基于PLC控制的烘烤爐系統(tǒng)研究與設(shè)計

賈春舫　班小強　覃桂全　李美玲

摘 要：針對食品加工行業(yè)烘烤爐采用傳統(tǒng)的溫度器控制存在時變、大慣性、滯后、控制參數(shù)難以調(diào)整等問題，為防止因溫度原因造成產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定，產(chǎn)量低，提出了基于PLC控制的烘烤爐系統(tǒng)研究與設(shè)計。系統(tǒng)采用了三菱FX2N系列PLC為核心控制器，應(yīng)用PID指令編程，結(jié)合PID控制算法進行調(diào)節(jié)，采用溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，實時控制加熱管的發(fā)熱量，經(jīng)實際應(yīng)用測試結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，該加熱控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，調(diào)節(jié)速度快，溫度控制精準，誤差小于±1℃，符合食品加工行業(yè)的要求。

關(guān)鍵詞：PLC控制器;PID運算;溫度控制;烘烤爐

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）04-0142-04

Abstract： There are some problems of time-varying， large inertia， hysteresis and difficult adjustment of control parameters in the traditional temperature control system of food processing industry， thus in order to prevent the instability of product quality and low output caused by temperature， the research and design of the baking oven system based on PID control is put forward. System adopts the mitsubishi FX2N series PLC as the core controller， uses PID instruction to programmeg， combines PID control algorithm to adjust， adopts temperature sensor to collect data， and controls the heat of heating tube in real time. The actual application test results show that the heating control system works stably， the adjustment speed is fast， the temperature control is accurate， and the error is less than ±1℃， which are in line with the requirements of food processing industry.

Key words：? PLC controller; PID operation; temperature control; baking oven

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，造價便宜、操作復(fù)雜，溫度和烘烤時間完全依靠人的經(jīng)驗。雖然有獨特的口感，但存在安全隱患并且會造成環(huán)境污染。天然氣烤制相對環(huán)保，但是溫度依然要依靠人的經(jīng)驗來調(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，因不存在明火相對健康衛(wèi)生了很多，同時大大降低了煙霧產(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。

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，但實際使用效果對比來看，發(fā)現(xiàn)溫度范圍波動非常大，不適用于對高端食材烘烤的要求。通過市場調(diào)研，針對各烘烤爐存在的問題，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控制算法進行調(diào)節(jié)[1]，精準的控制溫度，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變性、波動大的難題。通過在觸摸屏上編制系統(tǒng)運行監(jiān)控畫面，實時監(jiān)控溫度和報警記錄的功能來監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)。該產(chǎn)品特點是升溫速度快，溫度控制精準，可以滿足對高端食材烘烤的要求，同時設(shè)備硬件上引入了觸摸屏，可以針對不同的食材，設(shè)置不同的烤制參數(shù)，具有智能存儲的功能，能實現(xiàn)在不同食材之間實現(xiàn)一鍵切換的功能，而且還可以依據(jù)個人口感靈活設(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PID特殊功能指令實現(xiàn)單回路閉環(huán)系統(tǒng)控制[2]。系統(tǒng)實現(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，通過反復(fù)設(shè)置不同溫度值與不同的P、I、D參數(shù)值，測試不同的P、I、D參數(shù)值對PID運算結(jié)果的影響。應(yīng)用人機界面設(shè)定報警模式。實際溫度值與設(shè)定溫度值有一個上下限偏差值，當系統(tǒng)檢測到實際溫度超過上下限偏差值時，系統(tǒng)報警并切斷加熱控制同時聲光報警提示，并且在觸摸屏上有相對應(yīng)的報警提示彈出，方便對報警的故障原因查找和處理[3]。

1.2 硬件具體配置方案

系統(tǒng)硬件原理圖如圖1所示。

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，缺點在于繼電器輸出，有觸點，使用壽命短，實現(xiàn)不了高速頻繁通斷場合[4]。三菱PLC相對于其它類型PLC編程語言簡單，容易理解，其次系統(tǒng)配置相對靈活可自由選擇擴展單元和擴展模塊，組成不同I/O點和不同功能的控制系統(tǒng)，各種配置性能價格比高。

擴展模塊選型：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準確性高，抗干擾能力強。若采集電壓值時，檢測裝置導(dǎo)線加長，線路上會有壓降，電壓會有損失，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量范圍和熱電偶的測量范圍值要相對應(yīng)，例如溫度變送器測量范圍值是0～600℃，熱電偶的測量值也必須是0～600℃。

固態(tài)繼電器：電力電子功率器件組成的無觸點開關(guān)。能在高沖擊、振動的環(huán)境下工作。固態(tài)繼電器使用壽命長，靈敏度高，可靠性高，控制功率小，沒有觸點燃弧和回跳電磁干擾小?？焖偾袚Q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，在應(yīng)用過程中對高溫具有較好的適應(yīng)性。其中K型熱電偶測溫范圍較大大約-270～1400℃[5]。

1.3 控制流程

系統(tǒng)控制流程如圖2所示。

2 PID指令應(yīng)用

本系統(tǒng)采用增量式PID控制算法，控制增量△MV。即上一個采樣周期和本次采樣周期輸出值差值[6]。綜合式（1）（2）（3）可以看出，如果PLC控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期TS，只要用前后3次測量值的偏差，就可以求出控制增量，進而得出本次操作量是MVn[7-8]。

式中：EVn為本次采樣時的偏差;EVn-1為1個周期前的偏差;SV為目標值;PVnf為本次采樣時的測定值（濾波后）;PVnf-1為 1個周期前的測定值（濾波后）;PVnf-2為2個周期前的測定值（濾波后）;Dn為本次的微分項;Dn-1為1個周期前的微分項;Kp為比例;TS為采樣周期;TI為積分常數(shù);TD為微分常數(shù);△MV為輸出變化量;MVn為本次的操作量;ɑD為微分增益;ɑ為輸入濾波常數(shù)。

S1.操作數(shù)是目標值SV（設(shè)定溫度）;S2.操作數(shù)是測定值PV（實際檢測到的溫度）;S3.操作數(shù)是PID控制參數(shù)單元首址;D.操作數(shù)是PID運算結(jié)果輸出MV。程序控制采用三菱PLC的PID指令編制梯形圖，如圖3所示。

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

3 運行結(jié)果分析

運行結(jié)果分析采用工程整定的方法進行調(diào)整，按照工程經(jīng)驗先確定一組參數(shù)進行試驗整定[9-10]。系統(tǒng)硬件搭建好后，首先在硬件上要對變送器、熱電偶、模擬量輸入模塊進行校準，確定模擬量的輸入方式，本系統(tǒng)電流輸入方式。為驗證控制系統(tǒng)的有效性，利用仿真工具MATLAB反復(fù)試驗測試，得到相應(yīng)的仿真波形。觀察單位階躍信號作用下經(jīng)過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。

細實線曲線為第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)會一直存偏差;虛線曲線為第2組參數(shù)響應(yīng)，當積分環(huán)節(jié)加入雖然會使得偏差消除，但是在開始響應(yīng)的時間會存在較大的超調(diào)量以及系統(tǒng)穩(wěn)定時間也較長。粗實線曲線為第3組參數(shù)響應(yīng)，當加入微分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)輸出曲線響應(yīng)較好，幾乎沒有振蕩，達到理想的效果[11]。

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

通過觀察測試得出表2最后一組數(shù)據(jù)控制的偏差值比較小，基本達到了PID 對溫度的精準控制。因為溫度具有大慣性的特性，即使溫度達到了設(shè)定值，PID運算也是有一個微小的輸出值，在這個微小的輸出值控制下，爐內(nèi)實際溫度在設(shè)定溫度的±1℃范圍內(nèi)變化，同時固態(tài)繼電器一直有一個微小的輸出來維當前的溫度，正是因為固態(tài)繼電器始終有輸出，所以加熱管始終處于一個發(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

該控制系統(tǒng)以加熱烘烤爐為被控對象，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，運用PLC梯形圖進行編程，實現(xiàn)加熱溫度的自動控制，從而取代了傳統(tǒng)的溫度控制，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后系統(tǒng)的快速性、準確性以及穩(wěn)定性都有較大的提高。整套系統(tǒng)由于采用PLC控制器同時結(jié)合PID控制算法，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性大幅度提高。當烘烤爐內(nèi)置高比熱的保溫材料，把一定的熱量存儲起來，在斷電后一定時間內(nèi)仍然可以進行等溫放熱。此產(chǎn)品溫度控制系統(tǒng)性價比較高，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。

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