基于PLC的熬糖機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

1、簡述

    在糖果生產(chǎn)過程中，熬糖和攪拌工序是最為重要的工序，因為它們決定了所生產(chǎn)的糖果中水分、糖量、脂肪、香料等成分的比例，以及這些成分的均勻程度，從而決定了糖果的軟硬程度以及糖果的口味和口感。此外，該工序所需工時最長，是企業(yè)提高生產(chǎn)能力的關(guān)鍵，因此設(shè)計一套可靠穩(wěn)定、控制精度高、自動化程度高的熬糖機(jī)控制系統(tǒng)顯得尤為重要。本文以某公司的熬糖機(jī)控制系統(tǒng)為研究背景，設(shè)計了一套基于PLC的熬糖機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在保證產(chǎn)品質(zhì)量的情況下，它的自動化程度更高、可靠性更強(qiáng)，很大程度上提高了企業(yè)的生產(chǎn)能力。 

2. 熬糖機(jī)的生產(chǎn)工藝和控制系統(tǒng)

2.1 熬糖機(jī)系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝概述

    該系統(tǒng)功能是: 先將預(yù)先用冷水溶解白糖的糖漿作為原料，通過真空泵將原料裝入熬煮鍋，然后在熬煮鍋內(nèi)加熱到設(shè)定溫度后進(jìn)行低溫蒸發(fā)，去掉多余的水分，達(dá)到所需的溫度后排放到攪拌鍋。在攪拌鍋內(nèi)加入食用動物油、充入壓縮空氣、加入膠質(zhì)、酸粉等添加劑后進(jìn)行充分?jǐn)嚢韬笮纬烧吵頎畹奶菆F(tuán)作為制作口香糖、夾心糖、奶油杏仁糖等糖果的制作原料。雖然工藝過程看似簡單，但中間涉及到許多控制量，所以該系統(tǒng)選用 PLC 控制系統(tǒng)來控制。工藝過程見圖 2-1。

圖 2-1 熬糖生產(chǎn)工藝

2.2 熬糖機(jī)系統(tǒng)的組成

熬糖機(jī)系統(tǒng)是低溫蒸發(fā)和壓力攪拌系統(tǒng)裝置，主要用于生產(chǎn)制作口香糖、杏仁糖、夾心糖所需的糖團(tuán)。該系統(tǒng)主要有三個互相連接的子單元組成，這些子單元在中央控制系統(tǒng)的控制下協(xié)調(diào)工作。它的具體組成是：

1.熱虹吸管熬煮鍋系統(tǒng)。

2.兩臺攪拌鍋系統(tǒng)。該系統(tǒng)帶有專用閥門，用來控制膠質(zhì)和酸粉的加入。

3.食用動物油的劑量系統(tǒng)。該系統(tǒng)用來盛裝動物油并可以根據(jù)需要向攪拌鍋加入一定劑量的食用動物油。

4.壓縮空氣回路系統(tǒng)。

2.3 控制系統(tǒng)的組成

    根據(jù)系統(tǒng)需要處理的控制量對 PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行配置，主要的控制量包括 33 個的數(shù)字輸入，48 個的數(shù)字輸出，溫度輸入和壓力輸入。因此配置出PLC 控制系統(tǒng)應(yīng)具備的功能模塊，其組成包括： PLC 模塊（自帶 80 點的數(shù)字I/O）、數(shù)字輸出擴(kuò)展模塊、AD 轉(zhuǎn)換模塊等。控制系統(tǒng)的硬件配置框圖如圖 2-2 所示。此外，系統(tǒng)還包括其它一些模塊，主要有：人機(jī)界面、變頻調(diào)速模塊，它們分別通過 RS232、RS485 通訊口與PLC 相連進(jìn)行通信。

3.熬糖機(jī)控制系統(tǒng)各功能模塊的硬件設(shè)計

3.1 供電模塊電路的設(shè)計 

圖3-1 控制系統(tǒng)供電模塊

3.2 執(zhí)行電機(jī)的主電路設(shè)計

圖3-2 執(zhí)行電機(jī)主電路

3.3 液位控制模塊的設(shè)計

    如圖3-3所示，熬糖機(jī)系統(tǒng)的液位控制主要包括熬煮鍋的三個液位控制和兩個脂肪容器的最低液位控制。熬煮鍋的三個液位控制用來控制熬煮鍋的充填、排放和抽真空后氣泡高度。

圖3-3 液位模塊

3.4 流量檢測模塊的設(shè)計

    如圖3-4所示，熬糖機(jī)系統(tǒng)的流量模塊，它由流量傳感器和智能流量積算控制儀組成，二者分別需要由外部提供220V 交流電源，此外智能流量積算儀的輸出端子需外接直流 24V。為了提高信號傳送時的抗干擾能力以提高流量檢測的精確度，信號傳送時采用雙絞線進(jìn)行傳送并且在導(dǎo)線外面加以屏蔽層。

圖3-4 流量檢測模塊

3.5 壓力和溫度檢測模塊的設(shè)計

圖3-5 壓力、溫度檢測模塊

圖 3-5 是熬糖機(jī)控制系統(tǒng)的壓力和溫度檢測模塊的電氣連接圖，該模塊工作時需要供給 24V 直流電源。由于傳感器送出的信號是比較微弱的模擬信號，比較容易受到干擾，因此信號的傳送采用了雙絞線的形式并且外加屏蔽層，該屏蔽層和該模塊的各個 FG 端聯(lián)到一起接到該模塊的接地端，最終 AD 模塊的接地端和電源模塊中的地線（PE，參見圖 3-1）一起接到電控柜上。

3.6 PLC 數(shù)字 I/O 的分配設(shè)計

1.數(shù)字輸入量的分配及電氣連接。

    該系統(tǒng)中數(shù)字輸入量主要包括：電控柜上的各種按鈕輸入、執(zhí)行電機(jī)工作時報警信號的反饋輸入、熬煮鍋系統(tǒng)的三個液面探頭的輸入信號、流量測量模塊送來的控制信號以及兩臺變頻器的故障信號。下面將分別為這幾類輸入分配輸入點，并簡要介紹各個輸入信號與 PLC 的輸入端子的連接情況：

圖3-6 按鈕開關(guān)量數(shù)字輸入電氣連接圖

X10—A攪拌鍋裝入一定劑量的脂肪；X11—B 攪拌鍋裝入一定劑量的脂肪；

X12—A攪拌鍋輔料裝入確認(rèn)（輔料指酸粉和膠質(zhì)）；X13—B 攪拌鍋裝入輔料確認(rèn)；

X14—A攪拌鍋快速攪拌；X15—A 攪拌鍋慢速攪拌；X16—B 攪拌鍋快速攪拌；

X17—B攪拌鍋慢速攪拌；X20—向 A 攪拌鍋排糖漿；X21—向 B 攪拌鍋排糖漿；

X22—A攪拌鍋進(jìn)壓縮空氣；X23—B 攪拌鍋進(jìn)壓縮空氣；X24—A 攪拌鍋的酸粉進(jìn)入；

X25—B攪拌鍋的酸粉進(jìn)入；X26—A 清洗用壓縮空氣開；X27—B 清洗用壓縮空氣開；

X42—A攪拌鍋排放；X43—B 攪拌鍋排放。 

    電機(jī)的報警反饋、熬煮鍋系統(tǒng)三個液面輸入、流量測量系統(tǒng)送入 PLC 的控制信號以及兩臺變頻器的故障報警輸入信號的 I/O 分配和電氣圖。

圖3-7 數(shù)字輸入電氣連接圖

    圖 3-8 中的輔助觸點為常開的，當(dāng)某一電機(jī)出現(xiàn)長時間過載時，熱繼電器的常閉主觸點斷開，同時常開輔助觸點閉合，向 PLC 的 X40 輸入點發(fā)出報警信號。

圖3-8 電機(jī)報警信號輸入

2.數(shù)字輸出量的分配和 I/O 電氣連接的設(shè)計

系統(tǒng)的各執(zhí)行器件除了兩臺攪拌電機(jī)是通過 PLC 的通訊口進(jìn)行控制的外，其它的執(zhí)行器件包括其余的電機(jī)和各種閥門的動作都是通過 PLC 的數(shù)字輸出點來控制的。同時數(shù)字輸出點還完成一些運行指示燈，報警燈的控制。這些數(shù)字輸出點需要外部提供直流 24V 的電源。為了實現(xiàn)緊急停止，輸入模塊和輸出模塊分別是使用了兩路不同的直流電源。

圖3-9 輸出點 Y0-Y17 的連接圖

    圖 3-9 所示是熬糖機(jī)系統(tǒng)運行狀態(tài)指示燈。輸出點的共用端是 C1，C2。由于該 PLC 的輸出既可以交流輸出也可以是直流輸出，所以每一組輸出點設(shè)置了兩個共用端，以便交直流輸出方式的選擇，由于此處所有輸出點都用于直流所以兩個共用端都接了直流 24VDC。圖（a）中，輸出點 Y2，Y4，Y5，Y6 控制的是電機(jī)運行狀態(tài)，為了更準(zhǔn)確反映電機(jī)運行狀態(tài)，輸出點與指示燈之間串聯(lián)電機(jī)主控繼電器的常開輔助觸點。圖（b）中的狀態(tài)指示燈主要用來指示各種氣動閥門的工作狀態(tài)。

圖3-10 輸出點 Y20-Y27 的連接圖

    圖 3-10 所示是輸出點 Y20-Y27 的功能分配和電氣連接情況。其中 Y23 作為啟動按鈕的響應(yīng)輸出，它將使繼電器 K15 的線圈得電。Y24-Y27 是執(zhí)行電機(jī)主控繼電器的線圈的控制回路，其中 Y24 是控制糖漿泵的啟停。K8 、K7、K6 用來控制真空泵，當(dāng) K8、K7 線圈得電時，真空泵電機(jī)的星型啟動；當(dāng) K8、K6 線圈得電時真空泵電機(jī)三角形運行；當(dāng) K8 線圈失電時，真空泵停止。不難看出，Y20-Y23 與 Y24-Y27使用了不同的供給電源，這樣設(shè)計為了實現(xiàn)緊急停止。 上述各臺電機(jī)的啟動只有在該電機(jī)主電路中對應(yīng)的斷路器和熱繼電器處于正常狀態(tài)才能完成，因此電機(jī)的主控繼電器的線圈回路中串聯(lián)了相應(yīng)斷路器的常開輔助觸點和熱繼電器的常閉輔助觸點。由圖可見， K6、K7 是互鎖，因為二者一旦同時閉合將造成電路系統(tǒng)的短路。此外，各繼電器線圈還接了一個二極管來吸收浪涌電流以保護(hù)繼電器增加其觸點的壽命，此外由于線圈具有一定的儲能作用，接上二極管便可為其提供續(xù)流回路。

參考文獻(xiàn)

[1]基于PLC的熬糖機(jī)控制系統(tǒng)的研究，張錫勇

[2]某公司的熬糖系統(tǒng)控制工藝

[3]EPLAN自動化設(shè)計教程