基于监控计算机(PC),可编程控制器(PLC),人机界面(HMI),智能仪表,工控通信网络 DCS(分布式控制系统)和 FCS(现场总线控制系统)的自动化已成为现代工厂的技术支柱,并在国内外的现代化生产线广泛应用。据有关部门统计:全球近年发运的 PLC 中按最终用户分:汽车占 23%;食品加工占 16.4%;化工占 14.6%;金属矿山占 11.5%;造纸占 23.1%,可见,食品加工业 PLC 系统的应用仅次于汽车行业居第二领域。

 

在我国石化,冶金,电气,化肥等行业已完成了原有继电器控制系统的自动化升级,相比之下相对落后的食品工业是在 90 年代初从国外成套引进面粉加工生产线后,以 PLC,PC 机为核心的自动控制和管理系统才逐步为业界所了解和推崇。科技的迅猛发展有力的促进食品工业的技术改造,食品加工企业在重组改制中逐步向规模化,现代化发展,食品加工向精加工,深加工发展。尤为引人注意的是 PLC 可编程控制技术在食品工业的技改和新建项目中的广泛应用。PLC 控制取代了继电器控制;工艺流程的计数机终端动态显示取代了模拟屏显示;PC 机与集散控制网络使整个生产线处于计数机控制和管理下,彻底改变了传统食品加工的落后面貌,成为行业发展趋势和方向。

 

 

本课题主要研究由 PLC,人机界面组成的自动控制系统在一个蛋黄派自动生产线的应用:从用户提出的控制要求入手,对蛋黄派生产线的整理部分的综合分析,通过 PLC 编程实现基本控制要求,再通过现场调试对各部件进行精确定时和精确定位,并对工艺参数进行调整,通过触摸屏设计一套人性化,简单化的人机界面,最终满足控制要求和工艺要求。本课题内容主要为 PLC 在该生产线上的应用。

 

1. 生产线控制要求

(1)设备工艺流程搅拌 - 成形 - 烘烤 - 冷却 - 杀菌 - 包装

 

(2)整理部分的控制要求如下:

①在蛋黄派经过烘烤,甩油,冷却后进入整理部分。

其整理部分包括灌奶和刮料。蛋黄派经过吸盘装置从吸盘部分转移到了整理部分。也就是蛋黄派被吸盘带到了灌奶输送传送带上,在传送带前端有一个物料检测输送信号 X0,当 X0 检测到有信号后,经过灌奶输送延时,延时时间到后灌奶输送伺服 Y0 运行,启动传送带。

②灌奶装置能分别为左右两边的蛋黄派灌奶,当左边检测灌奶信号 X1 检测到信号后,灌奶输送停止,同时左边灌奶运行电磁阀运行,经过灌奶运行电磁阀运行延时,延时时间到后,左边灌奶开关口电磁阀打开,同时开始抽料,经过左边灌奶开关口电磁阀开延时,时间到后,关上左边灌奶开关口,同时左边灌奶挤料电磁阀运行,开始挤料,经过左边灌奶挤料延时,时间到后挤料结束,灌奶输送运行,经过以后物料延时,延时时间到灌奶输送停止,重复第 2 步动作,直到完成预定的排数。(灌奶运行电磁阀,开关口电磁阀,挤料电磁阀都要有运行延时和关断延时)。

③当右边检测灌奶信号 X2 检测到信号后,灌奶输送停止,同时右边灌奶运行电磁阀运行,经过灌奶运行电磁阀运行延时,延时时间到后,右边灌奶开关口电磁阀打开,同时开始抽料,经过右边灌奶开关口,电磁阀开延时,时间到后,关上右边灌奶开关口,同时右边灌奶挤料电磁阀运行,开始挤料,经过右边灌奶挤料延时,时间到后挤料结束,灌奶输送运行,经过以后物料延时,延时时间到灌奶输送停止,重复第 3 步动作,直到完成预定的排数。

(灌奶运行电磁阀,开关口电磁阀,挤料电磁阀都要有运行延时和关断延时)。

④刮料伺服在灌奶输送停止时(一轮循环结束时的停止)进行刮料。

⑤整理有 3 组,整理信号一,整理信号二,整理信号三分别对应 X3,X4,X5,检测到信号后对应的整理电磁阀动作,经过一定延时后复位。两个下料信号和检测下料信号对应两个下料伺服。

⑥设有整理下料一伺服急停复位,整理下料二伺服急停复位,蛋糕输送急停复位,刮料急停复位,灌奶急停复位。同时要有信号报警系统。

⑦要有手 / 动切换,按下启动按钮后知道执行自动控制。

⑧各总参数要求能在触摸屏上能显示并设置。并设有出厂值设定和恢复出厂值,要有参数记录和恢复上次记录。

⑨要有一个整套流水线的监控画面,反应各个控制状态。

⑩设一个服务时间。能更改服务时间控制机器的有效运行时间,时间到后禁止所有输出。

 

2. 控制系统分析

控制系统分析先要根据控制要求分配 I/O 点数,根据 I/O 点数和控制要求选择 PLC 型号,再选择变频器,触摸屏,伺服型号,然后根据控制要求画出程序流程功能框图。

3. 型号选择

PLC 型号选择:根据输入输出点分配情况选择 60 点的 PLC,再加 1 个扩展模块,因为需要脉冲输出选择晶体管型的,所以选择 PLC 型号为 XC3-60T-E,外加 1 个扩展模块 XC- E8X8YR. TP 型号选择:10.4 寸大屏幕的 256 色的 TFT 真彩,应支持 RS-232/RS485/RS422 通讯,所以选择 TPA61-T 变频器选择:EDS1000-4T0022G/B. 伺服选择:VEC-VB-R40H21B-M-B. 4 控制系统设计

 

(1)PLC 与变频器的通讯

本系统用到了 4 台变频器,即四台变频器与一个 PLC 的通讯。由于其 PLC 为信捷的 XC 系列而变频器用的是易能的 EDS1000 系列的,它们之间不能通过 MODBUS 通讯进行,而要求用自由格式通讯。

 

自由格式通讯是指其通讯格式可根据用户需求自行定义。

 

起始符(1 字节)数据块(最大 128 字节)终止符(1 字节)

 

通讯以数据块形式传送,每块最大可传送 128 字节,同时也可根据实际运用情况给每块设置一个起始 / 终止符,也可不设。设置后,PLC 在发送数据时,自动加上起始 / 终止符,而当在接收数据时,则会去掉起始 / 终止符。

 

因此,当 PLC 采用自由格式通讯协议,实现 PLC 与智能仪器仪表的数据交换,具有很大的灵活性,避免了 PLC 内部专用协议的限制。

 

PLC 与 3 台变频器通讯,要把 3 台变频器的地址分别设为 01,02,03,对应的 ASCII 为 31,32,33,要求对变频器进行频率给定,则可以从变频器手册中查到其主机命令,辅助索引,命令索引分别为 12,00,01,然后再转化成 ASCII 格式。主要的工作就是把输入的十进制频率转化成 ASCII 码值,分别写入 4 个寄存器中,然后对前面的数进行累加计算,即把“从机地址”到“运行数据”全部字节的 ASCII 码值进行累加后放入 4 个寄存器中,帧尾为 0D. 通过把不变的数的 ASCII 码值相加,然后对频率进行 ASCII 换算,通过的 00FFH,FF00H 进行与运算再通过逻辑位移,然后把各个数放入寄存器中。在写变频器站号的时候,通过一个定时器对 D400 进行累加,再对 D400 的数进行译码送入 M50,通过 M50 对 3 个变频器的站号和频率给定。

 

(2)信号检测

在信号检测系统中主要的一个物料检测输送和下料信号,分别对应了灌奶输送流程和整理下料一伺服运行流程和整理下料二伺服运行流程。

 

(3)灌奶输送

灌奶输送对应的流程为 S0,通过前面的灌奶输送检测信号对 S0 启动,经过灌奶输送延时,对输送伺服发脉冲进行灌奶输送。D8170 是 PULSE_1 累计的脉冲个数。当 M8170(灌奶输送伺服运行标志位)得到下降沿时进入刮料和挤奶检测流程。之所以在这里才把挤奶检测流程打开而不是在上面的信号检测流程中就打开,是防止有误信号的检测使挤料流程误打开。

 

(4)刮料

刮料流程的伺服与灌奶输送的伺服运行类似,这里不一一阐述。

 

(5)挤奶检测流程

当左挤奶检测光电开关检测到有信号的时候,打开左边的挤奶流程。(右边的类似)。

 

(6)挤奶流程

当挤奶流程打开,左边的灌奶运行电磁阀随即打开对 Y12 置位,经过左边灌奶运行电磁阀运行延时 T200,把左边灌奶开关口电磁阀打开对 Y200 置位,经过 T201 延时后,打开左边挤料电磁阀对 Y201 置位,再经过 T202 延时,关闭开关口电磁阀,经过开关口关延时 T203 后,关闭左边挤料电磁阀,经过 T204 延时,关闭运行电磁阀,经过延时,退出左挤奶流程。(右边的类似)。

 

(7)整理

整理只是简单的通过整理信号对整理电磁阀进行置位,通过运行延时,对其复位。

 

8)整理下料伺服运行

整理下料伺服有两段,要经过下降延时。所以要有段程标志位。

 

4. 总结

PLC 可编程控制技术在食品工业的应用,它对保证产品质量和出品率的稳定,保证设备的效能和工艺效果的稳定,提高生产运行安全可靠性,降低操作管理人员的劳动强度,减少生产人员提高劳动价值,实现生产管理的现代化发挥了积极作用。