蛋粉干燥生产线控制系统设计.doc

蛋粉干燥生产线控制系统设计摘要：文章介绍了针对丹麦SANOVO公司生产的蛋粉干燥生产线的国产化设计。控制系统采用PLC进行控制生产工艺逻辑，采用触摸屏显示工艺流程及故障报警，为保证可靠工作，对蛋粉干燥生产过程中的关键参数温度及压力控制仍以专业算法的西门子DR系列智能仪表来控制。同时设计了上位机监控程序，实现了控制参数、报警信息的图文监控。关键词：蛋粉干燥; PLC控制；DR系列智能仪表Abstract:This artael introduces a control system used in egg power treatment。 The control system ，Which based on logical control of PLC and Programmable Terminal (PT) Show processing stream and the alarm information in Field 。Two key parameter temperature and pressure procedure is controlled by industrial intelligent instrument with special algorithm made in Simmens 。Meanwhile, By means of the computer monitor program ，the system enables the graph and text display of the controlling procedure and warning information。Keywords: egg powder treatment ; PLC controlling ; DR series intelligent instrument 引言：喷雾干燥是产生蛋白粉、蛋黄粉的最后一道工序。它的工作原理是：由高压输送泵送过来的蛋液经过过滤、灭菌后，依靠管道内的高压将需干燥液态蛋液通过高压喷头雾化，使蛋液分散成很细的像雾一样的微粒（增大水分增发面积，加速干燥过程），与热空气接触后，在一瞬间将大部分水分除去，从而使蛋液中的固体物质干燥成蛋白粉、蛋黄粉。我们与大连绿雪蛋品发展有限公司合作，在全面深入研究了丹麦SANOVO公司蛋粉喷雾干燥生产线设备以后，设计完成了具有完全自主知识产权的蛋粉喷雾干燥生产线控制设备。其控制系统性能指标完全达到了SANOVO公司的技术指标。整个设备的价格仅是其进口设备的四分之一。1 喷雾干燥系统的组成及工艺流程喷雾干燥过程主要由巴氏灭菌装置、蛋液输送管道、带泡沫保温夹层的不锈钢干燥箱、蒸汽加热器、预热室、热风分配室、空气过滤器、出口空气余热回收传送通道、雾化喷嘴、进风机、排风机、布袋过滤房、内外部绞龙、振动筛等多部分组成。喷雾干燥工艺流程图如图1所示。 图 1 喷雾干燥工艺流程图由图1所示的工艺流程可知：蛋液由蛋液罐（1）经过管式杀菌器（2）进入蛋液输送管道，首先需要通过调节输液泵（3）M10的转速调节进入干燥箱内的蛋液的流量（输液泵M10的转速是由智能压力调节控制仪表PIC3控制的变频调速器控制蛋液的输出流量）。经过滤器(4)过滤后，蛋液进入高压泵(5) M9，其转速由控温智能仪表TIC2控制的变频调速器控制, TIC2的PT100传感器置于干燥柜排风口处,以该处的温度（出口温度）来控制高压泵M9的转速,即蛋液喷管中压力,该压力应稳定在110190bar之间。新鲜的冷空气经空气过滤器（9）净化后，进入空气加热器（10），利用从干燥箱中排出的热风将冷空气预热，同时又使排出的风降低了温度，再排放到大气中，此种设计有效地利用了资源，减少了热量的损失。预热后的空气经气流调节器（11）由进风机（12）抽入蒸汽加热器（13）中，即向蒸汽加热器鼓风。由锅炉间送来的15公斤蒸汽经蒸汽加热器（13）将蒸气加热到170180，然后进入特殊结构的空气分配室（7）（空气分配室（7）的作用是使热空气均匀分布，提高干燥效率，避免焦粉现象的发生），最后进入干燥箱。干燥箱内的温度,由智能仪表TIC1控制蒸气调节阀V4输送热蒸气来控制。智能仪表TIC1的PT100传感器检测热风的入口温度，根据入口温度的变化情况控制蒸汽输送通道上阀门V4的开度，从而控制蒸汽的流量，使输入热风的温度达到并稳定在170180之间。当温度、压力等物理量达到规定值时,打开喷头喷嘴, 蛋液进入喷嘴中在一定的压力作用下雾化成很细小的雾滴，通过极小的喷嘴将蛋液喷出,形成雾状,在干燥箱中蛋液中的水分在很短的时间内被蒸发，而固体物质被干燥成粉末，落在箱底。部分粉末随气流前行至排风口处，经布袋过滤器（20）过滤后，粉末留在布袋中，空气则穿过布袋被排风机（16）排放出去。布袋中的蛋粉经反向吹风在电锤（18）和空气振荡器（17）的共同作用下落入干燥箱底部，机械刮粉装置（刮板）M8将蛋粉收集至干燥箱出口处的集粉筒（22），再经铰龙传送机构（23） M7进入振动装料机（24）M5、外部绞龙M6，最后,将成品蛋粉运出干燥箱外。在生产或清洁过程中，干燥箱内必须保持良好的通风, 为避免粉末进入车间并防止柜内压力过大, 进风机为37kW的鼓风机送入空气,排风机为30kW的鼓风机,这样就能及时带走蒸发出的蛋液水分。2 控制方案该系统采用DCS控制结构,生产管理级,即上位机;直接控制和现场监控级,即可编程序控制器(PLC)和触摸屏;过程控制级,即智能控制仪表(调节器)，以完成蛋液的过滤、传输、喷粉、烘干、成品输出等,整个蛋粉干燥过程控制系统的结构图如图2所示。 图2 控制系统结构图 4上位机监控上位机采用研华系列工控机，配有大屏幕监视器,实时显示生产现场的动态过程。控制系统上位机选择“力控”（ForceControl）组态软件来开发监控系统软件。力控是运行在Windows98/NT/2000/XP操作系统上的一种监控软件，它包括工程管理器、人机界面VIEW、实时数据库DB、I/O驱动程序、控制策略生成器以及各种网络服务组件等，为用户提供了从数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等项目。在生产过程中,监控程序通过RS232/422适配器与PLC 程序控制系统连接,接收PLC控制单元的全部信息,即被控设备的工作状态信息、温度、压力变化曲线以及出现故障时的报警信息并累计高压泵M9使用时间,参数修改等。上位机实时监控系统组态软件画面如图3、图4所示。 图3 监控系统运行画面 图4 工艺参数画面实时监控动态显示系统的工作状态有电机起停控制、光柱显示仪、LED指示灯,以及根据不同的控制过程变化管道中的液体颜色。通过上位机的监控系统,可使操作人员了解生产现场的情况,以及故障情况,排除方法。5现场监控触摸屏 设置触摸屏的目的有两个，一是代替原来SANOVO设备的各种控制按钮，另外一个主要目的就是现场显示生产工作状态、清洗工作状态以及多达近30个故障报警显示。触摸屏选用日本和泉公司的5寸HG2F型人机界面。在WindoI-NV2软件平台上分别设计了触摸屏主画面、控制界面、工作状态显示、故障显示等4种控制画面。其中主画面和控制界面是通过手动按钮实现画面切换，而工作状态显示和故障显示画面是通过PLC指令控制画面弹出实现动态显示的。图5为触摸屏主画面。图6为触摸屏控制界面。图7为工作状态显示画面。 图5 触摸屏主画面 图6 触摸屏控制界面 图8为故障报警画面。 图8 故障报警画面 图7 工作状态画面 在生产过程中， 触摸监控程序通过RS232C端口适配器与PLC 程序控制系统连接,当出现故障时，故障报警画面便切换至某一画面，显示故障信息，直到报警故障处理完毕后自动切换到工作状态画面。6可编程序控制器系统可编程序控制器(PLC)采用日本和泉公司的FC4A-D40K3型为系统的控制核心,并扩展了I/O输入输出模块B32B3、T16K3、R161和模拟量输入模块FC4A-J2A1(A/D单元)将电动机,电磁阀的启动/停止,断路器掉闸,电机过载,智能仪表的压力,温度报警等信号,变频器控制的蛋液流量的模拟量输入信号,送入PLC输入口,并通过RS232/422适配器上传至上位机。PLC程序设计如图9所示。其控制程序主要是根据工艺流程,完成蛋粉喷雾干燥过程生产/清洗工作方式的处理及和触摸屏、上位机、智能仪表的参数传递及信息交换。根据生产工艺流程,对各主体设备的运行状态分配变量,确定各状态的先后秩序及联锁关系,明确系统所要涉及的输入/输出量,画出PLC各输出信号与输入信号间的逻辑关系,并由逻辑关系转化为梯形图。如“生产模式”与“清洗模式”之间为互锁,不可同时得电工作。“生产模式”下,蛋粉成品运输中,振动装料机（振动筛）M5、外部绞龙M6、内部绞龙机构M7、刮板M8必须顺序起动完成蛋粉输出；而清洁方式下,振动筛M5、外部绞龙M6、内部绞龙M7、刮板M8无顺序起动关系,以便于非生产状态下的清洗与维修。由于系统主要控制高温、高压等参数,因此编程时除完成系统设备控制的连锁关系外,在程序中主要考虑报警中断子程序。在报警程序中,根据其危害生产的情况分为类报警与类报警, 类报警为危险报警（High/high alarm）,如入口处的压力（PI4）低于50bar或高于210bar ，均为类报警,当此类报警出现时, 高压泵电机M9、蒸气阀V4将立即停机或关闭进入保护状态，从而保证M9正常运行。又如入口温度（TIC2）超过200时，也属于类报警,当此类报警出现时, 高压泵电机M9、蒸气阀V4以及,振动筛M5、外部绞龙M6、内部绞龙M7、刮板M8将立即停机或关闭进入保护状态。类报警为一般报警,如温度上限报警、回差报警、断路器和热继电器掉闸等,这时触摸屏上可看到报警原因、位置及处理方法。在生产现场,由于噪声过大（产生原因为送风电机与排风电机运转噪音大），因此本系统的报警采用了声（蜂鸣器）、光（1秒频率闪烁灯）、图文（触摸屏）3种报警信号方式。当出现报警时,声、光、图文将同时出现。在排除故障前,可采用报警复位按钮,对声、光报警先中断解除复位。,但图文报警将在触摸屏画面显示中出现,便于维修人员排除故障,直到故障排除后,触摸屏画面自动回复到“工作模式”状态显示。 图9 PLC控制流程图6 智能仪表61 以温度控制压力的闭环回路，如图10所示,以检测干燥箱排风口处的温度来控制高压泵M9的转速从而控制蛋液进入干燥箱内的压力。控制器采用西门子公司的双回路控制可编程温度调节器DR系列仪表作为图中的TIC2,其温度传感器PT100置于干燥箱排风口处,经变送的标准信号作为反馈值进入DR调节器输入端，由于干燥系统是一个大纯迟后惯性环节,难于用一般的PID算法进行控制,而根据工艺要求和特点采用修正的PID运算来控制高压泵M9的变频调速器来调节转速。变频调速器采用丹佛斯公司FCVLT2900系列变频器,其本身设有电流检测装置及PID控制器功能,由此构成压力闭环。这样,该系统在一定范围内,喷粉压力随着干燥柜温度升高而增大,随温度降低而减少,以保证喷粉干燥的质量。该调节器具有三个参数显示：即实测温度值、给定温度值、开度百分比值。同时具有跟踪速度快,现场易于变更参数等特点。图11为 用温度控制压力的闭环回路 图11 用温度控制压力的闭合回路6.2 温度闭环控制回路为了工作可靠，该系统干燥箱内的温度也采用可编程调节器来控制，可编程调节器采用西门子公司的双回路控制可编程温度调节器DR20作为图中的TIC21,如图12所示,。该回路以蒸汽入口温度为反馈值进入DR20,通过调节器DR20控制I/P转换器来控制蒸气调节阀V4,从而控制干燥箱中的温度使其稳定在195。同样,在预热控制回路中，TIC3亦采用DR20控制仪表,通过控制蒸气调节阀V5,使蛋液温度在控制在60左右。 图12 温度闭环控制回路 63 压力闭环系统 压力闭环控制回路，如图13所示,以检测干燥箱入口处的压力来控制输液泵M10的转速从而控制蛋液进入干燥箱内的流量。控制器PIC3压力控制调节器也采用可编程调节器。其压力传感器采用扩散硅杯型, 其稳定性,抗突变性能均佳。可以保证蛋液在管道中的压力稳定在1