基于Siemens S7-200 PLC的白酒勾調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 洋，姚婭川，鄭 婷，潘 斌

（1.四川輕化工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，四川自貢 643000；2.人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川宜賓 644000）

白酒的勾調(diào)是個(gè)非常復(fù)雜嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^(guò)程，特別是在進(jìn)行批量生產(chǎn)時(shí)，各個(gè)環(huán)節(jié)需要達(dá)到高度的一致性，才能按預(yù)期生產(chǎn)出風(fēng)味穩(wěn)定、質(zhì)量達(dá)標(biāo)的產(chǎn)品。課題組從數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)程操控、實(shí)時(shí)性的角度出發(fā)，擬采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于勾調(diào)系統(tǒng)，減少生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率[1]。

1 白酒勾調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

控制系統(tǒng)由上位機(jī)、PLC、壓力傳感器、勾兌泵、流量計(jì)、電磁閥等組成。在上位機(jī)的控制下，依照設(shè)定的配方來(lái)完成智能勾調(diào)。

1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 勾調(diào)控制原理

通過(guò)在上位機(jī)輸入配方并保存后，通過(guò)CP5611卡傳送至可編程控制器臨時(shí)保存，PLC即根據(jù)配方完成勾兌全過(guò)程。可編程控制器根據(jù)配方的罐號(hào)和用量自動(dòng)起動(dòng)勾兌泵，自動(dòng)開(kāi)啟基酒罐、軟水罐相應(yīng)閥門(mén)及勾兌罐閥門(mén)，同時(shí)流量計(jì)開(kāi)始工作，根據(jù)流量計(jì)的反饋值，當(dāng)一個(gè)基酒罐的配方用量完成后，自動(dòng)關(guān)閉該罐閥門(mén)后，起動(dòng)下一個(gè)基酒罐閥門(mén)，直至配方用量完成，勾兌過(guò)程結(jié)束。

2 PLC硬件模塊

2.1 PLC選擇

在本白酒勾調(diào)系統(tǒng)中的PLC采用Siemens S7-200 PLC。因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)勢(shì)：

（1）模塊設(shè)計(jì)方便，模塊化控制精確，通訊方式多樣。

（2）體積不大、小巧，方便應(yīng)用與安裝。

（3）具備所有CPU型號(hào)的功能，存儲(chǔ)器容量很大，具有快速的響應(yīng)速度。

（4）具有很好的安全性與穩(wěn)定性。

（5）易于使用STEP 7-Micro/WIN工程軟件。

（6）既適用于初次使用者，又適合熟練者使用，具有RS485接口與DP總線接口。

2.2 PLC硬件配置

（1）CPU模塊。在本系統(tǒng)中選用CN系列中的CPU226CN作為中央處理單元，它具有24個(gè)輸入點(diǎn)以及16個(gè)輸出點(diǎn)的小型PLC，滿足實(shí)驗(yàn)室里的白酒小樣勾兌的系統(tǒng)要求，它可以擴(kuò)展7個(gè)模塊。對(duì)于本系統(tǒng)要采用PID控制算法完成勾兌的要求，它也可以滿足，支持與PC機(jī)使用RS-485通訊。

（2）電源模塊。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作電壓的要求，采用PS3075A電源模塊，把模擬控制器的220 V電壓轉(zhuǎn)換成字控制器的24V數(shù)電壓電。

（3）數(shù)字量輸入輸出模塊。本系統(tǒng)只接收直流電信號(hào)，所以選用多個(gè)型號(hào)為SM321 DI32 x DC 24V模塊的數(shù)字輸入量模塊，若有多出來(lái)的點(diǎn)數(shù)，可以作為系統(tǒng)的擴(kuò)展備用。本系統(tǒng)的數(shù)字量輸出模塊則選用四個(gè)SM 322 DO 16 x AC120/230 V/1A模塊，同樣預(yù)留一定的點(diǎn)數(shù)以備擴(kuò)展[2]。

（4）通訊模塊。本系統(tǒng)采用WinCC設(shè)計(jì)上位機(jī)的界面，在上位機(jī)端插入CP5611通訊卡，通過(guò)其實(shí)現(xiàn)PROFIBUS與PLC的相連接。

3 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)本系統(tǒng)的需求，PLC需要控制的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有電磁流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、各閥門(mén)開(kāi)關(guān)等，綜合以上設(shè)備與人工需要采集的數(shù)據(jù)與控制要求,系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，關(guān)于系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制模塊的設(shè)計(jì)如圖2所示。

1）酒液溫度：在酒罐中放置合適的溫度變送器，PLC將采集由變送器轉(zhuǎn)換好的標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流信號(hào)。在PLC中設(shè)定好溫度的換算規(guī)則來(lái)得到酒液的溫度值，監(jiān)測(cè)人員可以對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與控制。

2）酒罐液位：酒罐液位的控制采用液位變送器測(cè)量。首先傳感器采集信號(hào)傳給變送器，然后變送器將傳感器傳來(lái)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流輸入給PLC，PLC內(nèi)部根據(jù)設(shè)定的算法轉(zhuǎn)換為液位量，從而得到罐內(nèi)的液位，還可以內(nèi)部算法中溫度的換算規(guī)則，這樣可以提高液位測(cè)量的精準(zhǔn)度[2]。

3）流量：由PLC采集流量計(jì)轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的4～20mA電流輸出信號(hào)后，并由PLC控制算法轉(zhuǎn)換成需要的流量數(shù)據(jù)。對(duì)于不同濃度液體采用不同的流量進(jìn)行測(cè)量，流量計(jì)類(lèi)型包括多種不同類(lèi)型的流量計(jì)。

4）流體截流控制：采用電磁閥控制管路的流量斷開(kāi)與接通，通過(guò)PLC從DO輸出閥門(mén)的開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)控制截流。

5）輸送泵的控制：輸送泵比較好連接，直接將它的吸線圈控制線與PLC 的DO通道串聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)控制開(kāi)啟和停止。

6）泵及各閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的監(jiān)控：電磁閥通過(guò)PLC相應(yīng)的DO的“1”或者“0”信號(hào)來(lái)判斷開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和輸送泵的工作狀態(tài)則可以通過(guò)PLC的DI的高低電平信號(hào)來(lái)進(jìn)行判斷。

圖2 PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制原理圖

4 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

采用PROFIBUS總線將主站、從站PLC連接，達(dá)到相互通信的作用。PLC連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備對(duì)其進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)主站與從站之間相互監(jiān)控。控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：PLC控制軟件、上位機(jī)監(jiān)控軟件。然后采用STEP7 V5.5完成系統(tǒng)組態(tài)和編程，WINCC V5.5用于系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面。

4.1 PLC控制軟件

主要進(jìn)行的操作是：①根據(jù)壓力傳感器反饋的信號(hào)來(lái)對(duì)酒罐酒量的控制；②根據(jù)流量計(jì)反饋的信號(hào)對(duì)電磁閥、輸送泵進(jìn)行控制；③對(duì)閥門(mén)、泵的狀態(tài)進(jìn)行控制與讀取；④提供報(bào)警指示。

4.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件

通過(guò)CP5611卡與S7-200PLC進(jìn)行通訊，包括數(shù)據(jù)采集和發(fā)送數(shù)據(jù)/指令；S7-200PL C則通過(guò)MPI接口與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)，這種方式使通訊程序和組態(tài)軟件構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)高效率地運(yùn)行。主要事項(xiàng)的功能是：①形象直觀的顯示現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控畫(huà)面；②參數(shù)設(shè)置畫(huà)面，操作者可以自由地對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定；③對(duì)每一次勾兌過(guò)程畫(huà)面進(jìn)行保存，以便于查詢。

5 結(jié)論

采用功能多樣化、安全系數(shù)高的SINMENS SIMATIC S7-200 PLC設(shè)計(jì)的白酒勾調(diào)生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)，完全能滿足白酒勾調(diào)生產(chǎn)的各種控制要求和工藝要求，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控，構(gòu)成分布式測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)集中管理，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。