| 基于S7&8259;200PLC油脂反應釜的控制系統設計 | 2020-01-15 |
| 摘要：為了實現油脂反應釜能夠完成手動、自動及CIP清洗功能，達到反應釜能夠把液體、植物油、CO2按一定比例混合，最終能夠使油脂反應釜具有故障報警提示及故障復位功能的目的。主要運用壓力及液位傳感器、繼電器、流量計等元器件。采用了西門子S7&8259;200PLC處理實現的方法，做了PLC仿真實驗，實現油脂反應釜的設計功能，證實了基于S7&8259;200PLC油脂反應釜的控制系統設計的可行性和可靠性。 關鍵詞：西門子S7&8259;200PLC；油脂反應釜；控制系統；軟件設計 0引言 近年來我國油脂行業高速發展，但碳酸油脂始終占據著市場中的較大份額。碳酸油脂的發泡和刺激味道來自CO2，油脂內的CO2使用量取決于特定的口味和品 牌，加工中使用低溫液體和增大壓力使更多的CO2溶 解，來加速碳酸化作用。飲用時，由于溫度增高使CO2氣化，產生刺激并帶走人體熱量，所以給飲用者以清涼感。CO2改善了風味，參與提供了酸性環境，產生了刺激性的口感，并賦予了碳酸油脂的泡沫奔涌的外觀。首先是調節風味，在油脂中碳酸起到調節溶液pH值的作用，使油脂中各種原料風味更協調，其次起防腐的作用，碳酸可使pH值下降，耐酸菌除外，其他的微生物均難以繁殖和生存，CO2的存在使容器內缺氧，許多嗜氧菌也無法生存，CO2使容器內有一定的壓力，壓力也能使微生物生長條件破壞甚至死亡。這些特性可以 使汽液體、汽酒類油脂具有較好的防腐能力，從而延長了保質期。所以碳酸油脂的CO2含量是一個重要的特征性質量指標。 1反應釜控制方案設計 1.1任務分析 本次設計的任務是以S7&8259;200系列PLC作為處理核心，用液位開關、壓力傳感器將生產過程中的信號（如液位，壓力，流量等）采集后送給PLC處理器，由PLC對數據進行運算，然后輸出驅動信號（如接觸器、電磁閥等）來完成油脂反應釜的自動生產過程。 本機的主要運行原理[1]如圖1所示，純凈液體先經真空脫氣裝置脫氧后經液體泵輸出到液體罐；植物油經植物油泵輸送至植物油罐；液體和植物油分別經調節閥、流量計后進行混 合，混合后經混合泵輸送至成品罐，混合液在進入成品罐前還需作預碳化處理，即把CO2氣體注入混合液中，注入混合液的CO2受流量計控制一定的流量；混合好后經過冷媒冷卻送入碳化罐中儲存，最后輸送到灌裝機灌注。 1.2硬件方案設計 本裝置主要由脫氣系統、混合系統、碳化系統和電氣控制系統等幾部分所組成。 和監視相關部分的動作過程，采用SIEMENSS7&8259;200PLC作為處理單元，采集各液位、壓力及流量信號。控制各執行機構的協調動作[6]。 1.3軟件方案設計 1.2.1脫氣系統 （1）脫氣罐為一負壓容器。頂部裝有氣動角閥、通大氣管路、真空系統管路。側面裝有真空壓力表，浮球式液位計（高、低、極限低位），底部管路與輸送泵入口相連。 （2）脫氣罐的負壓由液體環式真空泵抽吸罐內空氣而形成。 （3）罐內負壓壓力一般的真空度為-0.04~-0.06MPa，它是通過設置電極點真空壓力表上限點而實現。罐頂部接大氣管路的作用：一是可以人工排泄罐內真空，二 是在清洗罐的內表面時，隨著液位的上升而排泄罐內的部分氣體。 1.2.2混合系統 混合系統是反應釜的一個重要組成部分，它能穩定地按預定的速率自動的將液體與植物油進行混合，且具有混合精確、液體和糖比例易調等許多優點。混合系統主要包括液體進給閥、液體罐、糖進給閥、糖罐、液體混合閥、糖混合閥、混合罐和混合控制閥。 1.2.3碳化裝置 （1）碳化罐為一壓力容器，頂部裝有安全閥（開啟壓力0.6Mpa）和溢流管，溢流管上裝有一電磁閥和流量計，機器處于“自動開”狀態時，電磁閥開啟，溢流閥開啟，溢流罐頂內的空氣，使罐內CO2氣體得到純化，流量計用來調節氣體出口的大小。 （2）罐內的CO2壓力由自動調節儀根據人工設定的壓力參數與檢測到的實際壓力比較并進行自動調節，使罐內CO2壓力在規定范圍內。碳化罐內的壓力在自動調節儀的設定值應依照成品油脂的含CO2量倍數（GV）與壓力溫度的關系確定。 （3）機器在自動狀態時，液位始終在高低液位之間波動，液位的高低決定了混合泵的停與開，當液位低于極，碳化罐極低位燈顯示。 （4）CO2氣體噴射器使得CO2氣體高效率地溶解于低溫液體，這是碳酸化的一個關鍵部位。 1.2.4電氣系統 電氣系統采用人機界面作為上位機，方便操作員操作 1.4文件存檔 比較并進行自動調節，使罐內CO2壓力在規定范圍內。碳化罐內的壓力在自動調節儀的設定值應依照成品油脂的含CO2量倍數（GV）與壓力溫度的關系確定。 （1）機器在自動狀態時，液位始終在高低液位之間 波動，液位的高低決定了混合泵的停與開，當液位低于極，碳化罐極低位燈顯示。 （2）CO2氣體噴射器使得CO2氣體高效率地溶解于 低溫液體，這是碳酸化的一個關鍵部位。 2反應釜控制方案設計 2.1任務分析 根據S7&8259;200系列的PLC特點，并結合經濟實用性的考慮，控制系統選用6ES7216&8259;2BD23&8259;0XB8型號的CPU：輸入點數24，輸出點數16點，另配一個6ES7222&8259;1PF22&8259;0XA88輸出可以滿足工藝要求，且留有一定的余量。便于以后的修改和擴展。根據系統的性能與要求，PLC輸入/輸出端口地址的分配見表1。 2.2系統的硬件電路設計 2.2.1系統硬件 系統的硬件電路分為主電路和控制電路。 2.2.2主電路的設計 且均為開關量。其中有急停按鈕，脫氣罐高、本系統主要有真空泵、進液體泵、輸送泵、植物油泵、冷媒泵及混合泵。中、低液位檢測；碳化罐高、中、低液位檢測；液體罐和糖罐的高、低液位檢測；碳化罐高、低壓力檢測；各液體泵的過載報警信號等。PLC控制系統的輸出信號有20個，分別用于控制各液體泵的運轉，氣動閥門的開關等。 2.2.4操作面板的設計 本操作面板簡單，直觀，有電源和故障報警指示，電源開關和急停按鈕，碳化罐的溫度和壓力顯示，如圖4所示。人機界面方便操作人員操作和監視。 真空泵用于抽真空；進液體泵把純凈液體輸送至脫氣罐；輸送泵則負責把脫氣罐里的液體輸送至GOB液體罐；植物油泵是把調配好的植物油輸送至糖罐；冷媒泵負責把冷卻介質輸送至交換器用于降低糖液體混合液的溫度（約4℃左右）；混合泵是把糖液體混合液輸送至碳化罐。主控制電路如圖3所示。 2.2.3控制電路的設計 根據工藝要求，PLC控制系統的輸入信號有21個面板的下方分別有壓縮空氣壓力的顯示和調節；GOB系統CO2氣的壓力顯示和調節；混合罐CO2氣壓顯示和調節等。 3系統軟件設計 3.1混合裝置的工作原理 混合裝置的工作原理[5]如圖5所示，液體和果汁分別經過過濾器過濾，分別送進液體罐和糖罐，經計量閥計量，送入T型管混合，再進入混合罐，經泵機送入碳化罐處理，然后輸出供顧客飲用。 3.2系統流程 通過人機界面上的流程圖可以很清晰地監視到設備各部分的運行情況。也可以幫助操作人員分析和判斷故障情況。 4程序調試 利用軟件SIEMENSPLC編程軟件STEP7&8259;Mi&8259;croWINV4.0進行調試。 （2）利用Matlab的S&8259;Function功能，將控制率算法封裝成模塊，供搭建系統模型時使用； （3）自動將搭建好的Simulink模型轉換成可在Vx&8259;Works實時操作系統下運行的實時代碼。 3仿真與驗證 基于這一實驗平臺可以方便地進行多次仿真試驗，修改無人機動力學模型、調整控制律，直到獲取滿意的仿真結果。可以利用RTW工具箱的外部模式功能，在線調整模型參數、監控仿真結果數據，方便對模型參數進行修改，通過在該仿真平臺上對飛機控制系統的多次實時仿真試驗，改進了飛機爬升、平飛、下滑等過程的控制律，最終測試通過了整套飛控系統。圖3為控制飛機模型飛行五角星形軌跡，控制仿真效果比較理想。 4結論 本實驗平臺綜合了Matlab/RTW和VxWorks實時操作系統的部分功能，提出了一種新的實時仿真實驗平臺構建方法，采用這種方法可以大大降低仿真代碼的編寫量，在花費盡可能低的情況下，保證了仿真實驗的實時性，提高仿真實驗平臺的性能，有效地驗證了飛控系統的正確性。 | |
