三效蒸發(fā)器番茄醬濃縮控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

趙裕峰等

摘要：對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備三效蒸發(fā)器整個(gè)工藝流程進(jìn)行了詳盡的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三效蒸發(fā)器中番茄醬濃縮階段的液位控制對(duì)提高濃縮速度至關(guān)重要。經(jīng)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，番茄醬的液位在一定的范圍浮動(dòng)會(huì)得到最優(yōu)化的效果。

關(guān)鍵詞：可編程邏輯控制器；三效蒸發(fā)器；液位；濃縮控制系統(tǒng)；番茄醬

中圖分類號(hào)： TP273文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）10-0392-03

收稿日期：2013-12-30

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)教育廳高?？蒲杏?jì)劃青年基金（編號(hào)：XJEDU2012S06）；新疆維吾爾自治區(qū)教育廳重點(diǎn)計(jì)劃（編號(hào)：XJEDU2010I07）。

作者簡(jiǎn)介：趙裕峰（1986—），男，山東黃縣人，碩士研究生，從事可編程邏輯控制器應(yīng)用技術(shù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究。E-mail：727028483@qq.com。

通信作者：陳志軍，教授，碩士生導(dǎo)師，從事智能信息處理和智能控制與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。E-mail：chenzj1110@163.com。新疆因獨(dú)特的氣候條件而盛產(chǎn)番茄，且其品質(zhì)優(yōu)良，為大規(guī)模的加工番茄醬創(chuàng)造了有利條件。隨著國(guó)內(nèi)外需求的不斷擴(kuò)大，番茄醬加工產(chǎn)業(yè)不斷擴(kuò)大，被稱作新疆的“紅色產(chǎn)業(yè)”，其加工量約占全國(guó)番茄加工總量的90%。但是，現(xiàn)今的番茄醬生產(chǎn)加工設(shè)備均是從國(guó)外引進(jìn)的，其核心技術(shù)完全依賴于國(guó)外，這制約了相關(guān)企業(yè)的發(fā)展[1]。因此，迫切需要對(duì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)如灌裝、殺菌等進(jìn)行研究。本試驗(yàn)對(duì)番茄醬加工生產(chǎn)線中三效蒸發(fā)器的番茄醬濃縮階段的液位控制進(jìn)行了研究，采用西門(mén)子S7-300 PLC控制自主研發(fā)了三效蒸發(fā)器番茄醬濃縮控制系統(tǒng)，并取得了令人滿意的效果。

1可編程邏輯控制器（PLC）簡(jiǎn)介

SIMATIC S7-300是一種通用型的PLC，適用于自動(dòng)化工程中的各種應(yīng)用場(chǎng)合，尤其是適合在生產(chǎn)制造工程中應(yīng)用。S7-300 PLC具有以下顯著特點(diǎn)：循環(huán)周期短，處理速度高；指令集功能強(qiáng)大，可用于復(fù)雜功能；產(chǎn)品設(shè)計(jì)緊湊，可用于空間有限的場(chǎng)合；模塊化結(jié)構(gòu)，適合密集安裝；有不同檔次的 CPU，其功能多種多樣；模塊和I/O模塊可供選擇，可以根據(jù)不同的供應(yīng)選擇不同的PLC模塊。S7的指令集包含350多條指令，即位指令、技術(shù)指令、定時(shí)指令、比較指令、整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算指令等。S7-300 PLC的模擬量和數(shù)字量I/O模塊幾乎對(duì)所有的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)都適用。

2三效蒸發(fā)器工藝流程介紹

2.1三效蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)室裝備

圖1和圖2為實(shí)驗(yàn)室整體設(shè)備及其部分功能圖。三效蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)室整體設(shè)備由許多個(gè)子設(shè)備組成，包括PLC、閥門(mén)、傳感器等（圖1），其中該設(shè)備中的核心部分為3個(gè)蒸發(fā)罐（圖2），起主要作用。

2.2流程介紹

一效產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過(guò)提壓后，輸送到第2個(gè)的蒸汽罐中作為熱源，再輸送到第3個(gè)蒸汽罐中作為熱源，有3個(gè)循環(huán)的蒸汽罐，所以稱為三效蒸發(fā)器[2]。實(shí)驗(yàn)室三效罐體均是1 m長(zhǎng)的圓柱體。本裝置采用的是逆流加料過(guò)程，在逆流加料過(guò)程中，蒸汽與液體走向相反。料液從末效加入進(jìn)行蒸發(fā)濃縮后，用泵將濃縮液送入前一效直至末效得到完成液；蒸汽從第一效加入后放熱冷凝成液體，產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入第二效，在對(duì)料液加熱后冷凝成液體，第二效產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入第三效對(duì)原料液加熱，釋放熱量后冷凝成液體排除。

在逆流加料過(guò)程中，因隨著濃縮液濃度增大而溫度逐漸升高，所以各效的黏度相差較小，傳熱系數(shù)大致相同；完成液排除溫度較高，可在減壓下進(jìn)一步閃蒸濃縮、殺菌。

在濃縮的過(guò)程中三效蒸發(fā)器中番茄醬的液位會(huì)直接影響濃縮的速度[3]。因此，對(duì)三效中液位的控制至關(guān)重要，且通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)室的液位位于50%～55%時(shí)，濃縮速度最高。

3三效蒸發(fā)器濃縮控制系統(tǒng)

3.1硬件配置

采用S7-300 PLC作為主站，主站組態(tài)包括PS307 5A、CPU 315-2PN/DP、SM331、SM332以及遠(yuǎn)程站點(diǎn)IM153-2。CPU 315-2PN/DP模塊處理速度快，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性好，特別適合中小型系統(tǒng)的控制要求；通過(guò)CP5613A通信卡實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)之間的通信；模擬量模塊具有許多特性，可以通過(guò)參數(shù)來(lái)改變它的特性。根據(jù)工藝流程選擇6個(gè)進(jìn)出料泵、5個(gè)控制閥、3個(gè)液位傳感器、3個(gè)溫度傳感器、3個(gè)手動(dòng)效內(nèi)循環(huán)控制開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)效間和效內(nèi)循環(huán)。圖3為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

模擬量檢測(cè)輸入信號(hào)采用SM331 AI8×12模塊，該模塊僅具有模擬量輸入通道，有4個(gè)通道組共8個(gè)輸入接口，每個(gè)通道的精度可調(diào)，最高精度位為14位精度（帶符號(hào)位），并且可接電壓、電流、電阻、溫度信號(hào)測(cè)量，在此系統(tǒng)應(yīng)用中采用的是4～20 mA電流信號(hào)檢測(cè)，對(duì)應(yīng)的工程值為0～27 648。常用的液位測(cè)量器件有壓力式、超聲波式、晶體管繼電器式、電容式、浮子式等。液位測(cè)量器件主要用于測(cè)量液位及控制，廣泛應(yīng)用于城市供水、污水處理、工礦企業(yè)、水庫(kù)、河道、海洋等場(chǎng)所[4]。

硬件組態(tài)和參數(shù)設(shè)置是使用STEP7軟件對(duì)PLC機(jī)架上的硬件進(jìn)行配置，設(shè)置各種硬件模塊參數(shù)的過(guò)程[5]，用戶通過(guò)硬件組態(tài)設(shè)定或者修改各硬件模塊的參數(shù)或者地址、設(shè)定或修改網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)等。

3.2程序?qū)崿F(xiàn)

下位機(jī)PLC采用液位傳感器對(duì)三效番茄醬液位進(jìn)行采集，液位傳感器地址為PIW256、PIW258、PIW260，采集的液位信號(hào)經(jīng)量程轉(zhuǎn)換存入MD30、MD20、MD10中，通過(guò)調(diào)用FC105模塊將信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)際的液位值，與設(shè)定的高低液位信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)變頻器控制相應(yīng)的泵和閥開(kāi)關(guān)動(dòng)作[6]，來(lái)控制液位的高低。

液位控制程序包括主程序塊OB1、軟啟動(dòng)組織塊OB100、功能塊FB1（圖4）、背景數(shù)據(jù)塊DB1-DB3等。液位控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器的采樣時(shí)間為6～8 s，Siemens PLC應(yīng)用程序中通常取100 ms，使用其中斷指令調(diào)用中斷子程序（中斷時(shí)間范圍為0～255 ms）編程很方便。因?yàn)?個(gè)罐體之間采用串級(jí)流程，所以分別對(duì)FB1進(jìn)行調(diào)用來(lái)控制各效之間的液位。通過(guò)手動(dòng)設(shè)定高低液位來(lái)控制[7]。系統(tǒng)經(jīng)運(yùn)行，獲得了非常好的效果，提高了濃縮的速度。

4監(jiān)控系統(tǒng)

在WinCC 5.0中建立項(xiàng)目，對(duì)系統(tǒng)的流程進(jìn)行模擬監(jiān)控。WinCC 5.0組態(tài)系統(tǒng)采用“SIMATIC S7 Protocol Suite”作為驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò)CP5611卡與下位S7-300 PLC進(jìn)行通訊。將S7-300程序下載到PLC中，在完成測(cè)試后就可將系統(tǒng)投入正式運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行后相應(yīng)監(jiān)控畫(huà)面可以在上位機(jī)上顯示。Wincc軟件監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并及時(shí)作出反饋，出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)報(bào)警處理。濃縮液位監(jiān)控畫(huà)面如圖5所示。

5結(jié)束語(yǔ)

本研究采用西門(mén)子S7-300 PLC及 Step 7 軟件設(shè)計(jì)番茄醬殺菌液位自動(dòng)控制系統(tǒng)，首先對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，然后進(jìn)行硬件配置，合理選用模塊及總線技術(shù)，降低工程成本，最后對(duì)控制功能進(jìn)行程序?qū)崿F(xiàn)，經(jīng)運(yùn)行得到了較好的效果?？梢?jiàn)該系統(tǒng)有很大的工程前景，值得應(yīng)用和推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]南新元，陳志軍，高丙朋. S7-300 PLC在番茄醬殺菌自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化儀表，2010，31（5）：34-36，39.

[2]李勝多. 基于PLC的農(nóng)作物噴灌控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2010，32（9）：141-145.

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[4]馬林，馬茵. PLC在上、下水箱液位串級(jí)變頻調(diào)速控制中的應(yīng)用[J]. 電子質(zhì)量，2011，2（2）：50-51.

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[6]許卓，程秀竹，黃曉峰. 鑄軋機(jī)爐口液面控制的設(shè)計(jì)[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化，2013，5（5）：139-140.

[7]仇國(guó)慶，羅宣林，吳迪. WinCC在泥漿池液位監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化與儀表，2008，23（5）：44-46.

摘要：對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備三效蒸發(fā)器整個(gè)工藝流程進(jìn)行了詳盡的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三效蒸發(fā)器中番茄醬濃縮階段的液位控制對(duì)提高濃縮速度至關(guān)重要。經(jīng)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，番茄醬的液位在一定的范圍浮動(dòng)會(huì)得到最優(yōu)化的效果。

關(guān)鍵詞：可編程邏輯控制器；三效蒸發(fā)器；液位；濃縮控制系統(tǒng)；番茄醬

中圖分類號(hào)： TP273文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）10-0392-03

收稿日期：2013-12-30

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)教育廳高?？蒲杏?jì)劃青年基金（編號(hào)：XJEDU2012S06）；新疆維吾爾自治區(qū)教育廳重點(diǎn)計(jì)劃（編號(hào)：XJEDU2010I07）。

作者簡(jiǎn)介：趙裕峰（1986—），男，山東黃縣人，碩士研究生，從事可編程邏輯控制器應(yīng)用技術(shù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究。E-mail：727028483@qq.com。

通信作者：陳志軍，教授，碩士生導(dǎo)師，從事智能信息處理和智能控制與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。E-mail：chenzj1110@163.com。新疆因獨(dú)特的氣候條件而盛產(chǎn)番茄，且其品質(zhì)優(yōu)良，為大規(guī)模的加工番茄醬創(chuàng)造了有利條件。隨著國(guó)內(nèi)外需求的不斷擴(kuò)大，番茄醬加工產(chǎn)業(yè)不斷擴(kuò)大，被稱作新疆的“紅色產(chǎn)業(yè)”，其加工量約占全國(guó)番茄加工總量的90%。但是，現(xiàn)今的番茄醬生產(chǎn)加工設(shè)備均是從國(guó)外引進(jìn)的，其核心技術(shù)完全依賴于國(guó)外，這制約了相關(guān)企業(yè)的發(fā)展[1]。因此，迫切需要對(duì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)如灌裝、殺菌等進(jìn)行研究。本試驗(yàn)對(duì)番茄醬加工生產(chǎn)線中三效蒸發(fā)器的番茄醬濃縮階段的液位控制進(jìn)行了研究，采用西門(mén)子S7-300 PLC控制自主研發(fā)了三效蒸發(fā)器番茄醬濃縮控制系統(tǒng)，并取得了令人滿意的效果。

1可編程邏輯控制器（PLC）簡(jiǎn)介

SIMATIC S7-300是一種通用型的PLC，適用于自動(dòng)化工程中的各種應(yīng)用場(chǎng)合，尤其是適合在生產(chǎn)制造工程中應(yīng)用。S7-300 PLC具有以下顯著特點(diǎn)：循環(huán)周期短，處理速度高；指令集功能強(qiáng)大，可用于復(fù)雜功能；產(chǎn)品設(shè)計(jì)緊湊，可用于空間有限的場(chǎng)合；模塊化結(jié)構(gòu)，適合密集安裝；有不同檔次的 CPU，其功能多種多樣；模塊和I/O模塊可供選擇，可以根據(jù)不同的供應(yīng)選擇不同的PLC模塊。S7的指令集包含350多條指令，即位指令、技術(shù)指令、定時(shí)指令、比較指令、整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算指令等。S7-300 PLC的模擬量和數(shù)字量I/O模塊幾乎對(duì)所有的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)都適用。

2三效蒸發(fā)器工藝流程介紹

2.1三效蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)室裝備

圖1和圖2為實(shí)驗(yàn)室整體設(shè)備及其部分功能圖。三效蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)室整體設(shè)備由許多個(gè)子設(shè)備組成，包括PLC、閥門(mén)、傳感器等（圖1），其中該設(shè)備中的核心部分為3個(gè)蒸發(fā)罐（圖2），起主要作用。

2.2流程介紹

一效產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過(guò)提壓后，輸送到第2個(gè)的蒸汽罐中作為熱源，再輸送到第3個(gè)蒸汽罐中作為熱源，有3個(gè)循環(huán)的蒸汽罐，所以稱為三效蒸發(fā)器[2]。實(shí)驗(yàn)室三效罐體均是1 m長(zhǎng)的圓柱體。本裝置采用的是逆流加料過(guò)程，在逆流加料過(guò)程中，蒸汽與液體走向相反。料液從末效加入進(jìn)行蒸發(fā)濃縮后，用泵將濃縮液送入前一效直至末效得到完成液；蒸汽從第一效加入后放熱冷凝成液體，產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入第二效，在對(duì)料液加熱后冷凝成液體，第二效產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入第三效對(duì)原料液加熱，釋放熱量后冷凝成液體排除。

在逆流加料過(guò)程中，因隨著濃縮液濃度增大而溫度逐漸升高，所以各效的黏度相差較小，傳熱系數(shù)大致相同；完成液排除溫度較高，可在減壓下進(jìn)一步閃蒸濃縮、殺菌。

在濃縮的過(guò)程中三效蒸發(fā)器中番茄醬的液位會(huì)直接影響濃縮的速度[3]。因此，對(duì)三效中液位的控制至關(guān)重要，且通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)室的液位位于50%～55%時(shí)，濃縮速度最高。

3三效蒸發(fā)器濃縮控制系統(tǒng)

3.1硬件配置

采用S7-300 PLC作為主站，主站組態(tài)包括PS307 5A、CPU 315-2PN/DP、SM331、SM332以及遠(yuǎn)程站點(diǎn)IM153-2。CPU 315-2PN/DP模塊處理速度快，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性好，特別適合中小型系統(tǒng)的控制要求；通過(guò)CP5613A通信卡實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)之間的通信；模擬量模塊具有許多特性，可以通過(guò)參數(shù)來(lái)改變它的特性。根據(jù)工藝流程選擇6個(gè)進(jìn)出料泵、5個(gè)控制閥、3個(gè)液位傳感器、3個(gè)溫度傳感器、3個(gè)手動(dòng)效內(nèi)循環(huán)控制開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)效間和效內(nèi)循環(huán)。圖3為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

模擬量檢測(cè)輸入信號(hào)采用SM331 AI8×12模塊，該模塊僅具有模擬量輸入通道，有4個(gè)通道組共8個(gè)輸入接口，每個(gè)通道的精度可調(diào)，最高精度位為14位精度（帶符號(hào)位），并且可接電壓、電流、電阻、溫度信號(hào)測(cè)量，在此系統(tǒng)應(yīng)用中采用的是4～20 mA電流信號(hào)檢測(cè)，對(duì)應(yīng)的工程值為0～27 648。常用的液位測(cè)量器件有壓力式、超聲波式、晶體管繼電器式、電容式、浮子式等。液位測(cè)量器件主要用于測(cè)量液位及控制，廣泛應(yīng)用于城市供水、污水處理、工礦企業(yè)、水庫(kù)、河道、海洋等場(chǎng)所[4]。

硬件組態(tài)和參數(shù)設(shè)置是使用STEP7軟件對(duì)PLC機(jī)架上的硬件進(jìn)行配置，設(shè)置各種硬件模塊參數(shù)的過(guò)程[5]，用戶通過(guò)硬件組態(tài)設(shè)定或者修改各硬件模塊的參數(shù)或者地址、設(shè)定或修改網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)等。

3.2程序?qū)崿F(xiàn)

下位機(jī)PLC采用液位傳感器對(duì)三效番茄醬液位進(jìn)行采集，液位傳感器地址為PIW256、PIW258、PIW260，采集的液位信號(hào)經(jīng)量程轉(zhuǎn)換存入MD30、MD20、MD10中，通過(guò)調(diào)用FC105模塊將信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)際的液位值，與設(shè)定的高低液位信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)變頻器控制相應(yīng)的泵和閥開(kāi)關(guān)動(dòng)作[6]，來(lái)控制液位的高低。

液位控制程序包括主程序塊OB1、軟啟動(dòng)組織塊OB100、功能塊FB1（圖4）、背景數(shù)據(jù)塊DB1-DB3等。液位控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器的采樣時(shí)間為6～8 s，Siemens PLC應(yīng)用程序中通常取100 ms，使用其中斷指令調(diào)用中斷子程序（中斷時(shí)間范圍為0～255 ms）編程很方便。因?yàn)?個(gè)罐體之間采用串級(jí)流程，所以分別對(duì)FB1進(jìn)行調(diào)用來(lái)控制各效之間的液位。通過(guò)手動(dòng)設(shè)定高低液位來(lái)控制[7]。系統(tǒng)經(jīng)運(yùn)行，獲得了非常好的效果，提高了濃縮的速度。

4監(jiān)控系統(tǒng)

在WinCC 5.0中建立項(xiàng)目，對(duì)系統(tǒng)的流程進(jìn)行模擬監(jiān)控。WinCC 5.0組態(tài)系統(tǒng)采用“SIMATIC S7 Protocol Suite”作為驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò)CP5611卡與下位S7-300 PLC進(jìn)行通訊。將S7-300程序下載到PLC中，在完成測(cè)試后就可將系統(tǒng)投入正式運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行后相應(yīng)監(jiān)控畫(huà)面可以在上位機(jī)上顯示。Wincc軟件監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并及時(shí)作出反饋，出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)報(bào)警處理。濃縮液位監(jiān)控畫(huà)面如圖5所示。

5結(jié)束語(yǔ)

本研究采用西門(mén)子S7-300 PLC及 Step 7 軟件設(shè)計(jì)番茄醬殺菌液位自動(dòng)控制系統(tǒng)，首先對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，然后進(jìn)行硬件配置，合理選用模塊及總線技術(shù)，降低工程成本，最后對(duì)控制功能進(jìn)行程序?qū)崿F(xiàn)，經(jīng)運(yùn)行得到了較好的效果?？梢?jiàn)該系統(tǒng)有很大的工程前景，值得應(yīng)用和推廣。

參考文獻(xiàn)：

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摘要：對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備三效蒸發(fā)器整個(gè)工藝流程進(jìn)行了詳盡的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三效蒸發(fā)器中番茄醬濃縮階段的液位控制對(duì)提高濃縮速度至關(guān)重要。經(jīng)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，番茄醬的液位在一定的范圍浮動(dòng)會(huì)得到最優(yōu)化的效果。

關(guān)鍵詞：可編程邏輯控制器；三效蒸發(fā)器；液位；濃縮控制系統(tǒng)；番茄醬

中圖分類號(hào)： TP273文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）10-0392-03

收稿日期：2013-12-30

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)教育廳高?？蒲杏?jì)劃青年基金（編號(hào)：XJEDU2012S06）；新疆維吾爾自治區(qū)教育廳重點(diǎn)計(jì)劃（編號(hào)：XJEDU2010I07）。

作者簡(jiǎn)介：趙裕峰（1986—），男，山東黃縣人，碩士研究生，從事可編程邏輯控制器應(yīng)用技術(shù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究。E-mail：727028483@qq.com。

通信作者：陳志軍，教授，碩士生導(dǎo)師，從事智能信息處理和智能控制與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。E-mail：chenzj1110@163.com。新疆因獨(dú)特的氣候條件而盛產(chǎn)番茄，且其品質(zhì)優(yōu)良，為大規(guī)模的加工番茄醬創(chuàng)造了有利條件。隨著國(guó)內(nèi)外需求的不斷擴(kuò)大，番茄醬加工產(chǎn)業(yè)不斷擴(kuò)大，被稱作新疆的“紅色產(chǎn)業(yè)”，其加工量約占全國(guó)番茄加工總量的90%。但是，現(xiàn)今的番茄醬生產(chǎn)加工設(shè)備均是從國(guó)外引進(jìn)的，其核心技術(shù)完全依賴于國(guó)外，這制約了相關(guān)企業(yè)的發(fā)展[1]。因此，迫切需要對(duì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)如灌裝、殺菌等進(jìn)行研究。本試驗(yàn)對(duì)番茄醬加工生產(chǎn)線中三效蒸發(fā)器的番茄醬濃縮階段的液位控制進(jìn)行了研究，采用西門(mén)子S7-300 PLC控制自主研發(fā)了三效蒸發(fā)器番茄醬濃縮控制系統(tǒng)，并取得了令人滿意的效果。

1可編程邏輯控制器（PLC）簡(jiǎn)介

SIMATIC S7-300是一種通用型的PLC，適用于自動(dòng)化工程中的各種應(yīng)用場(chǎng)合，尤其是適合在生產(chǎn)制造工程中應(yīng)用。S7-300 PLC具有以下顯著特點(diǎn)：循環(huán)周期短，處理速度高；指令集功能強(qiáng)大，可用于復(fù)雜功能；產(chǎn)品設(shè)計(jì)緊湊，可用于空間有限的場(chǎng)合；模塊化結(jié)構(gòu)，適合密集安裝；有不同檔次的 CPU，其功能多種多樣；模塊和I/O模塊可供選擇，可以根據(jù)不同的供應(yīng)選擇不同的PLC模塊。S7的指令集包含350多條指令，即位指令、技術(shù)指令、定時(shí)指令、比較指令、整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算指令等。S7-300 PLC的模擬量和數(shù)字量I/O模塊幾乎對(duì)所有的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)都適用。

2三效蒸發(fā)器工藝流程介紹

2.1三效蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)室裝備

圖1和圖2為實(shí)驗(yàn)室整體設(shè)備及其部分功能圖。三效蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)室整體設(shè)備由許多個(gè)子設(shè)備組成，包括PLC、閥門(mén)、傳感器等（圖1），其中該設(shè)備中的核心部分為3個(gè)蒸發(fā)罐（圖2），起主要作用。

2.2流程介紹

一效產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過(guò)提壓后，輸送到第2個(gè)的蒸汽罐中作為熱源，再輸送到第3個(gè)蒸汽罐中作為熱源，有3個(gè)循環(huán)的蒸汽罐，所以稱為三效蒸發(fā)器[2]。實(shí)驗(yàn)室三效罐體均是1 m長(zhǎng)的圓柱體。本裝置采用的是逆流加料過(guò)程，在逆流加料過(guò)程中，蒸汽與液體走向相反。料液從末效加入進(jìn)行蒸發(fā)濃縮后，用泵將濃縮液送入前一效直至末效得到完成液；蒸汽從第一效加入后放熱冷凝成液體，產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入第二效，在對(duì)料液加熱后冷凝成液體，第二效產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入第三效對(duì)原料液加熱，釋放熱量后冷凝成液體排除。

在逆流加料過(guò)程中，因隨著濃縮液濃度增大而溫度逐漸升高，所以各效的黏度相差較小，傳熱系數(shù)大致相同；完成液排除溫度較高，可在減壓下進(jìn)一步閃蒸濃縮、殺菌。

在濃縮的過(guò)程中三效蒸發(fā)器中番茄醬的液位會(huì)直接影響濃縮的速度[3]。因此，對(duì)三效中液位的控制至關(guān)重要，且通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)室的液位位于50%～55%時(shí)，濃縮速度最高。

3三效蒸發(fā)器濃縮控制系統(tǒng)

3.1硬件配置

采用S7-300 PLC作為主站，主站組態(tài)包括PS307 5A、CPU 315-2PN/DP、SM331、SM332以及遠(yuǎn)程站點(diǎn)IM153-2。CPU 315-2PN/DP模塊處理速度快，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性好，特別適合中小型系統(tǒng)的控制要求；通過(guò)CP5613A通信卡實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)之間的通信；模擬量模塊具有許多特性，可以通過(guò)參數(shù)來(lái)改變它的特性。根據(jù)工藝流程選擇6個(gè)進(jìn)出料泵、5個(gè)控制閥、3個(gè)液位傳感器、3個(gè)溫度傳感器、3個(gè)手動(dòng)效內(nèi)循環(huán)控制開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)效間和效內(nèi)循環(huán)。圖3為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

模擬量檢測(cè)輸入信號(hào)采用SM331 AI8×12模塊，該模塊僅具有模擬量輸入通道，有4個(gè)通道組共8個(gè)輸入接口，每個(gè)通道的精度可調(diào)，最高精度位為14位精度（帶符號(hào)位），并且可接電壓、電流、電阻、溫度信號(hào)測(cè)量，在此系統(tǒng)應(yīng)用中采用的是4～20 mA電流信號(hào)檢測(cè)，對(duì)應(yīng)的工程值為0～27 648。常用的液位測(cè)量器件有壓力式、超聲波式、晶體管繼電器式、電容式、浮子式等。液位測(cè)量器件主要用于測(cè)量液位及控制，廣泛應(yīng)用于城市供水、污水處理、工礦企業(yè)、水庫(kù)、河道、海洋等場(chǎng)所[4]。

硬件組態(tài)和參數(shù)設(shè)置是使用STEP7軟件對(duì)PLC機(jī)架上的硬件進(jìn)行配置，設(shè)置各種硬件模塊參數(shù)的過(guò)程[5]，用戶通過(guò)硬件組態(tài)設(shè)定或者修改各硬件模塊的參數(shù)或者地址、設(shè)定或修改網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)等。

3.2程序?qū)崿F(xiàn)

下位機(jī)PLC采用液位傳感器對(duì)三效番茄醬液位進(jìn)行采集，液位傳感器地址為PIW256、PIW258、PIW260，采集的液位信號(hào)經(jīng)量程轉(zhuǎn)換存入MD30、MD20、MD10中，通過(guò)調(diào)用FC105模塊將信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)際的液位值，與設(shè)定的高低液位信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)變頻器控制相應(yīng)的泵和閥開(kāi)關(guān)動(dòng)作[6]，來(lái)控制液位的高低。

液位控制程序包括主程序塊OB1、軟啟動(dòng)組織塊OB100、功能塊FB1（圖4）、背景數(shù)據(jù)塊DB1-DB3等。液位控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器的采樣時(shí)間為6～8 s，Siemens PLC應(yīng)用程序中通常取100 ms，使用其中斷指令調(diào)用中斷子程序（中斷時(shí)間范圍為0～255 ms）編程很方便。因?yàn)?個(gè)罐體之間采用串級(jí)流程，所以分別對(duì)FB1進(jìn)行調(diào)用來(lái)控制各效之間的液位。通過(guò)手動(dòng)設(shè)定高低液位來(lái)控制[7]。系統(tǒng)經(jīng)運(yùn)行，獲得了非常好的效果，提高了濃縮的速度。

4監(jiān)控系統(tǒng)

在WinCC 5.0中建立項(xiàng)目，對(duì)系統(tǒng)的流程進(jìn)行模擬監(jiān)控。WinCC 5.0組態(tài)系統(tǒng)采用“SIMATIC S7 Protocol Suite”作為驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò)CP5611卡與下位S7-300 PLC進(jìn)行通訊。將S7-300程序下載到PLC中，在完成測(cè)試后就可將系統(tǒng)投入正式運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行后相應(yīng)監(jiān)控畫(huà)面可以在上位機(jī)上顯示。Wincc軟件監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并及時(shí)作出反饋，出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)報(bào)警處理。濃縮液位監(jiān)控畫(huà)面如圖5所示。

5結(jié)束語(yǔ)

本研究采用西門(mén)子S7-300 PLC及 Step 7 軟件設(shè)計(jì)番茄醬殺菌液位自動(dòng)控制系統(tǒng)，首先對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，然后進(jìn)行硬件配置，合理選用模塊及總線技術(shù)，降低工程成本，最后對(duì)控制功能進(jìn)行程序?qū)崿F(xiàn)，經(jīng)運(yùn)行得到了較好的效果?？梢?jiàn)該系統(tǒng)有很大的工程前景，值得應(yīng)用和推廣。

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