基于PLC的粽子蒸煮自动控制系统 投稿:彭疳疴

第24卷第3期2007年3月 机󰀁󰀁电󰀁󰀁工󰀁󰀁程 MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGMAGAZINE Vo.l24No.3 Mar.2007 󰀁计算机应用󰀂 基于PLC的粽子蒸煮自动控制系统 吴伟雄,冯…

我是十分佩服那些为生活奔波,为娱乐忙碌的人们的,虽然曾经我也是这种人。我想我还没有那么多那么繁杂的事情去塞满一天24小时,我爱忙里偷闲。于是,有人说,这是可悲的孤独。这句话是一个喜欢喧闹的人说的,当时的他正在为寒假的日程而兴奋,我坐在他前面,听他埋怨…

牛顿曾经说过,他只是一个在海边玩耍的孩子,只是偶尔拾到一点贝壳,至于真理的大海,他还没有发现。牛顿只是这么评价他自己。我知道比不上牛顿,我甚至不懂我有没有资格在这个神圣的殿堂上窃窃私语。周汇本《红楼梦》是周汝昌《石头记会真》的普及本。周老先生早年就“…

第24卷第3期2007年3月

机󰀁󰀁电󰀁󰀁工󰀁󰀁程

MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGMAGAZINE

Vo.l24No.3

Mar.2007

󰀁计算机应用󰀂

基于PLC的粽子蒸煮自动控制系统

吴伟雄,冯晓宁,胡万鹏

(嘉兴学院机电工程学院,浙江嘉兴314001)

摘󰀁要:结合粽子蒸煮自动控制系统的设计与开发,介绍了在传统食品加工领域引入现代控制系统

的设计思想和实现方法。给出了基于PLC对粽子蒸煮过程温度、压力和时间等参数进行自动控制的系统硬件组成,并就温度这一大惯量的PLC控制实现提出了模糊控制和PLC实现方法。从技术上保证粽子蒸煮过程的稳定性、提高食品的加工品质、节约生产成本。关键词:可编程控制器;模糊控制;粽子蒸煮中图分类号:TP391󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:B

文章编号:1001-4551(2007)03-0064-04

Thezongzi scookingauto󰀁controlsystembasedonPLC

WUWei󰀁xiong,FENGXiao󰀁ning,HUWan󰀁peng

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,JiaxingUniversity,Jiaxing314001,China)

Abstract:Linkedwiththedesignofthezongzi scookingauto󰀁controlsystyem,themethodoftraditionalfoodprocessingap󰀁plyingmoderncontrolsystemwasintroduced.Thesystem shardwaresreferencingtheparametersoftemperature,pressureandtimeduringthecooking,andetcwereshowed.BasedonPLC,thefuzzycontrolandimplementaboutthetemperatureofthePLC(control)werealsopresented.Thestabilityofcookingisassured,thequalityofprocessispromotedandthecostofproductionisreduced.

Keywords:programmablelogiccontrol(PLC);fuzzycontro;lzongzi scooking

0󰀁前󰀁言

粽子是一种传统食品,具有上千年的历史。粽

子的口感品质不仅和其选用的原材料质量和配比有关,更取决于粽子加工的蒸煮过程。粽子蒸煮过程的温度、压力和时间等参数的控制直接决定粽子所

[1]

用材料的熟化度、营养、口感等品质因素。然而在传统的粽子生产中,蒸煮过程采用手工操作,操作工依据一些传统的计量仪表,手动控制粽子蒸煮过程的工艺参数。由于人为因素的影响,这种方法很难保证粽子蒸煮工艺参数的统一性和稳定性。

随着食品工业现代大批量生产进程的发展和企业间竞争的日益加剧,如何改进传统食品的加工手段、采用先进的生产设备、保持企业强势发展是传统型食品加工企业所面临的主要问题之一。为此,笔者联合五芳斋粽子有限公司研究开发了基于PLC

收稿日期:2006-09-25

基金项目:嘉兴市技术创新计划项目(2005BZ5005)

的粽子蒸煮自动控制系统,取得了较好效果。

1󰀁蒸煮系统的设计思想与硬件组成

1.1󰀁粽子蒸煮过程的工艺

粽子蒸煮加工属典型的过程控制,根据上百年

的粽子生产经验,采用传统工艺的粽子蒸煮过程如下:󰀂在蒸煮锅中放入沸水,放入装有粽子的蒸笼,接通热源开始蒸煮; 在常压下将水加热至沸点后,在沸点温度下再蒸煮一定时间(t1);!密闭蒸煮锅,继续通入热源,使水温超过沸点后汽化,密封锅中的压力上升;∀在压力上升到规定的大气压力P(对应温度T1)时,控制蒸煮锅内压力,再蒸煮一段时间(t2);#关断热源,自然冷却到一定温度(T2),打开释汽阀释放蒸汽,使压力降到常压,开启蒸煮锅,取出粽子,完成一个粽子蒸煮循环过程,准备进入下一个蒸煮循环(粽子蒸煮过程工艺流程,如图1所示)。

(),,,

第3期吴伟雄,等:基于PLC的粽子蒸煮自动控制系统

&65&

(1)系统的主控制单元选用三菱公司的FX2n系列的FX2n󰀁32MR可编程控制器。FX2n系列PLC有丰富的指令集、涵盖大部分运算和双字节浮点运算指令供程序设计使用,可满足测量和运算的精度需求。配置有各种扩展模块供不同硬件要求选择,开关量可以直接从PLC输入/输出;模拟量可选配适合输入/输出的模块和PLC交换数据。FX2n󰀁32MR有16个输入/输出端口,完全满足系统要求。

图1󰀁粽子蒸煮工艺流程图

1.2󰀁控制系统技术要求

分析上述蒸煮过程的传统工艺可知,当采用传统的手工操作时,由于受技术条件的限制,在工艺第

步时,很难做到控制蒸煮锅在沸点下蒸煮t1时间。目前的做法是:不控制热源,利用沸点的汽化特性,在一个大气压下自然实现沸点温度。这种方法的缺点是:由于水的汽化会损耗大量的热能,造成能源浪费,提高了生产成本。除此之外,水的大量汽化会污染环境,恶化生产条件;水的大量汽化也会引起蒸煮水的损失,而在加工中需要不断补水。同样,在工艺第∀步时,要保持在一定的压强下蒸煮也不能用手动控制实现,传统的方法是采用溢汽法,通过溢汽的方法保证压力,这种方法也存在上述弊病。此外,手动控制中,通过定时器计时,手动操作控制,很难从技术上保证定时的准确,这就会引起多煮或少煮的现象,出现煮烂或半熟的粽子等次品。

针对传统的蒸煮工艺和手工操作方法之间所存在的问题,要实现粽子蒸煮过程的自动控制,需要控制压力、温度和时间3个物理参数(其中,在密闭容器中的相同介质汽化压力与温度之间存在一定函数关系,从考虑系统成本观点出发,可选用温度参数替代压力数据),所以实际上只要控制温度和时间之间的关系,温度参数需实现连续量数据采集和控制,范围在0~300∃,时间以s为单位连续控制。当然,蒸煮锅内的水位也需要能自动控制,水位控制的目的是保证粽子在蒸煮过程中能浸没在沸水中,所以水位控制可以采用点位式控制方式,一般设置4个控制点,分别是:上工作水位、下工作水位、水上溢出报警点和水烧干报警点。1.3󰀁系统的组成

根据上述技术要求,从系统的价格性能比考虑,对单个蒸煮锅的现场控制,采用基于PLC的控制系:

(2)根据蒸煮工艺要求,现场温度的检测采用

Pt100热电阻温度传感器,热电阻传感器的低温测量性能优越,分辨率可达到0.2∃,而且Pt100可直接匹配三菱公司的FX2n󰀁4AD󰀁PT模块。数据采集方便、可靠。选用FX2n󰀁4AD󰀁PT模块变送温度数据,实现PLC的模/数转换和数据采集。

(3)液位控制选用磁性浮球式液位开关,根据技术要求选用带有4个开关量输出节点的液位器,开关量直接接入PLC的输入端口。

(4)执行元件采用蒸汽电磁阀ZQDF󰀁2,介质温度%300∃。共配置3个电磁阀,分别控制热源进汽、蒸煮锅出汽和进水。电磁阀由PLC输出端口控制,通过中间继电器进行功率放大。

(5)现场控制站安置在蒸煮锅旁,各类传感器和PLC安装在同一控制柜内,变送器、PLC等供电回路加配交流滤波器。为提高PLC系统的可操作性,改善人机关系,可考虑选用三菱公司的A940GOT󰀁SWD󰀁C(带触摸键液晶屏)作为操作面板,以便于现场工作操作,提升单锅控制系统的品位。

根据系统对车间管理的要求,采用计算机组态系统实现对车间单个蒸煮锅组态,在蒸煮车间设置车间操作站,选用工业控制PC机作为操作站机,操作站机配以太网口,可以和其他PC机组成局域网,并集成了TCP/IP,便于远方终端通过Internet网访问。工作站计算机与现场PLC系统间采用RS485通信。组态软件采用MCGS系列软件,可完成现场数据的设置、修改、采集、分析和保存等功能,还可以通过计算机实现对每个锅每次蒸煮参数的查询、趋势曲线再现、打印等功能。基于PLC的粽子蒸煮自动控制系统硬件组成框图,如图2所示。

2󰀁蒸煮系统的软件设计与实现

从对粽子蒸煮加工过程的工艺分析可知,该自动控制系统主要控制的参数是温度和时间,对PLC,

关量执行元件比例式输出固定格式的设定,设计PLC控制规则,如表2所示。

表2󰀁温度模糊控制规则BMS

PABD

ZXBD

NXAC

2.2󰀁PLC控制程序实现

根据上述模糊控制算法,在FX2n󰀁32MR型PLC上设计程序,选用通用数据寄存器D100~103采集FX2n󰀁4AD󰀁PT模块变送的温度瞬时值,D110存放测

图2󰀁基于PLC的粽子蒸煮自动控制系统硬件组成框图

得的实际温度平均数值(T),D121存放前一次测得的温度瞬时值(T1),D122存放当前测得的温度瞬时值(T2),选取具有断电保持功能的数据寄存器D200存放设定温度值(To),D115存放测得的温度与设定温度的偏差值(󰀁T),D125存放温度偏差的变化量(󰀁󰀁T)。温度控制程序方框图,如图3所示。根据硬件系统组成,分配Y0输出端口控制热源控制执行元件,则用三菱PLC指令实现的温度比较和输出状态确定程序如下

[4]

[3]

器实现。而温度是一个大惯量物理量,在自动控制中很容易出现过冲现象,本系统采用了模糊控制算法和开关执行器件比例式输出控制方式。2.1󰀁温度控制的模糊算法

在系统的PLC软件设计时,采用了模糊控制的设计思想,选取PT100测得的温度与设定温度的偏差󰀁T=To-T(To为设定的蒸煮温度下限值,T为测得的实际温度平均值)和温度的变化量󰀁󰀁T=T2-T1(其中,T2为当前测得的温度瞬时值,T1为前一次测得的温度瞬时值)作为温度控制器的输入量;针对开关式执行器件,选用比例式输出控制方式,设定4种固定占空比的输出格式(如表1所示)。为提高控制动态性能和系统稳态控制精度,根据模糊控制理论,将󰀁T分为3个模糊子集:B(大)、M(中)、S(负),对应温度的偏差为

[2]

:

:

B:󰀁T=To-T∋TEMP∃;TEMP值大于0M:󰀁T=To-T

将󰀁󰀁T分为3个模糊子集:P(正)、Z(零)、N(负),对应的温度变化量为:P:󰀁󰀁T=T2-T1∋Ao;

Z:󰀁󰀁T=T2-T1∋-Aoand

表1󰀁执行元件输出格式

输出方式

DCBA

热源大小关断小中全开

开关比0(13(76(41(0

0󰀁󰀁LD󰀁󰀁󰀁M2001ZCPK0󰀁󰀁󰀁K(TEMP)󰀁D115󰀁M11010ZCPK(-A)K(A)D125M12019LDM11120ORM11221ANDM120220UTM13023LDM12124ORM12225ANDM11126OUTM13127LDM11028ANDM12029OUTM13230LDM11031LDM12232ORM12133ANB34OUTM13335LDM13236ANDT1237LDM13138ANDT1039ORB40ORM13041ANIM13342OUTYOOO43END

󰀁()

电动机。

(2)斜坡电压启动。在此状态下,初始电压和启动时间可以设定,初始启动电压的设定范围可达到0~380V,启动时间范围达到0~9999s,可以满足任何异步电机的要求。

(3)恒压点动启动。在此状态下,恒压电压可通过键盘设定,设定范围可在0~380V之间。4.2󰀁保护器功能

启动器可实现如下保护功能:󰀂缺相保护; 相序错误保护;!过流保护;∀欠流保护;#堵转保护;)不平衡保护。

以上保护动作时间均可通过键盘设定,并可长期保存在单片机内。

省内几个水力发电厂的不同功率(11kW~55kW)的电机、不同使用环境和不同负载条件下的使用,表明电动机软启动器的稳定性好,可靠性高。水轮机压油泵的电机是一种重载、频繁启动的电机,每10min就启动1次,软启动器已经稳定运行了半年多,未出现任何故障,良好的稳定性使它具有广阔的应用前景。

参考文献:

[1]󰀁韩永清,齐永杰.电动机软启动器的探讨[J].自动化

博览,2001,(2):32-33.

[2]󰀁丁景民.智能化软启动器的结构、功能、品种及应用[J].

机床电器,2001,(6):31-32.

[3]󰀁TexasInstrumentsIncorporated.MSP430Architecture

andmodulelibraryuser sguides[M].TexasInstrumentsIncorporated,2000.

[4]󰀁李新兵,张继勇,薛半进.基于改进控制器的异步电动

机直接转矩控制[J].机电工程,2006,23(12):24-27.

5󰀁结束语

MSP430F149有极强的抗干扰能力,是一种非常适合用于电动机控制的单片机。基于MSP430F149

设计的电动机软启动器的操作十分简单,经在安徽(上接第66页

)

[编辑:李󰀁辉]

控制。

3󰀁结束语

在传统的名牌食品生产企业中,引入先进的自动控制系统,可从技术上保证传统食品加工过程中各参数的准确控制和大批量生产的品质稳定性,从而提高传统企业的产品质量、生产效率并降低生产成本、增强传统名牌的生命力。基于PLC的粽子蒸煮自动控制系统也可用于其他米类或食品类传统产品的蒸煮加工。

参考文献:

[1]󰀁熊善柏,李建林,赵思明,等.米饭的压力无沸腾蒸煮

及其工艺优化[J].华中农业大学学报,2002,10(5):

图3󰀁温度控制程序框图

466-470.

[2]󰀁雷建龙.基于模糊控制的水温自动调节[J].单片机与

嵌入式系统应用,2003,8:53-54.

[3]󰀁廖常初.FX系列PLC编程及应用:第一版[M].北京:

机械工业出版社,2006.

[4]󰀁MITSUBISHIELECTRICCORPORATION.FX2N系统三

菱微型可编程控制器使用手册[M].MITSUBISHIE󰀁LECTRICCORPORATION,1999.

其中T10和T12分别实现B、C两种输出方式的占空比,

运用T10、T11实现开关占空比6:4的PLC程序如下:

0󰀁1󰀁2󰀁5󰀁6󰀁

LD󰀁M131ANI󰀁T11

OUT󰀁T10K40LD󰀁T10

OUT󰀁T11K60

[编辑:李󰀁辉]

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