基于S7—300PLC果蔬真空预冷机控制系统的设计

闫静文,王雪芹,刘宝林,周 燕,高志新

(上海理工大学低温生物与食品冷冻研究所,上海 200093)

基于S7—300PLC果蔬真空预冷机控制系统的设计

闫静文,王雪芹,刘宝林＊,周 燕,高志新

(上海理工大学低温生物与食品冷冻研究所,上海 200093)

以果蔬真空预冷机的控制系统为例,分析其结构和工艺原理,采用小型 PLC代替传统的继电器控制,进行了PLC选型和程序设计,实现了果蔬真空预冷机的 PLC自动控制,从而提高了预冷机的可靠性和自动化程度,对通用真空预冷控制系统的设计具有借鉴意义。

真空预冷机,PLC,控制

1 基本结构及控制要求

1.1 基本结构

果蔬真空预冷机的基本结构如图 1所示,主要由真空冷却室、制冷系统、水汽凝结器和真空泵组成。

图1 果蔬真空预冷机结构示意图

果蔬真空预冷的工作原理：将采摘后的果蔬放入真空冷却室内,利用真空泵 7进行抽气,使真空冷却室内的压力降低,果蔬组织内外水的沸点随之降低,水汽化吸收周围的热量,使被处理的果蔬快速而均匀的冷却。同时制冷剂经压缩机4、蒸发器3、膨胀阀2和冷凝器1完成制冷循环;采用乙醇水溶液作为载冷剂,由循环水泵 5送到真空冷却室底部的水汽凝结器 6。由于真空泵的连续抽气,在真空箱与泵口之间造成一个压力差,箱内产生的水蒸汽由水汽凝结器 6捕集到并凝结为水,由真空冷却室底部的排水阀放出,而清除了水汽的空气通过真空泵排至室外。

1.2 控制要求

该真空预冷系统工作模式分为手动运行和自动运行两种。手动运行分为制冷机运行、真空泵运行、渗气阀运行、放气阀运行和排水阀运行等工况;自动运行模式通过温度传感器检测到的温度信号自动判断系统何时进入抽真空运行,同时根据实时检测到的温度信号确定制冷机、渗气阀的启停时间,以及放气阀和排水阀的运行时间并运行相应工况。操作者可以通过触摸屏手动选择工况,也可以在触摸屏上按下“自动运行”选项,即进入自动运行状态。当水汽凝结器温度下降至-6℃以下,水汽凝结器表面温度传感器检测到该温度信号,经温度变送器,传输给PLC的模拟量输入模块,在 PLC内部利用编程软件进行数据处理,形成相应的开关量输出,控制中间继电器开启真空泵,同时开始预冷。制冷机在水汽凝结器温度降至-17℃自动停止,在水汽凝结器温度上升至-6℃自动起动,以防制冷机液击;PLC控制渗气阀在真空压力低于设定下限时开启,高于设定上限时关闭;当果蔬物品温度降至设定温度以下,PLC控制制冷机停止,真空泵停止,渗气阀与放气阀打开,排水阀延时打开,预冷过程结束。控制系统的启动和停止均由触摸屏实现,触摸屏可以实时显示温度、压力、重量、湿度、工作电流等数据,以及制冷机、真空泵、放气阀、排水阀的运行状态等,用户可通过触摸屏进行预冷终温和极限压力的设定,以及实时的监控。同时,还要求控制系统具有系统正常运行必需的保护盒报警功能,如压缩机高低压保护和报警等。该系统温度、压力和重量为模拟量控制,其它均为开关量控制。

2 控制系统硬件设计

根据果蔬真空预冷机的操作和控制要求,控制系统选用西门子公司的 S IMATI C S7-300系列 PLC, S IMATI C S7-300可编程序控制器是模块化结构设计。各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。S7-300系列具有极高的可靠性,极丰富的指令集,易于掌握、便捷的操作,丰富的内置集成功能,实时特性、强劲的通讯能力,丰富的扩展模块,具有极高的性价比。系统的主要配置如图 2所示。

2.1 PLC配置

图2 系统配置图

出于对成本的考虑,选用带集成数字量输入和输出的紧凑型 CPU 312(6ES7312-5BD01-0AB0),集成 10个数字量输入点和 6个数字量输出点,运行是需要微存储卡(MMC),内置MPI接口。系统的数字量输入有 3个报警信号：压缩机过载保护、水泵过载保护和真空泵过载保护,共 3个输入点。系统的数字量输出有通过中间继电器控制压缩机、水泵和真空泵的开启以及 3个电磁阀门 (渗气阀、放气阀、排水阀)的开启信号,共 6个数字量输出点。由于要输出传感器(温度、压力、重量和湿度)的模拟量输入信号,所以配置了2个 S M331 A I模块(6ES7331-7NF00 -0AB0),8通道隔离输入。分别是 1个水汽凝结器表面温度,1个真空冷却室内温度,7个果蔬制品的温度,1个真空室内压力,1个真空室内湿度,1个果蔬制品的重量和 1个工作电流。该系统还配置了MP277彩色触摸屏,通过MPI协议与 S7-300进行通讯,承担起整个系统的过程监控、参数显示、报警和参数设定等功能。

2.2 传感器的选择

在控制系统中,采用稳定性和线性响应都较好的铂温度传感器 Pt100和 T型热电偶作为检测单元。测温范围分别-50～180℃和-200～350℃。1根热电偶用来检测水汽凝结器表面温度,其余 3根探针式Pt100和 5根 T型热电偶均放在真空冷却室内,用来测真空室内温度和果蔬制品温度。压力传感器采用电容式薄膜规,位于真空箱顶,量程为 10kPa～10Pa,测量精度高,且配带有 0～5V/4～20mA输出。测量真空室内的压力变化并在触摸屏上显示。电子称采用电阻应变式传感器,结构简单,抗偏载能力强。湿度传感器选用 S302H3K型湿度模块。它的输出信号为0～1V电压信号,稳定性好,可靠性高,使用环境为-40～60℃。

通过上述传感器检测到的信号通过信号变送器转化为相应的电压信号或电流信号连入A I模块,转化成为所对应的实数值,存入 PLC,并且在触摸屏上实时显示出各个温度曲线、压力曲线、湿度曲线和重量曲线。

3 控制系统软件设计

3.1 PLC应用程序设计

根据果蔬真空预冷机的操作要求,确定各动作的顺序和相互之间的关系,在 STEP7V5.3软件平台下进行 PLC程序的编写,STEP7V5.3可支持梯形图、S IMATI C指令和功能图[9]。且具有指令丰富、结构清晰、编程方便的优点。该果蔬真空预冷机的整个程序主要由制冷机运行循环、渗气阀运行循环、放气阀、放水阀开启等功能组成逻辑控制,系统主程序流程图如图 3所示。

其中,系统流程图中的两个循环简述如下：

制冷机运行循环为：水汽凝结器表面温度 T2=-17℃→关闭制冷机→水汽凝结器表面温度 T1=-6℃=设定值 1→开启制冷机;渗气阀运行循环为：真空冷却室压力 ＜设定下限→渗气阀打开→真空冷却室压力 ＞设定上限→渗气阀关闭

图3 系统程序流程图

3.2 上位机程序设计

MP277触摸屏的功能画面使用 S IMATI CW in CC flexible工程软件,它集控制技术、数据库技术、人机界面技术、网络技术和图形技术于一身,包含动态显示、报警、控件、趋势及网络通信等组件,提供友好的人机界面,便于用户在不需要编程序代码的情况下便可生成自己需要的应用软件。MP277通过MPI与下位机 PLC进行通讯。触摸屏的起始界面如图 4所示。在起始界面中用户可以选择手动操作;也可以单击自动运行按钮进行全自动运行。各按钮之间互锁,在起始界面可以实时显示当前运行工况。同时,在起始界面还组态了真空室压力、水汽凝结器温度、参数设置、历史数据、电流曲线、温度曲线、压力曲线、重量曲线等子界面。例如触摸“参数设置”键,即进入设置界面：可设置物品的冷却终温,真空室压力的上下限。当样品温度低于设定温度时,系统自动停止工作,当真空室压力低于下限压力时,渗气阀自动开启,高于上限压力时,渗气阀自动关闭。触摸屏还设有“紧急停机”键,需要紧急停机时按下该键,自动运行即停止,同时渗气阀、放气阀和排水阀均会打开。

图4 触摸屏起始界面

4 结束语

根据果蔬真空预冷装置的结构和控制要求,本控制系统采用了基于西门子 PLC和触摸屏的控制方式,改进了传统继电器控制系统存在的缺陷和不足,系统的元器件使用量少、接线少、抗干扰能力强,可靠性高,且成本较低,适用于国内的中小型果蔬真空预冷机,仅需修改控制程序即可达到改善控制的要求,编程方法简单易掌握。经实际运行表明,本系统程序设计合理,运行稳定,数据显示直观,采集存储方便,对通用真空预冷系统的控制具有一定的借鉴作用。

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[7]王雪芹,陈儿同,王芳 .全自动真空冷却性能测试装置的研制[J].制冷与空调,2005,5(2)：26-30.

[8]上海鲜绿真空保鲜设备有限公司 .VAC型系列真空预冷机.

[9]西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团 .深入浅出西门子 S7300 PLC[M].北京,西门子(中国)有限公司,2004.

Design of the control system of a vacuum cooler based on S7-300 PLC

YAN J ing-wen,WANG Xue-qin,L IU Bao-lin＊,ZHOU Yan,GAO Zhi-xin
(Institute of Cryobiology and Food Freezing,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

The control sys tem of a vacuum coole r for fruits and vege tab les was des igned based on S7-300PLC (Prog ramm ab le Log ic Controlle r).The trad itiona l re lay control sys tem was rep laced by the sm a ll-sca le PLC.This new PLC control sys tem can control the refrige ra ting m achine,the vacuum coole r,a se ries of va lves autom a tica lly. As a result,the re liab ility of the vacuum coole rwas imp roved.

vacuum coole r;PLC;control

TS255.35

A

1002-0306(2010)03-0320-03

真空预冷是目前国际上先进的预冷方法,可以快速均匀地除去采收带来的田间热,降低呼吸热,从而延长贮存期,对果蔬保鲜和提高人们的生活水平具有极为重要的意义。早在 60年代初到 70年代初,西方发达国家以及日本已经开始真空预冷技术的系统研究工作[1-3],我国从 80年代中期才开始进行真空预冷技术和设备的研究工作。目前国内多家研究所、高校和企业先后对真空预冷技术和设备进行了更加深入的研究和开发,并制造出了一些相关产品[4-8]。为了进一步优化果蔬真空预冷机的预冷工艺和控制系统,针对传统的继电器控制存在接线复杂、控制反应速度慢、功能单一、灵活性差的缺陷,本文介绍了一种基于西门子 S IMATI C S7-300系列PLC,和人机界面友好的西门子 S IMATI C MP277触摸屏作为现场监控及数据采集的平台进行控制的果蔬真空预冷控制系统,软件分别选用 STEP 7-Micro/ W IN编程软件和 S IMATI C W inCC flexible组态软件,可以实现对整个系统运行状态的监控,并实时检测温度、压力、湿度和重量等信号,实现动态显示和人机交互功能。

2009-06-09 ＊通讯联系人

闫静文(1987-),女,硕士研究生,研究方向：真空预冷。

上海市重点学科建设项目 (S30503);教育部新世纪优秀人才计划(07-0559);上海高校东方学者计划。