基于PLC控制的烘烤爐系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

賈春舫，班小強(qiáng)，覃桂全，李美玲

（1.廣東南方職業(yè)學(xué)院智能制造學(xué)院，廣東 江門 529000 ；2.江門市江海區(qū)邁博自動(dòng)化機(jī)械有限公司，廣東 江門 529000）

烘烤爐是食品加工行業(yè)常用的設(shè)備，在市面上能看到的大概有碳烤、天然氣烤、電加熱烤等幾種類型。碳烤是歷史最悠久的一種烘烤方法，造價(jià)便宜、操作復(fù)雜，溫度和烘烤時(shí)間完全依靠人的經(jīng)驗(yàn)。雖然有獨(dú)特的口感，但存在安全隱患并且會(huì)造成環(huán)境污染。天然氣烤制相對(duì)環(huán)保，但是溫度依然要依靠人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)制溫度，天然氣屬于易燃易爆品，且屬于明火烘烤具有極大的安全隱患，同時(shí)受限于使用環(huán)境。電加熱烤是目前用的比較多的烘烤設(shè)備，因不存在明火相對(duì)健康衛(wèi)生了很多，同時(shí)大大降低了煙霧產(chǎn)生和排放，環(huán)保方面有比較大的改善，安全方面也降低了火災(zāi)事故的發(fā)生，是行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

目前電加熱烘烤設(shè)備一般采用傳統(tǒng)控制器控制溫度，雖然具有溫度調(diào)節(jié)功能，但實(shí)際使用效果對(duì)比來(lái)看，發(fā)現(xiàn)溫度范圍波動(dòng)非常大，不適用于對(duì)高端食材烘烤的要求。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，針對(duì)各烘烤爐存在的問(wèn)題，研制出一種烘烤爐溫度控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用PLC作為控制器，應(yīng)用PID指令編程，結(jié)合PID控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，精準(zhǔn)的控制溫度，使溫度誤差可以控制到±1℃，且工作效率高、節(jié)能環(huán)保，有效的解決溫度控制的時(shí)變性、波動(dòng)大的難題。通過(guò)在觸摸屏上編制系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控畫面，實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度和報(bào)警記錄的功能來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。該產(chǎn)品特點(diǎn)是升溫速度快，溫度控制精準(zhǔn)，可以滿足對(duì)高端食材烘烤的要求，同時(shí)設(shè)備硬件上引入了觸摸屏，可以針對(duì)不同的食材，設(shè)置不同的烤制參數(shù)，具有智能存儲(chǔ)的功能，能實(shí)現(xiàn)在不同食材之間實(shí)現(xiàn)一鍵切換的功能，而且還可以依據(jù)個(gè)人口感靈活設(shè)置烤制參數(shù)，極具人性化智能化。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)方案

首先確定烘烤爐系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，主要是采用三菱FX2N-48MT PLC控制器，F(xiàn)X0N-3A模擬量輸入輸出混合模塊，溫度變送器，K型熱電偶以及固態(tài)繼電器組成，通過(guò)PID特殊功能指令實(shí)現(xiàn)單回路閉環(huán)系統(tǒng)控制。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)烘烤爐內(nèi)腔溫度快速調(diào)整為設(shè)定溫度并保持恒定，通過(guò)反復(fù)設(shè)置不同溫度值與不同的P、I、D參數(shù)值，測(cè)試不同的P、I、D參數(shù)值對(duì)PID運(yùn)算結(jié)果的影響。應(yīng)用人機(jī)界面設(shè)定報(bào)警模式。實(shí)際溫度值與設(shè)定溫度值有一個(gè)上下限偏差值，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到實(shí)際溫度超過(guò)上下限偏差值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警并切斷加熱控制同時(shí)聲光報(bào)警提示，并且在觸摸屏上有相對(duì)應(yīng)的報(bào)警提示彈出，方便對(duì)報(bào)警的故障原因查找和處理。

1.2 硬件具體配置方案

系統(tǒng)硬件原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件原理圖Fig.1 Schematic diagram of system hardware

PLC控制器選型：基于本系統(tǒng)是溫度控制系統(tǒng)，PLC輸出控制固態(tài)繼電器頻繁通斷，確定選擇FX2N-48MT晶體管輸出型PLC，晶體管輸出適用于頻繁通斷、高速處理的中小型系統(tǒng)。若選用繼電器（R）型，缺點(diǎn)在于繼電器輸出，有觸點(diǎn)，使用壽命短，實(shí)現(xiàn)不了高速頻繁通斷場(chǎng)合。三菱PLC相對(duì)于其它類型PLC編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單，容易理解，其次系統(tǒng)配置相對(duì)靈活可自由選擇擴(kuò)展單元和擴(kuò)展模塊，組成不同I/O點(diǎn)和不同功能的控制系統(tǒng)，各種配置性能價(jià)格比高。

擴(kuò)展模塊選型：選用FX0N-3A模擬量輸入輸出混合模塊。它提供8位分辨率精度，包含兩路模擬量輸入通道和一路模擬量輸出通道。本系統(tǒng)中FX0N-3A采集的是電流值，相比于采集電壓值時(shí)準(zhǔn)確性高，抗干擾能力強(qiáng)。若采集電壓值時(shí)，檢測(cè)裝置導(dǎo)線加長(zhǎng)，線路上會(huì)有壓降，電壓會(huì)有損失，產(chǎn)生誤差。

溫度變送器選型：二線制輸出4~20 mA， 0.1%FS高精度。注意的是溫度變送器測(cè)量范圍和熱電偶的測(cè)量范圍值要相對(duì)應(yīng)，例如溫度變送器測(cè)量范圍值是0~600℃，熱電偶的測(cè)量值也必須是0~600℃。

固態(tài)繼電器：電力電子功率器件組成的無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)。能在高沖擊、振動(dòng)的環(huán)境下工作。固態(tài)繼電器使用壽命長(zhǎng)，靈敏度高，可靠性高，控制功率小，沒(méi)有觸點(diǎn)燃弧和回跳電磁干擾小。快速切換速度可從幾毫秒至幾微秒，輸入直流3~32 VDC，控制輸出24~480 VAC。

溫度采集裝置選型：選用K型熱電偶。K型熱電偶傳感器抗氧化能力較強(qiáng)，在應(yīng)用過(guò)程中對(duì)高溫具有較好的適應(yīng)性。其中K型熱電偶測(cè)溫范圍較大大約-270~1400℃。

1.3 控制流程

系統(tǒng)控制流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制流程Fig.2 Flow of system control

2 PID指令應(yīng)用

式中：EV為本次采樣時(shí)的偏差；EV為1個(gè)周期前的偏差；為目標(biāo)值；PV為本次采樣時(shí)的（3）測(cè)定值（濾波后）；PV為 1個(gè)周期前的測(cè)定值（濾波后）；PV為2個(gè)周期前的測(cè)定值（濾波后）；D為本次的微分項(xiàng)；D為1個(gè)周期前的微分項(xiàng)；K為比例；T為采樣周期；為積分常數(shù)；為微分常數(shù)；△為輸出變化量；為本次的操作量；為微分增益；為輸入濾波常數(shù)。

表1 PID指令Tab.1 PID instruction

S1.操作數(shù)是目標(biāo)值（設(shè)定溫度）；S2.操作數(shù)是測(cè)定值（實(shí)際檢測(cè)到的溫度）；S3.操作數(shù)是PID控制參數(shù)單元首址；.操作數(shù)是PID運(yùn)算結(jié)果輸出。程序控制采用三菱PLC的PID指令編制梯形圖，如圖3所示。

圖3 PLC程序控制梯形圖Fig.3 Ladder Diagram of PLC program control

D10里存放采樣時(shí)間；D11存放設(shè)定動(dòng)作逆動(dòng)作，有上下限；D12存放濾波輸入；D13比例系數(shù)；D14積分時(shí)間；D15微分時(shí)間；D32輸出上限；D33輸出下限。為了使PID控制得到精準(zhǔn)的結(jié)果，要確定好PID的采樣時(shí)間T，PID動(dòng)作方向，濾波常數(shù)，比例增益，積分時(shí)間，微分時(shí)間。

3 運(yùn)行結(jié)果分析

運(yùn)行結(jié)果分析采用工程整定的方法進(jìn)行調(diào)整，按照工程經(jīng)驗(yàn)先確定一組參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)整定。系統(tǒng)硬件搭建好后，首先在硬件上要對(duì)變送器、熱電偶、模擬量輸入模塊進(jìn)行校準(zhǔn)，確定模擬量的輸入方式，本系統(tǒng)電流輸入方式。為驗(yàn)證控制系統(tǒng)的有效性，利用仿真工具M(jìn)ATLAB反復(fù)試驗(yàn)測(cè)試，得到相應(yīng)的仿真波形。觀察單位階躍信號(hào)作用下經(jīng)過(guò)PID參數(shù)調(diào)節(jié)后與系統(tǒng)的設(shè)定值存在偏差情況，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)仿真誤差曲線趨勢(shì)圖Fig.4 Trend chart of system simulation error curve

細(xì)實(shí)線曲線為第1組數(shù)據(jù)參數(shù)響應(yīng)，可以看到?jīng)]有積分微分環(huán)節(jié)下，只有比例環(huán)節(jié)作用下系統(tǒng)會(huì)一直存偏差；虛線曲線為第2組參數(shù)響應(yīng)，當(dāng)積分環(huán)節(jié)加入雖然會(huì)使得偏差消除，但是在開始響應(yīng)的時(shí)間會(huì)存在較大的超調(diào)量以及系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間也較長(zhǎng)。粗實(shí)線曲線為第3組參數(shù)響應(yīng)，當(dāng)加入微分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)輸出曲線響應(yīng)較好，幾乎沒(méi)有振蕩，達(dá)到理想的效果。

采樣幾組數(shù)據(jù)，并應(yīng)用于實(shí)際，同時(shí)觀察觸摸屏上系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，記錄并選取最佳的PID 參數(shù)，如表2所示。

表2 PID調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameter setting of PID adjustment

通過(guò)觀察測(cè)試得出表2最后一組數(shù)據(jù)控制的偏差值比較小，基本達(dá)到了PID 對(duì)溫度的精準(zhǔn)控制。因?yàn)闇囟染哂写髴T性的特性，即使溫度達(dá)到了設(shè)定值，PID運(yùn)算也是有一個(gè)微小的輸出值，在這個(gè)微小的輸出值控制下，爐內(nèi)實(shí)際溫度在設(shè)定溫度的±1℃范圍內(nèi)變化，同時(shí)固態(tài)繼電器一直有一個(gè)微小的輸出來(lái)維當(dāng)前的溫度，正是因?yàn)楣虘B(tài)繼電器始終有輸出，所以加熱管始終處于一個(gè)發(fā)紅狀態(tài)，升溫速度快，爐內(nèi)溫度穩(wěn)定，烘烤爐效率高，節(jié)能效果顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

該控制系統(tǒng)以加熱烘烤爐為被控對(duì)象，以加熱溫度為被控參數(shù)，構(gòu)成加熱溫度控制系統(tǒng)，采用PLC為控制器PID算法，運(yùn)用PLC梯形圖進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)加熱溫度的自動(dòng)控制，從而取代了傳統(tǒng)的溫度控制，經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)后系統(tǒng)的快速性、準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性都有較大的提高。整套系統(tǒng)由于采用PLC控制器同時(shí)結(jié)合PID控制算法，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性大幅度提高。當(dāng)烘烤爐內(nèi)置高比熱的保溫材料，把一定的熱量存儲(chǔ)起來(lái)，在斷電后一定時(shí)間內(nèi)仍然可以進(jìn)行等溫放熱。此產(chǎn)品溫度控制系統(tǒng)性價(jià)比較高，節(jié)能環(huán)保，投入生產(chǎn)以后在食品行業(yè)以及其他溫度控制中發(fā)揮較大的作用。