉環控制，調節超調量使溫度穩定在設定范圍內。

1.2 翻轉結構

圖1 全自動油炸小吃機結構示意圖

翻轉結構主要包括油勺和限位開關兩部分。炸制結束后，電機翻轉油勺，翻轉過程分為兩部分：首先，電機運動至特定角度后，停止運轉5 s實現濾油，同時PLC驅動傳送模塊；接著電機繼續動作，此時炸物脫離，油勺觸碰限位開關，PLC發出信號驅動電機反轉帶動油勺復位。

1.3 傳送結構

傳送結構主要由擋板、傳送帶、步進電機和光電傳感器組成，用于傳送炸物至切割及后續模塊。傳送帶中后方的光電傳感器感應到炸物通過后提前啟動切割模塊。

1.4 切割結構及撒料結構

切割結構主要由光電感應器、滾刀和步進電機組成，其功能是負責將雞排切成小塊，同時在意外情況發生時采取保護措施。切割動作主要由機器結構與滾刀共同配合完成，傳送帶與滾刀連接處設置有一定弧度的擋板，對炸物具有一定向下壓的力度，能夠確保炸物順利進行切割。

2 系統硬件設計

全自動油炸小吃機采用主從控制結構，S7-200系列PLC作為主控器。S7-200系列PLC是一種專門解決多位輸出、多位控制、順序控制問題，并進行數字運算控制的電子裝置。它采用可編程的存儲器，在其內部存儲中執行邏輯運算、定時、順序控制、計數和算術運算等操作指令，并且通過其中的數字式和模擬式的輸入、輸出，控制各種機械設備進行生產[2]。整機由MCGS顯示屏、PLC、溫控儀、限位開關、光電傳感器、溫度傳感器、步進電機、伺服電機、繼電器、通信模塊、油鍋、油勺、傳送帶、滾刀、閥門等構成。裝置硬件結構如圖2所示。

2.1 PLC

PLC是一種結構簡單、通用性好、功能較完備的新型控制元件，其主要優點是抗干擾能力強，可以提高系統的可靠性、穩定性以及生產效率，特別適用于工業控制。本設計選用S7-200 Smart作為控制及監控核心，具有多種功能模塊及多個I/O接口，本體帶有2個485通信口，其中一個用于連接MCGS觸摸屏，可以使用戶方便直觀地監測機器的運行狀態、故障信息和相應數據。其中，系統程序要求實現實時監控、流程控制、安全防護等功能，并能夠協調各電機間的配合轉動，實時監控油槽溫度、炸物運行狀況等；流程控制指炸物從下料到切割完整、運送等流程；安全狀況包括限制油溫、步進電機失步等。

圖2 裝置硬件結構

2.2 光電傳感器

光電傳感器安裝在傳送帶中部和尾部。在該裝置中主要用以檢測炸物是否通過，輸出標準4～20 mA電流信號至PLC。

2.3 MCGS觸摸屏

MCGS觸摸屏具有靈活性強、實時性強、豐富生動、并行運行能力良好的特點。MCGS體系結構分成組態環境、模擬環境、運行環境3種。在運行環境下，MCGS相當于一個獨立的系統，可以將組態好的過程通過串口或以太網下載到下位機的運行環境中，從而可以離開組態環境，獨立運行在下位機。

3 系統程序設計

3.1 閉環溫度控制

全自動油炸小吃機的油溫控制有利于保證炸物充分炸制而不至于口感干硬，因此需提高溫度控制精度。該裝置采用PID算法作為核心程序，通過溫度傳感器，將溫度信號轉化為電模擬信號傳遞給PLC，利用PLC數據處理系統將結果進行反饋調節，通過PLC發出指令，控制溫控儀調整溫度并繼續反饋監測結果，最終達到閉環控制的目的。其中，設置溫度下限為150 ℃，上限為180 ℃，單級過程變量，模擬量輸出對應加熱管程序。閉環控制流程如圖3所示。

圖3 閉環控制流程

3.2 PLC程序

控制系統流程如圖4所示。設備上電啟動，程序運行。首先，檢測各電機及相關傳感器、指示燈、通信模塊初始化狀態。接著，加熱裝置開始加熱，且實時檢測油溫并及時調整。當系統接收到炸制信號后電機進行炸制動作，炸制完成后進行傳送。然后，翻轉程序采用梯形算法控制伺服電機運作，使漏勺平穩運行，將炸好的雞排送至傳送帶。傳送帶使用步進電機作為牽引裝置，將雞排傳送至切割模塊，待切割工作完成后傳送帶繼續運作，將雞排送至撒料模塊。最終雞排由傳送帶送至特定容器完成撒料打包。

圖4 控制系統流程

3.3 組態程序設計

MCGS組態軟件由組態環境和運行環境2個系統組成，可實現多任務、多線程控制。本設計中采用了MCGS軟件，編寫設備窗口、用戶窗口、實時數據庫、檢測監控界面和報警界面。

（1）設備窗口：配置通用串口父設備和相應的PLC子設備，采集各末端設備的作業數據，并傳輸到數據庫進行數據分析，管理和調度設備的正常運行。（2）用戶窗口：顯示各電機的運行狀態、溫度控制以及急停開關，實現小吃機和用戶之間的交互功能。（3）實時數據庫：設置設備的各項參數，包括數據對象、數據類型等。（4）監控檢測界面：顯示油炸小吃機的工作流程，明確步驟，并對一些重要參數通過指示燈進行顯示。（5）報警界面：將檢測到的報警參數生成表格，便于檢修和機器的維護。

4 結語

基于PLC-MCGS的全自動油炸小吃機，整合了人工制作油炸食品的流程，實現了小吃油炸、切割、撒料的全過程自動化操作。該裝置在S7-200系列PLC基礎上實現基本自動控制，并利用組態軟件實現對下位機的監控，具備成本低、結構簡單、效率高、安全衛生、易維護等優點，能有效應用于小吃店鋪中，推廣前景十分廣闊。