基于PLC和WinCC的柿餅烘干監(jiān)控系統(tǒng)

張烈平 馬航 李夢 朱金萍

摘 要： 傳統(tǒng)的柿餅烘干方法費工、費時并且柿餅成品率低，可以用現(xiàn)代自動化技術(shù)替代傳統(tǒng)烘干方法。基于PLC與WinCC的柿餅烘干監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)柿餅的烘干工藝特點，采用西門子PLC作為控制器，GRM無線通信模塊作為遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，以WinCC組態(tài)作為上位機(jī)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)可以實時檢測烘房內(nèi)的溫度、柿果含水量等數(shù)據(jù)，并且具有參數(shù)設(shè)定、實時數(shù)據(jù)采集及顯示等功能。與自然烘干法和傳統(tǒng)設(shè)備烘干相比，該系統(tǒng)可精確量化監(jiān)控柿餅烘干過程，在保障高效率與高品質(zhì)的同時節(jié)約了人力成本。

關(guān)鍵詞： PLC； WinCC組態(tài)； 柿餅烘干； 監(jiān)控系統(tǒng)； 實時數(shù)據(jù)采集； 人力成本

中圖分類號： TN948.64?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）14?0118?04

Persimmon drying monitoring system based on PLC and WinCC

ZHANG Lieping， MA Hang， LI Meng， ZHU Jinping

（School of Mechanical and Control Engineering， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： The modern automation technology can substitute for the traditional persimmon drying method in which a lot of labor and time is wasted， and the dried persimmon′s finished product rate is low. Therefore， a persimmon drying monitoring system based on PLC and WinCC is proposed. In the system， according to the drying process characteristic of the persimmon， the SIEMENS PLC is used as the controller， the GRM wireless communication module is used as the remote monitoring terminal， and the WinCC configuration is used as the upper computer to monitor the operation status of the system in real time. The monitoring system can detect the temperature of the drying room， the water content of the persimmon， and other data in real time， and has the functions such as parameter setting and real?time data acquisition and display. In comparison with the natural drying method and the traditional equipment drying method， the system can monitor the persimmon drying process accurately and quantitatively， and reduce labor costs while guaranteeing high efficiency and high quality.

Keywords： PLC； WinCC configuration； persimmon drying； monitoring system； real?time data acquisition； labor cost

柿餅是我國的一種傳統(tǒng)美食，富含碘、鈣、鐵以及多種維生素，且具有很大的醫(yī)療保健價值與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)價值。柿餅是由柿子經(jīng)過清洗、去皮、一次烘干、一次捏餅、二次烘干、二次捏餅、三次烘干、整形、上霜和貯藏等工藝流程，才能制作成功[1]。傳統(tǒng)的自然干燥法生產(chǎn)效率低，受天氣因素影響大，并且在露天的曬制過程中，灰塵、昆蟲和鳥類等會對柿餅的品質(zhì)造成影響。烘干機(jī)干制法相對于自然干燥法在生產(chǎn)效率和品質(zhì)保障上都有很大的提升，但是柿餅制作工藝中的含水量與烘干溫度都要進(jìn)行嚴(yán)格的把控，目前市場上流通的烘干機(jī)在功能上還無法達(dá)到柿餅制作工藝的要求?；谖鏖T子PLC與WinCC組態(tài)軟件設(shè)計的柿餅烘干監(jiān)控系統(tǒng)，在功能上可以達(dá)到柿餅制作工藝的要求，具有提高柿餅生產(chǎn)效率、保障柿餅品質(zhì)以及降低人工成本等優(yōu)點。

1 柿餅烘干工藝及烘干方案

1.1 柿餅烘干工藝

柿餅烘干過程中，烘干溫度與柿子含水量直接影響著柿餅的品質(zhì)，由柿餅加工經(jīng)驗得知采用“低溫?高溫?低溫”的干制工藝，能使得柿餅品質(zhì)最佳。有研究者實驗得出三個階段烘干溫度與柿子目標(biāo)含水量最佳標(biāo)準(zhǔn)[2]分別為40 ℃與70%，55 ℃與40%和45 ℃與30%。柿餅烘干工藝流程見圖1。流程中每階段的工藝要求如下：

1） 一次烘干。在第一階段的烘干中，保持烘干溫度為40 ℃，將柿子含水量烘干至70%。

2） 一次捏餅。第一階段烘干流程結(jié)束之后，進(jìn)行第一次捏餅，須將果實捏至微軟，使得果實內(nèi)部水分向柿子表層擴(kuò)散。

3） 二次烘干。第一次捏餅流程結(jié)束之后，進(jìn)行第二次烘干，將烘干溫度提升至55 ℃并保持穩(wěn)定，將柿子含水量烘干至40%。

4） 二次捏餅。第二次烘干流程結(jié)束之后，進(jìn)行第二次捏餅，須將果肉硬塊全部捏碎，使得第三次烘干之后柿餅水分均勻。

5） 三次烘干。第二次捏餅流程結(jié)束之后，進(jìn)行第三次烘干，將烘干溫度保持在45 ℃，將柿子含水量烘干至30%。

6） 整形。第三次烘干流程結(jié)束之后，將柿子逐個從頂部向下壓扁，整捏為餅狀，即完成柿餅烘干流程。

1.2 柿餅烘干監(jiān)控方案

系統(tǒng)組件包括：西門子S7?200PLC控制器、WinCC組態(tài)上位機(jī)、GRM通信模塊、風(fēng)道式電加熱器、冷卻風(fēng)機(jī)、稱重傳感器以及溫度傳感器等。系統(tǒng)框圖見圖2。

在WinCC組態(tài)上位機(jī)上可以選擇自動烘干或者手動烘干。在烘干過程中稱重傳感器和溫度傳感器分別用來測量柿子的實時重量與實時溫度，并將測得的數(shù)據(jù)實時傳輸給PLC控制器，WinCC組態(tài)上位機(jī)與GRM無線通信模塊也能實時獲取烘房內(nèi)部的實時數(shù)據(jù)。同時，GRM無線通信模塊可以遠(yuǎn)程發(fā)送數(shù)據(jù)至用戶手機(jī)和Internet監(jiān)控平臺，用戶不在生產(chǎn)現(xiàn)場即可掌控烘干流程[3]。根據(jù)烘干工藝流程，烘房內(nèi)如需升溫或者降溫，PLC控制器通過控制接觸器觸點的開合，來控制風(fēng)道式電加熱器與冷卻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行與停止；在熱風(fēng)進(jìn)口處配置有熱風(fēng)開度電機(jī)，PLC控制器根據(jù)烘房內(nèi)部溫度的反饋，控制熱風(fēng)進(jìn)入量實現(xiàn)恒溫閉環(huán)控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 可編程控制器

柿餅烘干監(jiān)控系統(tǒng)選取西門子S7?200系列CPU222型PLC進(jìn)行控制，CPU222型PLC集成8輸入和6輸出，并且可以擴(kuò)展2個模塊，性價比高，屬于應(yīng)用很廣泛的全功能控制器[4]。根據(jù)柿餅烘干系統(tǒng)的烘干工藝及系統(tǒng)方案，CPU222型PLC滿足本系統(tǒng)的性能要求。此外，由于溫度傳感器與重量傳感器測得的數(shù)據(jù)均為模擬量，而模擬量輸入控制器CPU中需要轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，故在設(shè)計中還增加一個EM231擴(kuò)展模塊，用于烘房溫度與柿子重量的模擬量數(shù)據(jù)采集。

2.2 GRM無線通信模塊

GRM無線通信模塊專用于工控領(lǐng)域PLC遠(yuǎn)程監(jiān)控的測控終端，采用GPRS、短信和電話撥號三種通信相結(jié)合的方式，即使GPRS網(wǎng)絡(luò)中斷，還可以借助短信或電話的方式，實現(xiàn)PLC無線通信控制、遠(yuǎn)程短信控制、短信查詢及遠(yuǎn)程報警等功能[5]。用戶只需一臺聯(lián)網(wǎng)的電腦，對GRM通信模塊進(jìn)行配置，無需在控制器內(nèi)部編寫任何程序，即可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。其具有安裝方便、使用簡單、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定可靠以及高性價比等特點。在系統(tǒng)中，GRM模塊和S7?200PLC通過RS 485總線連接，通信協(xié)議為PPI協(xié)議。

2.3 風(fēng)道式電加熱器

風(fēng)道式電加熱器主要用來將所需要的空氣流從初始溫度加熱到所需要的空氣溫度，其產(chǎn)生的熱空氣干燥無水分、不導(dǎo)電、無污染、安全可靠，具有升溫快、效率高、體積小等特點，在烘干領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛[6]。

風(fēng)道式電加熱器與冷卻風(fēng)機(jī)均由S7?200PLC控制器通過接觸器控制其運(yùn)行與停止。在三個階段的烘干過程中，控制器通過控制熱風(fēng)進(jìn)口電機(jī)的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)調(diào)節(jié)熱風(fēng)進(jìn)口開度大小，調(diào)節(jié)熱風(fēng)進(jìn)入量，達(dá)到控制烘干溫度的目的。當(dāng)溫度超過設(shè)定值或者開始捏餅流程時，啟動冷卻風(fēng)機(jī)，降低烘房內(nèi)部溫度至設(shè)定值時停止。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制器程序設(shè)計

本文系統(tǒng)中的控制器編程軟件為V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9，提供三種程序編輯器：STL編輯器、LAD編輯器和FBD編輯器[7]。編程使用LAD編輯器編程實現(xiàn)，在PLC控制程序設(shè)計中，設(shè)計有手動控制模式與自動控制模式，自動控制模式的系統(tǒng)烘干程序流程圖如圖3所示。

柿餅烘干工藝上有三個階段的烘干，啟動系統(tǒng)后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化[8]。用戶設(shè)置第一階段的目標(biāo)溫度與柿子含水量，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)，啟動風(fēng)道式加熱器與熱風(fēng)進(jìn)口調(diào)節(jié)電機(jī)，將烘房溫度提升至目標(biāo)溫度并保持?？刂破魍ㄟ^對熱風(fēng)進(jìn)口電機(jī)與冷卻風(fēng)機(jī)的控制，實現(xiàn)烘房內(nèi)恒溫烘干的閉環(huán)控制。在烘干流程中，如果溫度或者設(shè)備動作異常，監(jiān)控界面與報警裝置都會報警，并停止系統(tǒng)運(yùn)行。在保持溫度恒定的同時，稱重傳感器通過測得柿子重量，實時判斷其含水量是否達(dá)到工藝目標(biāo)，達(dá)到目標(biāo)值則加熱器與風(fēng)機(jī)停止工作，即可進(jìn)行第一次捏餅。捏餅結(jié)束，用戶確定第一階段結(jié)束，系統(tǒng)即進(jìn)行第二階段烘干流程，第二階段、第三階段與第一階段流程相同，此處不做過多闡述。

3.2 監(jiān)控界面設(shè)計與仿真

柿餅烘干監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分是WinCC軟件系統(tǒng)。由于WinCC中沒有集成S7?200系列PLC常用的通信協(xié)議，WinCC不能直接監(jiān)控S7?200系列PLC組成的控制系統(tǒng)。要建立WinCC與S7?200PLC之間的通信，采用OPC協(xié)議作為通信協(xié)議，使用第三方軟件作為OPC服務(wù)器，WinCC作為客戶端讀寫S7?200系列PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)，在OPC服務(wù)器中建立標(biāo)簽與PLC中的存儲地址相對應(yīng)[9]。柿餅烘干系統(tǒng)的監(jiān)控主界面如圖4所示，主界面包括控制面板、冷卻風(fēng)機(jī)、風(fēng)道式電加熱器運(yùn)行狀態(tài)、高溫報警、烘干過度報警及故障報警，并實時顯示烘干溫度與柿餅含水量?？刂泼姘灏ㄊ謩?自動模式切換按鈕、啟動與停止按鈕。

選擇自動模式時，彈出參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示。用戶可設(shè)置三個階段的烘干溫度與柿子含水量參數(shù)，然后點擊啟動按鈕即可啟動自動烘干模式。烘干第一階段的監(jiān)控系統(tǒng)仿真界面如圖6所示。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計基于西門子PLC和WinCC的柿餅烘干監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)烘干溫度的閉環(huán)恒溫控制，自動檢測柿餅含水量，使柿餅烘干流程嚴(yán)格按照柿餅干燥工藝流程進(jìn)行烘干，提高柿餅的品質(zhì)與生產(chǎn)效率。還設(shè)計了上位機(jī)監(jiān)控界面，使用戶可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，降低了用戶的勞動強(qiáng)度，減少人工成本。此系統(tǒng)在烘干的三個階段流程中，需要進(jìn)行三次捏餅，因為時間不足和技術(shù)上有所欠缺，捏餅的過程仍需要人工實現(xiàn)，希望相關(guān)學(xué)者在后續(xù)的研究中研發(fā)出可替代人工捏餅的自動化方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉滔，朱維，李春美.我國柿子加工產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與對策[J].食品工業(yè)科技，2016，37（24）：369?375.

LIU Tao， ZHU Wei， LI Chunmei. Present situation and countermeasures of persimmon processing industry in China [J]. Science and technology of food industry， 2016， 37（24）： 369?375.

[2] 張保森.基于WebAccess的PLC遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（15）：149?152.

ZHANG Baosen. Design of PLC remote control system based on WebAccess [J]. Modern electronics technique， 2015， 38（15）： 149?152.

[3] 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008：125?130.

WANG Yonghua. Modern electric control and PLC application technology [M]. Beijing： Beihang University Press， 2008： 125?130.

[4] 張蓉蓉，劉旭.PROFIBUS與WinCC在地源熱泵群監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（12）：107?109.

ZHANG Rongrong， LIU Xu. Application of PROFIBUS and WinCC in monitoring system for ground source heat pumps [J]. Modern electronics technique， 2014， 37（12）： 107?109.

[5] 何程，宋曉梅，王亞茹.基于S7?200PLC和WinCC的地油源控制系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)，2015，38（8）：54?57.

HE Cheng， SONG Xiaomei， WANG Yaru. Oil source control system based on the S7?200 PLC and WinCC [J]. Electronic measurement technology， 2015， 38（8）： 54?57.

[6] 張宏飛，包睿，李超.工業(yè)自動化監(jiān)控系統(tǒng)中PLC技術(shù)的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（11）：150?151.

ZHANG Hongfei， BAO Rui， LI Chao. Application of PLC technology in industry automation monitoring system [J]. Modern electronics technique， 2015， 38（11）： 150?151.

[7] 劉華波，王雪，何文雪，等.組態(tài)軟件WinCC及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：8?13.

LIU Huabo， WANG Xue， HE Wenxue， et al. Configuration software WinCC and its application [M]. Beijing： China Machine Press， 2009： 8?13.

[8] 馬聰孝.基于PLC的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在空氣壓縮機(jī)自動控制的應(yīng)用[J].可編程控制器與工廠自動化，2012（3）：65?67.

MA Congxiao. Application of remote control system based on PLC in automatic control of air compressor [J]. Programmable controller & factory automation， 2012（3）： 65?67.

[9] 彭志，劉祖潤，趙延明.PLC控制的直流發(fā)電機(jī)組自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（24）：188?191.

PENG Zhi， LIU Zurun， ZHAO Yanming. Design of automatic monitoring system for DC generator set controlled by PLC [J]. Modern electronics technique， 2011， 34（24）： 188?191.

[10] 付煥森，趙振江.基于PLC和組態(tài)技術(shù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（12）：185?188.

FU Huansen， ZHAO Zhenjiang. Design of the modern agriculture greenhouse based on PLC and configuration technology [J]. Journal of agricultural mechanization research， 2013（12）： 185?188.

[11] 李申偉，徐淑華，張衛(wèi)，等.基于WinCC及S7?200 PLC的自動升旗控制系統(tǒng)[J].青島大學(xué)學(xué)報（工程技術(shù)版），2010，25（2）：10?15.

LI Shenwei， XU Shuhua， ZHANG Wei， et al. The automatic flag control system based on WinCC and S7?200 PLC [J]. Journal of Qingdao University （Engineering & technology edition）， 2010， 25（2）： 10?15.