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PLC在真空预冷实验装置中的应用
左志强,陈儿同,王 艳,张 华
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。
Abstract:
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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).

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