（机械电子工程专业论文）基于plc的熬糖机控制系统的研究.pdf

摘要 摘要 在糖果生产过程中，熬糖和搅拌工序是最为重要的工序，因为它们决定了所 生产的糖果中水分、糖量、脂肪、香料等成分的比例，以及这些成分的均匀程度， 从而决定了糖果的软硬程度以及糖果的口味和口感。此外，该工序所需工时最长， 是企业提高生产能力的关键，因此设计一套可靠稳定、控制精度高、自动化程度 高的熬糖机控制系统显得尤为重要。 本文以嘉利隆食品公司的熬糖机控制系统为研究背景，设计了一套基于p l c 的熬糖机控制系统。该系统在保证产品质量的情况下，它的自动化程度更高、可 靠性更强，很大程度上提高了企业的生产能力。论文的主要内容包括：1 可编程 控制器p l c 的一般情况的介绍( 产生、发展、现状、发展趋势等) ，并简单介绍了 熬糖机控制系统的用途以及本次设计的所要解决的工程问题进一步提高系统 的生产率和工作可靠性。2 把系统的功能进行软、硬件的划分，确定了系统所需 的硬件上的功能模块，设计了控制系统硬件的总体方案。3 将系统硬件总体方案 中的各个功能模块进行设计，以完成整个系统硬件上的设计。其内容包括：供电 模块的设计、电机主电路设计、液位控制模块的设计、流量检测模块的设计、压 力和温度检测模块的设计、气压控制模块的设计、p l c 的i o 地址分配。4 控制系 统软件设计，主要是p l c 控制程序的编制。5 系统人机界面的设计。该部分为熬 糖机系统设计了一套基于菜单方式的人机界面。 贯穿整个系统的软、硬件设计过程中所使用的方法是从上到下的设计方法， 即先设计总体结构，然后再将总体的每个功能模块加以实现。这样，一方面使设 计思路清晰，另一方面便于各个模块单独设计和调试。 经过努力，该系统终于设计完成并投入了生产使用。使用过程的反馈表明虽 然系统还存在一些不足，但还是达到了提高系统生产力和提高系统可靠性的目的。 和传统的熬糖机系统相比，此次的研究应该是一次创新。 关键词：真空熬糖，压力搅拌，p l c ，人机接口 a b s t r a c t a b s t r a c t i i lc a i l d ym 锄u f a c t l l r i n gp r o c c s s ， c o o k i i l ga 1 1 d 砌p p i n ga r e 铆ok e yp r o c e d u r e s ， b e c a u s et 1 1 e yh a v ed e c i d e dt l l eq u a n t i t ) ro fm o i s t l 】r e ，s u g 瓯f a ta i l do t l l e ra d d i t i v e so fm e c a l l d y ，t h u sd e c i d e d 也ec a n d y sq u a l i 吼w h a t sm o r e ，也e s ep r o c e d u r e sa m ek e yt 0 p r o m o t ep r o d u c t i v 畸d u et oi t sl o n gp r o c e s s i n gt i m e a sar e s u l t ，i ti sv e 巧i i i l p o n a n tt o d e v e l o pag o o dc 0 蛐旧ls y s t e mf o rt l l ec o o k e r 趾dw l l i p p i n gv e s s d 1 1 1 吐l i sm e s i s ，ap l c - b 嬲e dc o n t r o ls y s t 锄w i 吐lt l i 曲锄t o m a t i o l l ，1 l i 曲p r o d u c t i v i t ) r a n dg u a r a n t e e d s y n l pq u a l i 哆i sd e s i 印e df o r ac a n d ym 删f a c t i l r i n gm a c h i n e 他e n n o s y p h o nc o o k e ra n dw l l i p p i n gv e s s e l ) t h em a i nc o n t e n t so f “sn l e s i s 访c l u d e ：1 t 1 1 ei i l t l 0 d u c t i o no ft l l ea r i s e ，p r 0 掣e s s ，p r 懿饥ts t a _ t i l s 趾d 仃e n do fd e v e l o p m e l l to fp i c ， a i l dt l l ea i mo ft l l i sw o r k - - t 0i i l l p r o v em ep r o d u c t i o ne 殛c i e z l c y 锄d0 p e r a t i o n r e l i a b i l i 够o fm es u g a rm 锄u f a c 嘶n gm a 出n e ；2 t l l ep l 砌n go ft l l eo v e r a l l 如n c t i o n a 1 1 ds t n 】c t u r eo ft l l ec 0 n 仃o ls y s t e m ，a n dt l l e 劬c t i o i l a lp a r t i t i o no fs y s t 锄h 砌w a r e 龇l d s o f h a r e ；3 t l l ed e s i g n i n go ft l l eh 砌w a r em n c t i o nm o d u l e so ft h ec 0 n t r o ls y s t e m ， n 锄e l yp o w e r 鲫p p l ym o d l l l e ，m o d u l eo fm a i nc i r c u i tf o rm o t o r ，m o d u l eo fl i q u i dl e v e l c o n 仃o l ， m o d u l eo fn o wr a t em e a s u r 锄t m o d u l eo fp r e s s u r e肌dt e n l p e 咖r e m e a s u r e m e i l t s ，m o d u l eo fg a sp r e s s u r ec o 曲l ，i oa d d r e s sa s s i 印m e n to fp l c ；4 m e d e v e l o p m e n to ft h es o f 阿a r eo ft h ec o n 臼1 0 1s y s t e m ，i e p l cc o n 缸1 0 1p r o g r a m ；5 廿l e d e s i g n i n go ft l l eh l h nm m a c h i i l ei i l t e r f k e t h m u g l lt l l ed e s i 印p r o c e d u r eo fm ec o n 仃0 1s y s t e m ，t h ea d o p t l 甜g e i l e r a ld e s i 弘 m e t h o d o l o g yi s 勰f o l l o w s ：j f i r s t ，p l a 硼血g 廿l eo v e r a l ls 劬c n l r eo ft h ec o n 缸d ls y s t e m ， 锄dt 1 1 e 1 1d e s i 萨i 1 1 9m e c t i o na i l ds 仃u 曲鹏o fe a c hm o d u l e ，r e s p e c t i v e l y i i lt h i sw a y ， o nm eo n eh a i l d ，t 1 1 ed e s i g nl o 百ci sc l e a r ；o nm eo t l l e rh 锄d ，i ti sc o r e 玎d e n tf o r 廿l e d e s i g n j n ga i l dd e b u g 百n go fe a c hm o d u l e t h ep r a c t i c a l 印p l i c a t i o no ft l l e c o n 臼0 l s ) ，s t 锄i i l d i c a t e sm a ta l t l l o u 曲血es y s t e ms t i nn e c d s 如曲e ri i i l p r 0 v e m e n t ，m ee x p e c t e d o v e r a l l 劬c t i o no fn l ec o n 们ls y s t 锄，i e t 0i m p r 0 v e 1 ep r o d u c t i o ne 硒c i e i l c y 锄d o p e r a t i o nr e l i a b i l 时o f t l l em a c l l i n e ，i sb 巍c a l l ya c c o i n p l i s h e d k e y w o r d s ：v a c u u 【n l i z e ds y r u pc o o k i i l g ，p r e s s u r ew k p p i n g ，p l c ，h m i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：逝趁盈 日期：2 “年，月矿日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 ： 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：兰丝蚴导师签名：丕竺兰羔 日期：碓易月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1p l c 控制技术的产生、发展和现状 可编程控制器p l c ( p r o 伊咖a b l e1 0 百cc o n 仃0 1 1 e r ) 是2 0 世纪6 0 年代末发明 的一种工业控制器件，当时由美国d e c 公司为美国g m 公司研制开发并成功应用 于汽车生产线上，可编程控制器由此诞生。但是当时的可编程控制器实际上只能 完成顺序控制，仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能【l 】。 此后，随着计算机软、硬件技术的发展，可编程控制器的软、硬件技术也得 到了相当的发展。由于微处理器的日趋成熟，使可编程控制器的处理速度大大提 高，并且增加了许多功能，如：浮点运算、函数运算、查表等。这样可编程控制 器不仅可以进行逻辑控制，还可以对模拟量进行控制。与此同时，许多制造商也 加入到了p l c 的制造行列中来，主要有：德国的西门子公司、b b c 公司等。p l c 当时主要用在轧钢机、升降设备等大型设备上。7 0 年代初日本的许多企业诸如： 日立、三菱、o m r o n 等也先后开始了p l c 制造【2 1 。 2 0 世纪8 0 年代后期，由于大规模及超大规模集成电路的发展，以1 6 位和3 2 位处理器构成的微机化可编程控制器得到了惊人的发展，使p l c 在概念上、设计 上、性价比等方面有了重大突破。可编程控制器具有了高速计数、中断技术、p d 控制等功能，同时联网通信功能也得到了加强。这些都使得可编程控制器的应用 范围和领域不断扩大。 如今，p l c 的应用已不再局限于其传统的应用领域制造领域，例如：岳 玉全等人将p l c 成功应用到油田行业【3 】；陈意惠等人将其应用到船舶行业【4 】；余立 川将p l c 应用到污水处理【5 】；程金生将p l c 应用到军事行业【6 】；程鹏飞等人将其 应用到轧钢行业【7 】：樊晓群将其应用到造纸行业【8 】等等。本文是将p l c 应用于食品 加工行业中的糖果加工行业。虽然p l c 很早就进入了食品行业，主要用于：食品 杀菌【9 】，速冻食品【1 0 1 ，膨化食品【1 1 1 ，调味剂【1 2 】等，但是糖果行业中的应用还不太 多，因此本文的研究对糖果行业的应用来说还是具有一定的参考意义的。 1 2p l c 控制系统和其它控制系统的比较 电子科技大学硕士学位论文 p l c 自诞生以来其技术上发生了很大的质的飞跃，其应用领域也越来越广泛， 与此同时它也面临着其他一些工业控制器的挑战，这些挑战主要包括继电器控制、 通用计算机控制和单片机控制。下面将它们各自的优缺点作一比较。 1 p l c 控制系统和继电器控制系统的比较 继电器控制采用硬接线逻辑，利用继电器的触点串联或并联，利用时间继电 器的延时动作来组成控制逻辑。其缺点是一旦系统确定下来后，要进行更改将是 相当费时费力的事情。如果要在现场做一些更改和扩展，那更是难上加难的事。 而p l c 利用其内部存储器以数据的形式将控制逻辑存储起来，只要更改这些数据 就可以实现新的控制逻辑，而这种更改通过编程器或个人电脑就可以轻松实现。 至于硬件上，只要控制对象不变，p l c 的i o 连接就不变，就无须对硬件连接作任 何更改。 继电器依靠触点的机械动作来实现。其工作频率低，一般为几十毫秒。对于 大型复杂的系统，由于使用的继电器较多，因而其响应速度就更慢，如果设计者 考虑不充分，很容易引起误动作。而p l c 是以微型计算机为基础的控制装置，其 动作由程序实现。由于其每条指令执行速度相当快，约为几十微秒甚至更低，所 以其动作响应就快。再加上其内部严格的同步，所以不会出现误动作。 对于限时控制，继电器控制系统是利用时间继电器来实现的。时间继电器是 利用空气阻力或半导体延时电路来实现的，其定时精度不高，调整不方便，且易 受环境的影响。而p l c 利用晶体振荡器产生频率精度很高的时钟脉冲，经过分频 后由数字计数器来实现计时的。其计时精度高，能达到毫秒级。而且要更改计时 时间只要更改计数器的时间常数即可实现。 从可靠性和维护性的角度来看，继电器控制由于使用了大量的机械触点，触 点开闭时会产生电弧会损坏触点，由于电弧温度很高还可能产生熔焊的现象。其 可靠性和维护性都不高。p l c 采用无触点的电子电器来替代继电器触点，因而不 存在继电器的上述缺陷。由于集成电路的使用，p l c 组成的控制系统体积也远远 小于继电器控制系统，因而维护起来也很方便。 在功能上，p l c 也具有许多继电器所不具有的功能。如：步进控制、a d d a 转换、通讯等功能继电器都不具备。不过p l c 也有不如继电器的地方，那就是p l c 价格通常都比继电器的高很多。因此非常简单的控制系统就不宜使用p l c ，而应 使用继电器【l3 1 。 2 p l c 控制系统和通用计算机控制系统的比较 p l c 是专门为工业控制而设计的，而通用计算机是专门为科学计算和数据处 2 第一章绪论 理设计的。尽管二者都采用了计算机系统，但是二者设计的出发点不同，因而他 们在结构上也有很大差别，使用对象和使用环境也有所不同。p l c 抗干扰能力强， 能适应工业现场的温度、湿度及一定程度的振动。其输入输出采用光电隔离技术 或其它隔离技术，并配有输出继电器或输出晶体管等输出部件，由于这些输出部 件能够承受较大的负载，因此它们可以直接驱动小型电机等负载。p l c 使用专门 的面向工业的编程语言，使程序的编制和修改都非常方便。而通用计算机，它的 输出信号通常都需要数模转换并放大后才能驱动工业负载。它的抗干扰能力和工 作的可靠性远不如p l c ，也不适应工业现场的湿度、温度、噪声和振动。此外， 通用计算机的编程语言也比较复杂，需要专门的培训才能掌握。 3 p l c 控制系统和单片机控制系统的比较 单片机的配置比通用计算机简单，价格上也便宜，但是它仍然不是为工业过 程控制所设计的，仍然存在编程复杂、不易掌握的问题，还需要处理大量i 0 接口 的问题，且其输出带负载能力也较弱，要驱动工业负载需要复杂的外围电路。它 突出优点在于它具有较强的数据处理能力，然而工业过程要处理的是大量的开关 量，因而运用在工业控制中它的长处得不到发挥，其可靠性也远不如p l c 。它仅 使用于简单的工业控制过程和数据处理能力要求比较高的场合【1 3 】。 p l c 与单片机相比较而言，更适合于工业过程控制，但其数据处理能力不如 单片机。所以二者各有所长，不能互相替代。但是他们都有较强的通讯功能，随 着p l c 和单片机的发展，他们的通讯功能兼容性可能会更好。这样把二者相结合 构建功能更加完善的自动控制系统，让它们各自的缺点都得到弥补。 由此可见，随着p l c 的成本降低及数据处理能力的增强，面对其他的工控系 统的挑战，p l c 会一直处于不败之地。因此，p l c 控制技术的掌握对于工程技术 人员来说是必不可少的技能之一。 1 3p l c 控制技术的发展趋势 p l c 控制技术是一项不断发展和完善的技术。其发展动力主要来源于：一方 面由于不同p l c 生产厂家的竞争以及其他控制系统的挑战；另一方面由于p l c 应 用领域的不断拓宽和工业控制系统本身控制要求的提高。这些因素驱使着p l c 控 制技术不断向前发展。具体来说，今后p l c 控制系统的发展趋势主要表现在以下 几个方面。 1 向小型化、低成本方向发展 3 电子科技大学硕士学位论文 随着微电子技术的发展和大规模集成电路的应用。一方面新型器件的应用大 幅度提高功能降低价格，使p l c 结构更为紧凑，操作更加方便。另一方面，由于 集成度的提高，同样体积的p l c 将拥有更加丰富的功能指令。使之成为现代控制 系统中不可缺少的控制装置【1 4 1 。 2 向大容量高速度的方向发展 随着控制系统实时性要求的提高，未来p l c 要求有更高的c p u 速度和更大的 存储容量。这使得许多大型p l c 使用多微处理器系统或3 2 位处理器系统，这样p l c 将能够完成多任务的操作和实现更高的扫描速度，使p l c 的过程控制和数据处理 功能得以增强【1 5 1 。 3 向着网络化、多功能的方向发展 多层次分布控制系统( d c s ) 与集中控制系统相比，具有更高的安全性和可靠 性，系统设计、组态也更为灵活方便，地域分布广，是当前控制系统发展的主要 潮流。为了适应这种发展，实现工厂自动化，世界上各p l c 生产厂家不断地研制 开发功能更强的p l c 网络系统。 这种网络一般是多级的，最低层是现场执行级，通常由多台p l c 或远程i 0 工作站组成，他们通常通过工业现场总线相连；中间级是协调级，由p l c 或计算 机构成；最高级一般由高性能的计算机构成。这样，只要通过最高一级的计算机 就可以实现工业现场的远程监控、对现场设备进行参数调整；除此以外，还可以 实现在线优化、生产过程的调度、产品计划、统计的功能，成为测、控、管一体 化的多功能系统。大大增强p l c 控制系统的功能【1 6 1 。 4 朝着软、硬件标准化的方向发展 长期以来p l c 走的是专门化的道路。硬件上各厂家的c p u 和i o 模块互不通 用，软件上各厂家的编程语言与指令系统的功能也大不相同。这样给使用上带来 了很大的不方便，因此制定p l c 的国际标准成为p l c 的发展趋势之一。目前公布 和制定有以下5 种的标准： 1 ) 1 1 3 卜1 ：g e n e r a li n f o r m a t i o n 一般信息。 2 ) 1 1 3 1 2 ：e q u i p m e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n dt e s tr e q u i r e m e n t 特性澳0 试 要求。 3 ) 1 13 卜3 ：p r o g r a m m i n gl a n g u a g e 编程语言。 4 ) 1 1 3 卜4 ：u s e rg u i d e l i n e s 用户指南。 5 ) 1 1 3 卜5 ：删sc o m p a n i o ns t a n d a r d 制造信息规范化伴随标准f 1 】f 2 】。 5 。p a c ：新代的p l c 4 第一章绪论 经过发展，p l c 已经演变到了可以使用模拟i o 、网络通信和新的编程标准， 如i e c 6 1 1 3 3 的阶段。然而，工程师所开发的工业应用中8 0 是使用数字i 0 、 少量模拟i o 和简单的编程技巧即可完成，尽管8 0 的应用使用简单的数字和模拟 控制，但是如果工程师要开发其他2 0 的应用就必须突破p l c 限制。在8 0 年代和 9 0 年代，这些2 0 的用户考虑使用p c 来进行工业控制，这样能得到无比的灵活性 和使用高效的软件和高级硬件。然而，基于p c 的工业控制系统存在诸如： 稳定 性差、可靠性不高、编程较复杂等缺点，因而使用p c 解决这2 0 的问题并不是可 行的办法【1 刀。 为了解决这2 0 的问题，新一代的工业控制器p a c ( p r o g r 锄a b l ea u t o m a t i o n c o n t r 0 1 l e r ) 便诞生了。p a c 灵活、便携、开放，通常比p l c 控制系统便宜，兼有 p c 和p l c 的优点，是一基于用户所选的操作系统的，可缩放的、便携的、多功能 控制引擎。使用p a c 的制造商可以从他们的制造系统中获得更多的控制系统信息， 这些信息涵盖了从供应链整合到产品出厂运输后勤工作的整个制造过程【l8 1 。 因此，p a c 是p l c 发展的产物。它可以看成是具有新功能和更强柔韧性的新一 代的p l c ，也可以看作是p l c 在控制领域主导地位的又一个挑战者。但无论如何， 他必将对p l c 的发展起到不可忽视的作用。 1 4 课题研究的背景及意义 民以食为天，食品在人们看来是日常生活必需品中最重要的一项。而糖果在 人们的食品中又占有重要地位。该课题就是对糖果制造过程中一道非常重要的工 序熬糖工序的生产设备控制系统的研究。 熬糖工序的原材料是白糖加水溶解后的糖浆，该设备将糖浆经过低温蒸发去 除多余水分，并加入食用动物油、酸粉和一些胶质后充分搅拌后排出，作为制造 糖果的原材料( 可制作的糖果种类有：口香糖、奶油杏仁糖、夹心糖等) 该工序 直接关系到糖块口感是否疏松，口味是否均匀，是糖果生产工艺中非常重要的一 道工序【1 9 】。 传统熬糖机系统的工作过程是这样的，先在熬煮锅内熬好一批糖浆( 熬好是 指达到一定温度即可达到相应浓度) 然后整批排放到搅拌锅中搅拌。由于熬煮锅 工作节拍较快，这样就会经常出现节拍匹配问题，即熬煮锅熬好糖浆而搅拌锅未 就绪的现象，从而使系统的生产能力不能充分发挥出来。此外，传统的熬糖机系 统搅拌锅的搅拌是通过双速电机驱动的( 双速电机是一种定子具有两种极对数的 电子科技大学硕士学位论文 电机，通过电路切换可实现两种速度的切换) ，电机额定速度为：5 0 0 r p m 1 0 0 0 r p m ， 由于转速的切换是突变的，其角加速度相当大，由电机拖动的力矩公式【2 0 1 ： h = ，罢 m 1 ) 式中：7 为电动机电磁转矩，正为负载转矩，j 为转动惯量，q 为角速度 由式( 卜1 ) 可见即使负载转矩正不变，由于角速度q 的突变也会使电磁转矩 增大很多从而使电机定子电流也增大很多。在传统的熬糖机系统中，即使电机与 减速箱输入轴采用柔性连轴器来缓冲，电路系统也经常由于转速切换引起的电流 增大而跳闸。此外这样突然加速也给机械系统造成了很大冲击，会对机械部件造 成损伤。 在上述背景下，选择了新型的熬糖机控制系统的研究作为此次的研究课题。 对上述工程问题拟采取的解决方案是：首先，在系统中增加一台搅拌锅，同时改 进原有控制系统，将熬煮锅排糖浆过程由成批排放改为连续排放，以解决生产过 程中发生的节拍匹配问题，从而提高系统的生产率；其次，将搅拌锅的调速系统 由双速电机调速改善为变频调速，使电机转速变化平缓。整个系统的动作在一台 p l c 的控制下完成。 此次熬糖机控制系统的研制，对该工序进行改进在该行业中是一次大胆的探 索和创新。和传统的工序相比，此次研制的设备系统自动化程度大大提高；机械、 电气的可靠性大大加强；在满足同样质量的产品的情况下，其生产能力大大提高。 经此次技术上的改进对企业的影响是相当大的。首先，新研制的系统自动化程度 高，更容易管理；其次，新研制的系统在可靠性上大大提高，很大程度上减少了 设备维护费用和维护停机的时间损失；第三，使对企业的生产能力大大提高，有 助于降低产品的制造成本，增强企业的竞争实力。 1 5 课题研究的主要内容 1 对可编程控制技术的起源、发展及现状，以及可编程控制器的发展趋势作 一简单介绍，明确课题的研究背景及意义。 2 对熬糖机的工艺过程进行了解。熟悉其工艺参数，明确各动作顺序，明确 具体的控制对象和控制量。为用p l c 实现高自动化程度的控制系统做好准备。 3 熬糖机控制系统的总体方案的设计。 4 控制系统硬件系统的设计，包括p l c 机型的选定、所需控制模块的确定， 6 第一章绪论 各种传感器的确定以及各执行机构的选择，i 0 地址的分配。 5 控制系统软件设计，主要是各控制模块的p l c 的梯形图控制程序和s f c 顺 序功能图的编制、编译、下载和调试。 6 系统人机界面的设计。先对人机界面作概念性的介绍，再介绍其功能特点 以及人机界面的设计方法和设计流程，在这些方法指导下完成熬糖机控制系统人 机界面的设计。 1 6 本章小结 本章主要介绍了p l c 产生、发展、现状及未来的发展趋势作了些探讨，并和 其他控制系统作了详细的比较。然后介绍了传统的熬糖机系统的情况和存在的问 题，提出了本次课题拟解决的工程问题，并简要介绍了解决所提出的工程问题的 初步解决方案。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章熬糖机控制系统的总体设计 前一章主要介绍，p l c 控制系统的产生、发展、现状及未来发展趋势，并简要 介绍了该课题的研究意义和必要性，提出该课题拟解决的问题。本章主要对第一 章提出的问题的解决方案作一总体性的阐述。本章内容主要有：熬糖机系统的总 体结构，主要包括：机械设备的结构布局、控制系统总体结构及控制系统包括的 主要控制模块的及其功能。由于本课题主要研究的是控制系统，机械设备是该系 统的控制对象，本章只对其作简要介绍，目的是明确控制系统所涉及到的各控制 量。重点主要介绍控制系统结构及控制系统主要模块的功能。 2 1 熬糖机系统的生产工艺概述 该系统功能是：先将预先用冷水溶解白糖的糖浆作为原料，通过真空泵将原 料装入熬煮锅，然后在熬煮锅内加热到设定温度后进行低温蒸发，去掉多余的水 分，达到所需的温度后排放到搅拌锅。在搅拌锅内加入食用动物油、充入压缩空 气、加入胶质、酸粉等添加剂后进行充分搅拌后形成粘稠状的糖团作为制作口香 糖、夹心糖、奶油杏仁糖等糖果的制作原料。虽然工艺过程看似简单，但中间涉 及到许多控制量，所以该系统选用p l c 控制系统来控制。工艺过程见图2 一l ，此处 为工艺简单介绍，具体工艺过程参见2 4 节之控制系统的工作流程。 图2 1 熬糖生产工艺 第二章熬糖机控制系统的总体设计 2 2 熬糖机系统的组成 熬糖机系统是低温蒸发和压力搅拌系统装置，主要用于生产制作口香糖、杏 仁糖、夹心糖所需的糖团。该系统主要有三个互相连接的子单元组成，这些子单 元在中央控制系统的控制下协调工作。它的具体组成是： 1 热虹吸管熬煮锅系统。 2 两台搅拌锅系统。该系统带有专用阀门，用来控制胶质和酸粉的加入。 3 食用动物油的剂量系统。该系统用来盛装动物油并可以根据需要向搅拌锅 加入一定剂量的食用动物油。 4 压缩空气回路系统。 上述各系统的具体组成以及相互连接关系见附录2 熬糖机系统的组成结构图。 2 2 1 热虹吸管熬煮锅系统 热虹吸管熬煮锅装有蒸气管绕成的加热盘，由于加热盘有特殊设计。能使锅 内的糖液在加热时产生对流，因此在通蒸气加热时锅内不需要搅拌。熬煮锅系统 主要包括：各种阀门、一台真空泵、液面探测系统。 1 阀门 阀门主要有加料阀门、排料阀门、水蒸汽排除阀门，真空减压阀。用来对熬 煮锅加料、排料、水蒸汽的排出、以及锅内真空度进行控制。 2 真空泵 用来对熬煮锅抽真空，使糖浆中的水分在低压下加热蒸发出来。使产品达到 所需的浓度和温度，为后续加工作准备。 3 液面探测系统 液面探测系统主要由三个液位传感器：高位、中位和低位液位传感器组成， 其中，低位传感器用来控制熬煮锅的排放过程；中位传感器用来控制熬煮锅充填 糖浆的过程；高位传感器控制熬煮时的气泡的最高高度，当气泡到达此高度时真 空减压阀打开并保持设定的时间后关闭。 2 2 2 压力搅拌锅系统 搅拌锅和熬煮锅相连接以便从熬煮锅中注入低温蒸发过的糖浆，加入脂肪、酸 粉、胶质等辅料进行搅拌。搅拌锅顶部是一比较重的不锈钢锅盖，锅盖通过橡胶 9 电子科技大学硕士学位论文 密封环进行密封。在锅盖上面有两个漏斗分别用来加入胶质和酸粉添加剂，脂肪 入口在搅拌锅的侧面。盖子设有机械安全装置，以防止在高压下，盖子自己打开。 搅拌锅的底部呈球形。球形底部有夹层，夹层中可以流过热水( 或冷水) 以便 冷却或加热。在球形底部中央，是水平放置的搅拌连接，它由一个固定的搅拌器 和两个旋转的搅拌器构成。该搅拌单元由搅拌电机经过减速箱、连轴器进行驱动。 在搅拌锅上有压力表用来显示锅内的压力值，该压力值在人机界面上也有显 示。压力值由压力传感器进行测定。由于压力值可以具体测量出，因此可以根据 需要设定产生动作的压力值。该系统要求设定三个动作值分别是安全压力极限、 最低搅拌压力、最低排放压力。 搅拌锅的搅拌速度分高、低速两种，速度之间的切换通过对搅拌电机的变频 调速实现。 2 2 3 脂肪剂量系统 脂肪剂量系统主要用来向搅拌锅中加入一定剂量的动物脂肪( 液态) 。它主要 包括一带有夹层的盛装容器和剂量泵。容器做成夹层是为了便于在夹层中通以热 水为容器中的脂肪加热保温以确定其流动性，此外容器上还装有一液位探测器， 当容器中的脂肪量不足时，系统会做出相应提示。剂量泵用来为搅拌锅中输送所 需量的脂肪，量的控制通过剂量泵运行的时间来控制。 2 2 4 压缩空气回路系统 系统运行需要提供压缩空气，要求压缩空气干燥、干净，压力不低于6 b a r 。 主要用来控制气动阀门，此外经过减压和稳压后供给压力搅拌锅系统用来进行压 力搅拌和搅拌锅清洗，还有一路通入储料罐用于酸粉的加入。 2 2 5 系统所需的参数 该控制系统要正常运行需要提供一些参数，这些参数如下： 1 对热虹吸管熬煮锅系统： 加料时间设定( 秒) 熬糖温度设定( 摄氏度) 抽真空到达温度设定( 摄氏度) l o 第二章熬糖机控制系统的总体设计 真空减压阀开通时间 2 压力搅拌锅 安全压力极限值设定 最低搅拌压力设定 最低排放压力设定 预搅拌时间设定 快速搅拌时间设定 慢速搅拌时间设定 脂肪剂量泵工作时间 2 3 控制系统的运行模式 该系统的工作方式分为：“0 ”、手动、自动三种方式。具体在各种方式下系 统的运行情况如下： 1 当旋钮打到“0 ”时，“0 方式指示灯变亮。表明系统工作在“0 ”方式下， 此时p l c 的所有输出都被禁止。系统处于停止状态。 2 当旋钮打到“手动 时，手动方式指示灯变亮。系统工作在手动方式。此 时，系统的各种动作诸如：充填熬煮锅、加热、快速搅拌、慢速搅拌等均由可手 动操作完成，这种工作方式下，熬煮锅内的实际温度，压力搅拌锅内的压力值同 样会在人机界面的屏幕上显示。 3 自动运行方式。 1 ) 对于熬煮锅 首先向热虹吸管熬煮锅中装入预先配好的糖浆，加热到设定温度后抽真空。 当温度下降到设定温度时，抽真空停止。在抽真空同时将糖浆向准备就绪的搅拌 锅内排放。当排放的量到达搅拌锅设定的容量后，自动转向另一台搅拌锅( 该转 换通过搅拌锅进糖阀配合软件完成) ，如果该搅拌锅还没准备好则熬煮锅的排放处 于等待中。熬煮锅每进一次糖浆后，进行一次加热和抽真空。当锅内容量降到低 位液位探头时，加料泵启动。 2 ) 对于搅拌锅 向搅拌锅中加入设定量的脂肪( 量的控制由剂量泵工作时间的设定来控制) ， 搅拌锅低速搅拌启动；手动加入辅料( 酸粉加入储料罐，等需要时由系统自动加 、，、，、1， 工 工 r) ) a a a少少少少 奶 c2i髓c2i秒秒秒秒f制o，k，k，l，l，k，l 电子科技大学硕士学位论文 入搅拌锅；胶质直接加入搅拌锅) 并确定后，高速搅拌启动并持续设定的预搅拌 时间( 如果时间设定为“o ，那么系统就不再启动高速搅拌而维持低速搅拌) ，预 搅拌时间到达后搅拌锅变为低速搅拌，此时如果另一台搅拌锅的进糖阀未处于打 开状态则打开该搅拌锅进糖阀门。 搅拌锅完成上述步骤后，熬煮锅的排放阀门打开，就可以从熬煮锅中接受糖 浆。当接受的糖浆量达到设定后，关闭该搅拌锅的进糖阀门。 糖浆接受完成后，打开压缩空气阀门。待锅内压力达到设定值( 最低搅拌压 力) 后高速搅拌启动，高速搅拌持续一段时间( 快速搅拌设定时间) 后转向低速 搅拌并持续一定时间( 慢速搅拌时间) 。 低速搅拌完成后，当锅内的压力高于预先设定的最低排放压力时，面板上搅 拌锅排放按钮的灯闪烁，此时便可按以下次按钮进行排放。在排放过程中搅拌锅 内的压力会下降，当压力下降到最低排放压力设定值以下时，搅拌锅的压缩空气 进气阀门自动关闭，同时压力释放阀门打开。锅内压力继续下降，当压力下降到 低于最低安全压力设定值时，搅拌锅排放阀关闭。此时，该锅便完成了自动运行 的一个循环。 2 4 控制系统的工作流程 画出p l c 控制系统顺序控制功能图( s f c ) 有助于设计出自动化程度较高的复杂 的控制系统，而要画出p l c 控制系统的顺序控制功能图就必须先了解系统的工作 流程即加工工艺流程。 系统的工作流程是对整个设备系统动作次序和工作过程的描述，该系统的工 作流程如图2 2 。其中( a ) 为熬煮锅的工作流程，( b ) 为搅拌锅的工作流程。 系统的工艺主要由熬煮锅的动作和搅拌锅的动作来完成。熬煮锅的动作与搅 拌锅的动作具有相对的独立性，但是它们又是相互关联的。说它们具有相对独立 性主要是指它们许多动作是独立的，不相互影响。而它们动作又是相关联的，主 要表现在：熬煮锅的排糖过程要受到搅拌锅进糖过程的影响，只有当搅拌锅的预 搅拌过程完成以后搅拌锅才能接收糖浆即熬煮锅才能排糖；同样，搅拌锅的进糖 要受到熬糖锅排糖过程的影响，只有当熬煮锅的排糖阀门打开并且熬煮锅的预搅 拌完成时搅拌锅才能进糖。系统通过对熬煮锅最低液面的检测来控制熬煮锅排糖 过程，通过对搅拌锅进糖流量的检测来控制搅拌锅的进糖过程。 1 2 第二章熬糖机控制系统的总体设计 ( a ) 2 5 控制系统的组成 开始 搅拌锅加设定 量脂肪后慢速 搅拌启动 加入酸粉和 胶质并按下 确认按钮 快速搅拌启动并 维持设定时间后 转换到慢速搅拌 当另一台搅拌 锅进糖阀处于 关闭时，打开 进糖阀 x 煮锅捧 阀打开? v 搅拌锅进糖到 设定量后关闭 进糖阀 图2 2 系统工作流程 ( b ) 打开压缩空 气进气阀门 当压力到达最低 搅拌压力时转换 到快速搅拌 快速搅拌到设 定时间 慢速搅拌设定 时间 力低于最低排放 压力 继续捧放并关闭 压缩空气进气 阔，打开珏力释 放阔 压力降低至安全 压力设定值时关 闭搅拌锅捧放阀 完成一 次循环 熬糖机系统各个单元的动作是在p l c 控制系统的控制下协调完成的，根据系 统需要处理的控制量对p l c 控制系统进行配置，根据现场调研获知，主要的控制 量包括3 3 个的数字输入，4 8 个的数字输出，温度输入和压力输入。因此配置出 p l c 控制系统应具备的功能模块，其组成包括：p l c 模块( 自带8 0 点的数字i 0 ) 、 数字输出扩展模块、a d 转换模块等。控制系统的硬件配置框图如图2 3 所示。系 统需要处理的数字i o 量( 包括：电磁阀，电机主控接触器，液位信号，以及流量定量积 1 3 电子科技大学硕士学位论文 算控制仪的输入信号) 分别由p l c 主机自带的8 0 个i 0 点，和数字输出扩展模块 来处理；需要处理的温度模拟量，由热电阻温度传感器进行检测后由温度仪表将 电阻值的变化转换位电流信号，信号经过滤波和放大后送至a d 模块进行模数转换； 需要处理的压力模拟量由压力传感器检测并将检测到的信号送至a d 模块进行模数 转换以供p l c 读取；系统还需要对流量进行检测，为了提高流量检测的精度减少 p l c 需要处理的模拟量个数，系统选用了一台流量积算控制仪，它将流量传感器送 来的流量信号进行累积，累积的流量达到设定值后向p l c 发出控制信号( 数字信 号) p l c 根据该信号采取相应的动作；此外，系统还包括其它一些模块，主要有： 人机界面、变频调速模块，它们分别通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 通讯口与p l c 相连进行通 信。 流量传 感器 l d g y 液位 探头 热电阻 p t l 0 0 习离闻鼹l 黼 唧们5 佃if s w p 篙0 1 一ii ! ! 竺i 产一t 叫哪。r 腻洲。淼h d v p 8 0 e h o o rl 脱偎扶ld v p 0 4 a n h d v p 0 8 h n l l rl 。 信号输入 变频器2l j 变频器l v f d l l 0 bi v f d l l 0 b 电磁阀。电机 的主控接触器 图2 3 控制系统硬件配置框图 2 6 控制系统主要器件的介绍 1 p l c 主机 此次熬糖机控制系统为具体生产所设计，设计过程中不仅要满足现有生产过 程的使用要求，还要考虑为以后设备改进留有余地，同时还应考虑系统本身的成 本。因此，在诸如：西门子、三菱、欧姆龙、美国通用电气、台达等众多品牌的 p l c 中我们选择了台达的p l c ，这主要是从价格的角度上去作出的选择。同时我 们为了保证以后设备的改进的可能性，我们选择了d v p 8 0 e h 0 0 r 。目前台达p l c 1 4 第二章熬糖机控制系统的总体设计 主要有e s 、e x 、s s 、s a 、s x 、e h 几种机型，相比较而言e h 机型无论是c p u 的扫描速度，还是存储容量以及扩展功能上都是最好的。下面就简要介绍一下该 机型的主要装置及其功能。 1 ) i o 点数，程序容量，输入输出类型 d v p 8 0 e h o o r 是一款台达p l c 它自带8 0 点数字i 0 ，数字i o 点数可扩展 至5 1 2 点，扩展i o 的地址接着主机i o 地址以8 进制依序往后排列。 该机种的最大程序容量为1 5 8 7 2s t 印s 远高于e s 、e x 、s s 机种的3 7 9 2s t 印s 和e p 、s a 、s x 机种的7 9 2 0s t 印s ，因此相同长度的程序在该机种上运行的速度更 快、实时性更高，为将来增加程序长度留有足够的富裕量。 该机种的输出方式是继电器型输出，输出时它通过接通或断开继电器的线圈 从而使继电器的触点闭合或断开来控制外部电路，这种输出方式价格便宜，使用 电压范围广，导通压降小，承受瞬时过压过流的能力强且有隔离作用。但是响应 速度较慢，不适用于动作频繁的负载，只能用于动作频率较低的交直流负载。在 此系统中选择这种输出方式明显优于其它方式。 2 ) p l c 主要内部装置简要介绍 输入继电器x ，自带4 0 点可扩展至2 5 6 点编号从x 0 一x 3 7 7 ( 8 进制排列) 输出继电器y ，自带4 0 点可扩展至2 5 6 点编号从y 0 y 3 7 7 ( 8 进制排列) 辅助继电器m ，一般用( m o m 5 1 1 ，m 7 6 8 m 9 9 9 ) ，停电保持用( m 5 1 2 m 7 6 7 ) 特殊用( m 1 0 0 删1 2 7 9 ) 定时器t ，1 0 0 m s 定时器( t 0 t 6 3 ) ，1 0 m s ( t 6 4 t 1 2 6 ) ，1 m s ( t 1 2 7 ) 计数器c ，共1 4 1 点分为：1 6 位一般用，1 6 位停电保持用，3 2 位可逆计数器 步进点s ，共1 2 8 点 数据寄存器d ，一般用( d o d 4 0 7 ) ，停电保持用( d 4 0 8 d 5 9 9 ) 特殊用 ( d 1 0 0 0 d 1 3 1 1 ) ，变址寄存器用( d 1 0 2 8 = e ，d 1 0 2 9 = f ) 常数表示，k 打头表示1 0 进制，h 打头表示1 6 进制。 3 ) 通讯功能 d v p 8 0 h 0 0 r 具有较强的通讯功能，方便的通讯实现。该机种内建有两个通讯 口c o m l ，c o m 2 。其中，c o m l 为r s 2 3 2 通讯口，工作方式为s l a v e ，可用来连接 程序书写器、监控器和个人电脑等。这样，在个人电脑上安装好p l c 编程软件 、p l s 0 f t 2 0 8 后便可直接在个人电脑上进行p l c 控制程序的编制、调试和下载； c o m 2 为r s 4 8 5 ( 可变更为r s 2 3 2 或r s 4 2 2 )，工作方式为m a s t e r ，可用于连 接变频器等周边装置，主机通过通讯指令便可以对这些装置进行访问。两个通讯 电子科技大学硕士学位论文 口的波特率为9 6 0 0 b p s ，最高可达1 1 5 2 0 0 b p s 。此外，还可以选购c o m 3 扩展卡， 使主机通讯口增为3 个。该机种还支持多种m o d b u s 串联通讯便利指令，使用者只 要依照指令格式中的站号、参数的装置地址及读写的数据便可进行通讯。不必再 了解