基于PLC的食品殺菌通信和溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

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1、 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第33頁基于PLC的食品殺菌通信和溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要眾所周知，溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中一個(gè)非常重要的參數(shù)。物體的許多物理和化學(xué)性質(zhì)都與溫度有關(guān)，許多生產(chǎn)過程都是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，因此需要測(cè)量溫度并進(jìn)行有效的溫度控制。課題針對(duì)食品殺菌過程中溫度較難控制的問題，采用PLC軟件中PID控制器進(jìn)行解決。在工業(yè)生產(chǎn)中，常采用閉環(huán)控制方式來控制溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量。為了使控制過程穩(wěn)定準(zhǔn)確，在對(duì)模擬量進(jìn)行采樣檢測(cè)之外，還要對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行PID運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，形成對(duì)模擬量的有效控制。本論文以西門子S7-200系列可編程序控制器(PLC)為主要控制設(shè)備

2、，實(shí)現(xiàn)了食品殺菌過程中對(duì)溫度的精確控制，并在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了PLC間的通信等功能。在S7-200PLC中，通過PID回路指令處理模擬量的控制是非常方便的。本文介紹了PID控制器在食品殺菌溫度控制系統(tǒng)中程序設(shè)計(jì)的全過程，對(duì)食品殺菌溫度的控制選用PLC中的PID功能指令的編程方法來實(shí)現(xiàn),滿足了系統(tǒng)的控制需求。關(guān)鍵詞：食品殺菌；溫度控制；PLC通信；PID調(diào)節(jié)Based on PLC food sterilization communication and temperature control system designAbstractIt is well known that temperature

3、 is a very important parameter in industrial production and scientific experiments. Many physical and chemical properties are related with temperature. Many production processes work in some certain temperature range, so temperature needs to be measured and controlled effectively. Aiming at the prob

4、lem that it is difficult to control temperature in food sterilization process, PID controller in PLC software was adopted to overcome it in the paper. In the industrial production, closed-loop control is usually used to control temperature, pressure, flow and other continuously variable analog quant

5、ities. In order to make the system stable and accurate, not only analog quantities need to be sampled and measured, but also the sample result need to be computed with PID algorithm, then according to the results of operations, analog can be controlled effectively. The PLC of Siemens S7-200 as a mai

6、n control device was adopted in the paper, to implement the control precisely in food sterilization control system, and implement the function of communication between PLC. It is convenient to deal with the control of analog with PID loop instruction of S7-200PLC. The whole design process of PID con

7、troller in food sterilization temperature control system was introduced. The programming instructions of PID function in PLC were used to realize temperature control of food sterilization to meet the control needs of system. Key words：food sterilization; temperature control; PLC communication; PID a

8、djustment 目錄摘要IAbstractII1 緒論11.1 課題背景和意義11.2 課題發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)11.3 課題研究內(nèi)容和論文簡介22 PLC和STEP7介紹42.1 可編程序控制器的基礎(chǔ)42.1.1 可編程序控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用42.1.2 可編程序控制器的組成和原理42.1.3 可編程序控制器的分類和特點(diǎn)72.2 STEP7介紹72.2.1 STEP7概述72.2.2 硬件接口與項(xiàng)目結(jié)構(gòu)82.2.3 模塊簡介93 食品殺菌控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)113.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟113.1.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則113.1.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟133.2

9、 PLC的選型和硬件配置143.2.1 PLC的型號(hào)選擇143.2.2 S7-200 CPU的選擇153.2.3 溫度傳感器選型153.2.4 食品工業(yè)中殺菌設(shè)備選型154 食品殺菌控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)184.1 PLC程序設(shè)計(jì)方法184.2 溫度控制程序設(shè)計(jì)194.2.1 設(shè)計(jì)思路及控制原理194.2.2 PLC外部接線204.2.3 控制流程圖214.2.4 PID參數(shù)整定224.2.5 PLC控制系統(tǒng)梯形圖234.3通信控制程序設(shè)計(jì)264.3.1控制要求264.3.2編程思路264.3.3程序設(shè)計(jì)27結(jié)論30致謝31參考文獻(xiàn)321 緒論1.1 課題背景和意義隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐步發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)

10、中，溫度、壓力、流量和液位是四種最常見的過程變量。其中，溫度是一個(gè)非常重要的過程變量。例如：在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工業(yè)、機(jī)械加工和食品加工等許多領(lǐng)域，都需要對(duì)各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進(jìn)行控制。這方面的應(yīng)用大多是基于單片機(jī)進(jìn)行PID控制,然而單片機(jī)控制的DDC系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處,然而PLC在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。隨著PLC功能的擴(kuò)充在許多PLC控制器中都擴(kuò)充了PID控制功能,因此在邏輯控制與PID控制混合的應(yīng)用場(chǎng)所中采用PLC控制是較為合理的，通過采用PLC來對(duì)它們進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大的優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高

11、被測(cè)溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，PLC的出現(xiàn)很好的解決了一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問題，溫度的控制問題。溫度和人類的生產(chǎn)、生活有著密切的關(guān)系，同時(shí)也是工業(yè)生產(chǎn)中最常見最基本的工藝參數(shù)，并且隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)自己的生存環(huán)境越來越關(guān)注，空氣中溫度的變化與人體的舒適度和情緒都有直接的影響?？傊?，溫度的檢測(cè)與調(diào)節(jié)儀器的設(shè)計(jì)和開發(fā)具有非常大的市場(chǎng)前景和實(shí)用價(jià)值。1.2 課題發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)食品殺菌：就是以食品原料、加工品為對(duì)象，通過對(duì)引起食品變質(zhì)的主要因素，微生物的殺菌及除菌，達(dá)到食品品質(zhì)的穩(wěn)定化，有效延長食品的保質(zhì)期，并因此降低食品中有害細(xì)菌存活數(shù)量，避免活菌的攝

12、入引起人體(通常是腸道)感染或預(yù)先在食品中產(chǎn)生的細(xì)菌毒素導(dǎo)致人類中毒。目前在我國高溫殺菌一般采用水浴式殺菌和蒸氣殺菌即我們常說的水殺和汽殺兩種殺菌方式，上個(gè)世紀(jì)九十年代開始為了滿足軟包裝等特殊的產(chǎn)品生產(chǎn)要求，開始從日本引進(jìn)雙層殺菌鍋即日式殺菌鍋，新世紀(jì)伊始，西班牙、德國、法國等歐洲國家為了節(jié)約能源和水資源，推出一種帶熱交換器的水淋式殺菌鍋，特別是法國采用最先進(jìn)的鍋內(nèi)蒸氣循環(huán)系統(tǒng)，以達(dá)到高溫節(jié)能、短時(shí)高效、節(jié)約水資源等目的?，F(xiàn)在我們國內(nèi)的全自動(dòng)殺菌鍋大多數(shù)都采用日式鍋的理念，從前兩年開始有了模仿歐洲技術(shù)帶熱交換器的水淋式殺菌，今年我們?cè)诜▏鴼⒕伝A(chǔ)上開發(fā)一種全新概念的水汽混合殺菌，在繼承了法國

13、高溫節(jié)能、短時(shí)高效、節(jié)約水資源等優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，主要優(yōu)化了鍋內(nèi)熱力分布效果，堪稱世界上最先進(jìn)的全自動(dòng)殺菌鍋。在食品殺菌的方法上，超高壓殺菌技術(shù)和超高溫瞬間殺菌技術(shù)，廣泛用在各類罐藏食品、飲料、酒類、藥品、乳品的生產(chǎn)中。后一種方法，由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，已發(fā)展為一種高新食品殺菌技術(shù)。電阻加熱已成功地用于各種包含大顆粒的食品和片狀食品的殺菌，如馬鈴薯、胡蘿卜、蘑菇、牛肉、雞肉、片狀蘋果、菠蘿、桃等。超高壓殺菌技術(shù)最大優(yōu)越性在于它對(duì)食品中的風(fēng)味物質(zhì)、維生素C、色素等沒有影響，營養(yǎng)成分損失很少，特別適用于果汁、果醬類食品的殺菌。膜過濾除菌技術(shù)已在食品、生物制藥等工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，例如生化物質(zhì)的提取、純水

14、的制備、果汁的濃縮等。另外還有一種殺菌方式，巴氏殺菌法:巴氏殺菌是指溫度比較低的熱處理方式，一般在低于水沸點(diǎn)溫度下進(jìn)行。它是一門古老的技術(shù)，由19世紀(jì)法國醫(yī)生巴斯德首創(chuàng)，至今仍有一定的應(yīng)用價(jià)值。巴氏殺菌是最早的殺菌方法，利用熱水作為傳熱介質(zhì)。殺菌條件為6163 ，30 min，或7275 ，1015 min。加熱時(shí)應(yīng)注意物料表面溫度較內(nèi)部溫度低45 ；此外，當(dāng)表面產(chǎn)生氣泡時(shí)，泡沫部分難以達(dá)到殺菌要求。這種殺菌方法，由于所需時(shí)間長，生產(chǎn)過程不連續(xù)，長時(shí)間受熱容易使某些熱敏成分變化，殺菌也不夠理想，目前在大中型食品廠中已很少采用。其它幾種殺菌方法是以后食品殺菌行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。1.3 課題研究內(nèi)容和

15、論文簡介食品的殺菌流程為：食品必須經(jīng)過殺菌機(jī)、冷卻機(jī)和干燥機(jī)三部分的依次作用來完成。舊式的殺菌系統(tǒng)通常采用繼電器式的自動(dòng)控制柜，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、故障率高、通用性差且控制精度不高等問題，嚴(yán)重影響了殺菌流程的效率。隨著自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，新一代食品殺菌控制系統(tǒng)，不僅自動(dòng)化程度高，易操作，而且生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量也大大提高。我們采用西門子的小型PLC對(duì)整個(gè)殺菌系統(tǒng)進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)較高的自動(dòng)化程度，并能完成智能控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障保護(hù)等任務(wù)，同時(shí)還提供良好的人機(jī)界面與操作員進(jìn)行交互，使得修改各種參數(shù)簡單、易行，對(duì)于機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)能夠及時(shí)、快速、準(zhǔn)確的反映。 本論文研究的是PLC技術(shù)在溫度

16、控制系統(tǒng)上的應(yīng)用。從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的硬件配置、系統(tǒng)流程圖、程序設(shè)計(jì)，控制算法的選擇和參數(shù)的整定，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)等。 本論文通過德國西門子公司的S7-200系列PLC控制器，溫度傳感器將檢測(cè)到的實(shí)際溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)并送到PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，輸出信號(hào)通過繼電器控制閥門開閉控制溫度?？傮w上包括:硬件設(shè)計(jì)，軟件編程，參數(shù)整定等。全論文分四部分，各章的主要內(nèi)容介紹如下。1對(duì)食品殺菌通信和溫度控制系統(tǒng)的背景及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，指出本文的研究意義所在。2簡單概述PLC和STEP7的基本概念以及結(jié)構(gòu)功能等基礎(chǔ)內(nèi)容。3主要從系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)角度，介紹該項(xiàng)目

17、的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、PLC的硬件配置、PLC控制器的設(shè)計(jì)。4在硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了軟件設(shè)計(jì)，主要包括軟件設(shè)計(jì)的控溫部分和通信部分設(shè)計(jì)的基本步驟、方法，程序流程圖等。 2 PLC和STEP7介紹2.1 可編程序控制器的基礎(chǔ)可編程邏輯控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡稱PLC（Programmable Logic Controller）,它使用了可編程序的記憶以存儲(chǔ)指令，用來執(zhí)行諸如邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和演算等功能，并通過數(shù)字后模擬的輸入和輸出，以控制各種機(jī)械或生產(chǎn)過程。2.1.1 可編程序控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用20世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，由于價(jià)格高、輸入電路不匹配、編程

18、難度大以及難于適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得推廣。1968年，美國通用汽車公司（GM）為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，要求尋找一種比繼電器更可靠、功能更齊全、響應(yīng)速度更快的新型工業(yè)控制器，并從用戶角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的十大條件，立即引發(fā)了開發(fā)熱潮。1969年美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)根據(jù)美國通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺(tái)可編程控制器，并在通用汽車公司的自動(dòng)裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項(xiàng)技術(shù)迅速發(fā)展起來。隨著PLC功能的不斷完善，性價(jià)比的不斷提高，PLC的應(yīng)用面也越來越廣。目前，PLC在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽

19、車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)。PLC的應(yīng)用范圍通常分為開關(guān)邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、機(jī)械加工中的數(shù)字控制、機(jī)器人控制、通信和聯(lián)網(wǎng)等。2.1.2 可編程序控制器的組成和原理PLC從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種，但在邏輯結(jié)構(gòu)上基本相同。無論是整體式還是模塊式，從硬件結(jié)構(gòu)看，PLC都是有CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口單元及擴(kuò)展接口和擴(kuò)展部件、外設(shè)接口及外設(shè)和電源等部分組成，各部分之間通過系統(tǒng)總線連接。PLC的基本結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。存儲(chǔ)單元中央處理單元CPU電源輸出接口輸入接口圖2.1 PLC基本結(jié)構(gòu)圖1）CPU（中央處理器）CPU是PLC的核心，由運(yùn)算器、控制器、寄存器、系

20、統(tǒng)總線，外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路構(gòu)成。它的功能是接收并存儲(chǔ)用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等，是PLC不可缺少的組成單元。2）I/O接口PLC是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置能力的限制，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。PLC的對(duì)外功能主要是通過各種I/O接口模塊于外界聯(lián)系來實(shí)現(xiàn)的。輸入模塊和輸出

21、模塊是PLC與現(xiàn)場(chǎng)I/O裝置或設(shè)備之間的連接部件，起著PLC與外部設(shè)備之間的傳遞信息的作用。I/O模塊分為開關(guān)量、開關(guān)量輸出、模擬量輸入和模擬量輸出等模塊。3）存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器（內(nèi)存）主要用于存儲(chǔ)器程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。一般包括系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器兩部分。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)器整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控程序，一般采用只讀存儲(chǔ)器（ROM），具有掉電不丟失信息的特性。用戶程序存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)用戶根據(jù)工藝要求或者控制功能設(shè)計(jì)的控制程序，早期一般采用隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（RAM），需要后備電池在掉電后保存程序。目前則傾向于采用電可擦除的只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）或閃存（Flash Memory）

22、，免去了后備電池的麻煩。4）電源模塊PLC中的電源，是為了PLC各模塊的集成電路提供工作電源。電源可分直流和交流兩種類型，交流輸入220VAC，直流輸入通常是24V。5）智能模塊除了上述通用的I/O模塊外，PLC還提供了各種各樣的特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、溫度控制、中斷控制、位置控制、以太網(wǎng)、遠(yuǎn)程I/O控制、打印機(jī)等專用型或智能型的I/O模塊，用用以滿足各種特殊功能的控制要求。I/O模塊的類型、品種與規(guī)格越多，系統(tǒng)的靈活性越好，模塊的I/O容量越大，系統(tǒng)的適應(yīng)性就越強(qiáng)。6）編程設(shè)備常見的編程設(shè)備有簡易手持編程器、智能圖形編程器和基于PC的專用編程軟件。編程設(shè)備用于輸入和編輯用戶程序，對(duì)

23、系統(tǒng)作些設(shè)定，監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的系統(tǒng)的工作狀態(tài)。編程設(shè)備在PLC的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試、監(jiān)控運(yùn)行和檢查維護(hù)中是不可缺少的部件，但不直接參與現(xiàn)場(chǎng)的控制。PLC本質(zhì)上就是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，其工作原理與普通計(jì)算機(jī)類似，具有計(jì)算機(jī)的許多特點(diǎn)。但其工作方式卻與計(jì)算機(jī)有著較大的不同，具有一定的特殊性。PLC采用循環(huán)掃描的工作方式。工作時(shí)逐條順序掃描用戶程序，如果一個(gè)線圈接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)不會(huì)立即動(dòng)作，需等掃描 到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作。當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段；完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期；在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以

24、一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段：1、輸入采樣階段 ：在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入輸入映象區(qū)中的相應(yīng)單元內(nèi)；輸入采樣結(jié)束后，相應(yīng)轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段；在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。2、用戶程序執(zhí)行階段：PLC按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)；在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在輸出

25、映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令；即在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。3、輸出刷新階段：當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段；在此期間，CPU按照輸出映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。2.1.3

26、可編程序控制器的分類和特點(diǎn)根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)形式，可將PLC分為整體式和模塊式兩類。還有一些PLC將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來，構(gòu)成所謂疊裝式PLC。還可以按I/O點(diǎn)數(shù)分類，根據(jù)PLC的I/O點(diǎn)數(shù)多少，可將PLC分為小型、中型、大型和超大型四類：I/O點(diǎn)數(shù)在256以下為小型PLC;I/O點(diǎn)數(shù)在2561024為中型PLC;I/O點(diǎn)數(shù)大于1024為大型PLC;I/O點(diǎn)數(shù)在4000以上為超大型PLC；可編程控制器有可靠性高、編程簡單、功能強(qiáng)、安裝簡單、維修方便、采用模塊化結(jié)構(gòu)、接口模塊豐富、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試周期短等特點(diǎn)。2.2 STEP7介紹 STEP7編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，有西門子

27、公司專為S7-200系列可編程控制器設(shè)計(jì)開發(fā)，它功能強(qiáng)大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。它是西門子S7-200用戶不可缺少的開發(fā)工具。2.2.1 STEP7概述以STEP7創(chuàng)建程序，可雙擊STEP7圖標(biāo)，或者選擇開始菜單里的STEP7，STEP7項(xiàng)目窗口將提供用于創(chuàng)建控制程序的便利工作空間。工具欄將提供快捷鍵按鈕，用于經(jīng)常使用的菜單命令，也可顯示或隱藏工具欄的任何按鈕。瀏覽條給出了多組圖標(biāo)，用于訪問STEP7的不同編程特性。指令樹將顯示用于創(chuàng)建控制程序的所有項(xiàng)目對(duì)象和指令。可將單個(gè)的指令從指令樹拖放到程序中，或雙擊某個(gè)指令，以便將其插入到程序編輯器中光標(biāo)的當(dāng)

28、前位置。程序編輯器包括程序邏輯和局部變量表，可在其中分配臨時(shí)局部變量的符號(hào)名。子程序和中斷程序在程序編輯器窗口的底部均按標(biāo)簽顯示。單擊標(biāo)簽可以在子程序、中斷程序和主程序之間來回變換。STEP7提供了用于創(chuàng)建程序的三個(gè)編輯器：梯形圖（LAD）、語句表（STL）和功能塊圖（FBD）。盡管有某些限制，在這些程序編輯器的任何一個(gè)編寫的程序均可用其他程序編輯器進(jìn)行瀏覽和編輯。用的比較多的是梯形圖（LAD）編程語言。下圖為STEP7的主界面，如圖2.2所示。圖2.2 STEP7的主界面2.2.2 硬件接口與項(xiàng)目結(jié)構(gòu)1）STEP 7的硬件接口PC/MPI適配器RS-232C通信電纜。計(jì)算機(jī)的通信卡CP 56

29、11（PCI卡）、CP 5511或CP 5512（PCMCIA卡）將計(jì)算機(jī)連接到MPI或PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算機(jī)的工業(yè)以太網(wǎng)通信卡CP 1512（PCMCIA卡）或CP 1612（PCI卡），通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC的通信。2）項(xiàng)目結(jié)構(gòu) 在項(xiàng)目中，數(shù)據(jù)以對(duì)象形式存儲(chǔ)。項(xiàng)目中的對(duì)象按樹型結(jié)構(gòu)組織(項(xiàng)目層次)。項(xiàng)目窗口中樹型結(jié)構(gòu)類似于Windows 95資源管理器，只是圖標(biāo)不同。項(xiàng)目層次結(jié)構(gòu)：第1級(jí)：第1級(jí)包含項(xiàng)目圖標(biāo)，每個(gè)項(xiàng)目代表和項(xiàng)目存儲(chǔ)有關(guān)的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。第2級(jí)：站用于存放硬件組態(tài)和模塊參數(shù)等信息，站是組態(tài)硬件的起點(diǎn)。S7程序文件夾是編寫程序的起點(diǎn)。所有S7系列的軟件均存放在S7

30、程序文件夾下。它包含程序塊文件夾和源文件夾。SIMATIC的網(wǎng)絡(luò)圖標(biāo) (MPI、Profibus、工業(yè)以太網(wǎng))第3級(jí)和其他級(jí)：和上一級(jí)對(duì)象類型有關(guān)。2.2.3 模塊簡介1）組織塊(OB)控制掃描循環(huán)和中斷程序的執(zhí)行、PLC的啟動(dòng)和錯(cuò)誤處理等。（1）OB1用于循環(huán)處理，用戶程序中的主程序。（2）事件中斷處理，需要時(shí)才被及時(shí)地處理。（3）中斷的優(yōu)先級(jí)，高優(yōu)先級(jí)的OB可以中斷低優(yōu)先級(jí)的OB。2）臨時(shí)局域數(shù)據(jù)生成邏輯塊（OB、FC、FB）時(shí)可以聲明臨時(shí)局域數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是臨時(shí)的，局域（Local）數(shù)據(jù)，只能在生成它們的邏輯塊內(nèi)使用。所有的邏輯塊都可以使用共享數(shù)據(jù)塊中的共享數(shù)據(jù)。3）功能（FC）沒有固定

31、的存儲(chǔ)區(qū)的塊，其臨時(shí)變量存儲(chǔ)在局域數(shù)據(jù)堆棧中，功能執(zhí)行結(jié)束后，這些數(shù)據(jù)就丟失了。用共享數(shù)據(jù)區(qū)來存儲(chǔ)那些在功能執(zhí)行結(jié)束后需要保存的數(shù)據(jù)。調(diào)用功能和功能塊時(shí)用實(shí)參（實(shí)際參數(shù)）代替形參（形式參數(shù)）。形參是實(shí)參在邏輯塊中的名稱，功能不需要背景數(shù)據(jù)塊。功能和功能塊用IN、OUT和IN_OUT參數(shù)做指針，指向調(diào)用它的邏輯塊提供的實(shí)參。功能可以為調(diào)用它的塊提供數(shù)據(jù)類型為RETURN的返回值。4）功能塊（FB）功能塊是用戶編寫的有自己的存儲(chǔ)區(qū)（背景數(shù)據(jù)塊）的塊，每次調(diào)用功能塊時(shí)需要提供各種類型的數(shù)據(jù)給功能塊，功能塊也要返回變量給調(diào)用它的塊。這些數(shù)據(jù)以靜態(tài)變量（STAT）的形式存放在指定的背景數(shù)據(jù)塊(DI)中，

32、臨時(shí)變量TEMP存儲(chǔ)在局域數(shù)據(jù)堆棧中。調(diào)用FB或SFB時(shí)，必須指定DI的編號(hào)。在編譯FB或SFB時(shí)自動(dòng)生成背景數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)。一個(gè)功能塊可以有多個(gè)背景數(shù)據(jù)塊，用于不同的被控對(duì)象。可以在FB的變量聲明表中給形參賦初值。如果調(diào)用塊時(shí)沒有提供實(shí)參，將使用上一次存儲(chǔ)在DI中的參數(shù)。5）數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊中沒有STEP 7的指令，STEP 7按數(shù)據(jù)生成的順序自動(dòng)地為數(shù)據(jù)塊中的變量分配地址。數(shù)據(jù)塊分為共享數(shù)據(jù)塊和背景數(shù)據(jù)塊。應(yīng)首先生成功能塊，然后生成它的背景數(shù)據(jù)塊。在生成背景數(shù)據(jù)塊時(shí)指明它的類型為背景數(shù)據(jù)塊（Instance）和它的功能塊的編號(hào)。圖2.3 用于不同對(duì)象的背景數(shù)據(jù)塊3 食品殺菌控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)在掌

33、握了PLC的硬件構(gòu)成、工作原理、指令系統(tǒng)以及編程環(huán)境后，就可以PLC作為主要控制器來構(gòu)造PLC控制系統(tǒng)。本章主要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)角度，介紹該項(xiàng)目的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、PLC的硬件配置、外部電路設(shè)計(jì)以及PLC控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)的整定等。3.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟弄懂PLC的基本工作原理和指令系統(tǒng)后，就可以把PLC應(yīng)用到實(shí)際的工程項(xiàng)目中。無論是用PLC組成集散控制系統(tǒng)，還是獨(dú)立控制系統(tǒng)，PLC控制部分的設(shè)計(jì)都可以參考圖3.1所示的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟。3.1.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象（生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程）的工藝要求，以提高生產(chǎn)

34、效率和產(chǎn)品質(zhì)量。而在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)原則往往會(huì)涉及很多方面，其中最基本的設(shè)計(jì)原則可以歸納為四點(diǎn)。1）設(shè)計(jì)原則（1）完整性原則。最大限度的滿足工業(yè)生產(chǎn)過程或機(jī)械設(shè)備的控制要求。（2）可靠性原則。確保計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性。（3）經(jīng)濟(jì)性原則。力求控制系統(tǒng)簡單、實(shí)用、合理。（4）發(fā)展性原則。適當(dāng)考慮生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進(jìn)的需求，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。2）評(píng)估控制任務(wù)根據(jù)系統(tǒng)所需完成的控制任務(wù)，對(duì)被控對(duì)象的生產(chǎn)工藝及特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，特別是從以下幾個(gè)方面給以考慮。（1）控制規(guī)模：一個(gè)控制系統(tǒng)的控制規(guī)?？捎迷撓到y(tǒng)的I/O設(shè)備總數(shù)來衡量。當(dāng)控制規(guī)模較大時(shí)，特別是開關(guān)量控制的I/O設(shè)備較多時(shí)

35、，最適合采用PLC控制。（2）工藝復(fù)雜程度:當(dāng)工藝要求較復(fù)雜時(shí)，采用PLC控制具有更大的優(yōu)越性。（3）可靠性要求:目前，當(dāng)I/O點(diǎn)數(shù)在20甚至更少時(shí)，就趨向于選擇PLC控制了。（4）數(shù)據(jù)處理速度:若數(shù)據(jù)處理程度較低，而主要以工業(yè)過程控制為主時(shí)，采用PLC控制將非常適宜。評(píng)估控制任務(wù)PLC機(jī)型的選擇控制流程的設(shè)計(jì)控制柜設(shè)計(jì)及布線PLC安裝聯(lián)機(jī)調(diào)試程序設(shè)計(jì)程序檢查、調(diào)試模擬運(yùn)行修改軟、硬件是否滿足要求程序備份投入使用N圖3.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟3.1.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。所謂硬件設(shè)計(jì)，是指PLC外部設(shè)備的設(shè)計(jì)，而軟件設(shè)計(jì)即PLC應(yīng)用程序

36、的設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分一下幾步進(jìn)行。1）熟悉被控對(duì)象深入了解被控系統(tǒng)是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)人員必須深入現(xiàn)場(chǎng)，認(rèn)真調(diào)查研究，收集資料，并與相關(guān)技術(shù)人員和超作人員一起分析討論，相互配合，共同解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題。這一階段對(duì)被控對(duì)象功能有了比較全面的了解，對(duì)對(duì)象各種動(dòng)作及動(dòng)作時(shí)序、動(dòng)作條件、必要的互鎖與保護(hù)；電氣系統(tǒng)與機(jī)械、液壓、氣動(dòng)及各儀表等系統(tǒng)間的關(guān)系；PLC與其他設(shè)備的關(guān)系，PLC之間是否通信聯(lián)網(wǎng)；系統(tǒng)的工作方式及人機(jī)界面，需要顯示的物理量及顯示方式等都有了初步的了解。2）硬件選擇具體包括以下5五個(gè)方面：（1）系統(tǒng)I/O設(shè)備的選擇。輸入設(shè)備包括按鈕。位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等。輸出

37、設(shè)備 包括繼電器、接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈及其它執(zhí)行器等。（2）選擇PLC。PLC選擇包括對(duì)PLC機(jī)型、容量、I/O模塊、電源等的選擇。（3）PLC的I/O端口分配。（4）繪制PLC外圍硬件線路圖。（5）計(jì)數(shù)器、定時(shí)器及內(nèi)部輔助繼電器的地址分配。3）編寫應(yīng)用程序根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，采用合適的設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)PLC程序。程序要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，逐一編寫實(shí)現(xiàn)各控制功能或各子任務(wù)的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的功能。程序通常包括以下內(nèi)容：（1）初始化程序。在PLC上電后，一般都要做一些初始化的操作，為啟動(dòng)作必要的準(zhǔn)備，避免系統(tǒng)發(fā)生誤動(dòng)作。初始化程序的主要內(nèi)容有：對(duì)某些數(shù)據(jù)區(qū)、計(jì)數(shù)器等進(jìn)行清零，對(duì)某

38、些數(shù)據(jù)區(qū)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，對(duì)某些繼電器進(jìn)行置位或復(fù)位，對(duì)某些初始化狀態(tài)進(jìn)行顯示等等。（2）檢測(cè)、故障診斷和顯示等程序。這些程序相對(duì)獨(dú)立，一般在程序設(shè)計(jì)基本完成時(shí)再添加。（3）保護(hù)和連鎖程序。保護(hù)和連鎖是程序中不可缺少的部分，必須認(rèn)真加以考慮。它可以避免由于非法操作而引起的控制邏輯混亂。4）程序調(diào)試程序調(diào)試分為2個(gè)階段，第一階段是模擬調(diào)試、第二階段是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。程序模擬調(diào)試是以方便的形式模擬產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)，為程序的運(yùn)行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。（1）硬件模擬法是使用一些硬件設(shè)備模擬產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)，并將這些信號(hào)以硬接線方式連到PLC系

39、統(tǒng)的輸入端，其時(shí)效性較強(qiáng)。（2）軟件模擬法是在PLC中另外編寫一套模擬程序，模擬提供現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，其簡單易行，但時(shí)效性不以保證。模擬調(diào)試過程中，可采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，當(dāng)控制臺(tái)及現(xiàn)場(chǎng)施工完畢，程序模擬調(diào)試完成后，就可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，如不能滿足要求需從新檢查程序和接線，及時(shí)更正軟硬件反面的問題。3.2 PLC的選型和硬件配置3.2.1 PLC的型號(hào)選擇本系統(tǒng)選擇德國西門子公司的S7-200系列的PLC。S7-200 PLC屬于小型整體式的PLC，本機(jī)自帶RS-485通信接口、內(nèi)置電源和I/O接口。它的硬件配置靈活，即可用一個(gè)單獨(dú)的S7-200 CPU構(gòu)成一個(gè)簡單的數(shù)字

40、量控制系統(tǒng)。也可通過擴(kuò)展進(jìn)行數(shù)字量I/O模塊、模擬量模塊或智能接口模塊的擴(kuò)展，構(gòu)成較復(fù)雜的中等規(guī)?？刂葡到y(tǒng)。完整的S7-200系列PLC實(shí)物如圖3.2所示。圖3.2 S7-200系列PLC實(shí)物圖3.2.2 S7-200 CPU的選擇S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等類型。此系統(tǒng)選用S7-200 CPU226，CPU226集成了24點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出，共有40個(gè)數(shù)字量I/O。可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248點(diǎn)數(shù)字量或35點(diǎn)模擬量I/O。還有13KB程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，6個(gè)獨(dú)立的30KHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20KHz高速脈沖

41、輸出，具有PID控制器。配有2個(gè)RS485通訊口，具有PPI，MPI和自由方式通訊能力，波特率最高為38.4kbit/s，可用于較高要求的中小型控制系統(tǒng)。3.2.3 溫度傳感器選型溫度傳感器有四種主要類型： 熱電偶、 熱敏電阻、 電阻溫度檢測(cè)器(RTD)和 IC 溫度傳感器。本系統(tǒng)選用熱電阻溫度傳感器。熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，典型的有銅熱電阻、鉑熱電阻等。其中鉑熱電阻的測(cè)量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀，它的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變，通常用PT100來表示。其中PT后的100即表示它在0時(shí)阻值為100歐姆，

42、在100時(shí)它的阻值約為138.5歐姆。 PT100是廣泛應(yīng)用的測(cè)溫元件，在-50600范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢(shì)，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進(jìn)行非線性校正。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正則需要在微處理系統(tǒng)中使用，將Pt電阻的電阻值和溫度對(duì)應(yīng)起來后存入EEPROM中，根據(jù)電路中實(shí)測(cè)的AD值以查表方式計(jì)算相應(yīng)溫度值。3.2.4 食品工業(yè)中殺菌設(shè)備選型殺菌鍋分類：根據(jù)殺菌溫度不同，可分為常壓殺菌設(shè)備和加壓殺菌設(shè)備。常壓殺菌設(shè)備的殺菌溫度為100

43、攝氏度，用于PH小于4.5時(shí)的酸性產(chǎn)品殺菌，根據(jù)巴氏殺菌原理設(shè)計(jì)的殺菌設(shè)備也屬于這一類。加壓殺菌一般在密封的設(shè)備中進(jìn)行，壓力高于0.1MPa，殺菌溫度在120攝氏度左右，用于肉類等罐頭的殺菌。根據(jù)操作方式不同，可分為間歇操作和連續(xù)操作殺菌設(shè)備。前者分為立式、臥式殺菌鍋和間歇式回轉(zhuǎn)殺菌鍋等，后者分為常壓式連續(xù)式、水靜壓連續(xù)式和水封連續(xù)式殺菌設(shè)備等。根據(jù)殺菌設(shè)備所用熱源不同，可分為直接蒸汽加熱殺菌設(shè)備、熱水加熱殺菌設(shè)備、火焰連續(xù)殺菌設(shè)備及照射殺菌設(shè)備等。根據(jù)殺菌設(shè)備的形態(tài)不同，可分為板式殺菌設(shè)備，管式殺菌設(shè)備及釜式殺菌設(shè)備。本系統(tǒng)選用臥式殺菌鍋，其結(jié)構(gòu)圖如圖3.3所示。臥式殺菌鍋為靜止間歇式蒸汽殺

44、菌設(shè)備，其容量較立式殺菌鍋大，是目前國內(nèi)大中型罐頭廠廣泛使用的一種設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作維護(hù)方便，價(jià)格低廉，但由于鍋內(nèi)罐頭靜止不動(dòng)，傳熱效率低，殺菌時(shí)間長，由于鍋內(nèi)出現(xiàn)溫度冷點(diǎn)，引起鍋內(nèi)溫度分布不均勻，影響殺菌質(zhì)量不一致。為為此需要采用排汽法，即將鍋內(nèi)部分熱蒸汽通過設(shè)備的排氣閥排出，以排出鍋內(nèi)存在的空氣，促進(jìn)加熱介質(zhì)在鍋內(nèi)流動(dòng)，改善加熱條件。圖3.3 食品殺菌罐示意圖1）臥式殺菌鍋的工作原理臥式殺菌鍋是一臺(tái)臥式圓筒形壓力容器，鍋蓋與鍋體的鎖閉方式與立式殺菌從中央到地方不同。鍋體內(nèi)的底部裝有兩根平行的軌道，供裝載罐頭的殺菌車進(jìn)出使用。加熱蒸汽由蒸汽管進(jìn)入，通過一系列閥門到達(dá)鍋底的蒸汽擴(kuò)散

45、管，對(duì)鍋內(nèi)進(jìn)行加熱，在鍋體頂部安裝有排氣閥等，在鍋體底部有排水閥，在鍋體側(cè)面安裝有溢流管。2）臥式殺菌鍋結(jié)構(gòu)組成鍋體：臥式殺菌鍋鍋體為一定厚度鋼板制成的圓柱形筒體，在筒體的一端焊有橢圓形封頭，另一端連接一鍋蓋。殺菌鍋內(nèi)底部有小車進(jìn)出軌道。蒸汽擴(kuò)散管裝在軌道之間，而較軌道低。殺菌鍋鍋體上裝有跟中管道與儀表，以利完成殺菌工藝的操作。臥式殺菌鍋屬壓力容器的其中一種。鍋門：鍋門為橢圓形，連接與鍋體上，向一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)開閉，布置地坑是需考慮相應(yīng)位置。問的外徑鍋體口稍大，鍋體口端面有一圓圈凹槽，槽內(nèi)嵌有彈性而耐高溫的橡皮圈，門和鍋體的連接采用自鎖裝置鎖緊。3）附件及輔助設(shè)備臥式殺菌鍋安裝在各種管道上，其中溢水管

46、裝在鍋體上部，有的與排氣管公用。罐頭加水冷卻時(shí)，熱水在上部溢出，使鍋內(nèi)水溫迅速冷卻下來，溢水管口截面應(yīng)大于進(jìn)水管截面，以利于有效控制鍋內(nèi)液面。排氣管用在罐頭升溫時(shí)，及時(shí)有效的排除殺菌鍋內(nèi)的空氣。排氣管的位置應(yīng)當(dāng)在蒸汽入口的相對(duì)方向，排氣管及閥門的截面必須大于進(jìn)氣管的截面積。壓縮空氣管是反壓殺菌和反壓冷卻，空氣壓縮機(jī)是通入壓縮空氣用的，目的是為了在殺菌、冷卻時(shí)，平衡罐內(nèi)外壓力，避免事故。蒸汽管通過噴氣管供應(yīng)殺菌的加熱蒸汽，噴氣管裝在鍋底部，兩側(cè)均勻分布兩排氣管，起作用是均勻供應(yīng)殺菌空氣，噴氣管上的孔眼大小和數(shù)目，與蒸汽擴(kuò)散速度有關(guān)。臥式殺菌鍋還應(yīng)配備一些儀表，以利于殺菌操作。其中壓力表是用來測(cè)定

47、殺菌鍋內(nèi)壓力道排氣的程度以及反壓冷卻時(shí)壓縮空氣的進(jìn)入量。臥式殺菌鍋的附屬設(shè)別有殺菌小車和空氣壓縮機(jī)。殺菌小車多為方形，主要考慮的是蒸汽和水的流通，車廂下面、裝有輪子，輪距與鍋內(nèi)軌道相適用。溫度計(jì)是控制殺菌溫度時(shí)觀察用的。溫度計(jì)必須裝在容易視讀處，若是熱水殺菌時(shí)，溫度計(jì)的感溫元件必須裝在水面以下，一般在鍋側(cè)中心并直接伸入鍋內(nèi)。殺菌鍋專用的溫度計(jì)，桿身有金屬保護(hù)夾套，下部水銀球也在金屬保護(hù)套中，基部水銀球上有螺紋，用螺紋連接與鍋體上。為了隨時(shí)了解殺菌期間溫度的變化及操作時(shí)間，以便改進(jìn)殺菌工藝提高產(chǎn)品質(zhì)量，還可安裝記錄溫度計(jì)。4 食品殺菌控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)

48、計(jì)兩部分，本部分是在硬件基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹軟件部分設(shè)計(jì)，主要包括軟件設(shè)計(jì)的基本步驟、方法，以及控溫和通信兩部分的程序設(shè)計(jì)。4.1 PLC程序設(shè)計(jì)方法編寫PLC程序的方法很多，這里主要介紹幾種典型的編程方法。1）圖解法編程圖解法是靠畫圖進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)。常見的主要有梯形圖法、邏輯流程圖法、時(shí)序流程圖法和步進(jìn)順控法。（1）梯形圖法梯形圖法是用梯形圖語言去編制PLC程序。這是一種模仿繼電器控制系統(tǒng)的編程方法，這種方法很容易地把原繼電器控制電路移植成PLC的梯形圖語言。這對(duì)于熟悉繼電器控制的人來說是最方便的一種編程方法。（2）邏輯流程圖法邏輯流程圖法是用邏輯框圖表示PLC程序的執(zhí)行過程，反映輸入與輸出

49、的關(guān)系。邏輯流程圖會(huì)使整個(gè)程序脈絡(luò)清晰，便于分析控制程序、查找故障點(diǎn)及調(diào)試和維護(hù)程序。（3）時(shí)序流程圖法時(shí)序流程圖法是首先畫出控制系統(tǒng)的時(shí)序圖（即2到某一個(gè)時(shí)間應(yīng)該進(jìn)行那項(xiàng)控制的控制時(shí)序圖），再根據(jù)時(shí)序圖關(guān)系畫出對(duì)應(yīng)的控制任務(wù)的程序框圖，最后把框圖寫成PLC程序，這種方法很適合以時(shí)間為基準(zhǔn)的控制系統(tǒng)的編程方法。（4）步進(jìn)順控法步進(jìn)順控法是在順控指令的配合下設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制程序。一般比較復(fù)雜的程序都可以分成若干個(gè)功能比較簡單的程序段，一個(gè)程序可以看成整個(gè)控制過程的一步。2）經(jīng)驗(yàn)法編程經(jīng)驗(yàn)法是運(yùn)用自己的或者別人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。多數(shù)是設(shè)計(jì)前先選擇與自己工藝要求相近的程序，把這些程序看成是自己的試驗(yàn)程序

50、。結(jié)合自己工程的情況，對(duì)這些試驗(yàn)程序逐一修改，使之適合自己的工程要求。3）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)編程 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是通過PLC編程軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、離線或在線編程、離線仿真和在線調(diào)試等。使用編程軟件可以很方便的在計(jì)算機(jī)上離線或在線編程、在線調(diào)試，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行程序的存取、加密以及形成EXE文件。4.2 溫度控制程序設(shè)計(jì)4.2.1 設(shè)計(jì)思路及控制原理罐頭食品的殺菌溫度一般是121，到達(dá)此溫度后就開始恒溫運(yùn)行。溫度低于此值達(dá)不到滅菌效果高于此值又會(huì)出現(xiàn)焦糊變色影響質(zhì)量，如采用電磁閥作為蒸氣進(jìn)氣閥，因其不能控制開度待測(cè)溫電阻感測(cè)到設(shè)定值時(shí)罐內(nèi)的整體溫度已超過設(shè)定值，控制溫度的曲線就會(huì)出現(xiàn)如圖4.

51、1所示的超標(biāo)震蕩現(xiàn)象。為了避免這種現(xiàn)象使曲線即快速平滑又不會(huì)超標(biāo)，就要采取PID控制，把電磁閥換成開度可控的電動(dòng)閥，這樣通過設(shè)置就可形成實(shí)際值（過程變量）與設(shè)定值的溫差越大電動(dòng)閥的開度也越大，反之溫差越小開度也越小，所形成的曲線如圖4.2所示，現(xiàn)設(shè)定最高溫度為150，它的80正好是121，等溫度升到80時(shí)即是給定值（SPn），這樣電動(dòng)閥的開度就會(huì)隨著溫差變小而逐步變小，較平滑地接近恒溫溫度。t/1210t圖4.1 不帶PID控制的電磁閥的升溫曲線 121t/0t圖4.2 PID控制的電動(dòng)閥的升溫曲線整個(gè)控制系統(tǒng)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)兩部分。被控對(duì)象為殺菌罐內(nèi)溫度，溫度傳感器檢測(cè)罐內(nèi)的溫

52、度信號(hào)，經(jīng)溫度變送器將溫度值轉(zhuǎn)換成010V的電壓信號(hào)送入PLC模塊。PLC把這個(gè)測(cè)量信號(hào)與設(shè)定值比較得到偏差，經(jīng)PID運(yùn)算后，發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)調(diào)壓裝置輸出交流電壓用來控制交流電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)進(jìn)氣和出氣閥門開度，從而實(shí)現(xiàn)罐內(nèi)溫度的連續(xù)控制。4.2.2 PLC外部接線采用 PID 控制器完成程序的設(shè)計(jì)，選用 S7-200PLC 中的 PID 回路指令實(shí)現(xiàn)，依據(jù) PLC 程序設(shè)計(jì)的原則，在硬件上增加一塊 EM235 模擬量擴(kuò)展模塊和一個(gè)熱電阻，軟件上采用 PID 控制升溫和恒溫的階段PLC 外部接線圖見圖4.3根據(jù)控制過程按照參數(shù)的要求經(jīng)過 PID 運(yùn)算決定電動(dòng)發(fā)的開度，等加熱到設(shè)定溫度值時(shí)關(guān)閉電

53、動(dòng)閥開始進(jìn)入恒溫段，恒溫需要 30min，在恒溫期間如溫度又低于設(shè)定值則再打開電動(dòng)閥，開度又 PID 運(yùn)算決定，原則是溫差越小開度就越小，如溫度超過設(shè)定值就將排氣閥定時(shí)打開，使溫度降到設(shè)定值程序清單如下：圖4.3 PLC外部接線圖4.2.3 控制流程圖給水閥打開水泵啟動(dòng)打水水位比較實(shí)際設(shè)定水泵停止打水給水閥關(guān)閉蒸氣閥打開溫度比較實(shí)際設(shè)定蒸氣閥關(guān)閉泄氣閥打開泄氣閥打開出水閥打開結(jié)束恒溫30分鐘NN啟動(dòng)圖4.4 程序流程圖罐頭殺菌罐工藝過程，將罐頭食品放人殺菌罐中按下啟動(dòng)按鈕，這時(shí)水泵起動(dòng)，給水閥打開，向殺菌罐中注入水，當(dāng)水位到達(dá)設(shè)定水位時(shí)，水位計(jì)中的觸點(diǎn)閉合，給水閥關(guān)閉，水泵停轉(zhuǎn)。蒸汽閥打開，開

54、始向罐中放進(jìn)蒸汽，蒸汽進(jìn)來使罐內(nèi)溫度逐漸升高，熱電阻作為感溫元件傳遞溫度信號(hào)給溫度控制儀，當(dāng)水溫到達(dá)設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉蒸汽閥，然后打開出水閥，將熱水排出具體控制過程是：溫度在121 (150的80)之前全量程開啟蒸汽閥，進(jìn)過PID運(yùn)算，過程變量當(dāng)前值越是接近給定值蒸汽閥的開度就越小，溫度的變化范圍是150的0100，是一個(gè)單極性信號(hào)，K =04， =2s，rrI：10min，Td=30rain，M =08，輸出信號(hào)為010V電壓輸出型。4.2.4 PID參數(shù)整定在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近80年歷史，它

55、以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。模擬PID控制系統(tǒng)框圖如圖4.5所示。Ki/ sKd sKpWo(s)ryue+_圖4.5 PID模擬控制系統(tǒng)框圖PID控制器的微分

56、方程和傳遞函數(shù)形式為: （4.1） （4.2）比例（P）控制：比例控制是一種最簡單,最常用的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 積分（I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使

57、穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 微分（D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有

58、比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。4.2.5PLC控制系統(tǒng)梯形圖網(wǎng)絡(luò)1罐內(nèi)水位到設(shè)定位置后立即激活溫度PID控制子程序。網(wǎng)絡(luò)2按啟動(dòng)按鈕則I0.0閉合，使M0.0得電自保，從而使Q0.0得電給水閥打開，同時(shí)Q0.4也得電使水泵工作，這時(shí)開始向罐內(nèi)注水。等到水位高度達(dá)到要求時(shí)，水位計(jì)觸點(diǎn)I0.2閉合，使Q0.0及Q0.4失電停止給水，同時(shí)激活溫度PID控制程序使控溫電動(dòng)閥全程打開，罐內(nèi)溫度逐漸升高，電動(dòng)閥開度逐漸減小，等到當(dāng)前值等于設(shè)定值時(shí)M

59、0.3得電置位開始進(jìn)入恒溫階段，恒溫時(shí)間是30min。網(wǎng)絡(luò)3溫度值采樣周期為每一次2s。網(wǎng)絡(luò)4將過程變量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化值，再將運(yùn)算結(jié)果直接以實(shí)數(shù)格式送到模擬量輸出端口。網(wǎng)絡(luò)5在恒溫段罐內(nèi)溫度如高于設(shè)定值將定時(shí)打開排氣閥降溫。具體方法是只要溫度高于設(shè)定值隔20s排氣2s。圖4.6 控制系統(tǒng)梯形圖4.3通信控制程序設(shè)計(jì)4.3.1控制要求本設(shè)計(jì)殺菌設(shè)備要求通信方式為主從式通信，現(xiàn)將遠(yuǎn)程控制柜設(shè)為主站，設(shè)備附近的控制柜稱為從站。當(dāng)在主站按動(dòng)開始?xì)⒕幚淼陌粹o時(shí)，從站接到信號(hào)打開給水閥，同時(shí)啟動(dòng)水泵；當(dāng)水位到達(dá)設(shè)定水位時(shí)，水位計(jì)中的觸點(diǎn)閉合，送給從站PLC一個(gè)信號(hào)，PLC接到此信號(hào)后停止打水轉(zhuǎn)入下一個(gè)工序

60、給水加熱，打開蒸氣閥，蒸氣進(jìn)來使罐內(nèi)溫度逐漸升高，熱電阻作為感溫元件傳遞溫度信號(hào)，經(jīng)溫度變送器將信號(hào)傳給溫度控制儀。當(dāng)水溫到達(dá)設(shè)定值時(shí)控制儀上的節(jié)點(diǎn)閉合，將信號(hào)送給從站PLC，PLC接到信號(hào)后關(guān)閉蒸氣閥，然后打開排氣閥；因后面的生產(chǎn)過程與通信無關(guān)，所以通信程序就編寫到此。4.3.2編程思路本設(shè)計(jì)是兩臺(tái)PLC主從式通信，通過本設(shè)計(jì)應(yīng)了解兩臺(tái)PLC間通信應(yīng)建立哪些初始化程序，主站是怎樣讀取從站的數(shù)據(jù)又是怎樣將自己的數(shù)據(jù)寫到從站中去，數(shù)據(jù)的通信是以變量寄存器為通道來實(shí)現(xiàn)的，這些寄存器不是唯一的是由用戶自己決定的，但只要建立了第一個(gè)，后面的就要連接使用，每個(gè)都有自己的工作任務(wù)。主從式通信的編程特點(diǎn)就是

61、作為主站的PLC工作任務(wù)很重，所以，讀寫程序都在主站中編寫，從站中有時(shí)甚至沒有程序。另外還應(yīng)了解主站讀從站數(shù)據(jù)的區(qū)域，只要數(shù)據(jù)有了變化主站都能知道并加以利用，同時(shí)主站要把哪些內(nèi)容寫給從站，寫到從站的哪個(gè)位置等也要弄明白。了解了這些初始化程序，其他的就是實(shí)現(xiàn)具體控制要求了。4.3.3程序設(shè)計(jì)Network 1 /確定通信模式與通信口程序段LD SM0.1 /每當(dāng)PLC從停止轉(zhuǎn)為運(yùn)行都要初始化一次MOVB 2,SMB130 /模式為主從式并通過通信口1進(jìn)行通信FILL 0,VW200,10 /把負(fù)責(zé)完成通信任務(wù)的所有寄存器清零Network 2 /主站讀取從站數(shù)據(jù)的初始化程序段LDN SM0.2

62、/PLC從停止轉(zhuǎn)為運(yùn)行后的第二個(gè)周期開始閉合AN V200.6 /操作排隊(duì)有效后此點(diǎn)斷開AN V200.5 /通信程序編寫有錯(cuò)誤時(shí)此點(diǎn)斷開MOVB 3,VB201 /指定從站地址為3MOVD IB0,VD202 /指定讀取從站數(shù)據(jù)的區(qū)域位置MOVB 1,VB206 /讀取從站的數(shù)據(jù)長度為1個(gè)字節(jié)NETR VB200,1 /由VB200為首的數(shù)據(jù)表負(fù)責(zé)執(zhí)行讀指令MOVB VB207,MB2 /將讀進(jìn)來的單字節(jié)數(shù)據(jù)放入MB2中Network 3 /主站寫給從站數(shù)據(jù)的初始化程序段LDN SM0.1 /PLC從停止轉(zhuǎn)為運(yùn)行后的第二個(gè)周期開始閉合AN V210.6 /操作排隊(duì)有效后此點(diǎn)斷開AN V210.5 /通信程序編寫錯(cuò)誤時(shí)此點(diǎn)斷開MOV