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| 基于S7&8259;200PLC油脂反應(yīng)釜的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) | 2020-01-15 |
| 摘要：為了實(shí)現(xiàn)油脂反應(yīng)釜能夠完成手動(dòng)、自動(dòng)及CIP清洗功能，達(dá)到反應(yīng)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(yīng)釜具有故障報(bào)警提示及故障復(fù)位功能的目的。主要運(yùn)用壓力及液位傳感器、繼電器、流量計(jì)等元器件。采用了西門(mén)子S7&8259;200PLC處理實(shí)現(xiàn)的方法，做了PLC仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)油脂反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)功能，證實(shí)了基于S7&8259;200PLC油脂反應(yīng)釜的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和可靠性。 關(guān)鍵詞：西門(mén)子S7&8259;200PLC；油脂反應(yīng)釜；控制系統(tǒng)；軟件設(shè)計(jì) 0引言 近年來(lái)我國(guó)油脂行業(yè)高速發(fā)展，但碳酸油脂始終占據(jù)著市場(chǎng)中的較大份額。碳酸油脂的發(fā)泡和刺激味道來(lái)自CO2，油脂內(nèi)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(lái)加速碳酸化作用。飲用時(shí)，由于溫度增高使CO2氣化，產(chǎn)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(fēng)味，參與提供了酸性環(huán)境，產(chǎn)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(diào)節(jié)風(fēng)味，在油脂中碳酸起到調(diào)節(jié)溶液pH值的作用，使油脂中各種原料風(fēng)味更協(xié)調(diào)，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(nèi)缺氧，許多嗜氧菌也無(wú)法生存，CO2使容器內(nèi)有一定的壓力，壓力也能使微生物生長(zhǎng)條件破壞甚至死亡。這些特性可以 使汽液體、汽酒類(lèi)油脂具有較好的防腐能力，從而延長(zhǎng)了保質(zhì)期。所以碳酸油脂的CO2含量是一個(gè)重要的特征性質(zhì)量指標(biāo)。 1反應(yīng)釜控制方案設(shè)計(jì) 1.1任務(wù)分析 本次設(shè)計(jì)的任務(wù)是以S7&8259;200系列PLC作為處理核心，用液位開(kāi)關(guān)、壓力傳感器將生產(chǎn)過(guò)程中的信號(hào)（如液位，壓力，流量等）采集后送給PLC處理器，由PLC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，然后輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)（如接觸器、電磁閥等）來(lái)完成油脂反應(yīng)釜的自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程。 本機(jī)的主要運(yùn)行原理[1]如圖1所示，純凈液體先經(jīng)真空脫氣裝置脫氧后經(jīng)液體泵輸出到液體罐；植物油經(jīng)植物油泵輸送至植物油罐；液體和植物油分別經(jīng)調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)后進(jìn)行混 合，混合后經(jīng)混合泵輸送至成品罐，混合液在進(jìn)入成品罐前還需作預(yù)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(jì)控制一定的流量；混合好后經(jīng)過(guò)冷媒冷卻送入碳化罐中儲(chǔ)存，最后輸送到灌裝機(jī)灌注。 1.2硬件方案設(shè)計(jì) 本裝置主要由脫氣系統(tǒng)、混合系統(tǒng)、碳化系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等幾部分所組成。 和監(jiān)視相關(guān)部分的動(dòng)作過(guò)程，采用SIEMENSS7&8259;200PLC作為處理單元，采集各液位、壓力及流量信號(hào)。控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)動(dòng)作[6]。 1.3軟件方案設(shè)計(jì) 1.2.1脫氣系統(tǒng) （1）脫氣罐為一負(fù)壓容器。頂部裝有氣動(dòng)角閥、通大氣管路、真空系統(tǒng)管路。側(cè)面裝有真空壓力表，浮球式液位計(jì)（高、低、極限低位），底部管路與輸送泵入口相連。 （2）脫氣罐的負(fù)壓由液體環(huán)式真空泵抽吸罐內(nèi)空氣而形成。 （3）罐內(nèi)負(fù)壓壓力一般的真空度為-0.04~-0.06MPa，它是通過(guò)設(shè)置電極點(diǎn)真空壓力表上限點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)。罐頂部接大氣管路的作用：一是可以人工排泄罐內(nèi)真空，二 是在清洗罐的內(nèi)表面時(shí)，隨著液位的上升而排泄罐內(nèi)的部分氣體。 1.2.2混合系統(tǒng) 混合系統(tǒng)是反應(yīng)釜的一個(gè)重要組成部分，它能穩(wěn)定地按預(yù)定的速率自動(dòng)的將液體與植物油進(jìn)行混合，且具有混合精確、液體和糖比例易調(diào)等許多優(yōu)點(diǎn)?；旌舷到y(tǒng)主要包括液體進(jìn)給閥、液體罐、糖進(jìn)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(kāi)啟壓力0.6Mpa）和溢流管，溢流管上裝有一電磁閥和流量計(jì)，機(jī)器處于“自動(dòng)開(kāi)”狀態(tài)時(shí)，電磁閥開(kāi)啟，溢流閥開(kāi)啟，溢流罐頂內(nèi)的空氣，使罐內(nèi)CO2氣體得到純化，流量計(jì)用來(lái)調(diào)節(jié)氣體出口的大小。 （2）罐內(nèi)的CO2壓力由自動(dòng)調(diào)節(jié)儀根據(jù)人工設(shè)定的壓力參數(shù)與檢測(cè)到的實(shí)際壓力比較并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使罐內(nèi)CO2壓力在規(guī)定范圍內(nèi)。碳化罐內(nèi)的壓力在自動(dòng)調(diào)節(jié)儀的設(shè)定值應(yīng)依照成品油脂的含CO2量倍數(shù)（GV）與壓力溫度的關(guān)系確定。 （3）機(jī)器在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，液位始終在高低液位之間波動(dòng)，液位的高低決定了混合泵的停與開(kāi)，當(dāng)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(gè)關(guān)鍵部位。 1.2.4電氣系統(tǒng) 電氣系統(tǒng)采用人機(jī)界面作為上位機(jī)，方便操作員操作 1.4文件存檔 比較并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使罐內(nèi)CO2壓力在規(guī)定范圍內(nèi)。碳化罐內(nèi)的壓力在自動(dòng)調(diào)節(jié)儀的設(shè)定值應(yīng)依照成品油脂的含CO2量倍數(shù)（GV）與壓力溫度的關(guān)系確定。 （1）機(jī)器在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，液位始終在高低液位之間 波動(dòng)，液位的高低決定了混合泵的停與開(kāi)，當(dāng)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(gè)關(guān)鍵部位。 2反應(yīng)釜控制方案設(shè)計(jì) 2.1任務(wù)分析 根據(jù)S7&8259;200系列的PLC特點(diǎn)，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)實(shí)用性的考慮，控制系統(tǒng)選用6ES7216&8259;2BD23&8259;0XB8型號(hào)的CPU：輸入點(diǎn)數(shù)24，輸出點(diǎn)數(shù)16點(diǎn)，另配一個(gè)6ES7222&8259;1PF22&8259;0XA88輸出可以滿(mǎn)足工藝要求，且留有一定的余量。便于以后的修改和擴(kuò)展。根據(jù)系統(tǒng)的性能與要求，PLC輸入/輸出端口地址的分配見(jiàn)表1。 2.2系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 2.2.1系統(tǒng)硬件 系統(tǒng)的硬件電路分為主電路和控制電路。 2.2.2主電路的設(shè)計(jì) 且均為開(kāi)關(guān)量。其中有急停按鈕，脫氣罐高、本系統(tǒng)主要有真空泵、進(jìn)液體泵、輸送泵、植物油泵、冷媒泵及混合泵。中、低液位檢測(cè)；碳化罐高、中、低液位檢測(cè)；液體罐和糖罐的高、低液位檢測(cè)；碳化罐高、低壓力檢測(cè)；各液體泵的過(guò)載報(bào)警信號(hào)等。PLC控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)有20個(gè)，分別用于控制各液體泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，氣動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)等。 2.2.4操作面板的設(shè)計(jì) 本操作面板簡(jiǎn)單，直觀，有電源和故障報(bào)警指示，電源開(kāi)關(guān)和急停按鈕，碳化罐的溫度和壓力顯示，如圖4所示。人機(jī)界面方便操作人員操作和監(jiān)視。 真空泵用于抽真空；進(jìn)液體泵把純凈液體輸送至脫氣罐；輸送泵則負(fù)責(zé)把脫氣罐里的液體輸送至GOB液體罐；植物油泵是把調(diào)配好的植物油輸送至糖罐；冷媒泵負(fù)責(zé)把冷卻介質(zhì)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(shè)計(jì) 根據(jù)工藝要求，PLC控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)有21個(gè)面板的下方分別有壓縮空氣壓力的顯示和調(diào)節(jié)；GOB系統(tǒng)CO2氣的壓力顯示和調(diào)節(jié)；混合罐CO2氣壓顯示和調(diào)節(jié)等。 3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 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(jīng)過(guò)過(guò)濾器過(guò)濾，分別送進(jìn)液體罐和糖罐，經(jīng)計(jì)量閥計(jì)量，送入T型管混合，再進(jìn)入混合罐，經(jīng)泵機(jī)送入碳化罐處理，然后輸出供顧客飲用。 3.2系統(tǒng)流程 通過(guò)人機(jī)界面上的流程圖可以很清晰地監(jiān)視到設(shè)備各部分的運(yùn)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(diào)試 利用軟件SIEMENSPLC編程軟件STEP7&8259;Mi&8259;croWINV4.0進(jìn)行調(diào)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(tǒng)模型時(shí)使用； （3）自動(dòng)將搭建好的Simulink模型轉(zhuǎn)換成可在Vx&8259;Works實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下運(yùn)行的實(shí)時(shí)代碼。 3仿真與驗(yàn)證 基于這一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以方便地進(jìn)行多次仿真試驗(yàn)，修改無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型、調(diào)整控制律，直到獲取滿(mǎn)意的仿真結(jié)果?？梢岳肦TW工具箱的外部模式功能，在線調(diào)整模型參數(shù)、監(jiān)控仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，方便對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修改，通過(guò)在該仿真平臺(tái)上對(duì)飛機(jī)控制系統(tǒng)的多次實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)，改進(jìn)了飛機(jī)爬升、平飛、下滑等過(guò)程的控制律，最終測(cè)試通過(guò)了整套飛控系統(tǒng)。圖3為控制飛機(jī)模型飛行五角星形軌跡，控制仿真效果比較理想。 4結(jié)論 本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)綜合了Matlab/RTW和VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的部分功能，提出了一種新的實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建方法，采用這種方法可以大大降低仿真代碼的編寫(xiě)量，在花費(fèi)盡可能低的情況下，保證了仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)性，提高仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的性能，有效地驗(yàn)證了飛控系統(tǒng)的正確性。 | |
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