基于PLC谷物脈沖微波殺蟲機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)

聶少伍，黃漢英，胡月來，趙思明

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，武漢 430070；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科技學(xué)院，武漢 430070）

0 引言

微波爐作為一種先進(jìn)設(shè)備，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于加熱、干燥、殺菌等工業(yè)研究與生產(chǎn)中[1]，在改變傳統(tǒng)工藝過程中發(fā)揮了重要作用。隨著微波爐需求的增加，對(duì)微波爐性能的要求也越來越高，主要集中在物料溫度穩(wěn)定性、可靠性與均勻性，微波能的有效利用，以及微波爐的自動(dòng)化水平。

目前市場上銷售的微波爐多采用紅外溫度檢測傳感器采集溫度，紅外溫度檢測傳感器具有穩(wěn)定性好、精度高等特點(diǎn)，為物料溫度控制提供了依據(jù)，然而，微波加熱是由內(nèi)及外的，紅外溫度檢測傳感器所采集的溫度為物料表面或爐腔內(nèi)部空氣溫度，與物料內(nèi)部溫度存在較大誤差，導(dǎo)致物料溫度控制精度不高。另外，微波爐工作方式多采用普通微波，只利用了微波的熱效應(yīng)，未能充分利用微波的非熱效應(yīng)。脈沖微波不僅可以取得普通微波同樣的殺菌結(jié)果，而且具有殺菌時(shí)間更短，溫升和能耗較低，效率較高的特點(diǎn)[2～5]。目前部分微波設(shè)備采用定時(shí)器開關(guān)控制磁控管來實(shí)現(xiàn)脈沖微波，但是這種方法對(duì)控制系統(tǒng)、磁控管加熱系統(tǒng)有較大沖擊，降低了微波爐的使用壽命。

針對(duì)上述問題，本文在前期研究的基礎(chǔ)上[6]，對(duì)谷物脈沖微波殺蟲機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以PLC和觸摸屏為控制核心，采用PT100鉑熱電阻對(duì)出料口物料溫度進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制，利用智能晶閘管模塊實(shí)現(xiàn)脈沖微波輸出[7]。

1 設(shè)備構(gòu)成

谷物脈沖微波殺蟲機(jī)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1）微波爐箱體：采用隧道式結(jié)構(gòu)，微波爐由7節(jié)完全相同的微波爐箱體焊接組成。

2）磁控管加熱系統(tǒng)：由90個(gè)磁控管組成，型號(hào)為松下2M210-M1，最大輸出功率900W。分為16組，分布在微波爐箱體的上表面。90套高壓變壓器、燈絲變壓器，為磁控管提供能量。48套智能晶閘管模塊，分為4組，分別控制后4節(jié)箱體的48個(gè)磁控管。4個(gè)12V直流電源分別為4組智能晶閘管模塊供電。

3）物料傳輸系統(tǒng)：由提升機(jī)、輕型帶式輸送機(jī)組成，帶式輸送機(jī)配置變頻器進(jìn)行無極調(diào)速。

4）冷卻循環(huán)系統(tǒng)：高壓變壓器采用油冷，磁控管采用水冷，燈絲變壓器采用風(fēng)冷，油路冷卻循環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)主要由油泵、油管組成，水路冷卻循環(huán)系統(tǒng)主要由水泵1、水泵2、冷卻塔風(fēng)機(jī)和水管組成。

5）控制系統(tǒng)：采用 PLC和觸摸屏為核心控制器，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制。

6）溫度檢測系統(tǒng)：利用溫度傳感器檢測出料口物料溫度，實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制。

7）安全防護(hù)系統(tǒng)：采用抗流結(jié)構(gòu)爐門來觀察或維護(hù)微波爐內(nèi)的工作情況，在物料進(jìn)出口安裝雙面群島漏能抑制器，抑制微波的泄漏。

圖1 谷物微波殺蟲機(jī)主體結(jié)構(gòu)

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)框圖如圖2所示，由圖可知，控制系統(tǒng)主要包括PLC控制器及相關(guān)I/O模塊、觸摸屏、智能晶閘管模塊、溫度檢測模塊以及控制對(duì)象幾個(gè)部分，主要控制對(duì)象如表1所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體框圖

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 PLC端口電路設(shè)計(jì)

根據(jù)微波爐控制要求，經(jīng)計(jì)算，需要26個(gè)數(shù)字量輸出端口，4個(gè)模擬量輸入端口以及3個(gè)模擬量輸出端口。為滿足設(shè)計(jì)要求，選用西門子S7-200CPU224 CN PLC，2個(gè)數(shù)字量模塊EM222，1個(gè)模擬量輸出模塊EM232，1個(gè)模擬量輸入/輸出模塊EM235，數(shù)字量輸入/輸出點(diǎn)數(shù)為14/26，模擬量輸入/輸出點(diǎn)數(shù)為4/3，PLC端子分配如表2所示。

表1 主要控制對(duì)象

2.1.2 微波控制電路設(shè)計(jì)

選用智能晶閘管模塊控制微波加熱系統(tǒng)，智能晶閘管模塊型號(hào)為MJYD-JL-20，由淄博市臨淄銀河高技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)，晶閘管模塊輸入信號(hào)為4mA～20mA，其控制原理圖如圖3所示?？刂品椒ㄈ缦拢?/p>

1）脈沖微波的形成。采用PLC定時(shí)器控制功能形成PWM脈沖信號(hào)，低電平時(shí)，晶閘管模塊的輸入信號(hào)為4mA，控制磁控管微波功率為0W，高電平時(shí)，晶閘管模塊的輸入信號(hào)為20mA，微波功率為900W，從而形成脈沖微波。

2）脈沖微波功率調(diào)節(jié)。當(dāng)PWM脈沖信號(hào)占空比小于1時(shí)，輸出為脈沖微波，通過PWM的占空比大小和晶閘管模輸入信號(hào)，即可改變單位時(shí)間內(nèi)磁控管的輸出功率。

3）普通微波功率調(diào)節(jié)。當(dāng)PWM脈沖信號(hào)占空比為1時(shí)，輸出普通微波，通過PLC輸出開關(guān)信號(hào)，控制磁控管通斷，實(shí)現(xiàn)磁控管輸出微波功率的調(diào)節(jié)。

表2 PLC端子分配

圖3 脈沖微波控制器原理圖

2.1.3 溫度控制電路設(shè)計(jì)

溫度控制電路設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于溫度信號(hào)的采集與模擬量信號(hào)的傳輸與處理。采用pt100鉑熱電阻，型號(hào)為WZP-230，檢測范圍-200℃～500℃，精度等級(jí)A級(jí)，能滿足本系統(tǒng)溫度采集的要求，配備了二線制溫度變送器，輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)4mA～20mA，pt100鉑熱電阻與二線制溫度變送器均由福建上潤精密儀器有限公司生產(chǎn)。系統(tǒng)將4路pt100均勻縱向布置在微波爐出料口，采集物料溫度信號(hào)，由模擬量輸入模塊EM235接收，CPU處理后，模擬量輸出模塊EM232輸出PWM脈沖信號(hào)，控制智能晶閘管模塊，改變磁控管輸出功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度閉環(huán)控制。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主程序、初始化子程序、溫度采集與顯示子程序、自動(dòng)子程序、手動(dòng)子程序、自動(dòng)脈沖微波控制子程序、手動(dòng)脈沖微波控制子程序、故障報(bào)警等。

2.2.1 溫度與脈沖微波控制程序

溫度與脈沖微波控制程序是系統(tǒng)的控制核心，采用pt100鉑熱電阻采集出料口物料溫度，由EM235將信號(hào)輸入CPU224，經(jīng)處理，由EM235、EM232輸出端控制智能晶閘管模塊輸入信號(hào)或工作時(shí)間，改變磁控管功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的閉環(huán)控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為手動(dòng)、自動(dòng)兩種模式。在自動(dòng)模式下，溫度控制算法采用PID算法，計(jì)算出脈沖占空比，由EM235輸出控制信號(hào)，通過智能晶閘管模塊調(diào)節(jié)脈沖微波占空比，改變磁控管微波輸出功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制與調(diào)節(jié)。在手動(dòng)模式下，操作人員根據(jù)溫度控制要求，通過HMI設(shè)置PWM脈沖信號(hào)占空比或直接設(shè)置磁控管輸出功率，溫度與脈沖微波控制程序流程圖如圖4所示。

圖4 溫度與脈沖微波控制程序框圖

本系統(tǒng)采用普通微波和脈沖微波兩種方式控制磁控管，通過改變磁控管有效工作時(shí)間，調(diào)節(jié)輸出總功率，進(jìn)而對(duì)溫度進(jìn)行控制。為保證溫度上升幅度和速率，前3節(jié)箱體的磁控管采用普通微波方式，并通過PLC定時(shí)器功能控制磁控管工作時(shí)間來調(diào)節(jié)溫度上升的幅度和速率。為實(shí)現(xiàn)溫度連續(xù)可調(diào)，采用48個(gè)智能晶閘管模塊對(duì)后4節(jié)箱體磁控管采用脈沖微波方式，PLC通過分別控制智能晶閘管模塊的輸入信號(hào)，調(diào)節(jié)磁控管的輸出功率。系統(tǒng)也可以直接通過直流電源或交流接觸器的通斷，實(shí)現(xiàn)磁控管的控制。

2.2.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

觸摸屏選用步科M4512T，具有RS485串口，可以與S7-200系列PLC直接連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備的啟?？刂坪蛥?shù)實(shí)時(shí)顯示與設(shè)定。采用設(shè)備工藝流程圖為主畫面，如圖5所示。在主畫面上配備操作開關(guān)、參數(shù)顯示及設(shè)定，添加自動(dòng)畫面、手動(dòng)畫面、報(bào)警信息畫面，歷史溫度趨勢畫面和幫助畫面，界面友好，操作簡單。

圖5 HMI主界面

3 結(jié)論

本系統(tǒng)以PLC為核心控制器，觸摸屏為人機(jī)交互界面，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化控制水平。采用智能晶閘管模塊實(shí)現(xiàn)了脈沖微波輸出，且脈沖微波輸出功率在0～900W范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。溫度采用閉環(huán)控制，控制精度高。系統(tǒng)已投入生產(chǎn)14個(gè)月，運(yùn)行結(jié)果表明：系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，溫度分布均勻，微波爐輸出物料溫度在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

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