双向变频振压制曲机控制系统设计

李 宏 王文乐 花 勇（江苏食品药品职业技术学院机电工程系，江苏 淮安 223005）

机械制曲在中国酿酒企业已得到广泛的应用，与人工踩曲相比，机械压制的曲坯大小均匀、生产率高［1，2］。按机械制曲的成型次数分，有单次模压成型、多次模压成型［3］。但无论是哪种装置成型的曲坯，其“皮紧内松”、“提浆差”的现象均没有得到根本的解决［4，5］。本研究拟开发一种回转式双向变频振压制曲机［6］，设计基于PLC的双向变频振压制曲机电气控制系统，完成了PLC现场控制软硬件设计和上位机监控程序设计。

1 回转式双向变频振压制曲机的工作原理

制曲机的作用是将松散的曲料压制成曲块。回转式双向变频振压制曲机由曲料上料机构、低频双向振压机构、高频拍打提浆机构、曲坯定型机构、曲坯出料机构以及控制柜等部分组成。上料机构、曲坯定型机构的压曲模板为平板，低频双向振压机构、高频拍打提浆机构的上下两块压曲模板，为带有半球形状的凹凸板（剖面为波浪形），上模板的凸处与下模板的凹处，彼此错开。低频振压机构的模板半球大而疏，拍打提浆机构的模板半球小而密；上下模板与曲料接触面为半球形状的凹凸曲面，保证振动压曲过程中模板与曲料充分挤揉，实现柔性、重复挤压，解决传统机械压曲中曲坯“皮紧内松”、“提浆差”的问题。

1.1 双向变频振压制曲机动作过程分析

为满足目前企业车间的实际布局情况，减少机械制曲设备升级换代对场地的依赖，双向变频振压制曲机采用回转五工位，依次为：振动上料工位—低频双向振压工位—高频拍打提浆工位—停振保压定型工位—曲坯下料工位，见图1。

图1 双向变频振压制曲机工作原理示意图Figure 1 The working principle diagram of starter－making process using bidirectional variable frequency vibration pressing

1.1.1 振动上料动作过程 变频振压制曲机动作时，回转工作台带动曲模成型箱定位。曲模成型箱上方料箱中按比例搭配搅拌好的曲料，经定量料斗向上料工位的模箱进行定量装填。为保证曲模成型箱中曲料均匀填实，定量装填后曲模成型箱平底板保持一定频率振动（频率为10Hz，振幅为2mm），延时30s后停止回到起点。当转位时间到，回转工作台带着装好曲料的曲模成型箱，进入低频双向振压工位。

1.1.2 低频双向振压动作过程 低频双向振压模板与低频振动电机相联，振动电机安装在活动横梁上，由液压油缸活塞杆的伸缩实现上下移动，带动低频上下模板对曲料进行预压。当曲模成型箱内设定的传感器，检测曲坯表面压力达到设定的低频振动启动压力值时，由传感器控制启动低频振动电机动作，带动低频上下模板边压缩边振动。低频振动上模板以振动频率20Hz、振幅3mm进行振动，低频振动下模板以振动频率15Hz、振幅2mm进行振动，上模板与下模板振动频率不同使曲料的运动产生一个速度差，对曲料颗粒进行反复挤揉。当曲模成型箱上设定传感器，检测曲坯中间侧面压力达到设定的低频振动停止压力值时，由传感器控制停止低频振动电机动作，完成低频双向振压工作，活动横梁退回到起点。当转位时间到，回转工作台带着完成低频双向振压的曲模成型箱，进入高频拍打提浆工位。

1.1.3 高频拍打提浆动作过程 高频拍打提浆模板与高频振动电机相联，振动电机安装在活动横梁上，由液压油缸活塞杆的伸缩实现上下移动，带动高频拍打提浆上下模板对曲料进行预压。当曲模成型箱内设定传感器，检测曲坯中间侧面压力达到低频振压过程的结束压力时，曲模成型箱中的传感器让拍打横梁停止运动，同时启动电机实现对曲坯表面拍打提浆。上模板的振动频率为55Hz、振幅为1.2mm，下模板的振动频率为50Hz、振幅为0.9mm，上模板与下模板振动频率不同使曲料的运动产生一个速度差，通过高频振动对曲料颗粒进行反复挤揉、对曲坯表面拍打提浆延时20s后，完成高频拍打提浆工作，活动横梁退回到起点。当转位时间到，回转工作台带着完成高频拍打提浆的曲模成型箱，进入停振保压定型工位。

1.1.4 保压定型动作过程 保压定型先通过液压机构上下移动横梁，带动安装在横梁上的定型上下平模板对曲料进行预压。当曲模成型箱内设定传感器，检测曲坯中间侧面压力达到设定的高频振压过程结束时的压力时，保持此压力值不变进行保压定型，延时10s后保压定型横梁退回到起点。直至转位时间到。当转位时间到，回转工作台带着完成保压定型的曲模成型箱，进入曲坯下料工位。

1.1.5 曲坯下料动作过程 曲坯下料时液压机构移动下横梁，带动下料平模板将曲坯顶出曲模成型箱，由横向出料推杆顶到传送带上，传送带将压制好的曲坯送入库房培菌，至此完成一个压制曲坯的流程。

1.2 双向变频振压制曲机工作流程图

传感器安装在曲模成型箱内部中间，在振压过程中实时测量压力值，并将测得的压力值传递给PLC。转位时取上料工位、低频双向振压工位、高频拍打提浆工位、停振保压定型工位、下料工位中所需时间最长的那一个工位的时间，作为回转工作台自动启动转入下一工位的转位时间，工作流程见图2。

图2 回转式双向变频振压制曲机工作流程图Figure 2 The workflow flowchart of starter－making process using rotary bidirectional variable frequency vibration pressing

2 回转式双向变频振压制曲机控制系统的设计与实现

2.1 回转式双向变频振压制曲机控制系统的硬件设计

PLC控制系统由输入信号元件（按钮、传感器、接近开关、限位开关）、输出执行器件（电磁阀、接触器、继电器、信号灯）、显示器件和PLC构成。根据回转式双向变频振压制曲机的工作要求及运动规律，其控制系统的硬件设计主要包括确定PLC的I/O点个数，选择PLC机型，I/O点地址分配和PLC系统的外部接线图等。

2.1.1 确定PLC的I/O点个数 双向变频振压制曲控制系统的PLC有以下输入信号，包括：启动、停止按钮各1个；用于不同操作方式的手动/自动连续旋动开关1个；定量料斗供料开关2个；上下模压板的上下限位行程开关4个；旋转工作台限位开关1个；曲模成型箱内的传感器3个等。外部输入元器件包括：9个检测元件、22个按钮。

PLC的输出信号包括：1个用来显示工作状态开始的指示灯；1个手动运行指示灯；1个自动连续运行指示灯与1个报警指示灯等。外部输出元件包括：10个电磁阀；4个接触器，4个指示灯。

2.1.2 确定PLC的型号 考虑到回转式双向变频振压制曲机控制系统的经济性、复杂性、可靠性及实际需求等综合因素，由于双向变频振压制曲控制要求所需的端子数较多，还需留一定的I/O节点作为系统的预留。现采用SIEMENS公司S7－400系列PLC的基本结构，其中CPU选型416－2DP CPU，对I/O信号的接受与发送通过扩展2块32点的DI模板和2块32点的DO模板实现，DI模板选型为6ES7 421－1BL01－0AA0，DO 模板选型为 6ES7 422－1BL00－0AA0。该PLC选型设计具有速度快、精度高、稳定性好等特点，可满足双向变频振压制曲控制系统要求。

2.1.3 PLC的输入输出端的分配表 根据生产工艺将输入信号和输出信号按各自的功能类型进行分类编排，其中按钮输入信号分配在第一块DI模板，检测元件信号分配在第二块DI模板；执行元件信号分配在第一块DO模板，指示灯输出信号分配在第二块DO模板。启动按钮用绿色钮，急停按钮用红色钮，缺料信号采用电容式接近开关，各个执行机构的到位指示采用电感式接近开关，动作执行信号利用电磁阀上的电磁铁。列出各种控制元件和执行元件的输入输出的I/O分配表，见表1、2。

表1 I地址分配表Table 1 I address distribution list

表2 O地址分配表Table 2 O address distribution list

2.1.4 PLC输入输出I/O分配接线图 根据前文所要求的控制要求，设计成硬件接线图（图3），更加形象的展示出PLC控制的方式。

图3 硬件接线图Figure 3 Hardware wiring diagram

2.2 回转式双向变频振压制曲机控制系统的软件设计

2.2.1 PLC的功能图 本研究设计的回转式双向变频振压制曲机是按照上料准备、按下启动按钮、定量上料开始、振动匀实、低频振压开始动作、压力传感器检测到位动作、低频振压结束、高频提浆开始、压力传感器检测到位动作、高频提浆结束、曲醅定型开始、压力传感器检测到位动作、曲醅定型结束、脱模等。上述一系列的动作结束后，各元器件的限位开关到位，旋转工作台统一旋转进入下一个循环。

本研究设计的系统的软件功能，主要通过两种编程语言实现，其中逻辑控制部分通过LAD（梯形图）编程实现，双向变频振压制曲机的控制功能部分通过GRAPH（顺序功能图）编程实现。顺序功能图是将运动系统分成若干个顺序相连的阶段，各阶段按照一定的顺序进行自动控制，简便精确地执行了双向变频振压制曲机的控制功能。软件设计实物图见图4。

2.2.2 上位机监控程序设计 本控制系统利用西门子WINCC组态软件虚拟仪器开发人机界面，用户可以利用该人机界面对整个回转式双向变频振压制曲机的工作过程进行直观的监控，并采集过程数据通过PROFIBUS－DP总线和RS－485总线实现工控机与智能仪表的连接，把采集到的数据送往PLC；WINCC使用CP5611通讯卡通过PROFIBUS与西门子S7－400PLC连接。通过WINCC界面，可以使整个制曲机的操作简单易行、直观清晰。监控主界面见图5。

图4 控制系统的软件设计实物图Figure 4 The software design physical map of the control system

图5 监控主界面Figure 5 Main picture of WINCC

2.3 系统调试和运行

回转式双向变频振压制曲机有手动控制和自动控制两种工作模式。手动控制用于系统维护及软件调试，正常生产时为自动控制，并具有报警和故障处理功能。通过人机界面可输入工艺加工参数、显示关键工艺参数、历史数据曲线和实时数据曲线等。

合上手动或自动开关I0.0和I0.1总电路得电，合上供料开关I0.2供料开始，供料开始电磁阀Q0.0动作，称重传感器I2.5检测到位动作合上开关I0.3供料停止，供料结束电磁阀Q0.1动作，供料回到限位；合上开关I0.4低频振压开，低频振压开始电磁阀Q0.2动作，压力传感器I2.6检测到位合上开关I0.5低频振压关，低频振压结束电磁阀Q0.3动作，低频振压上限位和下限位分别回到限位；合上开关I0.6高频拍打提浆开，高频拍打开始电磁阀Q0.4动作，压力传感器I2.6检测到位合上开关I0.7高频拍打提浆关，高频拍打结束电磁阀Q0.5动作，高频拍打上下限位分别回到限位；合上开关I1.0曲坯定型开，曲坯定型开始电磁阀Q0.6动作，压力传感器I2.6检测到位合上开关I1.1曲坯定型关，曲坯定型结束电磁阀Q0.7动作，曲坯定型上下限位回到限位；合上开关I1.2脱模杆向上推出，脱模杆向上电磁阀Q1.0动作，合上开关I1.3脱模杆向下收回，脱模杆向下收回电磁阀Q1.1动作，脱模杆回到限位。

3 结论

本研究开发的回转式双向变频振压制曲机，通过凹凸不平的上下模板的变频振动，从上下两个方向传递交变压力，对曲坯进行柔性化重复挤揉，创新曲坯成型方式。设计了回转式双向变频振压制曲机电气控制系统，应用PLC控制实现自动化生产，提高了压曲的效率和可靠性。结果表明：由于曲料与模盒间的振动，致使曲料不易粘在模盒上，无需再对模盒进行清洗，简化了加工工艺。所制成型曲坯密度均匀、孔隙度好，软硬适中、易于脱模，外形平正、四角饱满，获得了较理想的表面提浆效果。

1 付捷，王瑛.我国酒厂制曲压块机的现状与发展方向［J］.包装与食品机械，2005，23（5）：29～30.

2 陈贵林.探索茅台酒制曲自动化实现途径［J］.酿酒科技，2011（4）：65～66.

3 张静.多点采压压曲机设计及其关键结构件仿真研究［D］.山西：太原理工大学，2009.

4 任飞，张晓宇.浓香型大曲糖化动力学研究［J］.食品与机械，2013，29（1）：42～44.

5 李宏.双向变频振压制曲试验分析［J］.食品与机械，2014，30（4）：224～226，270.

6 李宏，赵刚，花勇，等.回转式变频振压制曲机：中国，CN103865716B［P］.2015—04—22.