食品生產(chǎn)線的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張磊，張春波，陳紅

（1.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東深圳518055；2.奧博自動(dòng)化技術(shù)有限責(zé)任公司，廣東深圳518000）

1 引言

隨著現(xiàn)代人們生活水平的提高，對(duì)各種各樣食品的需求也越來(lái)越大。食品生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)市場(chǎng)實(shí)時(shí)訂單需求，需要及時(shí)調(diào)整、合理安排企業(yè)所有食品生產(chǎn)線的生產(chǎn)食品種類(lèi)，及時(shí)改變生產(chǎn)線的食品配方及加工工藝參數(shù)，使其適應(yīng)下一個(gè)訂單食品的生產(chǎn)要求。傳統(tǒng)食品生產(chǎn)線［1］，生產(chǎn)如餅干等類(lèi)食品，從食品生產(chǎn)線前段工藝——成型，做出各式各樣的面皮形狀，到進(jìn)入后段工藝——烘爐進(jìn)行烘烤處理，需控制不同的烘烤溫度及烘烤時(shí)間；當(dāng)在同一條生產(chǎn)線上調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)時(shí)，操作人員需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間用手動(dòng)調(diào)整機(jī)械及電氣的相關(guān)參數(shù)，極不方便。國(guó)外類(lèi)似的食品生產(chǎn)線自動(dòng)化程度極高，而國(guó)內(nèi)對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)線很多采用人工或半自動(dòng)控制，生產(chǎn)效率較低，特別是在需要調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)時(shí)，常常需花費(fèi)較多時(shí)間，影響了產(chǎn)品的及時(shí)快捷交付。如何在生產(chǎn)線更換生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)，讓操作人員只需簡(jiǎn)單進(jìn)行有關(guān)操作，便可迅捷完成對(duì)整條生產(chǎn)線的參數(shù)調(diào)整，我們以千層酥生產(chǎn)線為例引入了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，操作人員如需變換生產(chǎn)工藝，只需在上位計(jì)算機(jī)點(diǎn)擊相關(guān)操作菜單即可方便實(shí)現(xiàn)。

2 食品生產(chǎn)線的工藝過(guò)程

為了節(jié)省設(shè)備投資，通常一條食品生產(chǎn)線都能生產(chǎn)很多種類(lèi)、不同形狀的食品，只需要改變機(jī)械及電氣的相關(guān)參數(shù)。我們通常將一條食品生產(chǎn)線劃分為兩大部分：前段成型部分和后段烘烤輸送部分［2］。以千層酥生產(chǎn)為例，其工藝過(guò)程如圖1所示。

圖1 千層酥生產(chǎn)工藝過(guò)程Fig.1 The production process of the puff pastry

將攪拌和好的面團(tuán)放入進(jìn)料口，首先由疊酥機(jī)1 進(jìn)行先軋制后疊酥，再由軋面機(jī)1，2 軋制，再由疊酥機(jī)2 疊酥，軋面機(jī)3，4 再軋面，疊酥機(jī)3再疊酥，軋面機(jī)5，6，7 再軋面，然后由成型切割機(jī)將層疊軋制好的大塊面皮進(jìn)行切割，經(jīng)過(guò)過(guò)渡機(jī)，到分離機(jī)將一塊塊疊軋切割好的面皮左右前后等距分開(kāi)，再經(jīng)過(guò)噴糖機(jī)噴糖，或撒鹽，調(diào)制各種口味，至此，生產(chǎn)線前段成型部分工藝完成。

按一定間距排列的疊軋面皮接著進(jìn)入下一個(gè)主要工藝——烘烤，千層酥的烘烤爐全長(zhǎng)50 m，分為4 段烘烤溫區(qū)，分別完成千層酥的脹發(fā)―定型―脫水成熟―上色，每個(gè)溫區(qū)又分為上下兩部分，所以共有8 個(gè)溫度區(qū)域的溫度需要控制調(diào)節(jié)。面皮通過(guò)鋼帶輸送進(jìn)烘烤爐，同一個(gè)溫區(qū)，一般上面溫度略低于下面溫度，這是由于上面的加熱棒直接烘烤面皮上、側(cè)面，而下面的加熱棒隔著輸送鋼帶烘烤面皮底部。在面皮剛進(jìn)入一溫區(qū)時(shí)，面皮中含有大量水分，故一溫區(qū)設(shè)定的上下溫度略高于其它溫區(qū)；越到后面，面皮中的水分越少，最后出爐后的成品千層酥色澤金黃，香脆可口；最后經(jīng)過(guò)網(wǎng)帶機(jī)，進(jìn)入整理包裝環(huán)節(jié)。

3 食品生產(chǎn)線的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其功能

將計(jì)算機(jī)、可編程控制器等智能化和可編程的設(shè)備用于傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化及網(wǎng)絡(luò)化［3］，這是現(xiàn)代工業(yè)的模式。針對(duì)食品工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，我國(guó)食品工業(yè)生產(chǎn)必須走生產(chǎn)過(guò)程全自動(dòng)化的發(fā)展道路。根據(jù)千層酥、餅干等食品的生產(chǎn)線工藝過(guò)程，我們采用了西門(mén)子公司的工業(yè)控制軟件和硬件，實(shí)現(xiàn)千層酥生產(chǎn)線的計(jì)算機(jī)控制全自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程。下面分別從千層酥生產(chǎn)線系統(tǒng)的硬件和軟件兩大部分進(jìn)行介紹。

3.1 生產(chǎn)線系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于千層酥的整條生產(chǎn)線有近百m 長(zhǎng)，綜合考慮，我們采用西門(mén)子工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)構(gòu)建整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)［4］，網(wǎng)絡(luò)分3 層：工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS-DP 網(wǎng) 和RS-485 網(wǎng)（USS 通 訊 協(xié)議）。下面分別描述其組成及功能。

3.1.1 頂層網(wǎng)絡(luò)——工業(yè)以太網(wǎng)

生產(chǎn)車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)放置2 臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，一臺(tái)做操作員站，另一臺(tái)做工程師站，其主要功用是現(xiàn)場(chǎng)操作員實(shí)時(shí)監(jiān)控管理現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及生產(chǎn)線、生產(chǎn)線的參數(shù)調(diào)整、生產(chǎn)配方的管理等；在生產(chǎn)管理廠長(zhǎng)辦公室放置一臺(tái)計(jì)算機(jī)，其主要是生產(chǎn)管理人員隨時(shí)可以查詢(xún)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線的生產(chǎn)工況及產(chǎn)品入庫(kù)情況，為市場(chǎng)銷(xiāo)售做好準(zhǔn)備。3 臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)西門(mén)子工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如圖2所示。

圖2 工業(yè)以太網(wǎng)Fig.2 Industrial Ethernet

由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)離辦公區(qū)域較遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)2 臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)光纖連接模塊與廠級(jí)管理計(jì)算機(jī)連接，以TCP/IP以太網(wǎng)通訊方式交換數(shù)據(jù)。

3.1.2 中層網(wǎng)絡(luò)——PROFIBUS DP網(wǎng)

該網(wǎng)絡(luò)是西門(mén)子公司市場(chǎng)占有率最大、現(xiàn)場(chǎng)總線最具代表性的通訊網(wǎng)絡(luò)，其具有以下特點(diǎn)：

1）傳輸速率快，最高可到12 Mbit/s；

2）通訊接線簡(jiǎn)單，可以采用光纖或屏蔽雙絞線，本案采用屏蔽雙絞線；

3）通訊距離遠(yuǎn)，單線最長(zhǎng)可達(dá)到1 000 m；通過(guò)增加RS485中繼器可增加通訊距離。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)的情況和系統(tǒng)控制的要求，我們采用2 套S7-300 可編程控制器，采用315-2DP CPU，每臺(tái)可編程控制器配有其它相關(guān)模塊；其中一臺(tái)S7-300 PLC 控制前段生產(chǎn)工藝及烘爐部分，另一臺(tái)控制后段食品分離及包裝入庫(kù)等。整個(gè)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 PROFIBUS-DP網(wǎng)Fig.3 PROFIBUS-DP network

在現(xiàn)場(chǎng)操作員站計(jì)算機(jī)上安裝有1 塊CP5611 PROFIBUS 通訊卡，S7-300 CPU 上有2個(gè)可定義通訊口，將其中1 個(gè)定義成PROFIBUS口，使用總線連接器就可以方便的將上位計(jì)算機(jī)和S7-300 PLC 用屏蔽雙絞線連接起來(lái)。2 臺(tái)S7-300 PLC 均為主站，其中PLC1 控制生產(chǎn)線后段食品分離及包裝入庫(kù)等；PLC2 的本機(jī)模塊主要檢測(cè)控制50 m長(zhǎng)的烘烤爐，包括8個(gè)溫區(qū)的溫度檢測(cè)、4 個(gè)排氣閥的開(kāi)度檢測(cè)及控制以及8 個(gè)溫區(qū)的電加熱系統(tǒng)的閉環(huán)控制，除此以外，PLC2還負(fù)責(zé)將S7-200 從站的數(shù)據(jù)和上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，交換的數(shù)據(jù)主要包括軋面機(jī)或疊酥機(jī)的工藝工作參數(shù)（例如軋面機(jī)的面皮軋制厚度，疊酥機(jī)的面皮堆疊層數(shù)以及它們的運(yùn)行速度等），6 套S7-200 PLC 通過(guò)EM277 通訊模塊掛上PROFIBUS網(wǎng)，均作為PLC2的從站。

3.1.3 底層網(wǎng)絡(luò)——RS-485網(wǎng)

前段加工工藝包括3 臺(tái)疊酥機(jī)、7 臺(tái)軋面機(jī)、1 臺(tái)成型切割機(jī)等15 個(gè)連續(xù)工作段位，我們采用6 套西門(mén)子S7-200 PLC 進(jìn)行工藝控制。每套PLC配有TD200人機(jī)交互屏，TD200本身帶有觸摸按鍵，可以進(jìn)行相應(yīng)工藝段位的面皮軋制厚度、軋制速度、堆疊次數(shù)等工藝參數(shù)的設(shè)置和更改，主要用于該工藝段系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，方便設(shè)備調(diào)試人員使用。系統(tǒng)對(duì)應(yīng)通訊網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

每套S7-200 PLC依托EM277 PROFIBUS通訊模塊與上位控制S7-300 PLC 交換數(shù)據(jù)，接收控制命令和相關(guān)控制參數(shù)，返回現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作狀態(tài)和實(shí)際參數(shù)情況；同時(shí)，PLC 通過(guò)2 個(gè)通訊口分別與TD200 人機(jī)交互設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)變頻器通訊，實(shí)現(xiàn)參數(shù)顯示修改和速度的控制等，在此，S7-200 PLC 與變頻器的通訊采用西門(mén)子USS 通訊協(xié)議，該協(xié)議有自己的專(zhuān)門(mén)控制指令，使用非常方便。

圖4 RS-485網(wǎng)Fig.4 RS-485 network

當(dāng)有新產(chǎn)品需要試驗(yàn)其生產(chǎn)工藝參數(shù)時(shí)，整個(gè)生產(chǎn)線分段調(diào)整面皮軋制厚度、軋制速度、堆疊次數(shù)等工藝參數(shù)。我們?cè)诿總€(gè)工藝段現(xiàn)場(chǎng)都配備了1 套TD200 人機(jī)交互屏，通過(guò)它可方便實(shí)現(xiàn)本段工藝參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)修改，該段調(diào)試好的參數(shù)先保存在本地S7-200 PLC 中，如此進(jìn)行下去，直到所有工藝段參數(shù)調(diào)試完畢；再通過(guò)上位機(jī)的配方設(shè)置監(jiān)控畫(huà)面，將針對(duì)本次新產(chǎn)品的所有生產(chǎn)工藝參數(shù)一次性地讀取到上位計(jì)算機(jī)，并作為該產(chǎn)品的生產(chǎn)配方保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。每個(gè)產(chǎn)品都有自己的工藝配方，當(dāng)該生產(chǎn)線需要變換產(chǎn)品類(lèi)型時(shí)，具有授權(quán)的操作員只是通過(guò)上位計(jì)算機(jī)配方設(shè)置畫(huà)面從配方數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取相應(yīng)配方，下載到各個(gè)工藝段的PLC中即可。傳統(tǒng)生產(chǎn)線在進(jìn)行軋制速度、堆疊次數(shù)等工藝參數(shù)調(diào)整時(shí)，需要更換部分機(jī)械部件，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，浪費(fèi)材料，而本系統(tǒng)軋制速度采用變頻調(diào)速，無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍很寬，調(diào)速過(guò)程平穩(wěn)；通過(guò)PLC，可方便實(shí)現(xiàn)堆疊次數(shù)的參數(shù)改變。

3.1.4 軋制厚度閉環(huán)控制系統(tǒng)

利用PLC 本機(jī)配置的高速輸出口對(duì)步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)面皮的軋制厚度，并利用光柵尺進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，閉環(huán)調(diào)整。

采用S7-200 CPU 本機(jī)帶的高速輸入口對(duì)光柵尺的脈沖輸出信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。S7-200 PLC中規(guī)定了6 個(gè)高速計(jì)數(shù)器編號(hào)，在程序中使用時(shí)用HC n 來(lái)表示，n 表示計(jì)數(shù)器號(hào)，取值范圍0～5；HCn 還是高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值，它是一個(gè)只讀的32 位雙字，不同的S7-200 PLC 使用的計(jì)數(shù)器是不同的，我們使用的CPU226，6 個(gè)計(jì)數(shù)器都可使用。

計(jì)數(shù)器的運(yùn)行模式有4 類(lèi)，針對(duì)光柵尺的輸出信號(hào)，我們采用A/B 相正交計(jì)數(shù)模式，該計(jì)數(shù)模式要求2 個(gè)正交輸入端A 端和B 端，占用CPU226本機(jī)的I0.0和I0.1 2個(gè)輸入端，分別輸入光柵尺的A 相和B 相信號(hào)，如圖5 所示，當(dāng)A 相脈沖超前B 相脈沖90°，計(jì)數(shù)器加計(jì)數(shù)，反之減計(jì)數(shù)（注意：對(duì)于不同型號(hào)的光柵尺，使用者要了解PLC 高速輸入端與光柵尺輸出信號(hào)的電平和電路匹配，以S7-200 為例，如果光柵尺輸出A，B 相信號(hào)是直流5 V 電平，則還需一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，將高電平提高到直流24 V）。在計(jì)數(shù)器正式計(jì)數(shù)前，還需對(duì)計(jì)數(shù)器控制字的相關(guān)位進(jìn)行初始化設(shè)置，不同的計(jì)數(shù)器，有不同的控制字位。我們使用HC0 計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)正交計(jì)數(shù)，將SM37.0置0（高電平復(fù)位有效），SM37.2 置1（不倍頻），SM37.7置1（允許）。

圖5 光柵尺的高速計(jì)數(shù)Fig.5 High speed counting for grating ruler

高速計(jì)數(shù)器的初始值和預(yù)置值均為32 位帶符號(hào)整數(shù)，每個(gè)計(jì)數(shù)器都有自己的專(zhuān)用寄存器地址，如HC0 的初始當(dāng)前值和預(yù)置值分別存放到SMD38 和SMD42 中。使用時(shí)，必須先將SMD38和SMD42賦值，再執(zhí)行HSC指令，就能將新值送入到高速計(jì)數(shù)器中。

高速計(jì)數(shù)器的程序編制，西門(mén)子提供了快速簡(jiǎn)單的編程向?qū)?，在軟件中打開(kāi)快速向?qū)Вp擊高速計(jì)數(shù)器，就進(jìn)入了高速計(jì)數(shù)器的設(shè)置及初始化的工作，完成向?qū)гO(shè)置后，編程軟件自動(dòng)生成一個(gè)HSC_INIT 的子程序，以HC0 高速計(jì)數(shù)器為例，A/B正交2路信號(hào)輸入，1倍頻，計(jì)數(shù)初值和預(yù)置值均為0，通過(guò)高速計(jì)數(shù)向?qū)瓿稍O(shè)置后，編程軟件自動(dòng)生成的子程序如圖6所示。

在主程序中上電時(shí)調(diào)用1 次該子程序，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)該高速計(jì)數(shù)器的定義及設(shè)置。

圖6 高速計(jì)數(shù)子程序Fig.6 The subroutine for high speed counting

面皮軋制厚度控制由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。S7-200 PLC CPU 本機(jī)提供2 路PTO/PWM高速輸出口Q0.0 和Q0.1，同高速計(jì)數(shù)端一樣，高速輸出口也需要特殊寄存器對(duì)它進(jìn)行定義，Q0.0對(duì)應(yīng)的控制字節(jié)為SMB67，Q0.1對(duì)應(yīng)的控制字節(jié)為SMB77，根據(jù)使用情況，將相應(yīng)控制位置位，本應(yīng)用SM67.6 置0（PTO 模式），SM67.7 置1，其它采用默認(rèn)值。本應(yīng)用將控制字節(jié)16#80 寫(xiě)入SMB67，程序運(yùn)行中，啟動(dòng)PTO 脈沖輸出命令即可。系統(tǒng)接線如圖7所示。

圖7 步進(jìn)控制系統(tǒng)Fig.7 Stepping control system

當(dāng)步進(jìn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)位置時(shí)，先打開(kāi)抱閘控制；當(dāng)位置調(diào)節(jié)完成時(shí)，控制機(jī)械抱閘，防止位置跑偏。PLC 高速輸出口Q0.0 連接步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊的脈沖輸入端PLS，控制步進(jìn)電機(jī)速度及位置；另一輸出端（例Q0.2）連接驅(qū)動(dòng)模塊的方向選擇端，控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。在實(shí)際使用中，需注意PLC與不同品牌型號(hào)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊的正確接線（有的需加1 kΩ限流電阻）。

PTO 脈沖串控制編程，同上面高速計(jì)數(shù)一樣，利用編程軟件中的快速向?qū)瓿桑⒁庠谙驅(qū)гO(shè)置過(guò)程中，選擇單速連續(xù)運(yùn)行，并設(shè)置好啟動(dòng)/停止速度、最大速度、單速連續(xù)運(yùn)行速度，以及加減速時(shí)間，并勾選“編一個(gè)子程序?yàn)橛糜跒榇税j(luò)啟動(dòng)STOP 操作”，設(shè)置好減速脈沖數(shù)n1（該脈沖數(shù)為PLC 控制步進(jìn)電機(jī)減速過(guò)程的輸出總脈沖數(shù)），完成向?qū)渲?，此時(shí)軟件自動(dòng)生成4 個(gè)子程序，我們將用到其中的2 個(gè)子程序PTO0_CTRL和PTO0_ADV。

位置控制編程：機(jī)械上設(shè)置一個(gè)原點(diǎn)限位開(kāi)關(guān)，PLC 首次上電運(yùn)行時(shí)，在本地TD200 操作屏上執(zhí)行1次初始回原點(diǎn)操作，定位機(jī)械零位，初始位脈沖數(shù)為0，設(shè)定位置脈沖數(shù)為0；當(dāng)通過(guò)TD200操作屏或上位機(jī)改變?cè)O(shè)定位置時(shí)，通過(guò)位移換算，將設(shè)定位移（最小單位mm）變換成位移脈沖數(shù)據(jù)n0，變換比例是以高速計(jì)數(shù)口計(jì)數(shù)1 個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的厚度實(shí)際位移，同理將PLC控制步進(jìn)電機(jī)減速過(guò)程輸出的總脈沖數(shù)n1也要做同樣處理（變換比例是以PLC輸出一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖所對(duì)應(yīng)的厚度實(shí)際位移，再變換成對(duì)應(yīng)高速計(jì)數(shù)口的脈沖數(shù)）記為n11；將該當(dāng)前設(shè)定位移脈沖n0與當(dāng)前實(shí)際反饋位移脈沖n2比較，當(dāng)設(shè)定值大于反饋值時(shí)，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正向運(yùn)行；反之步進(jìn)電機(jī)反向運(yùn)行，均在主程序中調(diào)用PTO0_CTRL子程序。當(dāng)通過(guò)高速計(jì)數(shù)端口反饋實(shí)際位移到達(dá)減速點(diǎn)時(shí)（正向運(yùn)行減速點(diǎn)高速計(jì)數(shù)反饋位置為n0-n11，反向運(yùn)行減速點(diǎn)高速計(jì)數(shù)反饋位置為n0+n11），在主程序中調(diào)用PTO0_ADV 子程序，減速停機(jī)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)則機(jī)械抱閘立即動(dòng)作。

通過(guò)對(duì)光柵尺的高速脈沖的位移測(cè)量，以及利用S7-200可編程控制器CPU本機(jī)的高速計(jì)數(shù)和高速輸出口，構(gòu)成了一個(gè)廉價(jià)的閉環(huán)位移控制系統(tǒng)。

3.2 生產(chǎn)線系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)包括兩部分：上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)和多臺(tái)PLC（包括S7-300 PLC和S7-200 PLC）控制、通訊軟件開(kāi)發(fā)，下面分別敘述其主要技術(shù)特點(diǎn)。

3.2.1 上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

我們采用西門(mén)子公司W(wǎng)INCC組態(tài)軟件作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該軟件具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)功能，基于VB 或VC 的程序腳本編寫(xiě)開(kāi)發(fā)，圖形化的監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)，并提供豐富的圖庫(kù)供使用者選用。

上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控畫(huà)面包括：主畫(huà)面、配方設(shè)置、生產(chǎn)線監(jiān)控畫(huà)面、生產(chǎn)報(bào)表、故障記錄、參數(shù)調(diào)試、操作說(shuō)明、溫度棒圖以及溫升曲線等。下面對(duì)幾個(gè)重要的監(jiān)控畫(huà)面做一描述。

1）配方設(shè)置。在本文中的配方，不是指面團(tuán)的構(gòu)成成分和比例，而是指生產(chǎn)工藝過(guò)程中所涉及到的工藝參數(shù)。千層酥食品生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)要考慮它的通用性和效率，傳統(tǒng)的食品生產(chǎn)線當(dāng)需要更換生產(chǎn)其它種類(lèi)食品時(shí)，要對(duì)整條生產(chǎn)線相應(yīng)的工藝參數(shù)由人手動(dòng)調(diào)整，費(fèi)時(shí)很長(zhǎng)，有時(shí)影響產(chǎn)品的及時(shí)交貨，關(guān)鍵是調(diào)試工人的工作量較大；而采用計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化食品生產(chǎn)線，由于所有工藝參數(shù)都是自動(dòng)設(shè)置、自動(dòng)調(diào)整，我們只需把新的工藝參數(shù)由計(jì)算機(jī)發(fā)送到底層PLC即可，由底層PLC 自動(dòng)完成對(duì)相關(guān)設(shè)備的調(diào)整，整個(gè)過(guò)程在極短時(shí)間內(nèi)完成，不需要人工干預(yù)，極大地提高了效率，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。該千層酥生產(chǎn)線配方設(shè)置主要涉及到的生產(chǎn)工藝參數(shù)有：疊酥機(jī)1 的2 個(gè)厚度設(shè)置，4 個(gè)速度設(shè)置（對(duì)應(yīng)4臺(tái)變頻器），軋面機(jī)1的2個(gè)厚度設(shè)置、1 個(gè)速度設(shè)置，軋面機(jī)2 的1 個(gè)厚度設(shè)置、1 個(gè)速度設(shè)置，疊酥機(jī)2 的2 個(gè)速度設(shè)置，軋面機(jī)3 的1個(gè)厚度設(shè)置、1個(gè)速度設(shè)置，軋面機(jī)4的1個(gè)厚度設(shè)置、1個(gè)速度設(shè)置，疊酥機(jī)3的2個(gè)速度設(shè)置，軋面機(jī)5，6，7 的各1 個(gè)厚度設(shè)置、1 個(gè)速度設(shè)置，成型切割機(jī)、過(guò)渡機(jī)、分離機(jī)、噴糖機(jī)、入爐座機(jī)、網(wǎng)帶機(jī)的速度設(shè)置（各對(duì)應(yīng)1 臺(tái)變頻器），以及烘爐的8個(gè)設(shè)定溫度和4個(gè)煙囪開(kāi)度值等。不同的產(chǎn)品對(duì)應(yīng)不同的配方，配方存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，可任意增減或修改，操作方便。生產(chǎn)不同產(chǎn)品時(shí)，只需將數(shù)據(jù)庫(kù)中的配方調(diào)出，通過(guò)下載按鈕，下載到S7-300 PLC 中即可，生產(chǎn)線自動(dòng)調(diào)整配置新的工藝參數(shù)。同樣，當(dāng)調(diào)試一種新產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝時(shí)，一旦參數(shù)調(diào)整合適，只需在上位計(jì)算機(jī)配方設(shè)置畫(huà)面點(diǎn)擊上載參數(shù)按鈕，底層S7-200 PLC中的工藝參數(shù)就被讀取到上位計(jì)算機(jī)中，并可存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。如圖8所示。

圖8 配方設(shè)置畫(huà)面Fig.8 The screen for recipe set

2）生產(chǎn)線監(jiān)控畫(huà)面。同其它的自動(dòng)化系統(tǒng)一樣，在上位計(jì)算機(jī)的監(jiān)控畫(huà)面中，設(shè)計(jì)有實(shí)際生產(chǎn)線工況的模擬畫(huà)面。利用WINCC的工業(yè)圖庫(kù)或自己繪制，將整個(gè)千層酥食品生產(chǎn)線的實(shí)際工況按生產(chǎn)的工藝過(guò)程在計(jì)算機(jī)上模擬顯示出來(lái)；所有設(shè)備的工作狀態(tài)（運(yùn)行、停止、故障），現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)等信息在監(jiān)控畫(huà)面上實(shí)時(shí)更新顯示，方便操作人員監(jiān)控管理。

3）溫度棒圖以及溫升曲線。烘爐是該生產(chǎn)線的主要設(shè)備之一，有8 個(gè)溫區(qū)的溫度檢測(cè)控制和4個(gè)煙囪的開(kāi)度檢測(cè)控制，共形成12個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過(guò)該畫(huà)面，可以監(jiān)視查詢(xún)?nèi)舾蓵r(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)烘爐8 個(gè)溫區(qū)的溫度控制變化情況，對(duì)應(yīng)的可以跟蹤它對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，對(duì)于工廠控制改進(jìn)生產(chǎn)工藝參數(shù)提供了便利。

4）生產(chǎn)報(bào)表。由于計(jì)算機(jī)及上位軟件的使用，在生產(chǎn)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表上，將以前人工做的繁重枯燥的工作交由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。在千層酥食品生產(chǎn)中，通過(guò)上位機(jī)和PLC配合，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算出生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量、生產(chǎn)所用的時(shí)間、消耗的電能，以及自動(dòng)記錄生產(chǎn)的批次、對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品配方等信息，方便管理人員查詢(xún)、追蹤。

5）故障記錄。該畫(huà)面對(duì)生產(chǎn)線的現(xiàn)時(shí)及歷史故障提供查詢(xún)，顯示故障的發(fā)生時(shí)間、故障發(fā)生的位置等，方便維護(hù)人員檢修設(shè)備。

6）參數(shù)調(diào)試。該畫(huà)面主要用于生產(chǎn)線初裝或試制新產(chǎn)品時(shí)，為使用者提供一個(gè)操作簡(jiǎn)便的人機(jī)交互界面。該畫(huà)面將所有可能調(diào)整的生產(chǎn)工藝參數(shù)羅列其上，調(diào)試人員只要通過(guò)鍵盤(pán)輸入新的參數(shù)，計(jì)算機(jī)立即將該數(shù)據(jù)發(fā)送到底層PLC中，系統(tǒng)立即以該新參數(shù)控制生產(chǎn)；待生產(chǎn)線所有參數(shù)調(diào)整完畢，利用畫(huà)面上的上載參數(shù)按鈕，可將當(dāng)前系統(tǒng)中的適用參數(shù)一次上傳，并存儲(chǔ)到配方數(shù)據(jù)庫(kù)中形成新的產(chǎn)品配方。

7）操作說(shuō)明。通過(guò)該畫(huà)面，簡(jiǎn)潔地介紹系統(tǒng)如何的開(kāi)機(jī)、停機(jī)，以及如何應(yīng)對(duì)一些簡(jiǎn)單的故障情況，方便新來(lái)操作人員熟悉系統(tǒng)的操作運(yùn)行。

3.2.2 PLC應(yīng)用軟件編程設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)PLC 部分由兩級(jí)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，一是PROFIBUS 總線系統(tǒng)；二是底層RS-485總線系統(tǒng)。

PROFIBUS 總線系統(tǒng)程序：包括2 臺(tái)S7-315DP 主站編程，其中一臺(tái)主管后續(xù)分揀包裝，另一臺(tái)對(duì)烘爐溫度進(jìn)行檢測(cè)控制，同時(shí)負(fù)責(zé)與上位計(jì)算機(jī)和S7-200 從站PLC 交換數(shù)據(jù)。從站S7-200 PLC 通過(guò)EM277 模塊上掛PROFIBUS總線，其與S7-300 主站PLC 的通訊通過(guò)其V 寄存器作為數(shù)據(jù)交換區(qū)實(shí)現(xiàn)，上位計(jì)算機(jī)的控制參數(shù)通過(guò)S7-315 主站，再通過(guò)EM277 模塊傳到S7-200 PLC中，現(xiàn)場(chǎng)底層數(shù)據(jù)也是通過(guò)該通訊鏈路將數(shù)據(jù)上傳到上位計(jì)算機(jī)。

RS-485 總線系統(tǒng)程序：主要實(shí)現(xiàn)S7-200 PLC對(duì)變頻器的控制及監(jiān)測(cè)，以及對(duì)軋輥厚度的調(diào)諧控制。西門(mén)子有專(zhuān)門(mén)的變頻器控制指令包，可以方便地將給定頻率等控制參數(shù)發(fā)送到變頻器，并將變頻器狀態(tài)等參數(shù)回送給S7-200 PLC。另外，通過(guò)光柵尺將位移模擬量檢測(cè)出來(lái)給S7-200 PLC，與設(shè)定值比較后，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)軋制厚度，形成軋輥厚度閉環(huán)檢測(cè)控制。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)調(diào)試完成后，由于采用了上位計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，生產(chǎn)線的工藝調(diào)試和工藝變更非常方便，只需簡(jiǎn)單的上位計(jì)算機(jī)按鈕操作；同時(shí)，由于整個(gè)生產(chǎn)線的層級(jí)通訊設(shè)計(jì)，各工藝段之間的數(shù)據(jù)交匯實(shí)時(shí)進(jìn)行，各工藝段的生產(chǎn)工藝參數(shù)的修改實(shí)時(shí)完成，對(duì)應(yīng)的機(jī)械部分的調(diào)整也通過(guò)步進(jìn)控制系統(tǒng)自動(dòng)完成，無(wú)需人工介入。該系統(tǒng)食品企業(yè)使用非常方便，生產(chǎn)效率得到極大提高，真正實(shí)現(xiàn)了企業(yè)的訂單式生產(chǎn)管理，減少了庫(kù)存；而且通過(guò)計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)，將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)接到企業(yè)的管理系統(tǒng)中，方便企業(yè)管理人員實(shí)時(shí)跟蹤了解車(chē)間生產(chǎn)情況，進(jìn)而計(jì)劃企業(yè)的產(chǎn)品市場(chǎng)銷(xiāo)售，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)管理的一體化。

［1］許占林.中國(guó)食品與包裝工程裝備手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2000.

［2］張國(guó)治.焙烤食品加工機(jī)械［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［3］邱公偉.可編程控制器網(wǎng)絡(luò)通信及應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2000.

［4］崔堅(jiān).西門(mén)子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.