基于PLC和MCGS低溫真空油炸設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張琳芳 黃智坤

摘 要： 為了提高低溫真空油炸控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，提出了基于PLC和MCGS組態(tài)軟件的低溫真空油炸控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案由永宏公司FBS系列PLC實(shí)現(xiàn)控制功能，由MCGS組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)演示、過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄、報(bào)警等功能。結(jié)果表明，該方案可操作性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐具有一定的積極意義和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 低溫真空油炸； 組態(tài)設(shè)計(jì)； PLC； MCGS

中圖分類號(hào)： TP 29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1671-2153（2015）06-0090-05

0 引 言

油炸食品加工法是我國食品加工的重要方法之一，然而基于這種傳統(tǒng)方法的油炸食品卻面臨著“營養(yǎng)損失”、“油炸食品含油量高”、“聚合產(chǎn)生致癌物”等種種問題的困擾[1]，已滿足不了公眾對(duì)其食用安全性的要求，于是低溫真空油炸技術(shù)受到了高度的重視。為了解決人工加工操作難度大、含油率和含水率高、控制復(fù)雜、效率低等問題，提高真空油炸設(shè)備的自動(dòng)化程度，加大機(jī)電一體化的開發(fā)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)管控一體化是低溫真空油炸加工的必然選擇。

本研究提出了基于永宏公司FBS系列的可編程控制器（PLC）和MCGS組態(tài)軟件的低溫真空油炸控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，劃分為入料、油炸、脫油、出料四大模塊，將各部分傳感器采集到的加工狀態(tài)指數(shù)送入PLC中，由PLC將其與設(shè)定值進(jìn)行比較，再發(fā)出相應(yīng)的指令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備來控制油炸設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能控制。另外，使用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)監(jiān)控的任務(wù)。

1 控制系統(tǒng)功能要求

本文以紫薯干為低溫真空油炸加工對(duì)象。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求，紫薯干的一般工藝流程為：原料→篩選→清洗→調(diào)整→預(yù)處理→真空油炸→真空脫油→包裝→成品[2]。其中真空油炸和真空脫油是整個(gè)流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是本文的研究對(duì)象。根據(jù)紫薯干的加工指標(biāo)，設(shè)備的控制方式分為自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。

在手動(dòng)模式下：在組態(tài)界面上點(diǎn)擊操作狀態(tài)按鈕切換到手動(dòng)操作狀態(tài)（在此狀態(tài)下按下任一執(zhí)行器點(diǎn)動(dòng)按鈕（特別針對(duì)系統(tǒng)故障、設(shè)備調(diào)整）控制相對(duì)應(yīng)電磁閥、電機(jī)）。

在自動(dòng)模式下：在組態(tài)界面上點(diǎn)擊操作狀態(tài)按鈕切換到自動(dòng)操作狀態(tài)。（按下啟動(dòng)點(diǎn)動(dòng)按鈕，旋蓋電機(jī)啟動(dòng)，真空泵開，冷卻塔開，冷水泵開，抽油閥開，低位真空破壞閥開，油鍋到規(guī)定液位，抽油閥關(guān)，低位真空破壞閥關(guān)，低位真空閥開，蒸汽加熱閥開，剎車開，慢速脫油開；溫度與真空信號(hào)到設(shè)定值，恒溫加熱定時(shí)，放油閥開，慢速脫油關(guān)，剎車關(guān)；油鍋下液位信號(hào)，放油中液位延時(shí)，剎車開，快速脫油開且定時(shí)，剎車關(guān)，快速脫油關(guān)，真空破壞閥開，低位真空閥關(guān)，真空泵關(guān)，水泵關(guān)，冷卻塔關(guān)；旋蓋電機(jī)啟動(dòng)，真空油炸結(jié)束）。

控制過程中如有意外情況，按下急停按鈕便立即停止一切工作，調(diào)試后，打開急停按鈕按動(dòng)啟動(dòng)按鈕工作將會(huì)繼續(xù)進(jìn)行。

2 總體設(shè)計(jì)方案

基于永宏P(guān)LC的真空油炸控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)以永宏P(guān)LC FBs—60MA為控制核心，配備了投料口蓋的旋轉(zhuǎn)編碼器、油鍋液位的液位傳感器、油溫的RTD溫感器、蒸汽開關(guān)的電動(dòng)閥、抽真空電磁閥等設(shè)備。通過各部位的傳感器反饋到PLC，PLC程序根據(jù)傳感器反饋的信號(hào)經(jīng)CPU運(yùn)算判斷系統(tǒng)運(yùn)行到哪個(gè)階段，再根據(jù)各個(gè)階段的加工工藝執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的熱行機(jī)構(gòu)，最終完成整個(gè)工藝流程。PLC采用Modbus通訊協(xié)議與變頻器通訊控制實(shí)現(xiàn)脫油電機(jī)的定速控制，PLC采用永宏通訊協(xié)議與上位機(jī)MCGS組態(tài)軟件通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、報(bào)警顯示、歷史數(shù)據(jù)記錄等功能，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)“集中控制，分散管理”。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，低溫真空油炸設(shè)備控制電路主電路如圖2所示。圖2中，脫油電機(jī)采用變頻器施動(dòng)，帶動(dòng)載物籃慢速旋轉(zhuǎn)油炸和快速旋轉(zhuǎn)脫油。旋蓋電機(jī)由旋轉(zhuǎn)編碼器控制開啟角度，由電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止來完成油鍋蓋的開啟與閉合。真空泵、冷卻水泵、冷卻塔為開關(guān)設(shè)備。變頻器選用蘇州吉泰科GK600—4T11G?？偪臻_QF為設(shè)備總電源開關(guān)，控制整個(gè)系統(tǒng)電源。KM1～KM5交流接觸器控制相對(duì)應(yīng)的電機(jī)啟停。各路空開QF0～QF4，對(duì)各分支電路進(jìn)行嚴(yán)重過載保護(hù)或短路保護(hù)。熱繼電器FR1～FR5分別對(duì)電動(dòng)機(jī)過載、堵轉(zhuǎn)時(shí)，可有效可靠地保護(hù)電動(dòng)。

3.2 PLC 硬件電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是永宏FATEK FBs系列PLC。主機(jī)型號(hào)為FBs-60MA，擴(kuò)展I＼O模塊為FBS-8YR，擴(kuò)展溫度模塊為FBS-6RTD。永宏FATEK FBs 系列PLC有MA（經(jīng)濟(jì)型）、MC（高功能型）及MN（高速 NC 型）等三大類，點(diǎn)數(shù)由10～60點(diǎn)共計(jì)17種類型，擴(kuò)展機(jī)/模塊則DI/DO有14種機(jī)型，NI/NO有12種機(jī)型，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能豐富、擴(kuò)展性強(qiáng)、性價(jià)比高、可靠性好等特點(diǎn)，適用于多種場合多種行業(yè)的檢測、監(jiān)控及自動(dòng)化控制。PLC配備熱電偶、熱電阻和負(fù)溫度系數(shù)的溫度拓展模塊，模塊的精度為0.1℃，總和精度為±1%；還具有強(qiáng)大的通訊功能，最高通訊速率可達(dá)921.6 kHz，支持Modbus和自用通訊協(xié)議等常用的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，任意配置常用的RS-232和RS-485通訊拓展口。根據(jù)控制要求，PLC控制程序I/O端口主要信息如表1和表2所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 PLC程序設(shè)計(jì)

4.1.1 主程序結(jié)構(gòu)

主程序由：①輸入點(diǎn)、②啟動(dòng)階段、③關(guān)蓋階段、④抽油階段、⑤加熱階段、⑥恒溫階段、⑦放油出鍋階段、⑧輸出點(diǎn)這8個(gè)部分組成，在整個(gè)程序中各個(gè)階段各自獨(dú)立以環(huán)環(huán)相扣互相配合。下面對(duì)部分關(guān)鍵環(huán)節(jié)的程序設(shè)計(jì)做具體介紹，如程序段I～程序段IV。

4.1.2 關(guān)蓋階段

頂蓋的旋轉(zhuǎn)采用三相異步電機(jī)來施動(dòng)，位置信號(hào)通訊光電編碼器來反饋給PLC，編碼器安裝在頂蓋的旋轉(zhuǎn)軸上。編碼器型號(hào)為1000線，即編碼器轉(zhuǎn)一圈反饋1000個(gè)脈沖。1000除以360度得到頂蓋每旋轉(zhuǎn)1度，編碼器反饋2.78個(gè)脈沖。配合永宏P(guān)LC高速計(jì)數(shù)指令來控制關(guān)蓋與開蓋如圖3中的程序段I所示。當(dāng)頂蓋關(guān)閉到位，開啟抽油階段。

4.1.3 加熱階段

PLC MODBUS 通訊程序如圖6和圖7所示。變頻器寄存器地址是從0開始，PLC程序設(shè)定地址是從1開始，所以PLC程序設(shè)定地址需加1。設(shè)定頻率地址為25092，讀取當(dāng)前運(yùn)行頻率為25346。

4.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用MCGS組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，與永宏FBs-PLC port0口聯(lián)結(jié)，根據(jù)永宏通訊協(xié)議聯(lián)機(jī)通訊。

基于MCGS組態(tài)軟件的監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)測、操作和報(bào)警三部分組成。監(jiān)測部分包括利用圖元庫構(gòu)建的監(jiān)測動(dòng)畫界面，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理，監(jiān)控油炸鍋運(yùn)行狀態(tài)。操作部分包括加工參數(shù)的設(shè)定，手動(dòng)/自動(dòng)模式選擇，手動(dòng)模式下各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟/停。報(bào)警部分包括實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)的記錄和處理，比對(duì)各參數(shù)限定值，自動(dòng)顯示報(bào)警信息[4]。MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

5 結(jié) 論

本文運(yùn)用永宏FBS系列PLC和MCGS組態(tài)軟件，完成了低溫真空油炸控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本控制系統(tǒng)有手動(dòng)、自動(dòng)兩種工作模式，手動(dòng)模式應(yīng)用于故障處理，自動(dòng)模式應(yīng)用于正常運(yùn)行狀態(tài)。利用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)低溫真空油炸系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和可視化處理。該系統(tǒng)已在多家食品加工廠投入使用，運(yùn)行情況表明，該系統(tǒng)具有操作簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，大大減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，也提高了產(chǎn)品的加工質(zhì)量，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鈕福祥，王紅杰，徐飛，等. 果蔬真空油炸脫水技術(shù)研究及果蔬脆片產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況[J]. 中國食物與營養(yǎng)，2012，18（2）：24-29.

[2] 謝育金. 真空低溫油炸技術(shù)及在果蔬加工保存上的應(yīng)用研究[D]. 廣東：汕頭大學(xué)，2012.

[3] 王云剛，陳文燕. 基于MCGS和PLC的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 測控技術(shù)，2014（1）：90-94.

[4] 嚴(yán)盈富. 監(jiān)控組態(tài)軟件與PLC入門[M]. 北京：人民郵電出版社，2006.

Abstract： In order to improve the automation of low-temperature vacuum frying control system， this paper presents a design scheme of the low-temperature vacuum frying equipment control system based on PLC and MCGS. The scheme consists of Yonghong FBS series PLC control functions， and implements dynamic presentation， process monitoring， data logging and alarm by MCGS. Experiments and applications show that the scheme can operate， high degree of automation， with some positive significance and promotional value of production practices.

Key words： low-temperature vacuum frying； configuration design； PLC； MCGS

（責(zé)任編輯：徐興華）