基于PLC的澆模型冰激凌控制系統(tǒng)

邸書玉 韓雪泉

(1. 吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2. 中糧生化能源(肇東)有限公司，黑龍江 肇東 151100)

在國內(nèi)，多數(shù)生產(chǎn)廠商仍沿用歐美冰激凌機(jī)的工作方式生產(chǎn)冰激凌，生產(chǎn)設(shè)備仍然采用傳統(tǒng)的接觸器、繼電器/時間控制方式。該方法因設(shè)計簡單、操作方便、易于理解且能滿足當(dāng)時的生產(chǎn)要求和控制條件，在PLC出現(xiàn)前被廣泛使用。當(dāng)前冰激凌機(jī)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制方式靈活、功能繁多，傳統(tǒng)控制方法已不適應(yīng)將來新產(chǎn)品的開發(fā)換代，并且繼電器及線圈等各種機(jī)械設(shè)備經(jīng)過長期的運(yùn)行后老化速度快，經(jīng)常出現(xiàn)觸點磨損、接觸不良及反應(yīng)遲鈍等現(xiàn)象，造成整個控制系統(tǒng)無法完成控制功能，嚴(yán)重影響了冰激凌的質(zhì)量和數(shù)量。隨著微計算機(jī)和PLC技術(shù)的發(fā)展，用PLC控制制冷機(jī)械設(shè)備已經(jīng)被廣泛使用，采用該方法提高了產(chǎn)品性能，改進(jìn)冰激凌質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，推動了制冷行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步[1，2]。

筆者提出以西門子S7200 CPU224為核心的控制系統(tǒng)，控制參數(shù)有壓力、溫度、流量及液位等模擬量輸入/出信號，泵、電機(jī)等開關(guān)量輸入/出信號，上位機(jī)用HMI或計算機(jī)，實現(xiàn)了對澆模型冰激凌機(jī)生產(chǎn)線的監(jiān)視和控制。

1.1 工藝原理

澆模型冰激凌生產(chǎn)線中包括均質(zhì)設(shè)備、老化設(shè)備、凝凍設(shè)備、澆注設(shè)備及硬化設(shè)備等，冰激凌的制造過程可分為前、后兩個工序，在前一部分主要是配料、均質(zhì)、殺菌、冷卻與成熟。后一部分主要是冰凍凝結(jié)、成型和硬化。冰激凌生產(chǎn)設(shè)備按其后道成型工藝，可分為澆模型、擠壓成型和灌裝成型三大類。其中，澆模型類生產(chǎn)線能生產(chǎn)外形多樣的帶棒類產(chǎn)品，因此其在冰激凌生產(chǎn)設(shè)備中占有最大的市場份額。澆模型冰激凌生產(chǎn)工藝示意圖如圖1所示。

圖1 澆模型冰激凌生產(chǎn)工藝示意圖

澆模型冰激凌生產(chǎn)過程中，首先在觸摸屏上設(shè)定好配方比例后將牛奶、水、奶油、糖、親水明膠、乳化劑放入攪拌器中，選擇手動/自動模式后將按照設(shè)計流程制作冰激凌；然后均勻攪拌6min后放入老化機(jī)中，高溫殺毒采用HTST法，溫度控制在80～85℃，20s后啟動壓縮機(jī)制冷，冷卻至5℃保鮮約1h；最后，老化后的原料倒入冰激凌機(jī)中，溫度1～4℃，攪拌速度15～30r/min，15min后冷凍至設(shè)定的硬度出桶。

1.2 均質(zhì)設(shè)備

物料在水相鍋、油相鍋內(nèi)通過加熱、攪拌后，由真空泵吸入乳化鍋，共兩次均質(zhì)：第一次均質(zhì)壓力為 16.5～18.0MPa，溫度為67～70℃；第二次均質(zhì)壓力為22～25MPa，溫度為55～60℃，其溫度與控制制冷劑閥構(gòu)成PID控制，生產(chǎn)時均質(zhì)溫度和壓力控制不好易出現(xiàn)成品粗糙、有冰渣、沉淀分層現(xiàn)象[3]。

1.3 制冷系統(tǒng)

包括壓縮機(jī)、冷凝器、儲液罐、過濾器和蒸發(fā)器。壓縮機(jī)負(fù)責(zé)吸入、壓縮、輸送制冷劑；冷凝器起制冷作用，將蒸發(fā)器吸收的熱量和壓縮機(jī)熱量傳遞給冷卻介質(zhì)；節(jié)流裝置起控制、調(diào)節(jié)流入蒸發(fā)器中制冷劑液體的量；蒸發(fā)器是輸送冷量的設(shè)備，冰激凌的制作是在蒸發(fā)攪拌桶內(nèi)，經(jīng)冷凍攪拌完成。

工作原理是壓縮機(jī)吸入低溫低壓的R404a制冷劑后，壓縮成高溫高壓的氣體傳輸?shù)嚼淠?，將冷卻介質(zhì)水冷凝為高壓液體，經(jīng)儲液罐和過濾器節(jié)流裝置節(jié)流為低溫低壓的液體，最后在蒸發(fā)器中吸收冰激凌原料的熱量之后，汽化成低溫低壓的蒸汽，這樣制冷劑在系統(tǒng)中經(jīng)過壓縮、冷凝、節(jié)流和蒸發(fā)4個過程完成一個制冷循環(huán)(圖2)[4～6]。

圖2 制冷循環(huán)控制

2 監(jiān)控系統(tǒng)

控制系統(tǒng)以西門子S7200 CPU224為中心，包括計算機(jī)、觸摸屏TP270、溫度、壓力、流量傳感器和AI/AO模塊，主控系統(tǒng)如圖3所示。通過控制變頻器工/變頻達(dá)到控制理想的溫度和壓力，通過計算TIC101與TIC102的差值，控制膨脹閥開度，增加/減少制冷劑量對其進(jìn)行閉環(huán)PID控制，AI模塊采集溫度、壓力值，經(jīng)計算后輸出給電子膨脹閥、變頻器，用來控制冰激凌機(jī)的攪拌電機(jī)、壓縮機(jī)和風(fēng)扇；并通過PROFIBUS傳送到HMI和上位機(jī)實時顯示。其控制采用觸摸屏和計算機(jī)結(jié)合的兩種控制方式。

圖3 主控系統(tǒng)

當(dāng)過熱度偏大時，增大膨脹閥開度和制冷劑量，則過熱度減??；當(dāng)過熱度偏小時，減小膨脹閥開度和制冷劑量，則過熱度增大。此方法保證蒸發(fā)器高的利用率，使制冷循環(huán)穩(wěn)定運(yùn)行，減少結(jié)冰量，保護(hù)了攪拌器，從而減少了電機(jī)的負(fù)荷。

攪拌電機(jī)的高、低速轉(zhuǎn)速由變頻器控制。電機(jī)的功率是15kW，轉(zhuǎn)速為1 200r/min，采用均勻調(diào)速方法，以保證調(diào)速的角加速小從而抑制調(diào)速時引起的負(fù)載力矩的增加[7]。

2.1 控制的I/O分布

根據(jù)工藝和控制要求，PLC需要控制的主要設(shè)備有壓縮機(jī)、變頻器、風(fēng)扇、攪拌電機(jī)、電磁閥、電子膨脹閥和熱力膨脹閥，其I/O控制點分配見表1。

表1 I/O控制點分配

(續(xù)表1)

2.2 程序設(shè)計

冰激凌機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行程序包括開始程序模塊和運(yùn)行程序模塊兩部分。開始是準(zhǔn)備初始化過程，程序模塊分為高速、低速、變流量、清洗4個程序模塊。其中清洗模塊是公共模塊，冰激凌機(jī)的攪拌器和攪拌刀在使用前、后都需要運(yùn)行此模塊進(jìn)行清洗任務(wù)。清洗時事先在上位機(jī)上設(shè)定清洗時間T5，按清洗按鈕，狀態(tài)器M2.6啟動電機(jī)進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)，T5時間到，電機(jī)自動停，通過出料口排出廢水。多次進(jìn)行這個過程，直到攪拌桶被清洗干凈，則完成清洗工作。高速、低速、變流量是3種不同的制作冰激凌方法，制作時需要選擇其中一種。因制作過程是典型的順序控制，故采用如圖4所示的SCR順序控制圖方式進(jìn)行編程。

圖4 SCR順序控制

控制模式可以是手動方式和自動方式。自動方式包括連續(xù)、單周期、自動返回初始狀態(tài)工作方式。M3.3是連續(xù)和單周期的選擇開關(guān)，為OFF選擇的是單周期工作方式，按下啟動按鈕I1.2后，從初始步M0.0開始，開始模塊主要用來控制系統(tǒng)的啟動、停止和各寄存器的復(fù)位。選擇一個模塊，用戶先在上位機(jī)上設(shè)定好壓縮機(jī)運(yùn)行時間T1和出料時間T4，由M2.0狀態(tài)器啟動電機(jī)低速運(yùn)行，T0后，啟動壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)，T1時間，則壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)自動停止運(yùn)行，T2后停電機(jī)，將出料門打開進(jìn)行出料，T4后，出料結(jié)束電機(jī)自動停止。至此，完成整個冰激凌機(jī)的自動運(yùn)行過程。按順序功能圖規(guī)定完成一個周期的工作后，返回并停留在初始步。ON是連續(xù)工作方式，在初始狀態(tài)按下啟動按鈕后，從初始步開始一個周期接一個周期地反復(fù)連續(xù)工作直到按下停止鍵。按下停止按鈕，并不馬上停止工作，完成最后一個周期的工作后，系統(tǒng)才返回并停留在初始步。

出料程序模塊是冰激凌制成后，壓縮機(jī)、電機(jī)停止運(yùn)行。事先設(shè)定出料時間T4，打開出料口，按下上位機(jī)的出料按鈕后自動出料。T4后，電機(jī)停，出料過程結(jié)束。

2.3 監(jiān)控畫面設(shè)計

在研究和整理冰激凌生產(chǎn)線工藝要求的基礎(chǔ)上，對工藝流程進(jìn)行設(shè)計，利用監(jiān)控軟件WinCC完成9個畫面設(shè)計，分別是：用戶登錄畫面、生產(chǎn)線流程畫面、制冷控制畫面、順控畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、趨勢曲線畫面、報警畫面、報表畫面和監(jiān)控系統(tǒng)安全性畫面，實現(xiàn)冰激凌生產(chǎn)線工藝流程的動態(tài)監(jiān)控，如圖5、6所示。

圖5 冰激凌生產(chǎn)線工藝流程

圖6 趨勢曲線

順控畫面的作用是對冰激凌機(jī)進(jìn)行實時控制，設(shè)計有3個選擇紐，6個功能按鈕。單/自動選擇鈕、單周期/連續(xù)選擇鈕、啟動鈕、停止鈕、清洗鈕、高速/低速/變流量選擇鈕、出料鈕、停止出料鈕、急停鈕。

3 結(jié)束語

通過使用計算機(jī)和觸摸屏實現(xiàn)了功能框圖所設(shè)計的功能，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程手動/自動控制和一鍵開啟功能。提升了冰激凌機(jī)控制系統(tǒng)的自動化水平，利用變頻器調(diào)速實現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動，避免由于速度切換引起的供電電路系統(tǒng)跳閘、抖動的問題，減小了系統(tǒng)調(diào)速時對機(jī)械設(shè)備的沖擊，提高了系統(tǒng)的安全性、可靠性，降低了維護(hù)費用。通過控制過熱度的策略對制冷劑流量進(jìn)行PID智能控制方法，改善蒸發(fā)器對攪拌桶的熱傳遞方式，通過畫面適當(dāng)調(diào)整控制運(yùn)行參數(shù)，提高了熱傳遞效率和制冷效率，節(jié)約了能源，從而進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)價值。

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