基于PLC控制的真空冻干监控系统的设计.docx
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基于PLC控制的真空冻干监控系统的设计
基于PLC控制的真空冻干监控系统的设计
摘要
随着真空冷冻干燥技术的普及和发展，相应提高了对真空冻干设备控制精度和控制稳定性的要求。
本论文从这两方面要求入手，提出了“PLC作下位机+PC作上位机十Fuzzy算法”的控制模式。
这种模式集PLC控制的稳定性，PC控制的直观、友好性和Fuzzy控制的智能性为一体。
论文论述了真空冻干生产线的工作流程，PLC的工作原理，模糊控制器的设计及其在PLC中的实现和PLC与PC上下位机之间通讯的实现。
本系统将模糊控制与PLC结合应用于真空冻干生产线上，解决了加热板温度、物料温度、真空度、冷阱温度相互影响，且影响程度难以确定，从而温度控制模型难以建立，温度曲线超调大、难控制的问题。
还充分发挥了PLC控制灵活、稳定、编程方便的优点和上位机具有友好交互界面的优点。
这种控制方式的综合控制性能较好，而且在很多类似的工控场合，都是一种比较理想的控制方式。
关键词：
真空冻干可编程控制器模糊控制
第一章绪论
1.1引言
真空冻干技术，是一种高档的食品、药品的脱水技术。
相比较常见的热风烘干产品，冻干产品的色泽、形状、味道、营养价值和复水性都明显优于烘干产品。
用冻干工艺制成的食品，不仅色、香、味、形俱全，而且保存了食品中的维生素、蛋白质等营养物质。
冻干食品的优良品质能很好地迎合当今人们对食品“绿色、营养、方便”的三大要求，越来越多的人们选择食用冻干食品。
因此，研究真空冻干系统具有很强的实用性。
1.2真空冻干的原理
真空冷冻干燥技术，即真空冻干，是使鲜品在低压、低温下进行脱水，从而得到质量较高的干品的干燥方法。
它是一项对食品进行护色、保鲜、保质的高新脱水技术。
真空冻干技术利用冰品升华原理，在高真空的条件下，将冻结了的食品中的水分不经过冰的融化而直接从固态冰升华为水蒸汽从而使物料干燥。
真空冻干一般分为冷冻、升华、解析三个主要过程。
1.3真空冻干生产线概述
如图1-1所示，真空冻干生产线包括前处理、速冻、升华干燥和包装等环节。
配套有制冷系统、抽真空系统、加热系统、设备监控系统和物料运输系统。
另外，还配套蒸汽锅炉和循环水。
其中加热系统对干燥箱内物料进行加热,以提供食品、药品中水分升华所需热量；制冷系统为干燥箱和冷凝器提供冷源；真空系统提供干燥箱和冷凝器所需的真空度；循环系统为干燥箱和冷凝器中的传热媒质提供循环动力。
食品、药品冻干过程如下：
首先，将鲜品送入前处理车间，进行分选、清洗、切分、漂烫、杀菌等必要的前期处理；然后，利用物料运输系统，将物料送入速冻库进行速冻；等物料冻透后，再利用物料运输系统，将物料送入干燥舱，并用真空系统为升华干燥舱建立低气压条件，达到一定的真空度后可启动加热系统，以提供升华潜热；而制冷系统在干燥过程中一直向冷阱提供一定的冷量，以捕获由物料升华出来的水汽；等物料彻底干透后出舱，经物料运输系统送入后处理车间，进行真空包装。
图1-1真空冻干食品生产线框图
1.4真空冻干技术国内外研究现状
食品冻干的技术起源于20世纪30年代，是前苏联科学家拉巴期塔罗仁茨基于1921年发明的。
1930年Flosdorf开始了食品冻干实验。
1940年英国的Fikidd提出了用冷冻干燥方法进行食品处理的技术。
1943年，在丹麦出现了最原始的食品冻干技术和设备。
1961年，英国食品部公布冷冻干燥法用于食品工业是一种获得优质食品的方法，几乎在同一时期，美、日、德、荷兰、丹麦等国家相继建立了食品冻干加工厂。
美国的冻干食品发展最快，在全美方便食品中冻干食品占40%~50%，在20家生产咖啡和茶的工厂中，就有10家采用冻干技术。
我国于上世纪50年代引进真空冷冻干燥技术，主要应用于医药及生物制品。
在食品方面的应用起步较晚，到80年代后期才初见成效。
当前，在我国运行的冻干设备中，有八成以上是从国外进口的，其中有许多是国际著名的冻干设备生产厂家。
如丹麦的ATLAS工业公司、日本的真空株式会社、英国爱德华真空设备公司（ADWADS）、美国赫尔公司（HULL）、德国芬那昆公司（FINNKOAU）等设备制造商。
另外，台湾设备也占了很大份额。
最近几年，国内相继涌现了不少于的冻干设备生产厂家。
第二章加热系统及PLC概述
一套完整的真空冻干生产线结构复杂，包括有物料清洗系统、物料运输系统、制冷系统、抽真空系统、加热系统和水循环系统等诸多系统。
这些系统之间还有相互作用关系，若要对整个生产线进行监控过程很复杂，本论文中仅以加热系统为例介绍控制系统的设计方法。
2.1加热系统
在真空冻干机中，为了使冷冻后物料中的水蒸气不断地从冰晶中升华出来,就必须提供水蒸气升华所需的足够能量。
因此，要配备有加热系统。
加热系统根据物料干燥所需温度的多少提供相应温度的热媒。
热媒热量的多少，决定了升华速率的快慢。
2.1.1加热系统的组成
加热系统主要包括加热搁板、热媒加热罐、电动调节阀、循环泵、管路阀门、液位计和温度传感器等部分。
其主要组成部分说明如下：
（1）加热搁板：
由左右对称的加热板和支架管路组成，布置在舱内上部。
加热板由防锈铝合金制造，表面特殊阳极化处理，以保证高的辐射效率。
内部流道及导流板保证板面温度均匀一致。
加热方式为双面辐射，热媒为热水。
（2）热媒加热罐：
由罐体、蒸汽加热器及相关管道、阀门、液位计、测温计、恒压装置等组成，用于贮存和加热热媒。
（4）电动调节阀：
用以自动调节再循环热媒流量的分配，精确控制热媒所需额外热量的供应，以达控制板温的目的。
（5）循环泵：
为热媒流动提供循环动力。
2.1.2加热系统的工作原理
加热一般分两步进行：
第一步加温不使产品的温度超过共熔点的温度，称升华干燥阶段；待产品内水份基本干完后进行第二步加温，这时可迅速地使产品上升到规定的最高温度，称解析干燥阶段。
在最高温度保持数小时后，即可结束冻干。
真空冻干的加热方法主要有传导加热、辐射加热及微波加热三种。
加热系统对于不同的冻干机有不同的加热方式，有的是利用直接电加热法，有的则利用中间介质来进行加热，由循环泵使中间介质不断循环。
加热系统的作用是对冻干箱内的产品进行加热，以使产品内的水份不断升华，并达到规定的残余水份要求。
本系统采用间接加热方式，热媒采用热水。
加热系统的结构如图2-1所示。
图2-1 加热系统结构图
1—蒸汽源加热器;2—恒温循环水罐;3—电动调节阀;4—热媒循环泵;5—干燥舱;6—加热搁板;7—水汽凝结器;8—真空机组
当需要加热时，蒸汽源加热器1对恒温循环水罐2进行加热，加热调节阀3调节从循环水罐2流出的热水的比例，通过循环水泵4供给加热搁板6，使加热搁板6的温度稳定在设定值，加热搁板6通过辐射换热提供冻干物料所需热量。
热媒出水温度下降，从加热搁板6出来的水回到恒温循环水罐2被继续被加热，循环使用。
2.2可编程控制器（PLC）
2.2.1PLC的结构组成
PLC采用可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数操作等面向用户的指令，并通过数字式或输入/输出控制各类型的机械或生产过程。
可编程控制器的基本结构组成如图2-2所示，通常包括中央处理器（CPU）、存储器、电源、I/O接口和扩展接口等几部分。
图2-2可编程控制器结构图
2.2.2PLC的工作原理
PLC工作过程一般分为输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
系统完成一次这三个阶段称作扫描周期，一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
循环扫描示意图如图2-3所示。
（1）输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
（2）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序。
如在梯形图程序中，扫描每一条梯形图时，总是先扫描梯形图左边的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，根据结果刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
（3）输出刷新阶段
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
图2-3循环扫描示意图
2.2.3PLC的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
PLC由于采用大规模集成电路，严格的生产工艺和内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
（2）功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
（3）原理简单，易学易用
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的主要工控设备。
它接口简单，编程语言易被工程技术人员所接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC中的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
第三章控制系统的设计与实现
真空冷冻干燥机控制系统要能对整个生产过程进行自动控制，包括预冻、加热、抽真空、压塞、放气、除霜、灭菌等。
前两章分别介绍了PLC的工作原理和模糊控制器的设计，将两者结各在一起组成“PLC作下位机+PC作上位机+模糊控制”的控制系统，利用两者各自的长处，将显著改善控制系统的性能。
本章主要介绍此控制系统的实现方法。
3.1控制系统的结构组成
该控制系统由上位机、PLC、传感器和执行机构组成。
上位机采用工控PC机（内装工业控制组态软件WinCC），下位机采用西门子公司的S7-300PLC，传感器选择Pt100热电阻和压力传感器，执行机构包括循环泵和电动阀，上下位机之间和其他周边设备通讯采用工业RS-485总线连接。
图4-1为系统结构示意图。
图4-1系统结构示意图
控制系统主要控制是电动阀开启程度的模拟量控制和循环水泵的起停的开关量控制。
被控参数是热媒温度，利用Pt100传感器感受被测量，并将温度转换为标准电流信号。
PLC采集此信号传入PLC中，PLC模糊化处理后，传给执行器，最终形成闭环控制。
3.2控制系统的硬件配置
3.2.1传感器
1.Pt100热电阻—测量热媒的温度
Pt100热电阻在工作状态下所测得的是温度变化引起的热电势（电阻）的变化，经过变送器的电桥产生不平衡信号，经放大后转换成为4~20mA的标准直流电流信号。
在加热搁板各层设置热电阻，实时监控热媒的温度变化。
选择Pt100温度传感器的性能指标如表4-1所示。
表4-1Pt100温度传感器的性能指标
型号
JM_W_PT100
螺丝规格
M8*1.0
测温范围
-200-400℃
安装方式
活动螺丝固定
电阻变化
0.3851Ω/℃
引线长度
一般2米，可订制长度
探头直径
Φ5mm
引线接法
三线式
探头长度
5cm/10cm/15cm/20cm
接线方式
接线叉
Pt100与模拟量输入模块的连接示意图如下图4-2所示。
通常应当短接M-和IC-，将连接的IC+和M+电缆直接连接到热电阻传感器上。
图4-2Pt100与模拟量输入模块的连接
IC+–恒流回路（正极）；IC-–恒流回路（负极）；M+–测量线路（正极）；M-–测量线路（负极）；MANA–模拟量测量电路的参考电位；M–接地；L+–24V直流电源；
2.气压传感器—测量蒸汽的压力
气压传感器主要的传感元件是一个对压强敏感的薄膜，它连接了一个柔性电阻器。
当被测气体的压强降低或升高时，这个薄膜变形，该电阻器的阻值将会改变。
从传感元件取得0~5V的电压信号，经过A/D转换由数据采集器接受，然后数据采集器以适当的形式把结果传送给计算机。
3.2.2执行机构
1.热媒循环泵
当用载热介质（即热媒）来加热搁板时，需要用循环泵来输送载热介质，循环泵的大小需要根据流量来选择。
循环泵的技术参数如表4-2所示。
表4-2循环泵的技术参数
产品名称
DEGR系列立式热水循环泵
流量范围
4.5m3/h-1476m3/h
转速
2900/1450r/min
扬程范围
4m-132.5m
进口直径
32mm-350mm
输送温度
105℃以下
轴封形式
机械密封/填料
过流材质
HT200/ZG35/Cr18Ni9Ti
泵轴材质
45/Cr18Ni9Ti
依据标准
GB/T5657-95
2.电动阀
电动阀是采用电动执行机构来改变阀门状态的设备。
它属于电动执行器范畴，伺服电机为执行机构（不存在单纯的电磁线圈），对阀门的状态可以连续改变或可调。
分为普通机械式电动阀和液压式电动阀。
按控制介质又可分为气体电动阀和液体电动阀。
电动阀工作需要电源（AC220V/AC380V/AC24V/DC24V等等），也需要控制信号（开关信号/DC0~10V标准电压信号/DC4~20mA标准电流信号）。
阀门的开度0-100%和得到的控制信号成正比，即开度0对应0V或4mA，开度100%对应10V或20mA。
电动阀的技术参数见表4-3所示。
表4-3电动阀的技术参数
型号
VVF31.40
阀体
二通阀
电源电压
24V/50HZ、220V/50HZ
公称压力Mpa
PN1.62.54.0
输入信号
DC0~10V、DC4~20mA
阀体材质
铸铁、铸钢、不锈钢
全行程时间
20~120Sec
介质温度℃
-15~220℃/-35~350℃
额定扭力
700N/1000N/2800N
流量特性
等百分比/线性
环境温度
-10~60℃
泄露量
<0.1%
伺服电机的工作原理：
伺服电机是一个典型闭环反馈系统，减速齿轮组由电机驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服电机精确定位的目的。
阀体内部电气接线图如图4-3所示。
图4-3阀体内部电气接线图
3.2.3PLC的输入、输出点数
1.指示信号
6个温度输入（2路物料温度、2路加热板温度、2路热媒温度共6个模拟量输入），热媒压力和真空度（2个模拟量输入），设定压力（l个数字量输入，可以启动真空泵的指示信号）。
2.控制信号
1个热媒循环泵、真空调节的控制（2个数字量输出），电动阀的开度调节阀（1个模拟量输出）。
共计7个模拟量输入，1个模拟量输出，1个数字量输入，2个数字量输出。
3.2.4PLC的选型及组态
本文所设计的控制系统采用西门子S7-300PLC作为控制机，其提供了强大的数据处理能力和通信功能，为控制与管理一体化的控制系统提供了支持。
此类PLC采用先进的紧凑型积木式结构，功能模块齐全，指令丰富，系统的构成和扩展非常方便，且性能价格比高，最突出的优点是信息处理速度快，能满足本控制系统控制精度的要求。
1.PLC的选型
选择的PLC的各个模块如下：
（1）电源模块：
PS307
电源模块用于将AC120/230V电压转换成为DC24V电压，为S7-300PLC、传感器、I/O模块和执行机构供电，额定电流有2A、5A或10A。
（2）CPU模块：
CPU315-2DP
315-2DPCPU模块结构示意图如图4-4所示。
图4-4CPU315-2DP示意图
1-微存储卡插槽；2-状态和错误显示；3-微存储卡弹出器；4-模式开关；5-第一个通信接口；6-第二个通信接口；7-电源端子
CPU315-2DP具有大中规模的程序容量和数据结构，对二进制和浮点数有较高的处理能力，有DP主站/从站接口或PROFINET接口，可以用于建立大规模的分布式I/O结构。
该CPU的技术参数见表4-4。
表4-4CPU315-2DP技术参数
CPU
315-2DP
集成工作寄存器RAM
128KB
装载存储器（MMC）
最大8KB
最大位操作指令执行时间
浮点数指令执行时间
0.1
3
FB最大块数/大小
FC最大块数/大小
DB最大块数/大小
OB最大容量
2048/16KB
2048/16KB
1024/16KB
16KB
位存储器（M）
2048B
S7定时器/计数器
256/256
每个优先级的最大局部数据
1024B
全部I/O地址区
最大分布式I/O地址区
I/O过程映像
最大数字量I/O点数
最大模拟量I/O点数
2048B/2048B
2048B/2048B
128B/128B
16384/16384
1024/1024
最大机架数/模块总数
内置/通过CP的DP接口数
4/32
1/4
（3）数字量输入模块：
SM321
数字量输入模块用于连接外部的机械触点和电子数字传感器。
该模块有数字滤波功能，以防止由输入触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误的输入信号。
数字量输入模块电路如下图4-5所示
…
…
…
。
图4-5数字量输入模块电路
当图中的外接触点接通时，光耦合器中的发光二极管点亮，光敏三极管饱和导通；外接触点断开时，光耦合器中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止，信号经背板总线接口传送给CPU模块。
（4）数字量输出模块：
SM322
数字量输出模块用于驱动电磁阀，接触器，小功率电动机，灯和电动机启动器等负载。
数字量输出模块将内部信号电平转换为控制过程所需的外部信号电平，同时有隔离和功率放大的作用。
输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应晶体管，驱动交流负载的双向晶闸管或固态继电器，以及既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载的小型继电器。
如下图4-6所示为继电器输出模块电路。
图4-6继电器输出模块电路
（5）模拟量输入模块：
SM331
如下图4-7所示，模拟量输入模块由多路开关、A/D转换器（ADC）、光隔离元件、内部电源和逻辑电路组成。
各模拟量输入通道共用一个A/D转换器，用多路开关切换被转换的通道，模拟量输入模块各输入通道的A/D转换过程和转换结果的存储与传送是顺序进行的。
图4-7模拟量输入模块示意图
模拟量输入模块技术参数见表4-5。
表4-5SM331模拟量输入模块技术参数
6ES7331-
7KF02-0AB0
输入点数
可测电阻的点数
8
4
输入信号
电压、电流、电阻、热电点耦、热电阻
单极性分辨率
双极性分辨率
9/12/12/14位
9/12/12/14位+符号位
积分时间/通道
2.5/16.7/20/100ms
干扰抑制频率
400/60/50/10Hz
诊断中断
极限值中断
可组态
部分通道可组态
（6）模拟量输出模块：
SM332
该模块用于将CPU传送给它的数字转换为成比例的电流信号或电压信号，对执行机构进行调节或控制，其主要组成部分是D/A转换器。
可以用传送指令“TPQW...”向模拟量输出模块写入要转换的数值。
模块电路如下图4-8所示。
图4-8模拟量输出模块示意图
SM332模拟量输出模块技术参数见表4-6。
表4-6SM332模拟量输出模块技术参数
6ES7332-
5HF00-0AB0
输出点数
8
输出范围
0～10V,±10V,1～5V,4～20mA,0～20mA,±20mA
最大负载阻抗
电压输出1KΩ，电流输出500KΩ，容性负载1
感性负载10mH
转换时间/通道
0.8ms
建立时间
阻性负载0.2ms，容性负载3.3ms,感性负载0.5ms或3.3ms
分辨率
±10V,±20mA时为11位+符号位，其余为12位
2.硬件组态
硬件组态任务是在STEP7中生成一个与实际的硬件系统完全相同的系统。
在STEP7中创建一新工程，选择CPU型号、组织模块、通信方式和编程语言。
打开硬件组态工具HWConfig，在其中根据所选模块型号将各模块放到机架上的对应位置，形成模拟PLC机架（如下图4-9所示）。
然后进行CPU的参数设置和模块参数设置。
参数设置完成后，编译并保存。
图4-9PLC模块硬件组态图
3.3控制系统的软件设计
3.3.1I/O点分配
8个模拟量输入，2个模拟量输出，1个数字量输入，3数字量输出，分别由l个S7-300SM321单元，l个S7-300SM322单元,l个S7-300SM331单元，l个S7-300SM331单元来实现。
具体的点数分配如下表4-7所示。
表4-7I/O分配表
编号
符号
地址
数据类型
注释
1
主程序
OB1
OB1
整个加热系统流程的实现
2
子程序1
OB10
OB10
加热热媒
3
子程序2
OB31
OB31
抽真空
4
子程序3
OB35
OB35
模糊控制调节热媒的温度
5
设定压力
I0.0
BOOL
启动真空泵的指示信号
6
热媒循环泵的启停
Q4.0
BOOL
提供热媒循环动力
7
水泵的启停
Q4.1
BOOL
冷却水供给
8
真空调节的控制
Q4.2
BOOL
控制干燥箱真空度
9
物料温度1
IW304
WORD
10
物料温度2
IW306
WORD
11
加热隔板温度1
IW308
WORD
12
加热隔板温度2
IW310
WORD
13
热媒温度1
IW312
WORD
载热循环水的温度
14
热媒温度2
IW314
WORD
15
热媒压力
IW316
WORD
16
真空度
IW318
WORD
17
电动阀开度调节
QW320
WORD
控制热媒流量
3.3.2加热系统工作流程的实现
根据I/O分配表中分配的各个变量地址，结合如图4-10所示的加热系统的工作流程，编写加热系统总体程序和各个子程序。
图4-10加热流程图
通过上位机软件可随时更改T设的值，PLC会不断刷新，也可以设定温控曲线，即温度的变化曲线，来减轻操作人员不断改变T设值的工作。
3.3.3模糊控制在Step7中的实现
Step7软件中具有丰富的功能块，为模糊控制算法的实现提供了方便。
采用梯形图编程语言。
OB35是S7-300PLC提供的循环中断组织块，其循环时间即为系统的采样周期，模糊控制程序语句
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