自動粉皮機PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

林香，李隆盛

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 龍巖 364021）

0 引言

手工粉皮、粉絲等淀粉制成的食品，因其食用方式眾多、口味各異，加上容易存儲運輸，深受人們的喜愛。同時原料豐富、市場需求大，前景十分樂觀[1]。

當前粉皮制品的加工方式主要以手工作坊或半機械化生產(chǎn)為主，生產(chǎn)用工多、勞動強度大、效率比較低、產(chǎn)量低、衛(wèi)生條件經(jīng)常不達標，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量無法保證，已經(jīng)難以適應(yīng)市場化運作的需求。

本文主要探索采用PLC和觸摸屏等自動化設(shè)備，設(shè)計出自動化控制程序及觸摸屏的操作畫面，從而使粉皮生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化、可視化，提高生產(chǎn)效率，降低從業(yè)者的勞動強度。

1 自動粉皮機的工藝過程

粉皮加工工序[2]主要包括：上料→預(yù)熱→原料攪拌→粉漿成型→蒸箱高溫定型→中溫成熟→低溫冷卻→脫離翻面→烘干→橫切刀截切→二次烘干→稱重包裝等工序，其中一次烘干不需要完全烘干，以方便粉皮的切斷，如圖1所示。

圖1 粉皮加工工藝

2 自動粉皮機控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)中包含液位傳感器、溫度傳感器等模擬量信號，以及啟動與停止按鈕等開關(guān)量信號，將上述信號傳輸給PLC，通過所設(shè)計的程序?qū)崿F(xiàn)對出漿閥、成型加熱、烘干加熱、粉皮切斷、粉皮翻面等動作的控制，并將溫度信號、動作信號等實時反饋到觸摸屏中，從而實現(xiàn)可視化。

2.1 粉皮機控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

粉皮機控制系統(tǒng)的主要框圖如圖2所示，主要包括：核心處理器（PLC）、HMI觸摸屏、電源進線、模擬量輸入模塊、變頻器、傳感器、開關(guān)按鈕及負載設(shè)備等。

圖2 粉皮機控制系統(tǒng)的主要框圖

粉皮機加工控制總體要求：1）可以根據(jù)用戶需求在觸摸屏界面中選擇要查看的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)及參數(shù)設(shè)置的界面；2）在觸摸屏參數(shù)設(shè)置界面中可以隨時更改參數(shù)并且可實時返回主菜單界面；3）通過觸摸屏溫度界面顯示設(shè)備的當前工作實時溫度及初始設(shè)置的溫度顯示；4）在設(shè)備發(fā)生故障時，可以通過急停按鈕進行緊急停止，防止事故的發(fā)生；5）通過起動按鈕或者觸摸屏上的啟動鍵與停止鍵運行或停止程序的運行，同時回到初始化狀態(tài)；6）程序可根據(jù)反饋信號判斷岀漿閥、粉皮切斷氣缸、粉皮翻面擺動氣缸是否動作并且在動作完成之后能及時復(fù)位；7）控制系統(tǒng)可根據(jù)溫度傳感器采集的溫度與用戶所設(shè)置的溫度進行對比，判斷是否打開加熱設(shè)備。

2.2 粉皮機控制系統(tǒng)的電氣設(shè)計

文中選用西門子S7-200(CPU226)作為控制器，拓展模塊選用EM231，用以接收信號和控制執(zhí)行器的動作；選用HS-145-24電源轉(zhuǎn)換器，將220 V交流電源轉(zhuǎn)換成24 V直流電源供給PLC；選用西門子的變頻器MM440，實現(xiàn)速度運行的平穩(wěn)性，提高加工成品的質(zhì)量，減少粉皮的斷裂；采用西門子SMART LINE，用來實現(xiàn)可視化操作，顯示加工過程中的實時溫度數(shù)據(jù)等，設(shè)計中的主電路及PLC外部接線電路分別如圖3、圖4所示。

圖3 粉皮機主電路圖

圖4 PLC外部接線圖

在程序設(shè)計過程中，設(shè)置的輸入型數(shù)字信號主要包括：高漿位液位傳感器信號、低漿位液位傳感器信號、粉皮切斷開始信號、切斷氣缸動作到位信號、切斷氣缸復(fù)位到位信號、粉皮翻面啟動信號、翻面氣缸翻面完成的信號、翻面氣缸復(fù)位完成的信號、啟動信號、停止信號等。

文中的模擬輸入信號主要是成型溫度和烘干溫度。

通過PLC控制的動作主要包括步進電動機脈沖、步進電動機正反轉(zhuǎn)、粉皮烘干、出漿閥的開啟、翻面下線等。

文中PLC 的I/0分配表具體功能如表1所示。

表1 PLC的I/O分配表

PLC的其他編程地址分配表如表2所示。

表2 PLC的其他編程地址分配表

2.3 自動粉皮機PLC控制流程

自動粉皮機PLC控制程序，在設(shè)計過程中主要包括程序的初始化、手動調(diào)試程序、自動加工程序、觸摸屏與PLC通信程序、變頻器與PLC通信程序等組成[3]。粉皮機自動控制流程圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)主程序流程圖

各個模塊的程序主要包括以下功能：1）初始化程序。主要完成對各輸出、定時/計數(shù)器、中間繼電器清零復(fù)位，使設(shè)備處于初始工作狀態(tài)。2）手動調(diào)試程序。主要包括手動操作各機構(gòu)的運行，用于調(diào)試和維護。3）自動加工程序。是指設(shè)備正常，無故障時，粉皮機將按設(shè)計好的程序運行，使整個的加工過程實現(xiàn)自動化。

2.4 觸摸屏組態(tài)設(shè)計

觸摸式的人機界面，具有直觀靈活、操作簡便等優(yōu)點。為實現(xiàn)PLC與觸摸屏的通信，首先進行參數(shù)設(shè)置：在PLC中設(shè)置“系統(tǒng)塊”-“通信端口”對應(yīng)端口的波特率；觸摸屏中將“項目”-“通信”-“連接”中的接口設(shè)置為“IF1B”、配置文為“PPI”，波特率和PLC中的設(shè)置應(yīng)一致，即可實現(xiàn)兩者信息實時交換。根據(jù)自動制粉皮機控制系統(tǒng)要求設(shè)計了以下人機界面：

1）模式選擇界面。有手動模式和自動模式及當前所處模式的指示、其他設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、退出系統(tǒng)等按鈕。

2）手動控制界面。畫面中有啟動、停止、出漿、粉皮切斷、粉皮翻面等按鈕，以及溫度、電動機等設(shè)備的控制界面切換按鈕。

3）自動控制界面。畫面中包含有實時時鐘顯示、系統(tǒng)中的啟動與停止按鈕，以及溫度設(shè)置與顯示、制漿電動機運行控制、傳送帶電動機運行控制3個切換按鈕，點擊按鈕可進入相應(yīng)的界面。

4）溫度設(shè)置與顯示界面。在該頁面可實時監(jiān)控當前溫度，通過棒狀圖可直觀看到溫度的動態(tài)變化，顯示最大溫度和最小溫度，以及返回自動控制或返回手動控制按鈕，可返回相應(yīng)的界面，具體界面如圖6所示。

圖6 溫度設(shè)置與監(jiān)控界面

5）傳送帶控制界面。在此界面可對傳送帶電動機的速度、運行方向、停車方式等進行控制，也可返回其他界面，界面如圖7所示。

圖7 傳送帶控制界面

6）制漿電動機控制界面。在該頁面可顯示當前電動機運行狀態(tài)，設(shè)置電動機的轉(zhuǎn)速及運行規(guī)律，也可返回自動和手動控制界面，界面如圖8所示。

圖8 制漿電動機控制界面

2.5 控制系統(tǒng)調(diào)試

控制系統(tǒng)的調(diào)試主要分為硬件部分的調(diào)試和軟件程序的調(diào)試。

1）硬件部分的調(diào)試。首先接好硬件電路，檢查總供電及其他設(shè)備的供電是否正常，接著檢查各種開關(guān)能否正常工作,然后對設(shè)備的電氣控制部分進行檢查， 判 斷PLC是否正常開機[4]。

硬件調(diào)試從以下幾個方面進行：a.對系統(tǒng)供電線路的檢驗，可用萬用表檢測電路是否有接通或接錯，以防短路、斷路等問題出現(xiàn)，防止出現(xiàn)觸電、起火等事故；b.對系統(tǒng)中所采用的元件進行單體檢測，以判斷元器件本身的好壞，確保電氣元件正常工作；c.對PLC控制器進行單獨的測試，主要是檢查PLC及模擬量模塊等是否能正常工作，指示燈能否正常點亮和熄滅；d.PLC加上傳感器、模擬量模塊等部件進行聯(lián)機調(diào)試，以確保電氣設(shè)備能被PLC控制。根據(jù)以上步驟進行了調(diào)試后，功能一切正常，進入軟件調(diào)試。

2）PLC程序的調(diào)試。PLC軟件的調(diào)試主要通過安裝有PLC程序編程STEP7-Micro/WIN32編程軟件的計算機與PLC聯(lián)機通信。首先用STEP7-Micro/WIN32軟件進行程序的編譯排除程序的邏輯錯誤；其次，進行PLC編程軟件與PLC間的通信參數(shù)設(shè)置與連接，通信成功后下載程序；最后運行PLC，按功能模塊分別調(diào)試，檢查各個功能是夠按照實際要求實現(xiàn)控制[5]。

3 結(jié)語

利用西門子PLC(S7-200)、觸摸屏等自動化設(shè)備設(shè)計出一套控制系統(tǒng)，實現(xiàn)粉皮機自動化運行，可視化操作，用于滿足高效率、高質(zhì)量、高衛(wèi)生標準的技術(shù)要求，降低從業(yè)者的勞動強度和人工成本。本設(shè)計對粉皮生產(chǎn)實現(xiàn)自動控制起到一定的推動作用，有一定的市場推廣價值。