林香，李隆盛

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 龍巖 364021）

0 引言

手工粉皮、粉絲等淀粉制成的食品，因其食用方式眾多、口味各異，加上容易存儲(chǔ)運(yùn)輸，深受人們的喜愛(ài)。同時(shí)原料豐富、市場(chǎng)需求大，前景十分樂(lè)觀[1]。

當(dāng)前粉皮制品的加工方式主要以手工作坊或半機(jī)械化生產(chǎn)為主，生產(chǎn)用工多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率比較低、產(chǎn)量低、衛(wèi)生條件經(jīng)常不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)法保證，已經(jīng)難以適應(yīng)市場(chǎng)化運(yùn)作的需求。

本文主要探索采用PLC和觸摸屏等自動(dòng)化設(shè)備，設(shè)計(jì)出自動(dòng)化控制程序及觸摸屏的操作畫(huà)面，從而使粉皮生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、可視化，提高生產(chǎn)效率，降低從業(yè)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 自動(dòng)粉皮機(jī)的工藝過(guò)程

粉皮加工工序[2]主要包括：上料→預(yù)熱→原料攪拌→粉漿成型→蒸箱高溫定型→中溫成熟→低溫冷卻→脫離翻面→烘干→橫切刀截切→二次烘干→稱重包裝等工序，其中一次烘干不需要完全烘干，以方便粉皮的切斷，如圖1所示。

圖1 粉皮加工工藝

2 自動(dòng)粉皮機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)中包含液位傳感器、溫度傳感器等模擬量信號(hào)，以及啟動(dòng)與停止按鈕等開(kāi)關(guān)量信號(hào)，將上述信號(hào)傳輸給PLC，通過(guò)所設(shè)計(jì)的程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)出漿閥、成型加熱、烘干加熱、粉皮切斷、粉皮翻面等動(dòng)作的控制，并將溫度信號(hào)、動(dòng)作信號(hào)等實(shí)時(shí)反饋到觸摸屏中，從而實(shí)現(xiàn)可視化。

2.1 粉皮機(jī)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

粉皮機(jī)控制系統(tǒng)的主要框圖如圖2所示，主要包括：核心處理器（PLC）、HMI觸摸屏、電源進(jìn)線、模擬量輸入模塊、變頻器、傳感器、開(kāi)關(guān)按鈕及負(fù)載設(shè)備等。

圖2 粉皮機(jī)控制系統(tǒng)的主要框圖

粉皮機(jī)加工控制總體要求：1）可以根據(jù)用戶需求在觸摸屏界面中選擇要查看的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及參數(shù)設(shè)置的界面；2）在觸摸屏參數(shù)設(shè)置界面中可以隨時(shí)更改參數(shù)并且可實(shí)時(shí)返回主菜單界面；3）通過(guò)觸摸屏溫度界面顯示設(shè)備的當(dāng)前工作實(shí)時(shí)溫度及初始設(shè)置的溫度顯示；4）在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可以通過(guò)急停按鈕進(jìn)行緊急停止，防止事故的發(fā)生；5）通過(guò)起動(dòng)按鈕或者觸摸屏上的啟動(dòng)鍵與停止鍵運(yùn)行或停止程序的運(yùn)行，同時(shí)回到初始化狀態(tài)；6）程序可根據(jù)反饋信號(hào)判斷岀漿閥、粉皮切斷氣缸、粉皮翻面擺動(dòng)氣缸是否動(dòng)作并且在動(dòng)作完成之后能及時(shí)復(fù)位；7）控制系統(tǒng)可根據(jù)溫度傳感器采集的溫度與用戶所設(shè)置的溫度進(jìn)行對(duì)比，判斷是否打開(kāi)加熱設(shè)備。

2.2 粉皮機(jī)控制系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)

文中選用西門(mén)子S7-200(CPU226)作為控制器，拓展模塊選用EM231，用以接收信號(hào)和控制執(zhí)行器的動(dòng)作；選用HS-145-24電源轉(zhuǎn)換器，將220 V交流電源轉(zhuǎn)換成24 V直流電源供給PLC；選用西門(mén)子的變頻器MM440，實(shí)現(xiàn)速度運(yùn)行的平穩(wěn)性，提高加工成品的質(zhì)量，減少粉皮的斷裂；采用西門(mén)子SMART LINE，用來(lái)實(shí)現(xiàn)可視化操作，顯示加工過(guò)程中的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)等，設(shè)計(jì)中的主電路及PLC外部接線電路分別如圖3、圖4所示。

圖3 粉皮機(jī)主電路圖

圖4 PLC外部接線圖

在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)置的輸入型數(shù)字信號(hào)主要包括：高漿位液位傳感器信號(hào)、低漿位液位傳感器信號(hào)、粉皮切斷開(kāi)始信號(hào)、切斷氣缸動(dòng)作到位信號(hào)、切斷氣缸復(fù)位到位信號(hào)、粉皮翻面啟動(dòng)信號(hào)、翻面氣缸翻面完成的信號(hào)、翻面氣缸復(fù)位完成的信號(hào)、啟動(dòng)信號(hào)、停止信號(hào)等。

文中的模擬輸入信號(hào)主要是成型溫度和烘干溫度。

通過(guò)PLC控制的動(dòng)作主要包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)、粉皮烘干、出漿閥的開(kāi)啟、翻面下線等。

文中PLC 的I/0分配表具體功能如表1所示。

表1 PLC的I/O分配表

PLC的其他編程地址分配表如表2所示。

表2 PLC的其他編程地址分配表

2.3 自動(dòng)粉皮機(jī)PLC控制流程

自動(dòng)粉皮機(jī)PLC控制程序，在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要包括程序的初始化、手動(dòng)調(diào)試程序、自動(dòng)加工程序、觸摸屏與PLC通信程序、變頻器與PLC通信程序等組成[3]。粉皮機(jī)自動(dòng)控制流程圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)主程序流程圖

各個(gè)模塊的程序主要包括以下功能：1）初始化程序。主要完成對(duì)各輸出、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中間繼電器清零復(fù)位，使設(shè)備處于初始工作狀態(tài)。2）手動(dòng)調(diào)試程序。主要包括手動(dòng)操作各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，用于調(diào)試和維護(hù)。3）自動(dòng)加工程序。是指設(shè)備正常，無(wú)故障時(shí)，粉皮機(jī)將按設(shè)計(jì)好的程序運(yùn)行，使整個(gè)的加工過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

2.4 觸摸屏組態(tài)設(shè)計(jì)

觸摸式的人機(jī)界面，具有直觀靈活、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)PLC與觸摸屏的通信，首先進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：在PLC中設(shè)置“系統(tǒng)塊”-“通信端口”對(duì)應(yīng)端口的波特率；觸摸屏中將“項(xiàng)目”-“通信”-“連接”中的接口設(shè)置為“IF1B”、配置文為“PPI”，波特率和PLC中的設(shè)置應(yīng)一致，即可實(shí)現(xiàn)兩者信息實(shí)時(shí)交換。根據(jù)自動(dòng)制粉皮機(jī)控制系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)了以下人機(jī)界面：

1）模式選擇界面。有手動(dòng)模式和自動(dòng)模式及當(dāng)前所處模式的指示、其他設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、退出系統(tǒng)等按鈕。

2）手動(dòng)控制界面。畫(huà)面中有啟動(dòng)、停止、出漿、粉皮切斷、粉皮翻面等按鈕，以及溫度、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的控制界面切換按鈕。

3）自動(dòng)控制界面。畫(huà)面中包含有實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示、系統(tǒng)中的啟動(dòng)與停止按鈕，以及溫度設(shè)置與顯示、制漿電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制、傳送帶電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制3個(gè)切換按鈕，點(diǎn)擊按鈕可進(jìn)入相應(yīng)的界面。

4）溫度設(shè)置與顯示界面。在該頁(yè)面可實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前溫度，通過(guò)棒狀圖可直觀看到溫度的動(dòng)態(tài)變化，顯示最大溫度和最小溫度，以及返回自動(dòng)控制或返回手動(dòng)控制按鈕，可返回相應(yīng)的界面，具體界面如圖6所示。

圖6 溫度設(shè)置與監(jiān)控界面

5）傳送帶控制界面。在此界面可對(duì)傳送帶電動(dòng)機(jī)的速度、運(yùn)行方向、停車(chē)方式等進(jìn)行控制，也可返回其他界面，界面如圖7所示。

圖7 傳送帶控制界面

6）制漿電動(dòng)機(jī)控制界面。在該頁(yè)面可顯示當(dāng)前電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及運(yùn)行規(guī)律，也可返回自動(dòng)和手動(dòng)控制界面，界面如圖8所示。

圖8 制漿電動(dòng)機(jī)控制界面

2.5 控制系統(tǒng)調(diào)試

控制系統(tǒng)的調(diào)試主要分為硬件部分的調(diào)試和軟件程序的調(diào)試。

1）硬件部分的調(diào)試。首先接好硬件電路，檢查總供電及其他設(shè)備的供電是否正常，接著檢查各種開(kāi)關(guān)能否正常工作,然后對(duì)設(shè)備的電氣控制部分進(jìn)行檢查， 判 斷PLC是否正常開(kāi)機(jī)[4]。

硬件調(diào)試從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：a.對(duì)系統(tǒng)供電線路的檢驗(yàn)，可用萬(wàn)用表檢測(cè)電路是否有接通或接錯(cuò)，以防短路、斷路等問(wèn)題出現(xiàn)，防止出現(xiàn)觸電、起火等事故；b.對(duì)系統(tǒng)中所采用的元件進(jìn)行單體檢測(cè)，以判斷元器件本身的好壞，確保電氣元件正常工作；c.對(duì)PLC控制器進(jìn)行單獨(dú)的測(cè)試，主要是檢查PLC及模擬量模塊等是否能正常工作，指示燈能否正常點(diǎn)亮和熄滅；d.PLC加上傳感器、模擬量模塊等部件進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，以確保電氣設(shè)備能被PLC控制。根據(jù)以上步驟進(jìn)行了調(diào)試后，功能一切正常，進(jìn)入軟件調(diào)試。

2）PLC程序的調(diào)試。PLC軟件的調(diào)試主要通過(guò)安裝有PLC程序編程STEP7-Micro/WIN32編程軟件的計(jì)算機(jī)與PLC聯(lián)機(jī)通信。首先用STEP7-Micro/WIN32軟件進(jìn)行程序的編譯排除程序的邏輯錯(cuò)誤；其次，進(jìn)行PLC編程軟件與PLC間的通信參數(shù)設(shè)置與連接，通信成功后下載程序；最后運(yùn)行PLC，按功能模塊分別調(diào)試，檢查各個(gè)功能是夠按照實(shí)際要求實(shí)現(xiàn)控制[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

利用西門(mén)子PLC(S7-200)、觸摸屏等自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)出一套控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)粉皮機(jī)自動(dòng)化運(yùn)行，可視化操作，用于滿足高效率、高質(zhì)量、高衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，降低從業(yè)者的勞動(dòng)強(qiáng)度和人工成本。本設(shè)計(jì)對(duì)粉皮生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制起到一定的推動(dòng)作用，有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。