李宇華，高彬彬，姜 波，高丙朋

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

番茄醬生產(chǎn)包括原料卸料、流送、刮板提升、挑選、破碎、預(yù)熱、打漿精制、蒸發(fā)、殺菌、灌裝、成品等十一個(gè)工藝過程，是典型的流程工業(yè).其中，蒸發(fā)過程采用的裝置為列管式蒸發(fā)器，它是整個(gè)生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備之一[1].在實(shí)際生產(chǎn)中,為了保證番茄醬蒸發(fā)濃縮過程的連續(xù)正常進(jìn)行，蒸發(fā)器需要不斷獲得新鮮番茄汁的補(bǔ)充，并且不停地把蒸發(fā)濃縮好的番茄醬輸出到后續(xù)的殺菌與灌裝工藝，蒸發(fā)器中醬的液位始終處于一個(gè)變化狀態(tài).當(dāng)蒸發(fā)器中醬的液位高度超過上限時(shí)，醬在蒸發(fā)器中的循環(huán)效果變差，易被燒糊，影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至可能使蒸發(fā)器列管堵塞，造成停機(jī)停產(chǎn)等嚴(yán)重事故.而當(dāng)蒸發(fā)器中醬的液位低于下限時(shí)，雖然醬在蒸發(fā)器中循環(huán)良好，但由于醬很少且熱容量較低，在蒸發(fā)濃縮過程中醬的溫度會(huì)迅速升高，同樣會(huì)使番茄醬被燒糊，降低醬的質(zhì)量.因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄醬液位的恒值控制，使得番茄醬液位穩(wěn)定在某一設(shè)定范圍內(nèi)不僅是蒸發(fā)過程得以良好進(jìn)行的重要保證，更是獲得優(yōu)質(zhì)番茄醬的必要條件[2].本文以此為研究背景，借助于實(shí)驗(yàn)室的蒸發(fā)器模擬裝置，通過對(duì)番茄醬蒸發(fā)工藝過程的模擬，完成基于S7-300PLC的番茄醬液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).

1 蒸發(fā)器模擬裝置工藝特點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)

蒸發(fā)器模擬裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示.由主筒、副筒、電磁閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、離心泵、電動(dòng)機(jī)等主要部件組成.其工藝流程如下：若將番茄汁從副筒1抽入主筒，須先打開電磁閥3，關(guān)閉電磁閥1、電磁閥2、電磁閥4、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥1，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥2開度不能為0，滿足上述條件后，再啟動(dòng)離心泵.若將主筒中經(jīng)加熱濃縮后形成的番茄醬抽入副筒2中，應(yīng)先打開電磁閥4、電磁閥1，關(guān)閉電磁閥2、電磁閥3、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥1、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥2開度均為0；滿足以上兩個(gè)條件后，再啟動(dòng)離心泵.參考生產(chǎn)現(xiàn)場的技術(shù)指標(biāo)，本系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)設(shè)定為：系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)液位高度要保持在30 cm左右，正負(fù)偏差在2 cm以內(nèi).

圖1 蒸發(fā)器模擬裝置結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)主要針對(duì)蒸發(fā)器模擬裝置主筒的液位進(jìn)行控制，利用液位傳感器、PLC控制器和上位機(jī)等構(gòu)建液位控制系統(tǒng).根據(jù)工藝要求，實(shí)時(shí)檢測蒸發(fā)器模擬裝置主筒液位高度，并與設(shè)定值做比較，通過控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度大小進(jìn)行液位的自動(dòng)調(diào)整.當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用使液位發(fā)生變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)能迅速恢復(fù)到設(shè)定值上[3].

2 液位控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)組成原理

蒸發(fā)器模擬裝置主筒液位控制系統(tǒng)框圖如圖2所示.

圖2 蒸發(fā)器模擬裝置主筒液位控制系統(tǒng)框圖

2.2 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、通訊及上位機(jī)設(shè)計(jì)

本液位控制系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，用STEP7編程軟件編寫PLC程序，在組態(tài)王軟件中運(yùn)行監(jiān)控窗口，用西門子S7-300PLC作為下位機(jī)對(duì)蒸發(fā)器模擬裝置主筒的液位進(jìn)行實(shí)時(shí)控制.通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)PLC、組態(tài)王和STEP7軟件之間的通訊[4].系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖3所示.

圖3 蒸發(fā)器模擬裝置液位控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

通過模擬量輸入模塊采集裝置中的傳感器信號(hào)，PLC進(jìn)行信號(hào)處理及控制參數(shù)的調(diào)整，通過模擬量輸出模塊驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置實(shí)時(shí)控制執(zhí)行器參數(shù)[5].通過被控參數(shù)的采集、記錄和輸出分析控制策略的實(shí)際運(yùn)行效果，并針對(duì)可能出現(xiàn)的問題提出改進(jìn)方案.

2.3 設(shè)備選擇

系統(tǒng)由上位工控機(jī)、PLC、液位傳感器、以太網(wǎng)交換機(jī)、中間繼電器、交流接觸器等部件組成.液位傳感器采用磁翻板液位傳感器，量程為0～60 cm.控制器采用西門子S7-300系列PLC，根據(jù)控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)和程序量通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所需存儲(chǔ)器容量{存儲(chǔ)器容量(KB)=(1.11.25)×(DI×10+DO×5+AI/AO×100)/1024}，IO點(diǎn)數(shù)應(yīng)有20%的余量，選擇主控模塊為CPU315-2PN/DP，模擬量輸入模塊選用SM334(AI4/AO2×8/8Bit)，模擬量輸出模塊選用SM332(AO4×16Bit)，數(shù)字量輸入模塊選用SM321(DI16×DC24V)，數(shù)字量輸出模塊選用SM322(DI8/DO8×DC24V/0.5A)，參數(shù)可通過模板上的量程模塊或編程軟件設(shè)定[6].還有一個(gè)分布式I/O站ET200M.執(zhí)行器包括2個(gè)智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和4個(gè)電磁閥.

3 系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

3.1 對(duì)象數(shù)學(xué)模型

本實(shí)驗(yàn)蒸發(fā)器模擬裝置主筒內(nèi)采用的是盤管式熱交換裝置，它的傳遞函數(shù)為一階慣性滯后環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為

式中K為液位過程的放大系數(shù)；T為液位過程的時(shí)間常數(shù).經(jīng)試驗(yàn)測定K=6,T=0.753 6 s.

3.2 控制器控制規(guī)律

系統(tǒng)采用PID調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制，其PID控制算法可表示為

其中:KP為比例系數(shù);TI為積分時(shí)間常數(shù);TD為微分時(shí)間常數(shù);e(t)為設(shè)定值和實(shí)際輸出值構(gòu)成的偏差.

由于液位控制具有純滯后、大慣性等特性，使得找到一組合適的控制參數(shù)比較困難，而STEP7提供的PID控制功能模塊，可以在線實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)自調(diào)整,使用方便，有較強(qiáng)的自適應(yīng)性.

4 PLC硬件組態(tài)

按照PLC控制屏進(jìn)行硬件組態(tài)，其中PLC與上位機(jī)的通信采用以太網(wǎng)通信方式.硬件組態(tài)如圖4所示.

圖4 硬件組態(tài)圖

5 控制程序編寫

依據(jù)控制流程和對(duì)象操作說明編寫控制程序，具體程序流程圖如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)控制程序流程圖

6 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

采用組態(tài)王軟件通過組態(tài)方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控,通過組態(tài)王與PLC通信，從而對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控.根據(jù)控制策略組態(tài)的需要在組態(tài)數(shù)據(jù)詞典中定義與PLC相連的變量名和類型，完成人機(jī)交互界面的設(shè)置，液位系統(tǒng)的主控界面、實(shí)時(shí)曲線及動(dòng)畫效果的監(jiān)控界面.編寫應(yīng)用程序，下載PID控制程序至PLC，運(yùn)行監(jiān)控畫面，設(shè)置參考值，同時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，在實(shí)時(shí)趨勢窗口觀察液位曲線，直至得到滿意的控制效果.系統(tǒng)的組態(tài)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)如圖6所示.

圖6 液位控制系統(tǒng)監(jiān)控界面

在番茄醬蒸發(fā)濃縮過程中，由于番茄醬粘稠度不均勻，從而會(huì)對(duì)蒸發(fā)器液位產(chǎn)生影響.為了確保生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)高效運(yùn)行，控制系統(tǒng)必須具備良好的抗干擾能力.為了驗(yàn)證系統(tǒng)的抗干擾性能，通過迅速增大進(jìn)料電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度的方式對(duì)系統(tǒng)添加擾動(dòng)，由圖7可知，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)遇到外界突加擾動(dòng)，系統(tǒng)能迅速作出調(diào)整，輸出的液位曲線能在短時(shí)間內(nèi)趨于設(shè)定值并保持穩(wěn)定.

圖7 系統(tǒng)受干擾后控制曲線界面

7 結(jié)束語

基于PLC及組態(tài)技術(shù)的番茄醬液位PID控制系統(tǒng)，可以在線實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的調(diào)整，使系統(tǒng)獲得較理想的動(dòng)靜態(tài)性能，并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)瀏覽、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)趨勢曲線顯示等功能.目前系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室番茄醬蒸發(fā)器模擬裝置上調(diào)試成功，液位控制能滿足設(shè)計(jì)要求.同時(shí)，也為工業(yè)領(lǐng)域中有關(guān)熱交換工藝液位控制問題提出了一整套控制方案.