自动粉皮机PLC控制系统设计

2021-09-25林香李隆盛

机械工程师 2021年9期

关键词：粉皮触摸屏电动机

林香，李隆盛

（闽西职业技术学院，福建龙岩 364021）

0 引言

手工粉皮、粉丝等淀粉制成的食品，因其食用方式众多、口味各异，加上容易存储运输，深受人们的喜爱。同时原料丰富、市场需求大，前景十分乐观[1]。

当前粉皮制品的加工方式主要以手工作坊或半机械化生产为主，生产用工多、劳动强度大、效率比较低、产量低、卫生条件经常不达标，导致产品质量无法保证，已经难以适应市场化运作的需求。

本文主要探索采用PLC和触摸屏等自动化设备，设计出自动化控制程序及触摸屏的操作画面，从而使粉皮生产过程实现自动化、可视化，提高生产效率，降低从业者的劳动强度。

1 自动粉皮机的工艺过程

粉皮加工工序[2]主要包括：上料→预热→原料搅拌→粉浆成型→蒸箱高温定型→中温成熟→低温冷却→脱离翻面→烘干→横切刀截切→二次烘干→称重包装等工序，其中一次烘干不需要完全烘干，以方便粉皮的切断，如图1所示。

图1 粉皮加工工艺

2 自动粉皮机控制系统设计

控制系统中包含液位传感器、温度传感器等模拟量信号，以及启动与停止按钮等开关量信号，将上述信号传输给PLC，通过所设计的程序实现对出浆阀、成型加热、烘干加热、粉皮切断、粉皮翻面等动作的控制，并将温度信号、动作信号等实时反馈到触摸屏中，从而实现可视化。

2.1 粉皮机控制系统的总体设计

粉皮机控制系统的主要框图如图2所示，主要包括：核心处理器（PLC）、HMI触摸屏、电源进线、模拟量输入模块、变频器、传感器、开关按钮及负载设备等。

图2 粉皮机控制系统的主要框图

粉皮机加工控制总体要求：1）可以根据用户需求在触摸屏界面中选择要查看的实时监控数据及参数设置的界面；2）在触摸屏参数设置界面中可以随时更改参数并且可实时返回主菜单界面；3）通过触摸屏温度界面显示设备的当前工作实时温度及初始设置的温度显示；4）在设备发生故障时，可以通过急停按钮进行紧急停止，防止事故的发生；5）通过起动按钮或者触摸屏上的启动键与停止键运行或停止程序的运行，同时回到初始化状态；6）程序可根据反馈信号判断岀浆阀、粉皮切断气缸、粉皮翻面摆动气缸是否动作并且在动作完成之后能及时复位；7）控制系统可根据温度传感器采集的温度与用户所设置的温度进行对比，判断是否打开加热设备。

2.2 粉皮机控制系统的电气设计

文中选用西门子S7-200(CPU226)作为控制器，拓展模块选用EM231，用以接收信号和控制执行器的动作；选用HS-145-24电源转换器，将220 V交流电源转换成24 V直流电源供给PLC；选用西门子的变频器MM440，实现速度运行的平稳性，提高加工成品的质量，减少粉皮的断裂；采用西门子SMART LINE，用来实现可视化操作，显示加工过程中的实时温度数据等，设计中的主电路及PLC外部接线电路分别如图3、图4所示。

图3 粉皮机主电路图

图4 PLC外部接线图

在程序设计过程中，设置的输入型数字信号主要包括：高浆位液位传感器信号、低浆位液位传感器信号、粉皮切断开始信号、切断气缸动作到位信号、切断气缸复位到位信号、粉皮翻面启动信号、翻面气缸翻面完成的信号、翻面气缸复位完成的信号、启动信号、停止信号等。

文中的模拟输入信号主要是成型温度和烘干温度。

通过PLC控制的动作主要包括步进电动机脉冲、步进电动机正反转、粉皮烘干、出浆阀的开启、翻面下线等。

文中PLC 的I/0分配表具体功能如表1所示。

表1 PLC的I/O分配表

PLC的其他编程地址分配表如表2所示。

表2 PLC的其他编程地址分配表

2.3 自动粉皮机PLC控制流程

自动粉皮机PLC控制程序，在设计过程中主要包括程序的初始化、手动调试程序、自动加工程序、触摸屏与PLC通信程序、变频器与PLC通信程序等组成[3]。粉皮机自动控制流程图如图5所示。

图5 控制系统主程序流程图

各个模块的程序主要包括以下功能：1）初始化程序。主要完成对各输出、定时/计数器、中间继电器清零复位，使设备处于初始工作状态。2）手动调试程序。主要包括手动操作各机构的运行，用于调试和维护。3）自动加工程序。是指设备正常，无故障时，粉皮机将按设计好的程序运行，使整个的加工过程实现自动化。

2.4 触摸屏组态设计

触摸式的人机界面，具有直观灵活、操作简便等优点。为实现PLC与触摸屏的通信，首先进行参数设置：在PLC中设置“系统块”-“通信端口”对应端口的波特率；触摸屏中将“项目”-“通信”-“连接”中的接口设置为“IF1B”、配置文为“PPI”，波特率和PLC中的设置应一致，即可实现两者信息实时交换。根据自动制粉皮机控制系统要求设计了以下人机界面：

1）模式选择界面。有手动模式和自动模式及当前所处模式的指示、其他设备状态监控、退出系统等按钮。

2）手动控制界面。画面中有启动、停止、出浆、粉皮切断、粉皮翻面等按钮，以及温度、电动机等设备的控制界面切换按钮。

3）自动控制界面。画面中包含有实时时钟显示、系统中的启动与停止按钮，以及温度设置与显示、制浆电动机运行控制、传送带电动机运行控制3个切换按钮，点击按钮可进入相应的界面。

4）温度设置与显示界面。在该页面可实时监控当前温度，通过棒状图可直观看到温度的动态变化，显示最大温度和最小温度，以及返回自动控制或返回手动控制按钮，可返回相应的界面，具体界面如图6所示。

图6 温度设置与监控界面

5）传送带控制界面。在此界面可对传送带电动机的速度、运行方向、停车方式等进行控制，也可返回其他界面，界面如图7所示。

图7 传送带控制界面

6）制浆电动机控制界面。在该页面可显示当前电动机运行状态，设置电动机的转速及运行规律，也可返回自动和手动控制界面，界面如图8所示。

图8 制浆电动机控制界面

2.5 控制系统调试

控制系统的调试主要分为硬件部分的调试和软件程序的调试。

1）硬件部分的调试。首先接好硬件电路，检查总供电及其他设备的供电是否正常，接着检查各种开关能否正常工作,然后对设备的电气控制部分进行检查，判断PLC是否正常开机[4]。

硬件调试从以下几个方面进行：a.对系统供电线路的检验，可用万用表检测电路是否有接通或接错，以防短路、断路等问题出现，防止出现触电、起火等事故；b.对系统中所采用的元件进行单体检测，以判断元器件本身的好坏，确保电气元件正常工作；c.对PLC控制器进行单独的测试，主要是检查PLC及模拟量模块等是否能正常工作，指示灯能否正常点亮和熄灭；d.PLC加上传感器、模拟量模块等部件进行联机调试，以确保电气设备能被PLC控制。根据以上步骤进行了调试后，功能一切正常，进入软件调试。

2）PLC程序的调试。PLC软件的调试主要通过安装有PLC程序编程STEP7-Micro/WIN32编程软件的计算机与PLC联机通信。首先用STEP7-Micro/WIN32软件进行程序的编译排除程序的逻辑错误；其次，进行PLC编程软件与PLC间的通信参数设置与连接，通信成功后下载程序；最后运行PLC，按功能模块分别调试，检查各个功能是够按照实际要求实现控制[5]。