摘 要：食品工业的飞速发展带动了真空预冷技术的快速发展。以西门子公司的S7—200型PLC为例，介绍了PLC在真空预冷试验台中的应用。实验证明，PLC在真空预冷实验装置中安全可靠、经济实用、操作维护方便、自动化程度高，可满足试验要求。
关键词：可编程序控制器；通信；真空预冷；实验研究
真空预冷就是在真空条件下，使水在真空室内以较低的温度迅速蒸发，水在蒸发过程中需吸收大量的热量，在没有外界热源的情况下，便会在真空室内产生制冷效果。真空预冷实验装置根据此原理设计开发，用于蔬菜、鲜花、瓜果保鲜的研究[1-2]。
PLC即可编程控制器，是专为工业环境下的应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，它在制冷 行业中被越来越广泛地应用。
1 PLC的特点
PLC是以嵌入式CPU为核心，辅以输入、输出等模块，可以方便地用于工业控制领域的装置。PLC具有以下几个显著的特点：
(1)可靠性好，平均无故障时间可高达5万～10万小时以上；(2)功能完善，目前的PLC几乎可以完成所有的工业控制任务；(3)编程简单，类似继电器控制系统图的梯形图语言，非常容易被技术人员掌握；(4)在线编程，当PLC联网后，可以在网络的任一位置对PLC编程；(5)由于采用模块化的结构，易安装。
另外PLC还有体积小、重量轻、功耗低、价格越来越便宜的优点。PLC的用途主要有取代继电器控制、过程控制、位置、速度控制、数据监控、组成分散控制系统等。
西门子公司的S7-200PLC系统是紧凑型可编程控制器。系统的硬件构架由构成系统的CPU模块和丰富的扩展模块组成。S7-200除具有PLC基本的控制功能外，还具有功能强大的指令集、丰富强大的通信功能、编程软件的易用性等特点[2]。
2 真空预冷试验装置控制要求
真空预冷试验装置主要由制冷系统、真空系统和测控系统组成，食品降温在真空室内实现[3]。实验台在启动时须先启动制冷系统，当制冷系统中补水器盘管的温度达到实验要求的温度时，便开启真空泵。实验过程中需要的实验数据有：实验样品的温度、重量；真空室的真空度、温度；制冷系统盘管温度；各个用电设备的电压、电流、功率等。实验过程中试验者能够对试验样品实时监控。
3 PLC在真空试验台中的应用
3.1 西门子PLC的CPU及模块的选型和控制系统设计
真空预冷试验台是一个单位控制系统，本系统没有特殊的控制功能，因此使用一台PLC就可以满足需要。食品真空冷却过程中，要检测温度（8个）、压力（1个）、重量（1个）等信号，要对水泵、制冷机和真空泵进行控制。装置要求最少10个输入、3个输出，要求CPU可连接扩展至少3个模块，因此，选定CPU型号为CPU224。因为要控制真空泵和制冷机需要有较大的电压和电流进行驱动，而继电器能够承载所用设备。所以，CPU的 输出类型选用继电器输出。
测温元件为T型热电偶，本文采用S7-200系统的EM231TC测量模块进行测温过程的信号转换。EM231TC是热电偶输入模块，4输入通道。装置测温点位为8个，因此需要引入2个热电偶模块[4]。
装置要进行压力和重量的检测，本试验台选用EM235模拟量混合模块4通道电流/电压输入、1通道电流/电压输出。该模块能够实现信号转换和输出功能。
检测系统的功率和能耗等选用青岛青智仪器有限公司生产的8775A型数字电参量测量仪，该仪器利用数字采样技术对信号进行分析处理，并扩展了RS485串行口，还带有并行口，可以与计算机连接通信。
根据实验的控制要求，设计了系统的控制原理图，如图1所示，图中 K1、K2、K3为继电器，PLC通过继电器来控制水泵（M）、制冷机（N）、真空泵（P）。来自压力传感器的电流信号，通过并联一个5Ω电阻分压将信号传至EM235模拟量扩展模块；来自重量传感器的电压信号，与EM235模拟量扩展模块连接。
3.2 电源校核计算
所有的S7-200CPU都有内部电源，为CPU和扩展模块以及其他用电设备提供5 V、24 V直流电源。但是如果系统扩展模块和设备用电量超出了CPU所提供的5 V或24 V电源的供电能力，则需要增加一个外部电源进行供电。
根据上面所选的CPU及扩展模块，可以计算系统电源需求量如表1所示。
电源的供电能力为：5 VDC/660 mA和24 VDC/280 mA，通过计算可知，CPU内部电源可以满足CPU及各模块的需求。
3.3 系统的软件设计
3.3.1界面设计
试验台用西门子公司的Step7语言编写PLC端的通信和控制程序, 在PC端用VB6.0实现串行通信的控制和监控界面的显示。图2所示为显示与控制界面。
3.3.2 通信及通信协议设计
本试验台采用自由口(FreePort)通信方式，由用户定义通信协议，实现PLC与外设的通信。这种方式不需要增加投资，有较好的灵活性，适合小规模控制系统。西门子公司提供的PC/PPI电缆带有RS232/RS485电平转换器，可以很方便地将PLC和PC机互联[5]。
自由口通信协议通过用户程序可以控制S7-200CPU通信口的操作模式。利用自由口模式，可以实现用户自定义的通信协议连接多种智能设备。在自由口模式下，通信完全由用户程序控制。计算机作为主站，可以实现对PLC从站寄存器的读写操作。计算机通过COM口发送指令到PLC的PORTO口，PLC通过RCV接收指令，再对指令译码后实现指令要求的操作。用户程序通过使用接收中断、发送中断、发送指令(XMT)和接收指令(RCV)控制通信口的操作。
3.3.3 PLC通信程序设计
根据装置和模块的特点，系统要检测8个温度值、1个压力值和1个重量值。S7－200PLC的3个模拟量扩展模块分别完成各传感器回送信号的预处理工作，然后由CPU将处理过的信号传到发送缓冲区，如图3所示。在先前进行的内存分配工作中，已经划定VB199以后的若干字节为发送缓冲区。
程序下载后，利用上位机的串口调试软件，可以检测到PLC将送到上位机的信息，此时已初步实现了PC－PLC自由通信。但这些信息是以字节的形式反映出来的，还不能轻易识别，要将它们转化成易懂实用的数据，还需要进行上位机编程。
3.3.4 PC通信程序编制
系统要实现温度、压力、重量等信号的实时采集，上位机必须实现与PLC、电参量测量仪的通信。PC机与各仪器的通信流程图如图4所示。
在VB中，MScomm控件是串行通信控件，它提供很多操作方便的属性和方法，可以很方便地实现通信。使用MScomm控件主要是通过事件来处理串行口的交互，即当数据到达时，控件的OnComm的事件就会来捕获或处理这些通信事件。而OnComm事件也可以用来捕获和处理通信错误。在实际应用中，一个MScomm控件就对应一个串行口，所以如果要处理多个串行口的话，必须有相应数量的控件与之对应。在本系统中要用到2个串行口，与之对应的要有2个MScomm控件。
3.3.5 PLC控制程序设计
本系统程序采用顺序功能图进行编制，而且西门子公司专为用户提供了功能图编程设计的指令。在PLC的程序编制过程中，还要充分考虑装置的控制特性：真空冷却过程中要先开启水泵M0、开启制冷机M1，然后是真空泵M2，最后依照实验要求依次关闭真空泵、制冷机和水泵；另外从节能的角度考虑，当温度值达到足够低时可以关闭制冷机以减少装置能耗。本系统应能设置不同的工况，保证装置能按既定的方案运行。图5和图6所示为装置操作示意图和功能图。通过程序编制，装置能够在线检测温度、压力、功率、功率因数、能耗等相关模拟量。
本文介绍了PLC在真空预冷试验台中的数据采集与控制，详细地介绍了PLC的选型计算和程序编写过程。首次将PLC用于真空预冷设备，在程序中设置了自动和手动操作、数据的自动保存、电脑的实时监控等功能。通过试验证明，将PLC用于真空预冷实验装置，具有抗干扰能力强及其安全可靠的特点，使整个真空预冷实验系统都得到了优化。
参考文献
[1] 韩志, 谢晶. 真空预冷实验机的数据采集系统与实验研究[J]. 农产品加工报,2006(3):17-19.
[2] 殷洪义. 可编程序控制器选择设计与维护[M]. 北京:机械工业出版社，2004:174-233.
[3] 周冰, 陈儿同, 徐波,等. 真空冷却中的气体温度变化特性研究[J]. 制冷学报， 2006,27(6):18-23.
[4] 蔡军, 曹慧英. 基于PLC的温控系统设计与研究[J].微计算机信息，2007(2-1):26-28.
[5] 吴超群, 吴昌林. PC机与PLC之问的通讯在工业控制中的应用[J].机床与液压，2004(1).