基于PLC 的果糖結(jié)晶控制系統(tǒng)

高建國(guó) 岳雪楠

（歐尚元（天津）有限公司，天津 300350）

1 概述

人類使用果糖的歷史雖然非常悠久，但礙于生產(chǎn)加工條件有限，果糖都是以半成品的形式出現(xiàn)。美國(guó)20 世紀(jì)70 年代實(shí)現(xiàn)了對(duì)果糖的工業(yè)化生產(chǎn)，才使得果糖真正走入大眾視線。果糖由于升糖指數(shù)低、在人體內(nèi)代謝非常緩慢，甜度高但不易導(dǎo)致齲齒，故而在日常生活中被更多用來當(dāng)作添加劑[1]。隨著人民生活水平的提高，果糖的需求量也日益增加，消費(fèi)者對(duì)果糖的純度和口感的要求也愈發(fā)嚴(yán)格。目前在果糖的工業(yè)生產(chǎn)上，大部分工藝流程均已做到自動(dòng)化。但在整個(gè)生產(chǎn)過程起決定性作用的果糖結(jié)晶控制這道工序，卻還在大量依賴人工操作。這不僅使人力成本大幅增加，更會(huì)因?yàn)槿斯げ僮鬟^程的不可控性而導(dǎo)致果糖質(zhì)量降低，進(jìn)而影響消費(fèi)者的購(gòu)買，因此實(shí)現(xiàn)果糖結(jié)晶的自動(dòng)化控制勢(shì)在必行。

2 背景綜述

2.1 研究背景及意義

果糖結(jié)晶過程中會(huì)發(fā)生化學(xué)變化和物理變化[2]，因而工業(yè)上對(duì)果糖結(jié)晶的生產(chǎn)充滿了不確定性。通過對(duì)以往果糖生產(chǎn)工藝的研究發(fā)現(xiàn)，工藝要求在果糖結(jié)晶過程中產(chǎn)生的結(jié)晶顆粒應(yīng)該是整齊均勻的。然而現(xiàn)實(shí)操作時(shí)，設(shè)備為生產(chǎn)過程提供的壓力通常會(huì)波動(dòng)，并且結(jié)晶過程中進(jìn)給原料的濃度和純度會(huì)隨著時(shí)間的流逝而發(fā)生變化，這些誤差都會(huì)直接改變果糖溶液的飽和度，因而對(duì)果糖生產(chǎn)控制的關(guān)鍵就在于是否能夠精準(zhǔn)控制果糖生產(chǎn)容器的溫度。對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，使其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度的在線監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)整功能，就能在提高果糖生產(chǎn)速度的同時(shí)提高果糖的品質(zhì)，又大大降低了成本，這對(duì)果糖結(jié)晶智能化生產(chǎn)來說具有重大意義。

2.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在果糖的制作[3]上，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)果糖原料的前期處理以及對(duì)原料糖汁從提取到蒸發(fā)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無人化和智能化的生產(chǎn)，后來在果糖結(jié)晶階段使用自動(dòng)控制技術(shù)升級(jí)后，使得一個(gè)工人可以同時(shí)對(duì)4 個(gè)結(jié)晶生產(chǎn)線進(jìn)行操作。與此同時(shí)，二十世紀(jì)五十年代我國(guó)在原有果糖提取的基礎(chǔ)上改進(jìn)出了更加科學(xué)的提取方法——“五一”煮糖法[4]。這種方法較之前確實(shí)效率有一定的提高，但它仍存在著很多局限性，比如需要的人力資源較多，操作繁瑣，對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)以及工人技術(shù)的要求十分嚴(yán)格等等。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

該果糖結(jié)晶控制系統(tǒng)選用可編程控制器西門子S7-200 PLC[5]來作為主控制器，主要工作原理如下：溫度傳感器將采取到的管道內(nèi)溶液的溫度值變換為電壓，該模擬信號(hào)通過模擬量輸入模塊傳遞至主控制器PLC。PLC 通過對(duì)傳輸過來的電壓進(jìn)行運(yùn)算后得到此時(shí)果糖生產(chǎn)線上的控制溫度，之后再通過PID運(yùn)算發(fā)出新的指令，調(diào)節(jié)閥接到命令后就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)操作，改變?cè)系倪M(jìn)給量，從而控制果糖生產(chǎn)線的溫度。與此同時(shí)，主控制器與組態(tài)軟件WinCC 相互通訊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線上的參數(shù)監(jiān)控。之后溫度傳感器再一次檢測(cè)溫度產(chǎn)生模擬信號(hào)，只要重復(fù)以上操作，如此便能實(shí)現(xiàn)果糖生產(chǎn)線溫度的智能化控制。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 主控制器

本系統(tǒng)選擇可編程邏輯控制器件西門子S7-200 作為主控器件。S7-200 系列可提供8 種CPU 模塊，其輸出電流能力可以達(dá)到180mA-400mA，與傳感器直接相連時(shí)可作為負(fù)載電源使用，使用起來十分方便。其中CPU226 的I/O 點(diǎn)達(dá)到了40 個(gè)，I/O 的數(shù)量可以增加到248 個(gè)，最多可以連接7 個(gè)擴(kuò)展模塊對(duì)模擬量進(jìn)行擴(kuò)展進(jìn)而使得其數(shù)量增加到40 個(gè)。由于S7-200 PLC具備可靠性高、操作便捷、所需要投資的費(fèi)用比較少以及易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)再結(jié)合自身對(duì)S7-200 的熟練程度，故而選擇其作為本系統(tǒng)的主控制器。

4.2 監(jiān)控屏幕

本系統(tǒng)監(jiān)控窗口選擇WinCC 組態(tài)軟件。WinCC 是西門子公司所研發(fā)的一款上位機(jī)監(jiān)控軟件，其可以在絕大多數(shù)的微軟系統(tǒng)上運(yùn)行。它不僅能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，還能起到實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化系統(tǒng)與IT 系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。WinCC對(duì)組態(tài)和后臺(tái)的腳本語言進(jìn)行了集合，在兼容性方面又兼容所有普通的PC 平臺(tái)，還具備可操作性強(qiáng)、功能強(qiáng)大以及防護(hù)等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)?？紤]到本系統(tǒng)選用的控制器是S7-200 PLC，與昆侖通態(tài)的MCGS 相比，WinCC 使用起來更加方便，通訊也更為穩(wěn)定，所以在監(jiān)控窗口的選擇上WinCC 是最好的選擇。

4.3 主控制器與組態(tài)軟件的通訊

使用WinCC 作為監(jiān)控軟件的優(yōu)點(diǎn)十分突出，它的通訊方式比較簡(jiǎn)單，成本的投資也比較少。由于其與可編程邏輯控制器S7-200 的廠商都屬西門子公司，所以對(duì)S7-200 中所有的變量進(jìn)行讀取更加方便。但由于PPI 協(xié)議不適用于S7-200 系列PLC與WinCC 組態(tài)軟件的通訊[6]，故而西門子公司專門研發(fā)出S7-200 OPC 服務(wù)器軟件，該服務(wù)器將PPI 協(xié)議包含在里面，能夠使得一臺(tái)WinCC 監(jiān)控屏幕可以同時(shí)監(jiān)控8 臺(tái)PLC 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。WinCC 能夠通過OPC 協(xié)議訪問OPC 服務(wù)器軟件，然后再通過PPI 協(xié)議來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與互換。通訊流程圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸示意圖

4.4 溫度傳感器

本系統(tǒng)選用Pt100 熱電阻溫度傳感器作為生產(chǎn)線上的溫度測(cè)量裝置。鉑熱電阻由于具有測(cè)量精度最高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，故而被大量用于工業(yè)測(cè)溫。該傳感器基于電阻效應(yīng)進(jìn)行測(cè)溫工作[7]，原理如下：Pt100 感知阻值的變化，隨后將其變換為電壓或電流這些模擬信號(hào)，接著模擬量輸入通道采樣將上述模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳輸至主控制器，最后PLC 再進(jìn)行相應(yīng)的操作。本系統(tǒng)選用電橋測(cè)量溫度：當(dāng)Pt100 電阻的阻值發(fā)生變化時(shí)，電橋測(cè)量端會(huì)產(chǎn)生一定的電壓，通過壓差來計(jì)算出當(dāng)前溫度值。

鉑熱電阻的接法因?qū)刂凭纫蟮牟煌兴淖?，常見的接線方法有二線制、三線制以及四線制。由于四線制接法能夠通過增加采樣補(bǔ)償線和對(duì)地補(bǔ)償線來減少測(cè)量過程中的誤差，而且生產(chǎn)線上控制精度要求很高，故選用四線制接法是最好的選擇。

4.5 調(diào)節(jié)閥

本系統(tǒng)選用V2100 系列軟密封V 型球閥。V2100 的參數(shù)有很多，其中最重要的有通徑、壓力、法蘭距離、使用條件。其中通徑為L(zhǎng)L14-325(3)，壓力為FS24-520(4)，法蘭距離滿足ANSI 標(biāo)準(zhǔn)，使用條件的溫度在-196℃～+300℃之間。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

流程圖如圖3 所示。

圖3 PID 程序流程圖

系統(tǒng)程序[8]由以下幾部分構(gòu)成：

（1）主程序負(fù)責(zé)調(diào)用參數(shù)初始化子程序和實(shí)驗(yàn)子程序；

（2）參數(shù)初始化子程序在對(duì)PID 控制參數(shù)進(jìn)行初始化的同時(shí)對(duì)定時(shí)器中斷0 進(jìn)行使能，當(dāng)指定100ms 的定時(shí)中斷時(shí)間到之后便執(zhí)行一次中斷函數(shù)；

（3）實(shí)驗(yàn)子程序通過對(duì)傳入?yún)?shù)的判斷決定控制策略的選擇，并將算法的運(yùn)算結(jié)果更新至緩沖區(qū)，然后在定時(shí)器中斷發(fā)生時(shí)執(zhí)行輸出；

（4）輸入模擬量的數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序用來對(duì)模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換使其標(biāo)準(zhǔn)化。在西門子S7-200 中，由于模擬量測(cè)量范圍在0 至32000 之間，因此要將這些實(shí)際測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)化為PID 算法只能處理的0-1 范圍內(nèi)的值；

（5）輸出模擬量的數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序是將經(jīng)PID 運(yùn)算過后的標(biāo)準(zhǔn)模擬量值轉(zhuǎn)換為實(shí)際值，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)實(shí)際裝置；

（6）定時(shí)中斷子程序在中斷時(shí)間到達(dá)后被啟動(dòng)，執(zhí)行上述模擬量的轉(zhuǎn)換操作，刷新上一次的計(jì)算輸出，同時(shí)進(jìn)行本次運(yùn)算。

6 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

6.1 系統(tǒng)調(diào)試

在硬件設(shè)計(jì)時(shí)首先對(duì)S7-200PLC 系統(tǒng)的核心模塊進(jìn)行搭建，在搭建完后下載程序進(jìn)行輸入輸出的測(cè)試，如果所有的點(diǎn)能夠按照程序預(yù)計(jì)的輸出就說明硬件的搭建沒有問題。軟件的調(diào)試主要是對(duì)PID 內(nèi)各參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，PID 的各參數(shù)可以使用經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行初步的確立，確立后先將積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)去除，利用比例調(diào)節(jié)使其產(chǎn)生振蕩，然后加入積分控制，使得調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量減少。在比例積分調(diào)節(jié)完成后加入微分的作用，使得被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性變得更加優(yōu)秀。

6.2 現(xiàn)場(chǎng)演示（圖4-5）

圖4 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)

圖5 WinCC 實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面

7 結(jié)論

本文在果糖生產(chǎn)的背景上，分析了國(guó)內(nèi)外對(duì)于果糖結(jié)晶控制的研究現(xiàn)狀，提出實(shí)現(xiàn)果糖結(jié)晶的智能化控制勢(shì)在必行的觀點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出基于PLC 的果糖結(jié)晶控制系統(tǒng)，并從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面來分別闡述。在硬件方面，本系統(tǒng)選用可編程邏輯控制器S7-200 作為主控制器、WinCC 組態(tài)軟件作為上位機(jī)監(jiān)控器、Pt100 溫度傳感器來測(cè)量果糖結(jié)晶溶液的溫度以及選用調(diào)節(jié)閥V2100 來改變?cè)线M(jìn)給量；在軟件方面，本系統(tǒng)采用PID 算法，介紹了PID 各部分程序的作用與功能。該系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)果糖結(jié)晶的溫度控制與調(diào)節(jié)，還能節(jié)約人力、大幅降低成本，提升果糖產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)又提高了工業(yè)生產(chǎn)效率，更為重要的是該設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)現(xiàn)果糖生產(chǎn)過程的全面自動(dòng)化具有重大的參考價(jià)值。