基于组态软件的饮品控制系统设计

杨成慧, 王书志

(1.西北民族大学 电气工程学院，甘肃 兰州 730030；2.兰州交通大学 自动化与电气工程学院,甘肃 兰州 730070)



基于组态软件的饮品控制系统设计

杨成慧1,2, 王书志1

(1.西北民族大学 电气工程学院，甘肃 兰州 730030；2.兰州交通大学 自动化与电气工程学院,甘肃 兰州 730070)

近年来，饮料市场的竞争日趋激烈，饮料加工工艺一直以来也保持着快速增长的势头.通过分析可知，通过反馈校正环节，使得饮料混合控制系统的控制原理变得简单，系统还具有了较高的控制精度.在反馈校正过程中也消除了温度偏差对饮料混合控制系统带来的不良影响.MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)组态软件提供了用户解决工程问题的开发平台.设计利用组态软件使饮料混合机能够更便捷简单的工作，还可以对饮料混合机内液位的变化以及温度和压力的变化情况直观地显示出来，并可以进行数据以实时报表输出，并显示报警信息，实时性好.设计混合饮料控制系统具有较好的实用性，社会需求较大，对占据市场竞争起关键作用.

饮料混合机;控制系统;工艺流程;MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)组态软件

0　引言

饮料混合机可以用于混合碳酸饮料[1～3]，也可以用于果汁饮料的混合，是饮料生产工厂整个生长线上最重要的组成部分.其性能的好坏直接关系到饮料成品的口感，因此饮料加工厂对饮料混合机的性能好坏都非常重视.目前,在中国使用的混合饮料机是引进德国的，一个是SEN公司的，另一个是O+H公司的.它们在工艺流程上有一些区别，其各自的混合方式都有自身的优势，所以对饮料混合机控制系统加以设计，以提高其控制精度、简化控制原理.本文分析有关控制系统的校正方式，制定了设计方案，还通过反馈校正和扰动校正消除温度对整个系统的影响.MCGS组态软件[4～6]能够实现相应系统的仿真，还能与现场设备的工作原理相统一.

1　饮料混合机的工艺流程

饮料混合机工艺流程总体上可以概括为两个步骤：首先是对处理过的水碳酸化，然后将碳酸化的处理水与糖浆按一定比例进行混合，其具体的过程如下：

处理过的水加压后通过控制阀输送到脱氧罐中.脱氧罐的作用主要是将处理过的水中所含有的氧气全部排除到罐外.经脱氧后的处理水经过一个喷嘴进入脱氧罐.其中喷嘴的作用是使处理水呈现出雾的状态.同时，处在碳酸化罐上空部分的CO2过阀进入脱氧罐中.脱氧罐上空部分的氧气和氮气通过脱氧罐顶端的排气管排了出去.

经过以上的工艺流程后，紧接着脱氧过的水由冷却泵进入板式换热器，再把温度冷却至其控制系统所要求的温度，再通过主泵进入碳酸化反应罐.这样就达到经脱氧过的水碳酸化的效果.脱氧过的水在碳酸化反应罐中变成了碳酸水后，再由泵进入混合管中.这时在混合管中的碳酸水与糖浆以一定的比例进行混合，混合完全后就进入成品罐中，再由成品罐输出到灌装机.之后，在瓶中充填，之后封盖，最后整列装箱.

2　监控软件的选用与系统结构设计

常用的组态软件有InTouch、MCGS、组态王、iFIX和WinCC等.

InTouch软件常适用于客户体系结构、工业应用服务器或部署在独立机械中，可以作为适用终端客户机应用.

MCGS内部功能强大、界面友好、系统可扩展性强、用户的使用性好，是国内组态软件行业中较好的产品.MCGS能够完成现场数据采集、历史曲线和实时曲线输出、工艺流程控制、报表输出和动画显示以及监控等.

组态王软件经过七年开发，简单实用.现在已经成为国内用户最多的组态软件，而且用于一些航空航天等重要的领域.

iFIX一般用于全面监控和分布管理，安全性、通用性和易用性良好.它是任何生产加工环境下较好的解决方案，能够帮助企业制定出快捷、有效的决策，提高企业的竞争力.

WinCC可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的可视窗口和菜单选项，使用方式较为灵活且功能齐全.

MCGS软件系统由两个部分组成，组态环境比较完整，用户可以根据自己的构想来设计自己的应用环境.运行环境是根据组态环境中用户需要所建立的工程，按照用户特定的方式运行，并进行不同的处理，完成用户设计的目的和功能[5]，其整体结构如图1所示.

图1MCGS整体结构图

MCGS组态软件的工程建立分为五个部分，每一部分进行的组态操作是不一样的，所完成的工作也是不相同的[6],组态软件的组成如图2所示.

随着现代计算机技术的不断发展，生产线的混合饮料机的控制将会在控制室工作站进行，通过MCGS组态软件可以监控整个工艺流程的工作情况，还能及时反映混合饮料控制系统的工作状态，及时根据异常情况做出适当的调整.

图2　MCGS组态软件的组成

3　控制系统的设计

3.1混合饮料的工艺流程分析

混合饮料机的工艺流程总体上可以概括为两个步骤：首先对处理水碳酸化，然后将碳酸化的处理水与糖浆按一定比例进行混合，其具体的过程如下：

处理水加压后通过控制阀输送到脱氧罐中，脱氧罐的作用主要是将处理水中所含有的O2全部排除到罐外.经脱氧后的处理水经过一个喷嘴进入脱氧罐.其中喷嘴的作用是使处理水呈现出雾的状态，然后以雾的状态喷出的处理水与CO2较大面积地接触，使得脱氧更加充分、效果更好.处理水在碳酸化罐中经过碳酸化后，再加上在脱氧时得到一定程度的碳酸化处理，整个过程使CO2溶解更充分，最终碳酸化的效果也就更好.

处在碳酸化罐上空部分的CO2过阀进入脱氧罐中.O2和N2的比重要比CO2轻一些，所以脱氧罐上空部分的O2和N2就通过脱氧罐顶端的排气管排出去.这样使得整个碳酸化效果充分，也就保证了碳酸饮料的口感和质量，为制出优质的饮料，不断改进混合饮料机的控制系统，以高效率低成本为基本原则，将饮料混合机的控制部分尽量做到最佳[7～9].

经过以上的工艺流程后，紧接着脱氧过的水由冷却泵进入板式换热器之后，再把温度冷却至其控制系统所要求的温度，再通过主泵进入碳酸化反应罐.脱氧过的水在碳酸化反应罐中变成了碳酸水后，再由泵进入混合管中，这时在混合管中的碳酸水与糖浆以一定的比例进行混合，混合完全后就进入成品罐中[10]，再由成品罐输出到灌装机，在瓶中充填、封盖，最后整列装箱[11].

3.2温度控制系统的设计

温度控制系统是一个开环控制系统，这样就会导致总控制系统由于温度的干扰而变得有些复杂[7-10].所以，我们可以使用反馈校正的方法，来改进温度控制系统，建立饮料混合机温度控制系统方块图，如图3所示.

图3　饮料混合机温度控制系统方块图

从图1中我们可以看出，在温度控制系统中加了反馈回路环节，这样它就变成了一个闭环控制系统.此系统中，反馈变量是碳酸水的温度，板式换热器是通过碳酸化罐反馈出来的温度，与输入处理水的温度相比较，进而对温度偏差进行一定的调整.从图1可以得出温度控制系统输出公式为

Y(s)=E(s)G2(s)G3(s)G4(s)

(1)

而控制系统的误差：E(s)=X(s)G1(s)-E(s)G2(s)G3(s)

(2)

(3)

(4)

(5)

分析得出，经过校正后的温度控制系统是一个闭环控制系统，通过这一反馈校正环节，系统的控制精度提高了很多，对于总控制系统的温度干扰也就减小了许多，几乎可以忽略不计.

3.3压力控制系统的设计

新型饮料混合机由于在控制器这一环节不用再去考虑温度这一因素，则可以选择SR63仪表来代替比例控制仪，进而来控制调节阀，如图4所示.

图4　饮料混合机压力系统方块图

由图2可以得出压力系统输出公式Y(s)=E(s)G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)

(6)

而控制系统的误差：

E(s)=X(s)-E(s)G1(s)G2(s)

(7)

(8)

代入可得：

(9)

所以，压力控制系统的传递函数为：

(10)

图5　饮料混合机总控制系统方块图

经分析得出，由于此系统仍然是一个闭环控制系统，且只有一个反馈回路环节.由以上推导得出的式子(3)～(10)可看出，控制系统化简了，反馈环节和控制环节得到简化，主控制的原理一样，但其控制系统的控制精度并没有降低，反而系统的控制精度却有所提高.

3.4饮料混合的总控制系统设计

在饮料混合机改进的温度控制系统中，对于温度的控制在其开环控制系统中加入反馈校正环节后，就变成了一个闭环控制系统，就在此时温度偏差得到了补偿.这样的做法对于饮料混合机的总控制系统来说，就加入了一个扰动校正环节.建立饮料混合机总控制系统方块图[11,12]，如图5所示.

由图5可以得出总控制系统输出：

Y(s)=[E(s)G1(s)+N(s)GN(s)]G2(s)G3(s)G4(s)

(11)

而控制系统的误差：E(s)=X(s)+N(s)GC(s)-[E(s)G1(s)+N(s)GN(s)]G2(s)

(12)

即得出：

(13)

代入可得：

(14)

(15)

(16)

则，总控制系统输出：

(17)

所以，总控制系统的闭环函数为：

(18)

通过控制系统闭环函数(10)与(18)的比较，并将改进后的饮料混合机控制系统比原饮料混合机控制系统得到简化，能够明显地看出经过扰动后的总控制系统的闭环传递函数与CO2压力控制系统的闭环传递函数是相同的，没有任何的差异.由此看出，总控制系统具有和CO2的压力控制系统一样可靠、准确与稳定的性能.

4　基于组态的监控系统实现

4.1组态画面的设计

在MCGS组态中，在“用户窗口”中新建窗口，对窗口的属性进行初步设置，更改“窗口名称”并最大化显示.设置各个窗口,如图6所示.

选中创建的“工艺流程”窗口，再单击“动画组态”，就进入了动画制作的窗口.在工具箱菜单中选择所需的一些元件，加入一些泵、控制阀、储藏罐、流动块、标签等.

图6建立工程图

4.2组态画面动画效果

控制研究理论参照文献[13,14]，进入运行策略，并双击循环策略，进入策略组态.在运行策略窗口中新建策略，逐一设置报警数据、历史报表和数据按分钟提取等等.在“运行策略”中的循环策略双击进入后，“策略属性设置”，只需将 “循环时间”设为188ms,其他部分可以不用设置，后按确定即可.在策略组态中，单击工具条中的“新增策略行”，再单击“策略工具箱”中的“脚本程序”，之后根据相同的方法逐一设置其他项目.

4.3程序编写实现

糖浆生产线的画面设计中，通过对糖浆生产部分的细化，因为糖浆的生产也是饮料加工过程中很重要的一个环节，结合各种理论研究[15～17]，做好对糖浆生产线的控制来保证整个系统的稳定.首先建立变量，如图7所示.

图7　数据库变量图

在脚本程序中输入程序如下所示.

if搅拌罐1液位<45then

原料阀=1

else

原料阀=0

endif

if搅拌罐1液位>5then

出水阀1=1

endif

if水罐液位>5then

出水阀2=1

endif

if酸罐液位>0.5then

出水阀3=1

endif

if碱罐液位>0.5then

出水阀4=1

endif

if搅拌罐1液位<5or水罐液位<5or酸罐液位<0.5or碱罐液位<0.5then

出水阀1=0

出水阀2=0

出水阀3=0

出水阀4=0

调节阀1=0

endif

if搅拌罐2液位0.5then

调节阀1=1

出水阀5=1

else

调节阀1=0

出水阀5=0

endif

在画面设计中，加了两个动作按钮，按此按钮可以直接进入饮料混合机的工艺流程或其糖浆生产线的组态运行画面.三个小球的绕圆运动，以及时间和日期的显示输出是通过编写以下程序实现的.在脚本程序中输入程序：

角度=角度+3.14/180

if角度>=2*3.14then

角度=角度-2*3.14

endif

日期=$date

时间=$time

工艺流程的画面设计中，设置各个部分的内部参数，通过编写程序，在程序中设定相应的参数，模拟饮料加工工厂现场设备的运作情况，与实际紧密结合，在脚本程序中输入程序，程序如下所示：

if脱氧罐 < 60then

水泵=1

else

水泵=0

endif

if脱氧罐 < 60then

水泵2=1

else

水泵2=0

endif

if碳酸化反应罐 > 8then

主泵=1

else

主泵=0

endif

if糖浆罐 < 25then

糖浆入口=1

else

糖浆入口=0

endif

if碳酸化反应罐 < 10then

CO2入口=1

else

CO2入口=0

endif

在工艺流程图的糖浆与水反应罐中，搅拌叶片转动的作用是将脱氧过的处理水和糖浆充分混合，防止糖浆沉淀下来，制出更加优质的糖水.搅拌叶片旋转动画的脚本程序中输入程序如下所示.

angle=angle+2

ifangle=2.34*10then

angle=0

endif

图8　糖浆生产线运行结果动画图

5　监控上位机系统调试

组态画面要运行起来，就得在其内部加入一些模拟量，如把在菜单项中 “设备工具箱”打开，最后单击“设备工具箱”中的“设备管理”.在“通用设备”中打开“模拟数据设备”，双击“模拟设备”，对应数据对象设置完成后，在“调试设备”中就可以看到数据的变化.根据数据所设置的最大值与最小值，数据就在这范围内不断变化.通过设置模拟量，在脚本程序中输入编写的程序之后运行.运行结果良好,如图8动画仿真运行监控结果,通过MCGS组态软件观察图像，曲线变化以及数据变化，可以对现场设备工作情况全面掌握，使工作人员操作控制简单，大大节省了控制时间，提高了工作效率.

6　结论

首先分析了饮料混合机的控制系统，研究了其控制对象水的温度和CO2的压力，分析有关控制系统的校正方式，制定了设计方案，还通过反馈校正和扰动校正消除温度对整个系统的影响.基于MCGS组态软件来实现相应系统仿真，尽可能地与现场设备的工作原理相统一.充分利用MCGS组态软件使饮料混合机动态化.通过编写脚本程序实现了对饮料混合机的控制，建立了实时监控系统，使饮料混合机的工艺流程中温度和压力的变化情况更加直观地显示.组态动画界面以及数据变化曲线，使工作人员操作简单，大大提高了工作效率，缩短了培训员工周期，应用前景良好.

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【Abstract】In recent years, beverage market's pattern of competition increasingly is unceasingly intense, since the drink processing craft also has been maintaining the growth tendency. May obtain through the analysis through the feedback adjustment link, not only causes the drink mixture control system the control principle becomes simple . Moreover the system had high control precision, in this fed back in the adjustment process also to eliminate the temperature deviation to the adverse effect that the drink mixture control system brought.The MCGS configuration software provided has made user to solve the project question development platform, this design enabled the beverage mixer using the configuration software a more convenient simple work, but may also in the changing condition direct-viewing the demonstration of change as well as the temperature and pressure fluid position to the beverage mixer, and may carry on the data real-time report form output, and visual display alarm information.Mixed drink control system that this article designs not only has the good usability, but also is very big in the present society demand, to occupying certain the market competitiveness is especially essential.

Impalement of Configuration-based Mixed Drink Control System

YANG Cheng-hui1,2,WANG Shu-zhi1

(1.College of Electrical Engineering, Northwest University for Nationalities, 730030;Lanzhou, Gansu, China;2.School of Automation & Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, 730070 China)

Beverage mixer, control system, technical process, MCGS(Monitor and Control Generated System) configuration software

2016-02-20

国家自然科学基金资助(项目编号:61263002)；2012年国家民委科研项目(项目编号:xbmu-2012-bb-35)；2011年西北民族大学教育教学改革项目(项目编号:JG201135)；2011年西北民族大学教育教学精品课程(项目编号:JPKC201105,JPKC201136)；2016年中央高校基本科研业务经费资助，青年创新团队项目(动态复杂网络运动分析与应用).

杨成慧(1992—)，女，河南商丘人，副教授，主要从事电子设计、系统仿真方面的研究.

TP277

A

1009-2102(2016)01-0004-09