基于組態(tài)軟件的飲品控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊成慧, 王書志

(1.西北民族大學(xué) 電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；2.蘭州交通大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

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基于組態(tài)軟件的飲品控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊成慧1,2, 王書志1

(1.西北民族大學(xué) 電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；2.蘭州交通大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

近年來，飲料市場的競爭日趨激烈，飲料加工工藝一直以來也保持著快速增長的勢頭.通過分析可知，通過反饋校正環(huán)節(jié)，使得飲料混合控制系統(tǒng)的控制原理變得簡單，系統(tǒng)還具有了較高的控制精度.在反饋校正過程中也消除了溫度偏差對飲料混合控制系統(tǒng)帶來的不良影響.MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)組態(tài)軟件提供了用戶解決工程問題的開發(fā)平臺.設(shè)計(jì)利用組態(tài)軟件使飲料混合機(jī)能夠更便捷簡單的工作，還可以對飲料混合機(jī)內(nèi)液位的變化以及溫度和壓力的變化情況直觀地顯示出來，并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)以實(shí)時(shí)報(bào)表輸出，并顯示報(bào)警信息，實(shí)時(shí)性好.設(shè)計(jì)混合飲料控制系統(tǒng)具有較好的實(shí)用性，社會需求較大，對占據(jù)市場競爭起關(guān)鍵作用.

飲料混合機(jī);控制系統(tǒng);工藝流程;MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)組態(tài)軟件

0　引言

飲料混合機(jī)可以用于混合碳酸飲料[1～3]，也可以用于果汁飲料的混合，是飲料生產(chǎn)工廠整個(gè)生長線上最重要的組成部分.其性能的好壞直接關(guān)系到飲料成品的口感，因此飲料加工廠對飲料混合機(jī)的性能好壞都非常重視.目前,在中國使用的混合飲料機(jī)是引進(jìn)德國的，一個(gè)是SEN公司的，另一個(gè)是O+H公司的.它們在工藝流程上有一些區(qū)別，其各自的混合方式都有自身的優(yōu)勢，所以對飲料混合機(jī)控制系統(tǒng)加以設(shè)計(jì)，以提高其控制精度、簡化控制原理.本文分析有關(guān)控制系統(tǒng)的校正方式，制定了設(shè)計(jì)方案，還通過反饋校正和擾動校正消除溫度對整個(gè)系統(tǒng)的影響.MCGS組態(tài)軟件[4～6]能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)系統(tǒng)的仿真，還能與現(xiàn)場設(shè)備的工作原理相統(tǒng)一.

1　飲料混合機(jī)的工藝流程

飲料混合機(jī)工藝流程總體上可以概括為兩個(gè)步驟：首先是對處理過的水碳酸化，然后將碳酸化的處理水與糖漿按一定比例進(jìn)行混合，其具體的過程如下：

處理過的水加壓后通過控制閥輸送到脫氧罐中.脫氧罐的作用主要是將處理過的水中所含有的氧氣全部排除到罐外.經(jīng)脫氧后的處理水經(jīng)過一個(gè)噴嘴進(jìn)入脫氧罐.其中噴嘴的作用是使處理水呈現(xiàn)出霧的狀態(tài).同時(shí)，處在碳酸化罐上空部分的CO2過閥進(jìn)入脫氧罐中.脫氧罐上空部分的氧氣和氮?dú)馔ㄟ^脫氧罐頂端的排氣管排了出去.

經(jīng)過以上的工藝流程后，緊接著脫氧過的水由冷卻泵進(jìn)入板式換熱器，再把溫度冷卻至其控制系統(tǒng)所要求的溫度，再通過主泵進(jìn)入碳酸化反應(yīng)罐.這樣就達(dá)到經(jīng)脫氧過的水碳酸化的效果.脫氧過的水在碳酸化反應(yīng)罐中變成了碳酸水后，再由泵進(jìn)入混合管中.這時(shí)在混合管中的碳酸水與糖漿以一定的比例進(jìn)行混合，混合完全后就進(jìn)入成品罐中，再由成品罐輸出到灌裝機(jī).之后，在瓶中充填，之后封蓋，最后整列裝箱.

2　監(jiān)控軟件的選用與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常用的組態(tài)軟件有InTouch、MCGS、組態(tài)王、iFIX和WinCC等.

InTouch軟件常適用于客戶體系結(jié)構(gòu)、工業(yè)應(yīng)用服務(wù)器或部署在獨(dú)立機(jī)械中，可以作為適用終端客戶機(jī)應(yīng)用.

MCGS內(nèi)部功能強(qiáng)大、界面友好、系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)、用戶的使用性好，是國內(nèi)組態(tài)軟件行業(yè)中較好的產(chǎn)品.MCGS能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、歷史曲線和實(shí)時(shí)曲線輸出、工藝流程控制、報(bào)表輸出和動畫顯示以及監(jiān)控等.

組態(tài)王軟件經(jīng)過七年開發(fā)，簡單實(shí)用.現(xiàn)在已經(jīng)成為國內(nèi)用戶最多的組態(tài)軟件，而且用于一些航空航天等重要的領(lǐng)域.

iFIX一般用于全面監(jiān)控和分布管理，安全性、通用性和易用性良好.它是任何生產(chǎn)加工環(huán)境下較好的解決方案，能夠幫助企業(yè)制定出快捷、有效的決策，提高企業(yè)的競爭力.

WinCC可以與多種自動化設(shè)備及控制軟件集成，具有豐富的可視窗口和菜單選項(xiàng)，使用方式較為靈活且功能齊全.

MCGS軟件系統(tǒng)由兩個(gè)部分組成，組態(tài)環(huán)境比較完整，用戶可以根據(jù)自己的構(gòu)想來設(shè)計(jì)自己的應(yīng)用環(huán)境.運(yùn)行環(huán)境是根據(jù)組態(tài)環(huán)境中用戶需要所建立的工程，按照用戶特定的方式運(yùn)行，并進(jìn)行不同的處理，完成用戶設(shè)計(jì)的目的和功能[5]，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1MCGS整體結(jié)構(gòu)圖

MCGS組態(tài)軟件的工程建立分為五個(gè)部分，每一部分進(jìn)行的組態(tài)操作是不一樣的，所完成的工作也是不相同的[6],組態(tài)軟件的組成如圖2所示.

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)線的混合飲料機(jī)的控制將會在控制室工作站進(jìn)行，通過MCGS組態(tài)軟件可以監(jiān)控整個(gè)工藝流程的工作情況，還能及時(shí)反映混合飲料控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，及時(shí)根據(jù)異常情況做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整.

圖2　MCGS組態(tài)軟件的組成

3　控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1混合飲料的工藝流程分析

混合飲料機(jī)的工藝流程總體上可以概括為兩個(gè)步驟：首先對處理水碳酸化，然后將碳酸化的處理水與糖漿按一定比例進(jìn)行混合，其具體的過程如下：

處理水加壓后通過控制閥輸送到脫氧罐中，脫氧罐的作用主要是將處理水中所含有的O2全部排除到罐外.經(jīng)脫氧后的處理水經(jīng)過一個(gè)噴嘴進(jìn)入脫氧罐.其中噴嘴的作用是使處理水呈現(xiàn)出霧的狀態(tài)，然后以霧的狀態(tài)噴出的處理水與CO2較大面積地接觸，使得脫氧更加充分、效果更好.處理水在碳酸化罐中經(jīng)過碳酸化后，再加上在脫氧時(shí)得到一定程度的碳酸化處理，整個(gè)過程使CO2溶解更充分，最終碳酸化的效果也就更好.

處在碳酸化罐上空部分的CO2過閥進(jìn)入脫氧罐中.O2和N2的比重要比CO2輕一些，所以脫氧罐上空部分的O2和N2就通過脫氧罐頂端的排氣管排出去.這樣使得整個(gè)碳酸化效果充分，也就保證了碳酸飲料的口感和質(zhì)量，為制出優(yōu)質(zhì)的飲料，不斷改進(jìn)混合飲料機(jī)的控制系統(tǒng)，以高效率低成本為基本原則，將飲料混合機(jī)的控制部分盡量做到最佳[7～9].

經(jīng)過以上的工藝流程后，緊接著脫氧過的水由冷卻泵進(jìn)入板式換熱器之后，再把溫度冷卻至其控制系統(tǒng)所要求的溫度，再通過主泵進(jìn)入碳酸化反應(yīng)罐.脫氧過的水在碳酸化反應(yīng)罐中變成了碳酸水后，再由泵進(jìn)入混合管中，這時(shí)在混合管中的碳酸水與糖漿以一定的比例進(jìn)行混合，混合完全后就進(jìn)入成品罐中[10]，再由成品罐輸出到灌裝機(jī)，在瓶中充填、封蓋，最后整列裝箱[11].

3.2溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，這樣就會導(dǎo)致總控制系統(tǒng)由于溫度的干擾而變得有些復(fù)雜[7-10].所以，我們可以使用反饋校正的方法，來改進(jìn)溫度控制系統(tǒng)，建立飲料混合機(jī)溫度控制系統(tǒng)方塊圖，如圖3所示.

圖3　飲料混合機(jī)溫度控制系統(tǒng)方塊圖

從圖1中我們可以看出，在溫度控制系統(tǒng)中加了反饋回路環(huán)節(jié)，這樣它就變成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng).此系統(tǒng)中，反饋?zhàn)兞渴翘妓崴臏囟龋迨綋Q熱器是通過碳酸化罐反饋出來的溫度，與輸入處理水的溫度相比較，進(jìn)而對溫度偏差進(jìn)行一定的調(diào)整.從圖1可以得出溫度控制系統(tǒng)輸出公式為

Y(s)=E(s)G2(s)G3(s)G4(s)

(1)

而控制系統(tǒng)的誤差：E(s)=X(s)G1(s)-E(s)G2(s)G3(s)

(2)

(3)

(4)

(5)

分析得出，經(jīng)過校正后的溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過這一反饋校正環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的控制精度提高了很多，對于總控制系統(tǒng)的溫度干擾也就減小了許多，幾乎可以忽略不計(jì).

3.3壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

新型飲料混合機(jī)由于在控制器這一環(huán)節(jié)不用再去考慮溫度這一因素，則可以選擇SR63儀表來代替比例控制儀，進(jìn)而來控制調(diào)節(jié)閥，如圖4所示.

圖4　飲料混合機(jī)壓力系統(tǒng)方塊圖

由圖2可以得出壓力系統(tǒng)輸出公式Y(jié)(s)=E(s)G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)

(6)

而控制系統(tǒng)的誤差：

E(s)=X(s)-E(s)G1(s)G2(s)

(7)

(8)

代入可得：

(9)

所以，壓力控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

(10)

圖5　飲料混合機(jī)總控制系統(tǒng)方塊圖

經(jīng)分析得出，由于此系統(tǒng)仍然是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，且只有一個(gè)反饋回路環(huán)節(jié).由以上推導(dǎo)得出的式子(3)～(10)可看出，控制系統(tǒng)化簡了，反饋環(huán)節(jié)和控制環(huán)節(jié)得到簡化，主控制的原理一樣，但其控制系統(tǒng)的控制精度并沒有降低，反而系統(tǒng)的控制精度卻有所提高.

3.4飲料混合的總控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在飲料混合機(jī)改進(jìn)的溫度控制系統(tǒng)中，對于溫度的控制在其開環(huán)控制系統(tǒng)中加入反饋校正環(huán)節(jié)后，就變成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，就在此時(shí)溫度偏差得到了補(bǔ)償.這樣的做法對于飲料混合機(jī)的總控制系統(tǒng)來說，就加入了一個(gè)擾動校正環(huán)節(jié).建立飲料混合機(jī)總控制系統(tǒng)方塊圖[11,12]，如圖5所示.

由圖5可以得出總控制系統(tǒng)輸出：

Y(s)=[E(s)G1(s)+N(s)GN(s)]G2(s)G3(s)G4(s)

(11)

而控制系統(tǒng)的誤差：E(s)=X(s)+N(s)GC(s)-[E(s)G1(s)+N(s)GN(s)]G2(s)

(12)

即得出：

(13)

代入可得：

(14)

(15)

(16)

則，總控制系統(tǒng)輸出：

(17)

所以，總控制系統(tǒng)的閉環(huán)函數(shù)為：

(18)

通過控制系統(tǒng)閉環(huán)函數(shù)(10)與(18)的比較，并將改進(jìn)后的飲料混合機(jī)控制系統(tǒng)比原飲料混合機(jī)控制系統(tǒng)得到簡化，能夠明顯地看出經(jīng)過擾動后的總控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)與CO2壓力控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是相同的，沒有任何的差異.由此看出，總控制系統(tǒng)具有和CO2的壓力控制系統(tǒng)一樣可靠、準(zhǔn)確與穩(wěn)定的性能.

4　基于組態(tài)的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1組態(tài)畫面的設(shè)計(jì)

在MCGS組態(tài)中，在“用戶窗口”中新建窗口，對窗口的屬性進(jìn)行初步設(shè)置，更改“窗口名稱”并最大化顯示.設(shè)置各個(gè)窗口,如圖6所示.

選中創(chuàng)建的“工藝流程”窗口，再單擊“動畫組態(tài)”，就進(jìn)入了動畫制作的窗口.在工具箱菜單中選擇所需的一些元件，加入一些泵、控制閥、儲藏罐、流動塊、標(biāo)簽等.

圖6建立工程圖

4.2組態(tài)畫面動畫效果

控制研究理論參照文獻(xiàn)[13,14]，進(jìn)入運(yùn)行策略，并雙擊循環(huán)策略，進(jìn)入策略組態(tài).在運(yùn)行策略窗口中新建策略，逐一設(shè)置報(bào)警數(shù)據(jù)、歷史報(bào)表和數(shù)據(jù)按分鐘提取等等.在“運(yùn)行策略”中的循環(huán)策略雙擊進(jìn)入后，“策略屬性設(shè)置”，只需將 “循環(huán)時(shí)間”設(shè)為188ms,其他部分可以不用設(shè)置，后按確定即可.在策略組態(tài)中，單擊工具條中的“新增策略行”，再單擊“策略工具箱”中的“腳本程序”，之后根據(jù)相同的方法逐一設(shè)置其他項(xiàng)目.

4.3程序編寫實(shí)現(xiàn)

糖漿生產(chǎn)線的畫面設(shè)計(jì)中，通過對糖漿生產(chǎn)部分的細(xì)化，因?yàn)樘菨{的生產(chǎn)也是飲料加工過程中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，結(jié)合各種理論研究[15～17]，做好對糖漿生產(chǎn)線的控制來保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定.首先建立變量，如圖7所示.

圖7　數(shù)據(jù)庫變量圖

在腳本程序中輸入程序如下所示.

if攪拌罐1液位<45then

原料閥=1

else

原料閥=0

endif

if攪拌罐1液位>5then

出水閥1=1

endif

if水罐液位>5then

出水閥2=1

endif

if酸罐液位>0.5then

出水閥3=1

endif

if堿罐液位>0.5then

出水閥4=1

endif

if攪拌罐1液位<5or水罐液位<5or酸罐液位<0.5or堿罐液位<0.5then

出水閥1=0

出水閥2=0

出水閥3=0

出水閥4=0

調(diào)節(jié)閥1=0

endif

if攪拌罐2液位0.5then

調(diào)節(jié)閥1=1

出水閥5=1

else

調(diào)節(jié)閥1=0

出水閥5=0

endif

在畫面設(shè)計(jì)中，加了兩個(gè)動作按鈕，按此按鈕可以直接進(jìn)入飲料混合機(jī)的工藝流程或其糖漿生產(chǎn)線的組態(tài)運(yùn)行畫面.三個(gè)小球的繞圓運(yùn)動，以及時(shí)間和日期的顯示輸出是通過編寫以下程序?qū)崿F(xiàn)的.在腳本程序中輸入程序：

角度=角度+3.14/180

if角度>=2*3.14then

角度=角度-2*3.14

endif

日期=$date

時(shí)間=$time

工藝流程的畫面設(shè)計(jì)中，設(shè)置各個(gè)部分的內(nèi)部參數(shù)，通過編寫程序，在程序中設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，模擬飲料加工工廠現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)作情況，與實(shí)際緊密結(jié)合，在腳本程序中輸入程序，程序如下所示：

if脫氧罐 < 60then

水泵=1

else

水泵=0

endif

if脫氧罐 < 60then

水泵2=1

else

水泵2=0

endif

if碳酸化反應(yīng)罐 > 8then

主泵=1

else

主泵=0

endif

if糖漿罐 < 25then

糖漿入口=1

else

糖漿入口=0

endif

if碳酸化反應(yīng)罐 < 10then

CO2入口=1

else

CO2入口=0

endif

在工藝流程圖的糖漿與水反應(yīng)罐中，攪拌葉片轉(zhuǎn)動的作用是將脫氧過的處理水和糖漿充分混合，防止糖漿沉淀下來，制出更加優(yōu)質(zhì)的糖水.攪拌葉片旋轉(zhuǎn)動畫的腳本程序中輸入程序如下所示.

angle=angle+2

ifangle=2.34*10then

angle=0

endif

圖8　糖漿生產(chǎn)線運(yùn)行結(jié)果動畫圖

5　監(jiān)控上位機(jī)系統(tǒng)調(diào)試

組態(tài)畫面要運(yùn)行起來，就得在其內(nèi)部加入一些模擬量，如把在菜單項(xiàng)中 “設(shè)備工具箱”打開，最后單擊“設(shè)備工具箱”中的“設(shè)備管理”.在“通用設(shè)備”中打開“模擬數(shù)據(jù)設(shè)備”，雙擊“模擬設(shè)備”，對應(yīng)數(shù)據(jù)對象設(shè)置完成后，在“調(diào)試設(shè)備”中就可以看到數(shù)據(jù)的變化.根據(jù)數(shù)據(jù)所設(shè)置的最大值與最小值，數(shù)據(jù)就在這范圍內(nèi)不斷變化.通過設(shè)置模擬量，在腳本程序中輸入編寫的程序之后運(yùn)行.運(yùn)行結(jié)果良好,如圖8動畫仿真運(yùn)行監(jiān)控結(jié)果,通過MCGS組態(tài)軟件觀察圖像，曲線變化以及數(shù)據(jù)變化，可以對現(xiàn)場設(shè)備工作情況全面掌握，使工作人員操作控制簡單，大大節(jié)省了控制時(shí)間，提高了工作效率.

6　結(jié)論

首先分析了飲料混合機(jī)的控制系統(tǒng)，研究了其控制對象水的溫度和CO2的壓力，分析有關(guān)控制系統(tǒng)的校正方式，制定了設(shè)計(jì)方案，還通過反饋校正和擾動校正消除溫度對整個(gè)系統(tǒng)的影響.基于MCGS組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)系統(tǒng)仿真，盡可能地與現(xiàn)場設(shè)備的工作原理相統(tǒng)一.充分利用MCGS組態(tài)軟件使飲料混合機(jī)動態(tài)化.通過編寫腳本程序?qū)崿F(xiàn)了對飲料混合機(jī)的控制，建立了實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，使飲料混合機(jī)的工藝流程中溫度和壓力的變化情況更加直觀地顯示.組態(tài)動畫界面以及數(shù)據(jù)變化曲線，使工作人員操作簡單，大大提高了工作效率，縮短了培訓(xùn)員工周期，應(yīng)用前景良好.

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【Abstract】In recent years, beverage market's pattern of competition increasingly is unceasingly intense, since the drink processing craft also has been maintaining the growth tendency. May obtain through the analysis through the feedback adjustment link, not only causes the drink mixture control system the control principle becomes simple . Moreover the system had high control precision, in this fed back in the adjustment process also to eliminate the temperature deviation to the adverse effect that the drink mixture control system brought.The MCGS configuration software provided has made user to solve the project question development platform, this design enabled the beverage mixer using the configuration software a more convenient simple work, but may also in the changing condition direct-viewing the demonstration of change as well as the temperature and pressure fluid position to the beverage mixer, and may carry on the data real-time report form output, and visual display alarm information.Mixed drink control system that this article designs not only has the good usability, but also is very big in the present society demand, to occupying certain the market competitiveness is especially essential.

Impalement of Configuration-based Mixed Drink Control System

YANG Cheng-hui1,2,WANG Shu-zhi1

(1.College of Electrical Engineering, Northwest University for Nationalities, 730030;Lanzhou, Gansu, China;2.School of Automation & Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, 730070 China)

Beverage mixer, control system, technical process, MCGS(Monitor and Control Generated System) configuration software

2016-02-20

國家自然科學(xué)基金資助(項(xiàng)目編號:61263002)；2012年國家民委科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號:xbmu-2012-bb-35)；2011年西北民族大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目(項(xiàng)目編號:JG201135)；2011年西北民族大學(xué)教育教學(xué)精品課程(項(xiàng)目編號:JPKC201105,JPKC201136)；2016年中央高校基本科研業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)資助，青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(動態(tài)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動分析與應(yīng)用).

楊成慧(1992—)，女，河南商丘人，副教授，主要從事電子設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真方面的研究.

TP277

A

1009-2102(2016)01-0004-09