0 引言

　　食品真空快速冷卻機(jī)早期的監(jiān)控由繼電器控制，體積大、耗電多、壽命短、可靠性差、運(yùn)行速度慢、接線繁瑣、靈活性差。目前監(jiān)控軟件市場上的商業(yè)軟件功能過于龐大且價格昂貴，如何實(shí)現(xiàn)針對小型食品冷卻機(jī)設(shè)備的有效監(jiān)測和控制是監(jiān)控系統(tǒng)研究的核心。PLC有著運(yùn)算速度高、指令豐富、功能強(qiáng)大、可靠性高、使用方便、編程靈活、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可利用PLC硬件和軟件上采取的一系列措施，使它可以直接安裝于工業(yè)現(xiàn)場而穩(wěn)定可靠地工作。某冷凍設(shè)備有限公司生產(chǎn)的食品真空快速冷卻機(jī)，以前與之配套的控制器采用傳統(tǒng)的繼電器控制，操作不靈活，界面不友好，無法進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的保存和分析，影響了設(shè)備的使用效率。針對其設(shè)備的監(jiān)控需求，通過技術(shù)改造，開發(fā)了基于PLC控制技術(shù)并與觸摸屏技術(shù)相結(jié)合的食品真空快速冷卻機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)。即采用結(jié)構(gòu)小巧、價格低廉的PLC替代繼電器來對食品真空快速冷卻機(jī)進(jìn)行控制，同時采用直觀、簡單的觸摸屏對整個系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。改進(jìn)后的控制系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、操作簡單、維護(hù)簡便等特點(diǎn)，而且觸摸屏使得人機(jī)界面更加人性化和個性化。

1 食品真空快速冷卻機(jī)的結(jié)構(gòu)及工藝流程

　　1．1 食品真空快速冷卻機(jī)的結(jié)構(gòu)

　　食品真空快速冷卻機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由真空槽、水噴射冷凝器、水箱、循環(huán)泵和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。

　　食品真空快速冷卻的原理：將蒸煮后的高溫熟食品放人冷卻真空槽內(nèi)，關(guān)門密封，由真空泵排氣。隨著冷卻真空槽內(nèi)的壓力不斷下降，食品組織內(nèi)外水的沸點(diǎn)也隨之降低，水分因不斷吸熱而汽化升騰的同時，水汽又被真空泵抽走，這個過程連續(xù)不斷地持續(xù)一定時間，使食品達(dá)到了直接冷卻(快速降溫)的目的。

　　圖1中，水箱18中的水，經(jīng)由過濾網(wǎng)19吸入循環(huán)泵21中，從水噴射冷凝器11內(nèi)部的噴嘴13噴出，經(jīng)由止回閥10把真空槽14內(nèi)部的空氣、蒸氣等吸入后，水返回水箱。如此反復(fù)循環(huán)，使真空槽14中的制品快速冷卻，溫度降低。

　　1.2 食品真空快速冷卻機(jī)的工藝流程

　　某冷凍設(shè)備有限公司食品真空快速冷卻機(jī)的生產(chǎn)工藝流程圖如圖2所示，其監(jiān)控過程如下：

　　1)冷卻過程開始；　　2)設(shè)定冷卻制品的溫度和放氣時間(破真空時間)；　　3)設(shè)定滲氣閥A，B的動作狀態(tài)及動作時間，即確定冷卻工作時間；　　4)PLC控制滲氣閥動作以及開啟供水閥和循環(huán)泵；　　5)制品在冷卻的過程中，觸摸屏的監(jiān)控畫面上不但會顯示冷卻真空槽和水箱的當(dāng)前溫度，還會顯示冷卻已進(jìn)行的時間。當(dāng)制品溫度≤設(shè)定溫度，或者冷卻時間=設(shè)定時間時，PLC自動控制滲氣閥、供水閥及循環(huán)泵的關(guān)閉；　　6)PLC控制開啟破真空閥；　　7)系統(tǒng)報警；　　8)冷卻過程結(jié)束。

　　可以看出，食品真空快速冷卻機(jī)的生產(chǎn)工藝流程都是有步驟、有順序的。因此，本系統(tǒng)在設(shè)計PLC程序時采用順序控制法來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的順序動作，滿足以上的控制要求。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件配置

　　硬件配置是否合理，對于一個系統(tǒng)來說，是至關(guān)重要的。只有系統(tǒng)硬件配置合理，才能成功實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)期的功能，以經(jīng)濟(jì)的成本實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的性能。食品真空快速冷卻機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件配置主要由檢測單元、變送單元、調(diào)節(jié)主控單元和人機(jī)界面構(gòu)成。檢測單元由各傳感器系統(tǒng)構(gòu)成，變送單元由三菱公司的FX2N-4AD-PT模擬特殊模塊構(gòu)成，調(diào)節(jié)主控單元由三菱公司FXlN-14MR可編程控制器構(gòu)成，人機(jī)界面由觸摸屏組成。

食品真空快速冷卻機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。

　　監(jiān)控系統(tǒng)的核心控制器PLC擴(kuò)展一塊模擬特殊模塊FX2N-4AD-PT，具體控制過程為：由溫度傳感器Pt100檢測冷卻真空槽溫度和水箱溫度，發(fā)出的模擬信號經(jīng)由模擬輸入模塊FX2N-4AD-PT采集即可檢測到真空冷卻機(jī)工作的狀態(tài)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號讀人PLC，然后通過PIE邏輯運(yùn)算，形成相應(yīng)的開關(guān)量輸出，控制電磁閥的動作，從而整體控制滲氣閥、供水閥、循環(huán)泵和破真空閥的動作。同時，PLC把檢測到的冷卻機(jī)狀態(tài)和動作信號送入觸摸屏，用戶利用這些信號對各種故障進(jìn)行診斷，通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)率。

　　2.1 檢測單元

　　對于食品真空快速冷卻機(jī)來說，影響食品快速冷卻的主要因素是冷卻真空槽的溫度和水箱的溫度以及設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況，因此需要溫度傳感器來測量溫度。溫度檢測主要采用穩(wěn)定性和線性都比較好的鉑溫度傳感器Pt100。Pt100溫度傳感器是利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數(shù)關(guān)系的特性來進(jìn)行測溫，把溫度轉(zhuǎn)化成電信號檢測真空槽溫度和水箱的水溫。在控制系統(tǒng)中，使用3根探針式溫度傳感器Pt100充當(dāng)檢測單元來測量溫度，其中2根放在冷卻真空槽中測量制品溫度，1根放在水箱中測量水箱。

　　2.2 變送單元

變送單元的模塊選用FX2N-4AD-PT模擬特殊模塊來檢測各測量點(diǎn)的測試，與三菱PLC一起配套使用。模擬特殊模塊FX2N-4AD-PT與Ptl00溫度傳感器匹配，將來自3個鉑溫度傳感器(Ptl00，3線，100Q)的輸入信號放大，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成12位可讀數(shù)據(jù)，存儲在主處理單元(MPU)中。

　　2.3 調(diào)節(jié)主控單元

　　通過對各種可編程控制器的價格/性能比和指令系統(tǒng)的功能進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)主控單元采用三菱FXlN系列PLC的FX1N-14MR。FX1N-14MR型PLC采用整體式單元結(jié)構(gòu)，可控制14點(diǎn)I/O，其中輸入點(diǎn)8個，輸出點(diǎn)6個，同時還可以配置智能I/O模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、模擬量I／O模塊等，是一種高性能PLC。

　　采用三菱的FX1N系列PLC對整個食品真空快速冷卻機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行控制，不但可以控制真空冷卻機(jī)

　　按一定的開關(guān)順序動作，而且可以將變送單元模塊中的模擬量輸出通過串行通信方式傳給觸摸屏，由觸摸屏對設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控?？蓪?shí)現(xiàn)較高的自動化程度，并完成智能控制、狀態(tài)顯示和故障報警等任務(wù)，同時還提供良好的人機(jī)界面與操作員進(jìn)行交互，使得修改各種參數(shù)簡單、易行，對于機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行能及時、快速、準(zhǔn)確的反映。

　　2.4 人機(jī)界面

　　人機(jī)界面是人與機(jī)器之間進(jìn)行信息交換的通道，它顯示直觀，可以監(jiān)視整個生產(chǎn)過程，當(dāng)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)問題時用監(jiān)控畫面向PLC發(fā)出開關(guān)量命令，還可以通過聲音報警等方式提醒用戶及時采取措施，使用戶通過友好的操作界面輕松地完成各種調(diào)整和控制的任務(wù)。

　　本設(shè)計采用的WeinView MTS00系列觸摸屏，是臺灣威綸公司的HMI(Human Machine Interface)產(chǎn)品，具有強(qiáng)大的畫面顯示和組態(tài)功能，完全滿足了系統(tǒng)監(jiān)控畫面的組態(tài)要求，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，與PLC系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和交換。將設(shè)定參數(shù)寫人PLC，也可將PLC和傳感器內(nèi)部參數(shù)讀人觸摸屏，實(shí)現(xiàn)了模擬量、數(shù)字量的實(shí)時監(jiān)控、目標(biāo)值的設(shè)定以及報警記錄等。

　　利用觸摸屏軟件設(shè)置觸摸屏顯示畫面，在冷卻機(jī)工作運(yùn)行時，通過采集PLC中的數(shù)據(jù)可動態(tài)顯示冷卻機(jī)的真實(shí)監(jiān)測值(圖4)，方便操作員隨時掌握冷卻進(jìn)程。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括觸摸屏軟件設(shè)計和PLC軟件設(shè)計：采用三菱公司的EasyBuilder 500編程軟件進(jìn)行觸摸屏程序設(shè)計；采用三菱公司的GX Developer編程軟件進(jìn)行PLC程序設(shè)計。通過對觸摸屏畫面上所設(shè)元件屬性和與PLC的數(shù)據(jù)交換地址的定義，實(shí)現(xiàn)

　　觸摸屏上相關(guān)元件對應(yīng)的寄存器對PLC存儲單元的讀寫。

　　監(jiān)控系統(tǒng)以三菱FX-1N-14MR型PIE為主控制器，由RS-232C串行通信接口與威綸MTS00觸摸屏聯(lián)網(wǎng)。通過編寫一系列的PLC程序和觸膜屏程序，構(gòu)建了觸摸屏對設(shè)備的現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)控，為自動線設(shè)備的持續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)奠定了基礎(chǔ)，取得了良好的成效。

4 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)是對某冷凍設(shè)備有限公司的食品真空快速冷卻機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行的改進(jìn)，且實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行良好。改進(jìn)后的控制線路相對傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)要簡單的多，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，只需要修改控制程序就可達(dá)到改善控制的要求，編程方法簡單易掌握。該監(jiān)控系統(tǒng)操作簡單，功能強(qiáng)大，界面友好直觀，系統(tǒng)維護(hù)方便，生產(chǎn)效率高，能耗低，在生產(chǎn)應(yīng)用中取得了很好的效果，為企業(yè)減少了人力資源浪費(fèi)，改善了工人的工作環(huán)境，降低了工作強(qiáng)度，并實(shí)現(xiàn)了集中監(jiān)控。與國外大型組態(tài)監(jiān)控軟件相比，本監(jiān)控系統(tǒng)成本低，用于國內(nèi)中小型企業(yè)的簡單生產(chǎn)過程的監(jiān)控，經(jīng)濟(jì)效益顯著，并且對探索如何在現(xiàn)有資源上進(jìn)行自動化改造，以較小的投資取得較大的生產(chǎn)效益有實(shí)際的參考價值。