摘 要： 食品工業(yè)的飛速發(fā)展帶動(dòng)了真空預(yù)冷技術(shù)的快速發(fā)展。以西門(mén)子公司的S7—200型PLC為例，介紹了PLC在真空預(yù)冷試驗(yàn)臺(tái)中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)證明，PLC在真空預(yù)冷實(shí)驗(yàn)裝置中安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、操作維護(hù)方便、自動(dòng)化程度高，可滿足試驗(yàn)要求。
關(guān)鍵詞： 可編程序控制器；通信；真空預(yù)冷；實(shí)驗(yàn)研究
真空預(yù)冷就是在真空條件下，使水在真空室內(nèi)以較低的溫度迅速蒸發(fā)，水在蒸發(fā)過(guò)程中需吸收大量的熱量，在沒(méi)有外界熱源的情況下，便會(huì)在真空室內(nèi)產(chǎn)生制冷效果。真空預(yù)冷實(shí)驗(yàn)裝置根據(jù)此原理設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，用于蔬菜、鮮花、瓜果保鮮的研究[1-2]。
PLC即可編程控制器，是專為工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，它在制冷 行業(yè)中被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。
1 PLC的特點(diǎn)
PLC是以嵌入式CPU為核心，輔以輸入、輸出等模塊，可以方便地用于工業(yè)控制領(lǐng)域的裝置。PLC具有以下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)：
(1)可靠性好，平均無(wú)故障時(shí)間可高達(dá)5萬(wàn)～10萬(wàn)小時(shí)以上；(2)功能完善，目前的PLC幾乎可以完成所有的工業(yè)控制任務(wù)；(3)編程簡(jiǎn)單，類似繼電器控制系統(tǒng)圖的梯形圖語(yǔ)言，非常容易被技術(shù)人員掌握；(4)在線編程，當(dāng)PLC聯(lián)網(wǎng)后，可以在網(wǎng)絡(luò)的任一位置對(duì)PLC編程；(5)由于采用模塊化的結(jié)構(gòu)，易安裝。
另外PLC還有體積小、重量輕、功耗低、價(jià)格越來(lái)越便宜的優(yōu)點(diǎn)。PLC的用途主要有取代繼電器控制、過(guò)程控制、位置、速度控制、數(shù)據(jù)監(jiān)控、組成分散控制系統(tǒng)等。
西門(mén)子公司的S7-200PLC系統(tǒng)是緊湊型可編程控制器。系統(tǒng)的硬件構(gòu)架由構(gòu)成系統(tǒng)的CPU模塊和豐富的擴(kuò)展模塊組成。S7-200除具有PLC基本的控制功能外，還具有功能強(qiáng)大的指令集、豐富強(qiáng)大的通信功能、編程軟件的易用性等特點(diǎn)[2]。
2 真空預(yù)冷試驗(yàn)裝置控制要求
真空預(yù)冷試驗(yàn)裝置主要由制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)組成，食品降溫在真空室內(nèi)實(shí)現(xiàn)[3]。實(shí)驗(yàn)臺(tái)在啟動(dòng)時(shí)須先啟動(dòng)制冷系統(tǒng)，當(dāng)制冷系統(tǒng)中補(bǔ)水器盤(pán)管的溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的溫度時(shí)，便開(kāi)啟真空泵。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有：實(shí)驗(yàn)樣品的溫度、重量；真空室的真空度、溫度；制冷系統(tǒng)盤(pán)管溫度；各個(gè)用電設(shè)備的電壓、電流、功率等。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)者能夠?qū)υ囼?yàn)樣品實(shí)時(shí)監(jiān)控。
3 PLC在真空試驗(yàn)臺(tái)中的應(yīng)用
3.1 西門(mén)子PLC的CPU及模塊的選型和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
真空預(yù)冷試驗(yàn)臺(tái)是一個(gè)單位控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)沒(méi)有特殊的控制功能，因此使用一臺(tái)PLC就可以滿足需要。食品真空冷卻過(guò)程中，要檢測(cè)溫度（8個(gè)）、壓力（1個(gè)）、重量（1個(gè)）等信號(hào)，要對(duì)水泵、制冷機(jī)和真空泵進(jìn)行控制。裝置要求最少10個(gè)輸入、3個(gè)輸出，要求CPU可連接擴(kuò)展至少3個(gè)模塊，因此，選定CPU型號(hào)為CPU224。因?yàn)橐刂普婵毡煤椭评錂C(jī)需要有較大的電壓和電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而繼電器能夠承載所用設(shè)備。所以，CPU的 輸出類型選用繼電器輸出。
測(cè)溫元件為T(mén)型熱電偶，本文采用S7-200系統(tǒng)的EM231TC測(cè)量模塊進(jìn)行測(cè)溫過(guò)程的信號(hào)轉(zhuǎn)換。EM231TC是熱電偶輸入模塊，4輸入通道。裝置測(cè)溫點(diǎn)位為8個(gè)，因此需要引入2個(gè)熱電偶模塊[4]。
裝置要進(jìn)行壓力和重量的檢測(cè)，本試驗(yàn)臺(tái)選用EM235模擬量混合模塊4通道電流/電壓輸入、1通道電流/電壓輸出。該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換和輸出功能。
檢測(cè)系統(tǒng)的功率和能耗等選用青島青智儀器有限公司生產(chǎn)的8775A型數(shù)字電參量測(cè)量?jī)x，該儀器利用數(shù)字采樣技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，并擴(kuò)展了RS485串行口，還帶有并行口，可以與計(jì)算機(jī)連接通信。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)的控制要求，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的控制原理圖，如圖1所示，圖中 K1、K2、K3為繼電器，PLC通過(guò)繼電器來(lái)控制水泵（M）、制冷機(jī)（N）、真空泵（P）。來(lái)自壓力傳感器的電流信號(hào)，通過(guò)并聯(lián)一個(gè)5Ω電阻分壓將信號(hào)傳至EM235模擬量擴(kuò)展模塊；來(lái)自重量傳感器的電壓信號(hào)，與EM235模擬量擴(kuò)展模塊連接。
電源的供電能力為：5 VDC/660 mA和24 VDC/280 mA，通過(guò)計(jì)算可知，CPU內(nèi)部電源可以滿足CPU及各模塊的需求。 程序下載后，利用上位機(jī)的串口調(diào)試軟件，可以檢測(cè)到PLC將送到上位機(jī)的信息，此時(shí)已初步實(shí)現(xiàn)了PC－PLC自由通信。但這些信息是以字節(jié)的形式反映出來(lái)的，還不能輕易識(shí)別，要將它們轉(zhuǎn)化成易懂實(shí)用的數(shù)據(jù)，還需要進(jìn)行上位機(jī)編程。 在VB中，MScomm控件是串行通信控件，它提供很多操作方便的屬性和方法，可以很方便地實(shí)現(xiàn)通信。使用MScomm控件主要是通過(guò)事件來(lái)處理串行口的交互，即當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，控件的OnComm的事件就會(huì)來(lái)捕獲或處理這些通信事件。而OnComm事件也可以用來(lái)捕獲和處理通信錯(cuò)誤。在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)MScomm控件就對(duì)應(yīng)一個(gè)串行口，所以如果要處理多個(gè)串行口的話，必須有相應(yīng)數(shù)量的控件與之對(duì)應(yīng)。在本系統(tǒng)中要用到2個(gè)串行口，與之對(duì)應(yīng)的要有2個(gè)MScomm控件。
3.2 電源校核計(jì)算
所有的S7-200CPU都有內(nèi)部電源，為CPU和擴(kuò)展模塊以及其他用電設(shè)備提供5 V、24 V直流電源。但是如果系統(tǒng)擴(kuò)展模塊和設(shè)備用電量超出了CPU所提供的5 V或24 V電源的供電能力，則需要增加一個(gè)外部電源進(jìn)行供電。
根據(jù)上面所選的CPU及擴(kuò)展模塊，可以計(jì)算系統(tǒng)電源需求量如表1所示。
3.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
3.3.1界面設(shè)計(jì)
試驗(yàn)臺(tái)用西門(mén)子公司的Step7語(yǔ)言編寫(xiě)PLC端的通信和控制程序, 在PC端用VB6.0實(shí)現(xiàn)串行通信的控制和監(jiān)控界面的顯示。圖2所示為顯示與控制界面。
3.3.2 通信及通信協(xié)議設(shè)計(jì)
本試驗(yàn)臺(tái)采用自由口(FreePort)通信方式，由用戶定義通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)PLC與外設(shè)的通信。這種方式不需要增加投資，有較好的靈活性，適合小規(guī)模控制系統(tǒng)。西門(mén)子公司提供的PC/PPI電纜帶有RS232/RS485電平轉(zhuǎn)換器，可以很方便地將PLC和PC機(jī)互聯(lián)[5]。
自由口通信協(xié)議通過(guò)用戶程序可以控制S7-200CPU通信口的操作模式。利用自由口模式，可以實(shí)現(xiàn)用戶自定義的通信協(xié)議連接多種智能設(shè)備。在自由口模式下，通信完全由用戶程序控制。計(jì)算機(jī)作為主站，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC從站寄存器的讀寫(xiě)操作。計(jì)算機(jī)通過(guò)COM口發(fā)送指令到PLC的PORTO口，PLC通過(guò)RCV接收指令，再對(duì)指令譯碼后實(shí)現(xiàn)指令要求的操作。用戶程序通過(guò)使用接收中斷、發(fā)送中斷、發(fā)送指令(XMT)和接收指令(RCV)控制通信口的操作。
3.3.3 PLC通信程序設(shè)計(jì)
根據(jù)裝置和模塊的特點(diǎn)，系統(tǒng)要檢測(cè)8個(gè)溫度值、1個(gè)壓力值和1個(gè)重量值。S7－200PLC的3個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊分別完成各傳感器回送信號(hào)的預(yù)處理工作，然后由CPU將處理過(guò)的信號(hào)傳到發(fā)送緩沖區(qū)，如圖3所示。在先前進(jìn)行的內(nèi)存分配工作中，已經(jīng)劃定VB199以后的若干字節(jié)為發(fā)送緩沖區(qū)。
3.3.4 PC通信程序編制
系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、重量等信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，上位機(jī)必須實(shí)現(xiàn)與PLC、電參量測(cè)量?jī)x的通信。PC機(jī)與各儀器的通信流程圖如圖4所示。
3.3.5 PLC控制程序設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)程序采用順序功能圖進(jìn)行編制，而且西門(mén)子公司專為用戶提供了功能圖編程設(shè)計(jì)的指令。在PLC的程序編制過(guò)程中，還要充分考慮裝置的控制特性：真空冷卻過(guò)程中要先開(kāi)啟水泵M0、開(kāi)啟制冷機(jī)M1，然后是真空泵M2，最后依照實(shí)驗(yàn)要求依次關(guān)閉真空泵、制冷機(jī)和水泵；另外從節(jié)能的角度考慮，當(dāng)溫度值達(dá)到足夠低時(shí)可以關(guān)閉制冷機(jī)以減少裝置能耗。本系統(tǒng)應(yīng)能設(shè)置不同的工況，保證裝置能按既定的方案運(yùn)行。圖5和圖6所示為裝置操作示意圖和功能圖。通過(guò)程序編制，裝置能夠在線檢測(cè)溫度、壓力、功率、功率因數(shù)、能耗等相關(guān)模擬量。
本文介紹了PLC在真空預(yù)冷試驗(yàn)臺(tái)中的數(shù)據(jù)采集與控制，詳細(xì)地介紹了PLC的選型計(jì)算和程序編寫(xiě)過(guò)程。首次將PLC用于真空預(yù)冷設(shè)備，在程序中設(shè)置了自動(dòng)和手動(dòng)操作、數(shù)據(jù)的自動(dòng)保存、電腦的實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。通過(guò)試驗(yàn)證明，將PLC用于真空預(yù)冷實(shí)驗(yàn)裝置，具有抗干擾能力強(qiáng)及其安全可靠的特點(diǎn)，使整個(gè)真空預(yù)冷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都得到了優(yōu)化。
參考文獻(xiàn)
[1] 韓志, 謝晶. 真空預(yù)冷實(shí)驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工報(bào),2006(3):17-19.
[2] 殷洪義. 可編程序控制器選擇設(shè)計(jì)與維護(hù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:174-233.
[3] 周冰, 陳兒同, 徐波,等. 真空冷卻中的氣體溫度變化特性研究[J]. 制冷學(xué)報(bào)， 2006,27(6):18-23.
[4] 蔡軍, 曹慧英. 基于PLC的溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007(2-1):26-28.
[5] 吳超群, 吳昌林. PC機(jī)與PLC之問(wèn)的通訊在工業(yè)控制中的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2004(1).