三效蒸发器番茄酱浓缩控制系统的设计与研究

赵裕峰等

摘要：对实验室设备三效蒸发器整个工艺流程进行了详尽的研究，结果发现，三效蒸发器中番茄酱浓缩阶段的液位控制对提高浓缩速度至关重要。经大量试验发现，番茄酱的液位在一定的范围浮动会得到最优化的效果。

关键词：可编程逻辑控制器；三效蒸发器；液位；浓缩控制系统；番茄酱

中图分类号： TP273文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）10-0392-03

收稿日期：2013-12-30

基金项目：新疆维吾尔自治区教育厅高校科研计划青年基金（编号：XJEDU2012S06）；新疆维吾尔自治区教育厅重点计划（编号：XJEDU2010I07）。

作者简介：赵裕峰（1986—），男，山东黄县人，硕士研究生，从事可编程逻辑控制器应用技术和远程监控系统的研究。E-mail：727028483@qq.com。

通信作者：陈志军，教授，硕士生导师，从事智能信息处理和智能控制与系统开发。E-mail：chenzj1110@163.com。新疆因独特的气候条件而盛产番茄，且其品质优良，为大规模的加工番茄酱创造了有利条件。随着国内外需求的不断扩大，番茄酱加工产业不断扩大，被称作新疆的“红色产业”，其加工量约占全国番茄加工总量的90%。但是，现今的番茄酱生产加工设备均是从国外引进的，其核心技术完全依赖于国外，这制约了相关企业的发展[1]。因此，迫切需要对严重影响产品质量的关键环节如灌装、杀菌等进行研究。本试验对番茄酱加工生产线中三效蒸发器的番茄酱浓缩阶段的液位控制进行了研究，采用西门子S7-300 PLC控制自主研发了三效蒸发器番茄酱浓缩控制系统，并取得了令人满意的效果。

1可编程逻辑控制器（PLC）简介

SIMATIC S7-300是一种通用型的PLC，适用于自动化工程中的各种应用场合，尤其是适合在生产制造工程中应用。S7-300 PLC具有以下显著特点：循环周期短，处理速度高；指令集功能强大，可用于复杂功能；产品设计紧凑，可用于空间有限的场合；模块化结构，适合密集安装；有不同档次的 CPU，其功能多种多样；模块和I/O模块可供选择，可以根据不同的供应选择不同的PLC模块。S7的指令集包含350多条指令，即位指令、技术指令、定时指令、比较指令、整数和浮点数运算指令等。S7-300 PLC的模拟量和数字量I/O模块几乎对所有的现场信号都适用。

2三效蒸发器工艺流程介绍

2.1三效蒸发器实验室装备

图1和图2为实验室整体设备及其部分功能图。三效蒸发器实验室整体设备由许多个子设备组成，包括PLC、阀门、传感器等（图1），其中该设备中的核心部分为3个蒸发罐（图2），起主要作用。

2.2流程介绍

一效产生的蒸汽经过提压后，输送到第2个的蒸汽罐中作为热源，再输送到第3个蒸汽罐中作为热源，有3个循环的蒸汽罐，所以称为三效蒸发器[2]。实验室三效罐体均是1 m长的圆柱体。本装置采用的是逆流加料过程，在逆流加料过程中，蒸汽与液体走向相反。料液从末效加入进行蒸发浓缩后，用泵将浓缩液送入前一效直至末效得到完成液；蒸汽从第一效加入后放热冷凝成液体，产生的二次蒸汽进入第二效，在对料液加热后冷凝成液体，第二效产生的二次蒸汽进入第三效对原料液加热，释放热量后冷凝成液体排除。

在逆流加料过程中，因随着浓缩液浓度增大而温度逐渐升高，所以各效的黏度相差较小，传热系数大致相同；完成液排除温度较高，可在减压下进一步闪蒸浓缩、杀菌。

在浓缩的过程中三效蒸发器中番茄酱的液位会直接影响浓缩的速度[3]。因此，对三效中液位的控制至关重要，且通过试验发现，蒸发室的液位位于50%～55%时，浓缩速度最高。

3三效蒸发器浓缩控制系统

3.1硬件配置

采用S7-300 PLC作为主站，主站组态包括PS307 5A、CPU 315-2PN/DP、SM331、SM332以及远程站点IM153-2。CPU 315-2PN/DP模块处理速度快，数据实时性好，特别适合中小型系统的控制要求；通过CP5613A通信卡实现PLC与上位机之间的通信；模拟量模块具有许多特性，可以通过参数来改变它的特性。根据工艺流程选择6个进出料泵、5个控制阀、3个液位传感器、3个温度传感器、3个手动效内循环控制开关，实现效间和效内循环。图3为系统结构图。

模拟量检测输入信号采用SM331 AI8×12模块，该模块仅具有模拟量输入通道，有4个通道组共8个输入接口，每个通道的精度可调，最高精度位为14位精度（带符号位），并且可接电压、电流、电阻、温度信号测量，在此系统应用中采用的是4～20 mA电流信号检测，对应的工程值为0～27 648。常用的液位测量器件有压力式、超声波式、晶体管继电器式、电容式、浮子式等。液位测量器件主要用于测量液位及控制，广泛应用于城市供水、污水处理、工矿企业、水库、河道、海洋等场所[4]。

硬件组态和参数设置是使用STEP7软件对PLC机架上的硬件进行配置，设置各种硬件模块参数的过程[5]，用户通过硬件组态设定或者修改各硬件模块的参数或者地址、设定或修改网络通信参数等。

3.2程序实现

下位机PLC采用液位传感器对三效番茄酱液位进行采集，液位传感器地址为PIW256、PIW258、PIW260，采集的液位信号经量程转换存入MD30、MD20、MD10中，通过调用FC105模块将信号转换成实际的液位值，与设定的高低液位信号进行比较，通过变频器控制相应的泵和阀开关动作[6]，来控制液位的高低。

液位控制程序包括主程序块OB1、软启动组织块OB100、功能块FB1（图4）、背景数据块DB1-DB3等。液位控制系统的数字控制器的采样时间为6～8 s，Siemens PLC应用程序中通常取100 ms，使用其中断指令调用中断子程序（中断时间范围为0～255 ms）编程很方便。因为3个罐体之间采用串级流程，所以分别对FB1进行调用来控制各效之间的液位。通过手动设定高低液位来控制[7]。系统经运行，获得了非常好的效果，提高了浓缩的速度。

4监控系统

在WinCC 5.0中建立项目，对系统的流程进行模拟监控。WinCC 5.0组态系统采用“SIMATIC S7 Protocol Suite”作为驱动程序，通过CP5611卡与下位S7-300 PLC进行通讯。将S7-300程序下载到PLC中，在完成测试后就可将系统投入正式运行，系统运行后相应监控画面可以在上位机上显示。Wincc软件监控系统能够实时监控系统的运行状态，并及时作出反馈，出现故障时会报警处理。浓缩液位监控画面如图5所示。

5结束语

本研究采用西门子S7-300 PLC及 Step 7 软件设计番茄酱杀菌液位自动控制系统，首先对生产工艺进行分析，然后进行硬件配置，合理选用模块及总线技术，降低工程成本，最后对控制功能进行程序实现，经运行得到了较好的效果。可见该系统有很大的工程前景，值得应用和推广。

参考文献：

[1]南新元，陈志军，高丙朋. S7-300 PLC在番茄酱杀菌自动控制系统中的应用[J]. 自动化仪表，2010，31（5）：34-36，39.

[2]李胜多. 基于PLC的农作物喷灌控制系统设计[J]. 农机化研究，2010，32（9）：141-145.

[3]孙平，盛盈坤，许文凯，等. 水塔水位的自动控制[J]. 微计算机信息，2010（25）：89-90.

[4]马林，马茵. PLC在上、下水箱液位串级变频调速控制中的应用[J]. 电子质量，2011，2（2）：50-51.

[5]张晓燕. 基于触摸屏和PLC的番茄酱蒸发器自动控制系统[J]. 江苏农业科学，2011，39（2）：501-502.

[6]许卓，程秀竹，黄晓峰. 铸轧机炉口液面控制的设计[J]. 制造业自动化，2013，5（5）：139-140.

[7]仇国庆，罗宣林，吴迪. WinCC在泥浆池液位监控系统中的应用[J]. 自动化与仪表，2008，23（5）：44-46.

摘要：对实验室设备三效蒸发器整个工艺流程进行了详尽的研究，结果发现，三效蒸发器中番茄酱浓缩阶段的液位控制对提高浓缩速度至关重要。经大量试验发现，番茄酱的液位在一定的范围浮动会得到最优化的效果。

关键词：可编程逻辑控制器；三效蒸发器；液位；浓缩控制系统；番茄酱

中图分类号： TP273文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）10-0392-03

收稿日期：2013-12-30

基金项目：新疆维吾尔自治区教育厅高校科研计划青年基金（编号：XJEDU2012S06）；新疆维吾尔自治区教育厅重点计划（编号：XJEDU2010I07）。

作者简介：赵裕峰（1986—），男，山东黄县人，硕士研究生，从事可编程逻辑控制器应用技术和远程监控系统的研究。E-mail：727028483@qq.com。

通信作者：陈志军，教授，硕士生导师，从事智能信息处理和智能控制与系统开发。E-mail：chenzj1110@163.com。新疆因独特的气候条件而盛产番茄，且其品质优良，为大规模的加工番茄酱创造了有利条件。随着国内外需求的不断扩大，番茄酱加工产业不断扩大，被称作新疆的“红色产业”，其加工量约占全国番茄加工总量的90%。但是，现今的番茄酱生产加工设备均是从国外引进的，其核心技术完全依赖于国外，这制约了相关企业的发展[1]。因此，迫切需要对严重影响产品质量的关键环节如灌装、杀菌等进行研究。本试验对番茄酱加工生产线中三效蒸发器的番茄酱浓缩阶段的液位控制进行了研究，采用西门子S7-300 PLC控制自主研发了三效蒸发器番茄酱浓缩控制系统，并取得了令人满意的效果。

1可编程逻辑控制器（PLC）简介

SIMATIC S7-300是一种通用型的PLC，适用于自动化工程中的各种应用场合，尤其是适合在生产制造工程中应用。S7-300 PLC具有以下显著特点：循环周期短，处理速度高；指令集功能强大，可用于复杂功能；产品设计紧凑，可用于空间有限的场合；模块化结构，适合密集安装；有不同档次的 CPU，其功能多种多样；模块和I/O模块可供选择，可以根据不同的供应选择不同的PLC模块。S7的指令集包含350多条指令，即位指令、技术指令、定时指令、比较指令、整数和浮点数运算指令等。S7-300 PLC的模拟量和数字量I/O模块几乎对所有的现场信号都适用。

2三效蒸发器工艺流程介绍

2.1三效蒸发器实验室装备

图1和图2为实验室整体设备及其部分功能图。三效蒸发器实验室整体设备由许多个子设备组成，包括PLC、阀门、传感器等（图1），其中该设备中的核心部分为3个蒸发罐（图2），起主要作用。

2.2流程介绍

一效产生的蒸汽经过提压后，输送到第2个的蒸汽罐中作为热源，再输送到第3个蒸汽罐中作为热源，有3个循环的蒸汽罐，所以称为三效蒸发器[2]。实验室三效罐体均是1 m长的圆柱体。本装置采用的是逆流加料过程，在逆流加料过程中，蒸汽与液体走向相反。料液从末效加入进行蒸发浓缩后，用泵将浓缩液送入前一效直至末效得到完成液；蒸汽从第一效加入后放热冷凝成液体，产生的二次蒸汽进入第二效，在对料液加热后冷凝成液体，第二效产生的二次蒸汽进入第三效对原料液加热，释放热量后冷凝成液体排除。

在逆流加料过程中，因随着浓缩液浓度增大而温度逐渐升高，所以各效的黏度相差较小，传热系数大致相同；完成液排除温度较高，可在减压下进一步闪蒸浓缩、杀菌。

在浓缩的过程中三效蒸发器中番茄酱的液位会直接影响浓缩的速度[3]。因此，对三效中液位的控制至关重要，且通过试验发现，蒸发室的液位位于50%～55%时，浓缩速度最高。

3三效蒸发器浓缩控制系统

3.1硬件配置

采用S7-300 PLC作为主站，主站组态包括PS307 5A、CPU 315-2PN/DP、SM331、SM332以及远程站点IM153-2。CPU 315-2PN/DP模块处理速度快，数据实时性好，特别适合中小型系统的控制要求；通过CP5613A通信卡实现PLC与上位机之间的通信；模拟量模块具有许多特性，可以通过参数来改变它的特性。根据工艺流程选择6个进出料泵、5个控制阀、3个液位传感器、3个温度传感器、3个手动效内循环控制开关，实现效间和效内循环。图3为系统结构图。

模拟量检测输入信号采用SM331 AI8×12模块，该模块仅具有模拟量输入通道，有4个通道组共8个输入接口，每个通道的精度可调，最高精度位为14位精度（带符号位），并且可接电压、电流、电阻、温度信号测量，在此系统应用中采用的是4～20 mA电流信号检测，对应的工程值为0～27 648。常用的液位测量器件有压力式、超声波式、晶体管继电器式、电容式、浮子式等。液位测量器件主要用于测量液位及控制，广泛应用于城市供水、污水处理、工矿企业、水库、河道、海洋等场所[4]。

硬件组态和参数设置是使用STEP7软件对PLC机架上的硬件进行配置，设置各种硬件模块参数的过程[5]，用户通过硬件组态设定或者修改各硬件模块的参数或者地址、设定或修改网络通信参数等。

3.2程序实现

下位机PLC采用液位传感器对三效番茄酱液位进行采集，液位传感器地址为PIW256、PIW258、PIW260，采集的液位信号经量程转换存入MD30、MD20、MD10中，通过调用FC105模块将信号转换成实际的液位值，与设定的高低液位信号进行比较，通过变频器控制相应的泵和阀开关动作[6]，来控制液位的高低。

液位控制程序包括主程序块OB1、软启动组织块OB100、功能块FB1（图4）、背景数据块DB1-DB3等。液位控制系统的数字控制器的采样时间为6～8 s，Siemens PLC应用程序中通常取100 ms，使用其中断指令调用中断子程序（中断时间范围为0～255 ms）编程很方便。因为3个罐体之间采用串级流程，所以分别对FB1进行调用来控制各效之间的液位。通过手动设定高低液位来控制[7]。系统经运行，获得了非常好的效果，提高了浓缩的速度。

4监控系统

在WinCC 5.0中建立项目，对系统的流程进行模拟监控。WinCC 5.0组态系统采用“SIMATIC S7 Protocol Suite”作为驱动程序，通过CP5611卡与下位S7-300 PLC进行通讯。将S7-300程序下载到PLC中，在完成测试后就可将系统投入正式运行，系统运行后相应监控画面可以在上位机上显示。Wincc软件监控系统能够实时监控系统的运行状态，并及时作出反馈，出现故障时会报警处理。浓缩液位监控画面如图5所示。

5结束语

本研究采用西门子S7-300 PLC及 Step 7 软件设计番茄酱杀菌液位自动控制系统，首先对生产工艺进行分析，然后进行硬件配置，合理选用模块及总线技术，降低工程成本，最后对控制功能进行程序实现，经运行得到了较好的效果。可见该系统有很大的工程前景，值得应用和推广。

参考文献：

[1]南新元，陈志军，高丙朋. S7-300 PLC在番茄酱杀菌自动控制系统中的应用[J]. 自动化仪表，2010，31（5）：34-36，39.

[2]李胜多. 基于PLC的农作物喷灌控制系统设计[J]. 农机化研究，2010，32（9）：141-145.

[3]孙平，盛盈坤，许文凯，等. 水塔水位的自动控制[J]. 微计算机信息，2010（25）：89-90.

[4]马林，马茵. PLC在上、下水箱液位串级变频调速控制中的应用[J]. 电子质量，2011，2（2）：50-51.

[5]张晓燕. 基于触摸屏和PLC的番茄酱蒸发器自动控制系统[J]. 江苏农业科学，2011，39（2）：501-502.

[6]许卓，程秀竹，黄晓峰. 铸轧机炉口液面控制的设计[J]. 制造业自动化，2013，5（5）：139-140.

[7]仇国庆，罗宣林，吴迪. WinCC在泥浆池液位监控系统中的应用[J]. 自动化与仪表，2008，23（5）：44-46.

摘要：对实验室设备三效蒸发器整个工艺流程进行了详尽的研究，结果发现，三效蒸发器中番茄酱浓缩阶段的液位控制对提高浓缩速度至关重要。经大量试验发现，番茄酱的液位在一定的范围浮动会得到最优化的效果。

关键词：可编程逻辑控制器；三效蒸发器；液位；浓缩控制系统；番茄酱

中图分类号： TP273文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）10-0392-03

收稿日期：2013-12-30

基金项目：新疆维吾尔自治区教育厅高校科研计划青年基金（编号：XJEDU2012S06）；新疆维吾尔自治区教育厅重点计划（编号：XJEDU2010I07）。

作者简介：赵裕峰（1986—），男，山东黄县人，硕士研究生，从事可编程逻辑控制器应用技术和远程监控系统的研究。E-mail：727028483@qq.com。

通信作者：陈志军，教授，硕士生导师，从事智能信息处理和智能控制与系统开发。E-mail：chenzj1110@163.com。新疆因独特的气候条件而盛产番茄，且其品质优良，为大规模的加工番茄酱创造了有利条件。随着国内外需求的不断扩大，番茄酱加工产业不断扩大，被称作新疆的“红色产业”，其加工量约占全国番茄加工总量的90%。但是，现今的番茄酱生产加工设备均是从国外引进的，其核心技术完全依赖于国外，这制约了相关企业的发展[1]。因此，迫切需要对严重影响产品质量的关键环节如灌装、杀菌等进行研究。本试验对番茄酱加工生产线中三效蒸发器的番茄酱浓缩阶段的液位控制进行了研究，采用西门子S7-300 PLC控制自主研发了三效蒸发器番茄酱浓缩控制系统，并取得了令人满意的效果。

1可编程逻辑控制器（PLC）简介

SIMATIC S7-300是一种通用型的PLC，适用于自动化工程中的各种应用场合，尤其是适合在生产制造工程中应用。S7-300 PLC具有以下显著特点：循环周期短，处理速度高；指令集功能强大，可用于复杂功能；产品设计紧凑，可用于空间有限的场合；模块化结构，适合密集安装；有不同档次的 CPU，其功能多种多样；模块和I/O模块可供选择，可以根据不同的供应选择不同的PLC模块。S7的指令集包含350多条指令，即位指令、技术指令、定时指令、比较指令、整数和浮点数运算指令等。S7-300 PLC的模拟量和数字量I/O模块几乎对所有的现场信号都适用。

2三效蒸发器工艺流程介绍

2.1三效蒸发器实验室装备

图1和图2为实验室整体设备及其部分功能图。三效蒸发器实验室整体设备由许多个子设备组成，包括PLC、阀门、传感器等（图1），其中该设备中的核心部分为3个蒸发罐（图2），起主要作用。

2.2流程介绍

一效产生的蒸汽经过提压后，输送到第2个的蒸汽罐中作为热源，再输送到第3个蒸汽罐中作为热源，有3个循环的蒸汽罐，所以称为三效蒸发器[2]。实验室三效罐体均是1 m长的圆柱体。本装置采用的是逆流加料过程，在逆流加料过程中，蒸汽与液体走向相反。料液从末效加入进行蒸发浓缩后，用泵将浓缩液送入前一效直至末效得到完成液；蒸汽从第一效加入后放热冷凝成液体，产生的二次蒸汽进入第二效，在对料液加热后冷凝成液体，第二效产生的二次蒸汽进入第三效对原料液加热，释放热量后冷凝成液体排除。

在逆流加料过程中，因随着浓缩液浓度增大而温度逐渐升高，所以各效的黏度相差较小，传热系数大致相同；完成液排除温度较高，可在减压下进一步闪蒸浓缩、杀菌。

在浓缩的过程中三效蒸发器中番茄酱的液位会直接影响浓缩的速度[3]。因此，对三效中液位的控制至关重要，且通过试验发现，蒸发室的液位位于50%～55%时，浓缩速度最高。

3三效蒸发器浓缩控制系统

3.1硬件配置

采用S7-300 PLC作为主站，主站组态包括PS307 5A、CPU 315-2PN/DP、SM331、SM332以及远程站点IM153-2。CPU 315-2PN/DP模块处理速度快，数据实时性好，特别适合中小型系统的控制要求；通过CP5613A通信卡实现PLC与上位机之间的通信；模拟量模块具有许多特性，可以通过参数来改变它的特性。根据工艺流程选择6个进出料泵、5个控制阀、3个液位传感器、3个温度传感器、3个手动效内循环控制开关，实现效间和效内循环。图3为系统结构图。

模拟量检测输入信号采用SM331 AI8×12模块，该模块仅具有模拟量输入通道，有4个通道组共8个输入接口，每个通道的精度可调，最高精度位为14位精度（带符号位），并且可接电压、电流、电阻、温度信号测量，在此系统应用中采用的是4～20 mA电流信号检测，对应的工程值为0～27 648。常用的液位测量器件有压力式、超声波式、晶体管继电器式、电容式、浮子式等。液位测量器件主要用于测量液位及控制，广泛应用于城市供水、污水处理、工矿企业、水库、河道、海洋等场所[4]。

硬件组态和参数设置是使用STEP7软件对PLC机架上的硬件进行配置，设置各种硬件模块参数的过程[5]，用户通过硬件组态设定或者修改各硬件模块的参数或者地址、设定或修改网络通信参数等。

3.2程序实现

下位机PLC采用液位传感器对三效番茄酱液位进行采集，液位传感器地址为PIW256、PIW258、PIW260，采集的液位信号经量程转换存入MD30、MD20、MD10中，通过调用FC105模块将信号转换成实际的液位值，与设定的高低液位信号进行比较，通过变频器控制相应的泵和阀开关动作[6]，来控制液位的高低。

液位控制程序包括主程序块OB1、软启动组织块OB100、功能块FB1（图4）、背景数据块DB1-DB3等。液位控制系统的数字控制器的采样时间为6～8 s，Siemens PLC应用程序中通常取100 ms，使用其中断指令调用中断子程序（中断时间范围为0～255 ms）编程很方便。因为3个罐体之间采用串级流程，所以分别对FB1进行调用来控制各效之间的液位。通过手动设定高低液位来控制[7]。系统经运行，获得了非常好的效果，提高了浓缩的速度。

4监控系统

在WinCC 5.0中建立项目，对系统的流程进行模拟监控。WinCC 5.0组态系统采用“SIMATIC S7 Protocol Suite”作为驱动程序，通过CP5611卡与下位S7-300 PLC进行通讯。将S7-300程序下载到PLC中，在完成测试后就可将系统投入正式运行，系统运行后相应监控画面可以在上位机上显示。Wincc软件监控系统能够实时监控系统的运行状态，并及时作出反馈，出现故障时会报警处理。浓缩液位监控画面如图5所示。

5结束语

本研究采用西门子S7-300 PLC及 Step 7 软件设计番茄酱杀菌液位自动控制系统，首先对生产工艺进行分析，然后进行硬件配置，合理选用模块及总线技术，降低工程成本，最后对控制功能进行程序实现，经运行得到了较好的效果。可见该系统有很大的工程前景，值得应用和推广。

参考文献：

[1]南新元，陈志军，高丙朋. S7-300 PLC在番茄酱杀菌自动控制系统中的应用[J]. 自动化仪表，2010，31（5）：34-36，39.

[2]李胜多. 基于PLC的农作物喷灌控制系统设计[J]. 农机化研究，2010，32（9）：141-145.

[3]孙平，盛盈坤，许文凯，等. 水塔水位的自动控制[J]. 微计算机信息，2010（25）：89-90.

[4]马林，马茵. PLC在上、下水箱液位串级变频调速控制中的应用[J]. 电子质量，2011，2（2）：50-51.

[5]张晓燕. 基于触摸屏和PLC的番茄酱蒸发器自动控制系统[J]. 江苏农业科学，2011，39（2）：501-502.

[6]许卓，程秀竹，黄晓峰. 铸轧机炉口液面控制的设计[J]. 制造业自动化，2013，5（5）：139-140.

[7]仇国庆，罗宣林，吴迪. WinCC在泥浆池液位监控系统中的应用[J]. 自动化与仪表，2008，23（5）：44-46.