基于西門子S7-1500PLC的麥芽糊精干燥控制系統(tǒng)設(shè)計

宋彥生 儲健

摘要：麥芽糊精是生活生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的食品原料，因此生產(chǎn)工序是非常重要的。傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝比較生產(chǎn)效率低下且不安全，本文主對麥芽糊精生產(chǎn)的干燥控制系統(tǒng)做出設(shè)計，其使用了S71500PLC和WINCC上位機(jī)結(jié)合進(jìn)行自動控制，通過PLC控制各個閥門、電機(jī)、溫度、壓力和液位傳感器等開控制產(chǎn)線運(yùn)行。其中應(yīng)用PID控制算法進(jìn)行現(xiàn)場儀表的調(diào)節(jié)，通過采集現(xiàn)場信號反饋回來之后與設(shè)定值比較，再到PID調(diào)節(jié)器中進(jìn)行調(diào)節(jié)，繼而達(dá)到期望狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：麥芽糊精，S71500PLC，WINCC上位機(jī)，PID控制算法

Abstract：Maltodextrin is a widely used food material in daily life production，so the production process is very important.The traditional production process is relatively inefficient and unsafe.This article mainly designs the drying control system for maltodextrin production，which uses the combination of S71500PLC and WINCC upper computer for automatic control，and PID control algorithm is used to adjust the on-site instrumentation.After collecting the on-site signal feedback，it is compared with the set value，and then adjusted in the PID regulator to reach the desired state.

Keywords：Maltodextrin，S71500PLC，WINCC host computer，PID control algorithm

1 研究背景

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)生活中對糖的需求越來越多，麥芽糊精成為生產(chǎn)生活中廣為應(yīng)用的一種食品加工原料。糊精質(zhì)量優(yōu)質(zhì)，富含營養(yǎng)價值，和葡萄糖具有幾乎同樣的功效。生產(chǎn)糊精成為了更多公司的選擇。其生產(chǎn)工藝流程如下：以各種玉米、大米、紅薯淀粉等作為原料，把淀粉調(diào)制為淀粉乳，然后通過加入淀粉酶進(jìn)行液化操作，生成糊精液，再進(jìn)行脫色，離子交換，降膜蒸發(fā)及干燥等流程生產(chǎn)成品進(jìn)行打包出售。在糖果生產(chǎn)、飲料生產(chǎn)、餅干生產(chǎn)、醫(yī)藥行業(yè)中都有很大的使用價值。麥芽糊精在國外也廣泛使用，美國采用的是液化淀粉進(jìn)行水解后進(jìn)行干燥得到的產(chǎn)品。麥芽糊精的生產(chǎn)的方式主要有酸法、酶法和酸酶法，我們采用的是酶法，這樣可以避免產(chǎn)生沉淀物，進(jìn)而減少浪費(fèi)，提高生產(chǎn)量。

麥芽糊精的生產(chǎn)工藝流程如圖2-1所示下：

麥芽糊精干燥控制系統(tǒng)過程如下所訴：

淀粉制成淀粉乳，乳液通過進(jìn)料泵進(jìn)入均質(zhì)機(jī)，在均質(zhì)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)下把淀粉乳液進(jìn)行不斷攪拌，使得料液更加細(xì)膩均勻，然后經(jīng)過輸送管道送至干燥塔內(nèi)，壓縮空氣通過進(jìn)入布袋室過濾除塵后經(jīng)過散熱器，同時來自高壓蒸汽管道的熱蒸汽經(jīng)過散熱器，二者形成熱風(fēng)，吹入干燥塔對料液進(jìn)行蒸發(fā)，蒸發(fā)出來的氣體通過熱蒸汽冷凝水管進(jìn)行冷凝回收利用。干燥后的麥芽糊精粉經(jīng)過大旋風(fēng)分離器進(jìn)行分離，最終和氣體分離進(jìn)入收集箱進(jìn)行打包出售。

2控制方案

本次生產(chǎn)設(shè)計中主要爭對麥芽糊精的干燥工藝進(jìn)行討論，此次設(shè)計利用了西門子S71500PLC和wincc上位機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)自動化控制，不僅能提高生產(chǎn)效率，而且節(jié)約成本，質(zhì)量保障，安全可行。

2.1.硬件設(shè)計

本文中應(yīng)用下位機(jī)S71500PLC硬件和上位機(jī)Wincc監(jiān)控配合，設(shè)計中PLC模塊使用了西門子1513CPU、冗余1513CPU、STIOP電源、內(nèi)部電源、內(nèi)部冗余電源、外部電源、外部冗余電源、通訊模塊、光電轉(zhuǎn)換器、DI模塊、DO模塊、AI模塊、AO模塊、交換機(jī)、空氣開關(guān)、保險端子若干、西門子網(wǎng)線、光纖等，其中還增加了三個SIMATIC ET 200SP從站進(jìn)行拓展，使得CPU與現(xiàn)場更多儀表進(jìn)行信息交流，硬件設(shè)備清單如表3-1所示，現(xiàn)場儀表清單如表3-2所示。

CPU作為控制中心裝載程序，處理各種數(shù)據(jù)，內(nèi)部電源給電柜箱中的CPU和各種模塊供電，外部電源給現(xiàn)場儀表供電，冗余電源作為備用電源，主電源發(fā)生意外時進(jìn)行工作。通訊模塊接收和發(fā)送信息，進(jìn)行信息交流，交換機(jī)增加了網(wǎng)口，更加便捷。在現(xiàn)場中一般通訊距離100米左右，超過100米時需要使用光纖進(jìn)行通訊，故光電轉(zhuǎn)換器使得光信號和電信號互相轉(zhuǎn)換。AO模塊進(jìn)行模擬量的設(shè)定，AI模塊讀取現(xiàn)場儀表設(shè)備的狀態(tài)，如生產(chǎn)線中的溫度、壓力、流量、液位等，與設(shè)定量進(jìn)行對比，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，再通過DO模塊對開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥、電機(jī)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的儀表狀態(tài)通過DI模塊進(jìn)行讀取，循壞往復(fù)，減小誤差，使得現(xiàn)場儀表值達(dá)到設(shè)定值，控制系統(tǒng)高效快速運(yùn)行?，F(xiàn)場運(yùn)行使用PROFIBUS現(xiàn)場總線通訊，傳送現(xiàn)場閥門、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等運(yùn)行信號。PLC現(xiàn)場控制原理如圖2.1所示。

2.2程序開發(fā)

本設(shè)計中plc程序用高級編程（ST）語言編寫，在西門子TIA Portal V15軟件中進(jìn)行編寫，TIA Portal V15集成了PLC硬件組態(tài)、程序編寫與WINCC監(jiān)控功能，程序下載到CPU和和CPU中上載到計算機(jī)都通過TIA Portal V15。編寫程序時輸入輸出變量都與現(xiàn)場接線端子的點(diǎn)位號上、一一對應(yīng)。程序設(shè)計中使用了PID算法調(diào)節(jié)進(jìn)行模擬量控制和數(shù)字量的控制。

P為比例環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下的瞬間偏差做出反應(yīng)，只要偏差一出現(xiàn)就進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的快慢取決于Kp的大小，Kp越大，調(diào)節(jié)速度越快。

I為積分環(huán)節(jié)，當(dāng)接近理想狀態(tài)但仍有誤差，使用積分環(huán)節(jié)消除誤差，

D為微分環(huán)節(jié)，消除靜態(tài)狀態(tài)下的誤差。

PID調(diào)節(jié)器選擇：

本控制系統(tǒng)中使用PID控制原理進(jìn)行調(diào)節(jié)，使用PID調(diào)節(jié)的有進(jìn)出料流量控制器，蒸汽溫度、壓力、流量控制器，溫度使用PID調(diào)節(jié)器，壓力采用采用PI調(diào)節(jié)器，流量采用PI調(diào)節(jié)器，液位采用PI調(diào)節(jié)器。

2.3上位機(jī)組態(tài)

上位機(jī)使用的是WINCC7.4進(jìn)行了畫面制作，與現(xiàn)場變量一一對應(yīng)，現(xiàn)場設(shè)備在PLC控制下運(yùn)行后畫面顯示設(shè)備儀表的實時運(yùn)行狀態(tài)，且在上位機(jī)WINCC可以設(shè)定值，如溫度、壓力、流量等。畫面中設(shè)置了報警器，當(dāng)現(xiàn)場運(yùn)行出現(xiàn)故障時，對應(yīng)報警器進(jìn)行報警，使得運(yùn)行更加安全方便。如圖4-1為麥芽糊精干燥均質(zhì)機(jī)運(yùn)行畫面，圖4-2為麥芽糊精干燥運(yùn)行畫面。

3.結(jié)論

本次設(shè)計的設(shè)計理念主要是爭對自動控制生產(chǎn)線制作的，極大程度的減少了人力成本且提升了生產(chǎn)效率。上位機(jī)WINCC對現(xiàn)場儀表可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得現(xiàn)場情況一目了然，遠(yuǎn)程進(jìn)行控制監(jiān)控，很大程度增加了生產(chǎn)速率和經(jīng)濟(jì)效益。其中PID算法的使用更是點(diǎn)睛之筆，使得現(xiàn)場設(shè)備實現(xiàn)自動高效調(diào)節(jié)，系統(tǒng)安全可靠。此次自動控制項目設(shè)計在河北某公司使用運(yùn)行完好，且這種自動化生產(chǎn)應(yīng)用到各大食品制造行業(yè)將是很重要的一步。在往后的項目研究中我們將更加深入優(yōu)化算法，使得現(xiàn)場控制更加快速精確。

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作者簡介：

宋彥生，出生年月日：1997.06.23，性別：男，民族：漢，籍貫：山西，學(xué)歷：碩士研究生，研究方向：控制工程，工作單位：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)。

儲健，出生年月日：1961年4月，性別：男，民族：漢，籍貫：天津市人，學(xué)歷：碩士 ?職稱：教授，研究方向：檢測技術(shù)，工作單位：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)。