基于PLC的食品杀菌通信和温度控制系统设计.doc

辽宁科技大学本科生毕业设计 第33页基于PLC的食品杀菌通信和温度控制系统设计摘要众所周知，温度是工业生产和科学实验中一个非常重要的参数。物体的许多物理和化学性质都与温度有关，许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的，因此需要测量温度并进行有效的温度控制。课题针对食品杀菌过程中温度较难控制的问题，采用PLC软件中PID控制器进行解决。在工业生产中，常采用闭环控制方式来控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量。为了使控制过程稳定准确，在对模拟量进行采样检测之外，还要对采样结果进行PID运算，根据运算结果，形成对模拟量的有效控制。本论文以西门子S7-200系列可编程序控制器(PLC)为主要控制设备，实现了食品杀菌过程中对温度的精确控制，并在设计中实现了PLC间的通信等功能。在S7-200PLC中，通过PID回路指令处理模拟量的控制是非常方便的。本文介绍了PID控制器在食品杀菌温度控制系统中程序设计的全过程，对食品杀菌温度的控制选用PLC中的PID功能指令的编程方法来实现,满足了系统的控制需求。关键词：食品杀菌；温度控制；PLC通信；PID调节Based on PLC food sterilization communication and temperature control system designAbstractIt is well known that temperature is a very important parameter in industrial production and scientific experiments. Many physical and chemical properties are related with temperature. Many production processes work in some certain temperature range, so temperature needs to be measured and controlled effectively. Aiming at the problem that it is difficult to control temperature in food sterilization process, PID controller in PLC software was adopted to overcome it in the paper. In the industrial production, closed-loop control is usually used to control temperature, pressure, flow and other continuously variable analog quantities. In order to make the system stable and accurate, not only analog quantities need to be sampled and measured, but also the sample result need to be computed with PID algorithm, then according to the results of operations, analog can be controlled effectively. The PLC of Siemens S7-200 as a main control device was adopted in the paper, to implement the control precisely in food sterilization control system, and implement the function of communication between PLC. It is convenient to deal with the control of analog with PID loop instruction of S7-200PLC. The whole design process of PID controller in food sterilization temperature control system was introduced. The programming instructions of PID function in PLC were used to realize temperature control of food sterilization to meet the control needs of system. Key words：food sterilization; temperature control; PLC communication; PID adjustment 目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 课题背景和意义11.2 课题发展现状和趋势11.3 课题研究内容和论文简介22 PLC和STEP7介绍42.1 可编程序控制器的基础42.1.1 可编程序控制器的产生和应用42.1.2 可编程序控制器的组成和原理42.1.3 可编程序控制器的分类和特点72.2 STEP7介绍72.2.1 STEP7概述72.2.2 硬件接口与项目结构82.2.3 模块简介93 食品杀菌控制系统硬件设计113.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤113.1.1 PLC控制系统设计的基本原则113.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤133.2 PLC的选型和硬件配置143.2.1 PLC的型号选择143.2.2 S7-200 CPU的选择153.2.3 温度传感器选型153.2.4 食品工业中杀菌设备选型154 食品杀菌控制系统软件设计184.1 PLC程序设计方法184.2 温度控制程序设计194.2.1 设计思路及控制原理194.2.2 PLC外部接线204.2.3 控制流程图214.2.4 PID参数整定224.2.5 PLC控制系统梯形图234.3通信控制程序设计264.3.1控制要求264.3.2编程思路264.3.3程序设计27结论30致谢31参考文献321 绪论1.1 课题背景和意义随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。这方面的应用大多是基于单片机进行PID控制,然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂,特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处,然而PLC在这方面却是公认的最佳选择。随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID控制功能,因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的，通过采用PLC来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，PLC的出现很好的解决了一个工业生产中经常会遇到的问题，温度的控制问题。温度和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工业生产中最常见最基本的工艺参数，并且随着人们生活水平的提高，人们对自己的生存环境越来越关注，空气中温度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响。总之，温度的检测与调节仪器的设计和开发具有非常大的市场前景和实用价值。1.2 课题发展现状和趋势食品杀菌：就是以食品原料、加工品为对象，通过对引起食品变质的主要因素，微生物的杀菌及除菌，达到食品品质的稳定化，有效延长食品的保质期，并因此降低食品中有害细菌存活数量，避免活菌的摄入引起人体(通常是肠道)感染或预先在食品中产生的细菌毒素导致人类中毒。目前在我国高温杀菌一般采用水浴式杀菌和蒸气杀菌即我们常说的水杀和汽杀两种杀菌方式，上个世纪九十年代开始为了满足软包装等特殊的产品生产要求，开始从日本引进双层杀菌锅即日式杀菌锅，新世纪伊始，西班牙、德国、法国等欧洲国家为了节约能源和水资源，推出一种带热交换器的水淋式杀菌锅，特别是法国采用最先进的锅内蒸气循环系统，以达到高温节能、短时高效、节约水资源等目的。现在我们国内的全自动杀菌锅大多数都采用日式锅的理念，从前两年开始有了模仿欧洲技术带热交换器的水淋式杀菌，今年我们在法国杀菌锅基础上开发一种全新概念的水汽混合杀菌，在继承了法国高温节能、短时高效、节约水资源等优点基础上，主要优化了锅内热力分布效果，堪称世界上最先进的全自动杀菌锅。在食品杀菌的方法上，超高压杀菌技术和超高温瞬间杀菌技术，广泛用在各类罐藏食品、饮料、酒类、药品、乳品的生产中。后一种方法，由于其独特的优点，已发展为一种高新食品杀菌技术。电阻加热已成功地用于各种包含大颗粒的食品和片状食品的杀菌，如马铃薯、胡萝卜、蘑菇、牛肉、鸡肉、片状苹果、菠萝、桃等。超高压杀菌技术最大优越性在于它对食品中的风味物质、维生素C、色素等没有影响，营养成分损失很少，特别适用于果汁、果酱类食品的杀菌。膜过滤除菌技术已在食品、生物制药等工业生产中得到广泛应用，例如生化物质的提取、纯水的制备、果汁的浓缩等。另外还有一种杀菌方式，巴氏杀菌法:巴氏杀菌是指温度比较低的热处理方式，一般在低于水沸点温度下进行。它是一门古老的技术，由19世纪法国医生巴斯德首创，至今仍有一定的应用价值。巴氏杀菌是最早的杀菌方法，利用热水作为传热介质。杀菌条件为6163 ，30 min，或7275 ，1015 min。加热时应注意物料表面温度较内部温度低45 ；此外，当表面产生气泡时，泡沫部分难以达到杀菌要求。这种杀菌方法，由于所需时间长，生产过程不连续，长时间受热容易使某些热敏成分变化，杀菌也不够理想，目前在大中型食品厂中已很少采用。其它几种杀菌方法是以后食品杀菌行业的发展趋势。1.3 课题研究内容和论文简介食品的杀菌流程为：食品必须经过杀菌机、冷却机和干燥机三部分的依次作用来完成。旧式的杀菌系统通常采用继电器式的自动控制柜，存在结构复杂、体积大、故障率高、通用性差且控制精度不高等问题，严重影响了杀菌流程的效率。随着自动化和计算机技术的发展，新一代食品杀菌控制系统，不仅自动化程度高，易操作，而且生产效率和产品质量也大大提高。我们采用西门子的小型PLC对整个杀菌系统进行控制，可实现较高的自动化程度，并能完成智能控制、状态监测和故障保护等任务，同时还提供良好的人机界面与操作员进行交互，使得修改各种参数简单、易行，对于机械设备的运行状态能够及时、快速、准确的反映。 本论文研究的是PLC技术在温度控制系统上的应用。从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、系统流程图、程序设计，控制算法的选择和参数的整定，人机界面的设计等。 本论文通过德国西门子公司的S7-200系列PLC控制器，温度传感器将检测到的实际温度转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，输出信号通过继电器控制阀门开闭控制温度。总体上包括:硬件设计，软件编程，参数整定等。全论文分四部分，各章的主要内容介绍如下。1对食品杀菌通信和温度控制系统的背景及国内外发展现状进行阐述，指出本文的研究意义所在。2简单概述PLC和STEP7的基本概念以及结构功能等基础内容。3主要从系统硬件设计角度，介绍该项目的PLC控制系统设计步骤、PLC的硬件配置、PLC控制器的设计。4在硬件设计基础上，详细介绍了软件设计，主要包括软件设计的控温部分和通信部分设计的基本步骤、方法，程序流程图等。 2 PLC和STEP7介绍2.1 可编程序控制器的基础可编程逻辑控制器是一种工业控制计算机，简称PLC（Programmable Logic Controller）,它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字后模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。2.1.1 可编程序控制器的产生和应用20世纪60年代，计算机技术开始应用于工业领域，由于价格高、输入电路不匹配、编程难度大以及难于适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广。1968年，美国通用汽车公司（GM）为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引发了开发热潮。1969年美国数字设备公司(DEC)根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。随着PLC功能的不断完善，性价比的不断提高，PLC的应用面也越来越广。目前，PLC在国内外已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。PLC的应用范围通常分为开关逻辑控制、运动控制、过程控制、机械加工中的数字控制、机器人控制、通信和联网等。2.1.2 可编程序控制器的组成和原理PLC从组成形式上一般分为整体式和模块式两种，但在逻辑结构上基本相同。无论是整体式还是模块式，从硬件结构看，PLC都是有CPU、存储器、I/O接口单元及扩展接口和扩展部件、外设接口及外设和电源等部分组成，各部分之间通过系统总线连接。PLC的基本结构如图2.1所示。存储单元中央处理单元CPU电源输出接口输入接口图2.1 PLC基本结构图1）CPU（中央处理器）CPU是PLC的核心，由运算器、控制器、寄存器、系统总线，外围芯片、总线接口及有关电路构成。它的功能是接收并存储用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等，是PLC不可缺少的组成单元。2）I/O接口PLC是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置能力的限制，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。PLC的对外功能主要是通过各种I/O接口模块于外界联系来实现的。输入模块和输出模块是PLC与现场I/O装置或设备之间的连接部件，起着PLC与外部设备之间的传递信息的作用。I/O模块分为开关量、开关量输出、模拟量输入和模拟量输出等模块。3）存储器存储器（内存）主要用于存储器程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。系统程序存储器用于存储器整个系统的监控程序，一般采用只读存储器（ROM），具有掉电不丢失信息的特性。用户程序存储器用于存储用户根据工艺要求或者控制功能设计的控制程序，早期一般采用随机读写存储器（RAM），需要后备电池在掉电后保存程序。目前则倾向于采用电可擦除的只读存储器（EEPROM）或闪存（Flash Memory），免去了后备电池的麻烦。4）电源模块PLC中的电源，是为了PLC各模块的集成电路提供工作电源。电源可分直流和交流两种类型，交流输入220VAC，直流输入通常是24V。5）智能模块除了上述通用的I/O模块外，PLC还提供了各种各样的特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、温度控制、中断控制、位置控制、以太网、远程I/O控制、打印机等专用型或智能型的I/O模块，用用以满足各种特殊功能的控制要求。I/O模块的类型、品种与规格越多，系统的灵活性越好，模块的I/O容量越大，系统的适应性就越强。6）编程设备常见的编程设备有简易手持编程器、智能图形编程器和基于PC的专用编程软件。编程设备用于输入和编辑用户程序，对系统作些设定，监控PLC及PLC所控制的系统的系统的工作状态。编程设备在PLC的应用系统设计与调试、监控运行和检查维护中是不可缺少的部件，但不直接参与现场的控制。PLC本质上就是一台微型计算机，其工作原理与普通计算机类似，具有计算机的许多特点。但其工作方式却与计算机有着较大的不同，具有一定的特殊性。PLC采用循环扫描的工作方式。工作时逐条顺序扫描用户程序，如果一个线圈接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，需等扫描 到该触点时才会动作。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段；完成上述三个阶段称作一个扫描周期；在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段：1、输入采样阶段 ：在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入输入映象区中的相应单元内；输入采样结束后，相应转入用户程序执行和输出刷新阶段；在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的单元的状态和数据也不会改变。2、用户程序执行阶段：PLC按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)；在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在输出映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令；即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。3、输出刷新阶段：当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段；在此期间，CPU按照输出映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。2.1.3 可编程序控制器的分类和特点根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。还可以按I/O点数分类，根据PLC的I/O点数多少，可将PLC分为小型、中型、大型和超大型四类：I/O点数在256以下为小型PLC;I/O点数在2561024为中型PLC;I/O点数大于1024为大型PLC;I/O点数在4000以上为超大型PLC；可编程控制器有可靠性高、编程简单、功能强、安装简单、维修方便、采用模块化结构、接口模块丰富、系统设计与调试周期短等特点。2.2 STEP7介绍 STEP7编程软件是基于Windows的应用软件，有西门子公司专为S7-200系列可编程控制器设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。它是西门子S7-200用户不可缺少的开发工具。2.2.1 STEP7概述以STEP7创建程序，可双击STEP7图标，或者选择开始菜单里的STEP7，STEP7项目窗口将提供用于创建控制程序的便利工作空间。工具栏将提供快捷键按钮，用于经常使用的菜单命令，也可显示或隐藏工具栏的任何按钮。浏览条给出了多组图标，用于访问STEP7的不同编程特性。指令树将显示用于创建控制程序的所有项目对象和指令。可将单个的指令从指令树拖放到程序中，或双击某个指令，以便将其插入到程序编辑器中光标的当前位置。程序编辑器包括程序逻辑和局部变量表，可在其中分配临时局部变量的符号名。子程序和中断程序在程序编辑器窗口的底部均按标签显示。单击标签可以在子程序、中断程序和主程序之间来回变换。STEP7提供了用于创建程序的三个编辑器：梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图（FBD）。尽管有某些限制，在这些程序编辑器的任何一个编写的程序均可用其他程序编辑器进行浏览和编辑。用的比较多的是梯形图（LAD）编程语言。下图为STEP7的主界面，如图2.2所示。图2.2 STEP7的主界面2.2.2 硬件接口与项目结构1）STEP 7的硬件接口PC/MPI适配器RS-232C通信电缆。计算机的通信卡CP 5611（PCI卡）、CP 5511或CP 5512（PCMCIA卡）将计算机连接到MPI或PROFIBUS网络。计算机的工业以太网通信卡CP 1512（PCMCIA卡）或CP 1612（PCI卡），通过工业以太网实现计算机与PLC的通信。2）项目结构 在项目中，数据以对象形式存储。项目中的对象按树型结构组织(项目层次)。项目窗口中树型结构类似于Windows 95资源管理器，只是图标不同。项目层次结构：第1级：第1级包含项目图标，每个项目代表和项目存储有关的一个数据结构。第2级：站用于存放硬件组态和模块参数等信息，站是组态硬件的起点。S7程序文件夹是编写程序的起点。所有S7系列的软件均存放在S7程序文件夹下。它包含程序块文件夹和源文件夹。SIMATIC的网络图标 (MPI、Profibus、工业以太网)第3级和其他级：和上一级对象类型有关。2.2.3 模块简介1）组织块(OB)控制扫描循环和中断程序的执行、PLC的启动和错误处理等。（1）OB1用于循环处理，用户程序中的主程序。（2）事件中断处理，需要时才被及时地处理。（3）中断的优先级，高优先级的OB可以中断低优先级的OB。2）临时局域数据生成逻辑块（OB、FC、FB）时可以声明临时局域数据。这些数据是临时的，局域（Local）数据，只能在生成它们的逻辑块内使用。所有的逻辑块都可以使用共享数据块中的共享数据。3）功能（FC）没有固定的存储区的块，其临时变量存储在局域数据堆栈中，功能执行结束后，这些数据就丢失了。用共享数据区来存储那些在功能执行结束后需要保存的数据。调用功能和功能块时用实参（实际参数）代替形参（形式参数）。形参是实参在逻辑块中的名称，功能不需要背景数据块。功能和功能块用IN、OUT和IN_OUT参数做指针，指向调用它的逻辑块提供的实参。功能可以为调用它的块提供数据类型为RETURN的返回值。4）功能块（FB）功能块是用户编写的有自己的存储区（背景数据块）的块，每次调用功能块时需要提供各种类型的数据给功能块，功能块也要返回变量给调用它的块。这些数据以静态变量（STAT）的形式存放在指定的背景数据块(DI)中，临时变量TEMP存储在局域数据堆栈中。调用FB或SFB时，必须指定DI的编号。在编译FB或SFB时自动生成背景数据块中的数据。一个功能块可以有多个背景数据块，用于不同的被控对象。可以在FB的变量声明表中给形参赋初值。如果调用块时没有提供实参，将使用上一次存储在DI中的参数。5）数据块数据块中没有STEP 7的指令，STEP 7按数据生成的顺序自动地为数据块中的变量分配地址。数据块分为共享数据块和背景数据块。应首先生成功能块，然后生成它的背景数据块。在生成背景数据块时指明它的类型为背景数据块（Instance）和它的功能块的编号。图2.3 用于不同对象的背景数据块3 食品杀菌控制系统硬件设计在掌握了PLC的硬件构成、工作原理、指令系统以及编程环境后，就可以PLC作为主要控制器来构造PLC控制系统。本章主要从系统设计结构和硬件设计角度，介绍该项目的PLC控制系统设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计和参数的整定等。3.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤弄懂PLC的基本工作原理和指令系统后，就可以把PLC应用到实际的工程项目中。无论是用PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC控制部分的设计都可以参考图3.1所示的控制系统设计步骤。3.1.1 PLC控制系统设计的基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。而在实际设计过程中，设计原则往往会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为四点。1）设计原则（1）完整性原则。最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。（2）可靠性原则。确保计算机控制系统的可靠性。（3）经济性原则。力求控制系统简单、实用、合理。（4）发展性原则。适当考虑生产发展和工艺改进的需求，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。2）评估控制任务根据系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从以下几个方面给以考虑。（1）控制规模：一个控制系统的控制规模可用该系统的I/O设备总数来衡量。当控制规模较大时，特别是开关量控制的I/O设备较多时，最适合采用PLC控制。（2）工艺复杂程度:当工艺要求较复杂时，采用PLC控制具有更大的优越性。（3）可靠性要求:目前，当I/O点数在20甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。（4）数据处理速度:若数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用PLC控制将非常适宜。评估控制任务PLC机型的选择控制流程的设计控制柜设计及布线PLC安装联机调试程序设计程序检查、调试模拟运行修改软、硬件是否满足要求程序备份投入使用N图3.1 PLC控制系统设计步骤3.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤 PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。整个系统的设计分一下几步进行。1）熟悉被控对象深入了解被控系统是设计控制系统的基础。设计人员必须深入现场，认真调查研究，收集资料，并与相关技术人员和超作人员一起分析讨论，相互配合，共同解决设计中出现的问题。这一阶段对被控对象功能有了比较全面的了解，对对象各种动作及动作时序、动作条件、必要的互锁与保护；电气系统与机械、液压、气动及各仪表等系统间的关系；PLC与其他设备的关系，PLC之间是否通信联网；系统的工作方式及人机界面，需要显示的物理量及显示方式等都有了初步的了解。2）硬件选择具体包括以下5五个方面：（1）系统I/O设备的选择。输入设备包括按钮。位置开关、转换开关及各种传感器等。输出设备 包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等。（2）选择PLC。PLC选择包括对PLC机型、容量、I/O模块、电源等的选择。（3）PLC的I/O端口分配。（4）绘制PLC外围硬件线路图。（5）计数器、定时器及内部辅助继电器的地址分配。3）编写应用程序根据控制系统的要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。程序通常包括以下内容：（1）初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始化状态进行显示等等。（2）检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。（3）保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。4）程序调试程序调试分为2个阶段，第一阶段是模拟调试、第二阶段是现场调试。程序模拟调试是以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。（1）硬件模拟法是使用一些硬件设备模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。（2）软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不以保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。现场调试，当控制台及现场施工完毕，程序模拟调试完成后，就可以进行现场调试，如不能满足要求需从新检查程序和接线，及时更正软硬件反面的问题。3.2 PLC的选型和硬件配置3.2.1 PLC的型号选择本系统选择德国西门子公司的S7-200系列的PLC。S7-200 PLC属于小型整体式的PLC，本机自带RS-485通信接口、内置电源和I/O接口。它的硬件配置灵活，即可用一个单独的S7-200 CPU构成一个简单的数字量控制系统。也可通过扩展进行数字量I/O模块、模拟量模块或智能接口模块的扩展，构成较复杂的中等规模控制系统。完整的S7-200系列PLC实物如图3.2所示。图3.2 S7-200系列PLC实物图3.2.2 S7-200 CPU的选择S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等类型。此系统选用S7-200 CPU226，CPU226集成了24点输入/16点输出，共有40个数字量I/O。可连接7个扩展模块，最大扩展至248点数字量或35点模拟量I/O。还有13KB程序和数据存储空间，6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器。配有2个RS485通讯口，具有PPI，MPI和自由方式通讯能力，波特率最高为38.4kbit/s，可用于较高要求的中小型控制系统。3.2.3 温度传感器选型温度传感器有四种主要类型： 热电偶、 热敏电阻、 电阻温度检测器(RTD)和 IC 温度传感器。本系统选用热电阻温度传感器。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定，典型的有铜热电阻、铂热电阻等。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪，它的阻值会随着温度的变化而改变，通常用PT100来表示。其中PT后的100即表示它在0时阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。 PT100是广泛应用的测温元件，在-50600范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值。3.2.4 食品工业中杀菌设备选型杀菌锅分类：根据杀菌温度不同，可分为常压杀菌设备和加压杀菌设备。常压杀菌设备的杀菌温度为100摄氏度，用于PH小于4.5时的酸性产品杀菌，根据巴氏杀菌原理设计的杀菌设备也属于这一类。加压杀菌一般在密封的设备中进行，压力高于0.1MPa，杀菌温度在120摄氏度左右，用于肉类等罐头的杀菌。根据操作方式不同，可分为间歇操作和连续操作杀菌设备。前者分为立式、卧式杀菌锅和间歇式回转杀菌锅等，后者分为常压式连续式、水静压连续式和水封连续式杀菌设备等。根据杀菌设备所用热源不同，可分为直接蒸汽加热杀菌设备、热水加热杀菌设备、火焰连续杀菌设备及照射杀菌设备等。根据杀菌设备的形态不同，可分为板式杀菌设备，管式杀菌设备及釜式杀菌设备。本系统选用卧式杀菌锅，其结构图如图3.3所示。卧式杀菌锅为静止间歇式蒸汽杀菌设备，其容量较立式杀菌锅大，是目前国内大中型罐头厂广泛使用的一种设备，其优点设备结构简单，操作维护方便，价格低廉，但由于锅内罐头静止不动，传热效率低，杀菌时间长，由于锅内出现温度冷点，引起锅内温度分布不均匀，影响杀菌质量不一致。为为此需要采用排汽法，即将锅内部分热蒸汽通过设备的排气阀排出，以排出锅内存在的空气，促进加热介质在锅内流动，改善加热条件。图3.3 食品杀菌罐示意图1）卧式杀菌锅的工作原理卧式杀菌锅是一台卧式圆筒形压力容器，锅盖与锅体的锁闭方式与立式杀菌从中央到地方不同。锅体内的底部装有两根平行的轨道，供装载罐头的杀菌车进出使用。加热蒸汽由蒸汽管进入，通过一系列阀门到达锅底的蒸汽扩散管，对锅内进行加热，在锅体顶部安装有排气阀等，在锅体底部有排水阀，在锅体侧面安装有溢流管。2）卧式杀菌锅结构组成锅体：卧式杀菌锅锅体为一定厚度钢板制成的圆柱形筒体，在筒体的一端焊有椭圆形封头，另一端连接一锅盖。杀菌锅内底部有小车进出轨道。蒸汽扩散管装在轨道之间，而较轨道低。杀菌锅锅体上装有跟中管道与仪表，以利完成杀菌工艺的操作。卧式杀菌锅属压力容器的其中一种。锅门：锅门为椭圆形，连接与锅体上，向一侧转动开闭，布置地坑是需考虑相应位置。问的外径锅体口稍大，锅体口端面有一圆圈凹槽，槽内嵌有弹性而耐高温的橡皮圈，门和锅体的连接采用自锁装置锁紧。3）附件及辅助设备卧式杀菌锅安装在各种管道上，其中溢水管装在锅体上部，有的与排气管公用。罐头加水冷却时，热水在上部溢出，使锅内水温迅速冷却下来，溢水管口截面应大于进水管截面，以利于有效控制锅内液面。排气管用在罐头升温时，及时有效的排除杀菌锅内的空气。排气管的位置应当在蒸汽入口的相对方向，排气管及阀门的截面必须大于进气管的截面积。压缩空气管是反压杀菌和反压冷却，空气压缩机是通入压缩空气用的，目的是为了在杀菌、冷却时，平衡罐内外压力，避免事故。蒸汽管通过喷气管供应杀菌的加热蒸汽，喷气管装在锅底部，两侧均匀分布两排气管，起作用是均匀供应杀菌空气，喷气管上的孔眼大小和数目，与蒸汽扩散速度有关。卧式杀菌锅还应配备一些仪表，以利于杀菌操作。其中压力表是用来测定杀菌锅内压力道排气的程度以及反压冷却时压缩空气的进入量。卧式杀菌锅的附属设别有杀菌小车和空气压缩机。杀菌小车多为方形，主要考虑的是蒸汽和水的流通，车厢下面、装有轮子，轮距与锅内轨道相适用。温度计是控制杀菌温度时观察用的。温度计必须装在容易视读处，若是热水杀菌时，温度计的感温元件必须装在水面以下，一般在锅侧中心并直接伸入锅内。杀菌锅专用的温度计，杆身有金属保护夹套，下部水银球也在金属保护套中，基部水银球上有螺纹，用螺纹连接与锅体上。为了随时了解杀菌期间温度的变化及操作时间，以便改进杀菌工艺提高产品质量，还可安装记录温度计。4 食品杀菌控制系统软件设计 PLC控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分，本部分是在硬件基础上，详细介绍软件部分设计，主要包括软件设计的基本步骤、方法，以及控温和通信两部分的程序设计。4.1 PLC程序设计方法编写PLC程序的方法很多，这里主要介绍几种典型的编程方法。1）图解法编程图解法是靠画图进行PLC程序设计。常见的主要有梯形图法、逻辑流程图法、时序流程图法和步进顺控法。（1）梯形图法梯形图法是用梯形图语言去编制PLC程序。这是一种模仿继电器控制系统的编程方法，这种方法很容易地把原继电器控制电路移植成PLC的梯形图语言。这对于熟悉继电器控制的人来说是最方便的一种编程方法。（2）逻辑流程图法逻辑流程图法是用逻辑框图表示PLC程序的执行过程，反映输入与输出的关系。逻辑流程图会使整个程序脉络清晰，便于分析控制程序、查找故障点及调试和维护程序。（3）时序流程图法时序流程图法是首先画出控制系统的时序图（即2到某一个时间应该进行那项控制的控制时序图），再根据时序图关系画出对应的控制任务的程序框图，最后把框图写成PLC程序，这种方法很适合以时间为基准的控制系统的编程方法。（4）步进顺控法步进顺控法是在顺控指令的配合下设计复杂的控制程序。一般比较复杂的程序都可以分成若干个功能比较简单的程序段，一个程序可以看成整个控制过程的一步。2）经验法编程经验法是运用自己的或者别人的经验进行设计。多数是设计前先选择与自己工艺要求相近的程序，把这些程序看成是自己的试验程序。结合自己工程的情况，对这些试验程序逐一修改，使之适合自己的工程要求。3）计算机辅助设计编程 计算机辅助设计是通过PLC编程软件在计算机上进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等。使用编程软件可以很方便的在计算机上离线或在线编程、在线调试，在计算机上进行程序的存取、加密以及形成EXE文件。4.2 温度控制程序设计4.2.1 设计思路及控制原理罐头食品的杀菌温度一般是121，到达此温度后就开始恒温运行。温度低于此值达不到灭菌效果高于此值又会出现焦糊变色影响质量，如采用电磁阀作为蒸气进气阀，因其不能控制开度待测温电阻感测到设定值时罐内的整体温度已超过设定值，控制温度的曲线就会出现如图4.1所示的超标震荡现象。为了避免这种现象使曲线即快速平滑又不会超标，就要采取PID控制，把电磁阀换成开度可控的电动阀，这样通过设置就可形成实际值（过程变量）与设定值的温差越大电动阀的开度也越大，反之温差越小开度也越小，所形成的曲线如图4.2所示，现设定最高温度为150，它的80正好是121，等温度升到80时即是给定值（SPn），这样电动阀的开度就会随着温差变小而逐步变小，较平滑地接近恒温温度。t/1210t图4.1 不带PID控制的电磁阀的升温曲线 121t/0t图4.2 PID控制的电动阀的升温曲线整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。被控对象为杀菌罐内温度，温度传感器检测罐内的温度信号，经温度变送器将温度值转换成010V的电压信号送入PLC模块。PLC把这个测量信号与设定值比较得到偏差，经PID运算后，发出控制信号，经调压装置输出交流电压用来控制交流电机正转和反转调节进气和出气阀门开度，从而实现罐内温度的连续控制。4.2.2 PLC外部接线采用 PID 控制器完成程序的设计，选用 S7-200PLC 中的 PID 回路指令实现，依据 PLC 程序设计的原则，在硬件上增加一块 EM235 模拟量扩展模块和一个热电阻，软件上采用 PID 控制升温和恒温的阶段PLC 外部接线图见图4.3根据控制过程按照参数的要求经过 PID 运算决定电动发的开度，等加热到设定温度值时关闭电动阀开始进入恒温段，恒温需要 30min，在恒温期间如温度又低于设定值则再打开电动阀，开度又 PID 运算决定，原则是温差越小开度就越小，如温度超过设定值就将排气阀定时打开，使温度降到设定值程序清单如下：图4.3 PLC外部接线图4.2.3 控制流程图给水阀打开水泵启动打水水位比较实际设定水泵停止打水给水阀关闭蒸气阀打开温度比较实际设定蒸气阀关闭泄气阀打开泄气阀打开出水阀打开结束恒温30分钟NN启动图4.4 程序流程图罐头杀菌罐工艺过程，将罐头食品放人杀菌罐中按下启动按钮，这时水泵起动，给水阀打开，向杀菌罐中注入水，当水位到达设定水位时，水位计中的触点闭合，给水阀关闭，水泵停转。蒸汽阀打开，开始向罐中放进蒸汽，蒸汽进来使罐内温度逐渐升高，热电阻作为感温元件传递温度信号给温度控制仪，当水温到达设定值时，关闭蒸汽阀，然后打开出水阀，将热水排出具体控制过程是：温度在121 (150的80)之前全量程开启蒸汽阀，进过PID运算，过程变量当前值越是接近给定值蒸汽阀的开度就越小，温度的变化范围是150的0100，是一个单极性信号，K =04， =2s，rrI：10min，Td=30rain，M =08，输出信号为010V电压输出型。4.2.4 PID参数整定在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近80年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。模拟PID控制系统框图如图4.5所示。Ki/ sKd sKpWo(s)ryue+_图4.5 PID模拟控制系统框图PID控制器的微分方程和传递函数形式为: （4.1） （4.2）比例（P）控制：比例控制是一种最简单,最常用的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。 积分（I）控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（D）控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。4.2.5PLC控制系统梯形图网络1罐内水位到设定位置后立即激活温度PID控制子程序。网络2按启动按钮则I0.0闭合，使M0.0得电自保，从而使Q0.0得电给水阀打开，同时Q0.4也得电使水泵工作，这时开始向罐内注水。等到水位高度达到要求时，水位计触点I0.2闭合，使Q0.0及Q0.4失电停止给水，同时激活温度PID控制程序使控温电动阀全程打开，罐内温度逐渐升高，电动阀开度逐渐减小，等到当前值等于设定值时M0.3得电置位开始进入恒温阶段，恒温时间是30min。网络3温度值采样周期为每一次2s。网络4将过程变量转化为标准化值，再将运算结果直接以实数格式送到模拟量输出端口。网络5在恒温段罐内温度如高于设定值将定时打开排气阀降温。具体方法是只要温度高于设定值隔20s排气2s。图4.6 控制系统梯形图4.3通信控制程序设计4.3.1控制要求本设计杀菌设备要求通信方式为主从式通信，现将远程控制柜设为主站，设备附近的控制柜称为从站。当在主站按动开始杀菌处理的按钮时，从站接到信号打开给水阀，同时启动水泵；当水位到达设定水位时，水位计中的触点闭合，送给从站PLC一个信号，PLC接到此信号后停止打水转入下一个工序给水加热，打开蒸气阀，蒸气进来使罐内温度逐渐升高，热电阻作为感温元件传递温度信号，经温度变送器将信号传给温度控制仪。当水温到达设定值时控制仪上的节点闭合，将信号送给从站PLC，PLC接到信号后关闭蒸气阀，然后打开排气阀；因后面的生产过程与通信无关，所以通信程序就编写到此。4.3.2编程思路本设计是两台PLC主从式通信，通过本设计应了解两台PLC间通信应建立哪些初始化程序，主站是怎样读取从站的数据又是怎样将自己的数据写到从站中去，数据的通信是以变量寄存器为通道来实现的，这些寄存器不是唯一的是由用户自己决定的，但只要建立了第一个，后面的就要连接使用，每个都有自己的工作任务。主从式通信的编程特点就是作为主站的PLC工作任务很重，所以，读写程序都在主站中编写，从站中有时甚至没有程序。另外还应了解主站读从站数据的区域，只要数据有了变化主站都能知道并加以利用，同时主站要把哪些内容写给从站，写到从站的哪个位置等也要弄明白。了解了这些初始化程序，其他的就是实现具体控制要求了。4.3.3程序设计Network 1 /确定通信模式与通信口程序段LD SM0.1 /每当PLC从停止转为运行都要初始化一次MOVB 2,SMB130 /模式为主从式并通过通信口1进行通信FILL 0,VW200,10 /把负责完成通信任务的所有寄存器清零Network 2 /主站读取从站数据的初始化程序段LDN SM0.2 /PLC从停止转为运行后的第二个周期开始闭合AN V200.6 /操作排队有效后此点断开AN V200.5 /通信程序编写有错误时此点断开MOVB 3,VB201 /指定从站地址为3MOVD IB0,VD202 /指定读取从站数据的区域位置MOVB 1,VB206 /读取从站的数据长度为1个字节NETR VB200,1 /由VB200为首的数据表负责执行读指令MOVB VB207,MB2 /将读进来的单字节数据放入MB2中Network 3 /主站写给从站数据的初始化程序段LDN SM0.1 /PLC从停止转为运行后的第二个周期开始闭合AN V210.6 /操作排队有效后此点断开AN V210.5 /通信程序编写错误时此点断开MOV