1、簡(jiǎn)述

    在糖果生產(chǎn)過(guò)程中，熬糖和攪拌工序是最為重要的工序，因?yàn)樗鼈儧Q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(shí)最長(zhǎng)，是企業(yè)提高生產(chǎn)能力的關(guān)鍵，因此設(shè)計(jì)一套可靠穩(wěn)定、控制精度高、自動(dòng)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(jì)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(dòng)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(guò)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(dòng)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(guò)程看似簡(jiǎn)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(lái)控制。工藝過(guò)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(gè)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(tái)攪拌鍋系統(tǒng)。該系統(tǒng)帶有專用閥門，用來(lái)控制膠質(zhì)和酸粉的加入。

3.食用動(dòng)物油的劑量系統(tǒng)。該系統(tǒng)用來(lái)盛裝動(dòng)物油并可以根據(jù)需要向攪拌鍋加入一定劑量的食用動(dòng)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(duì) PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行配置，主要的控制量包括 33 個(gè)的數(shù)字輸入，48 個(gè)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(diǎn)的數(shù)字I/O）、數(shù)字輸出擴(kuò)展模塊、AD 轉(zhuǎn)換模塊等?？刂葡到y(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(guò) 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(jì)

3.1 供電模塊電路的設(shè)計(jì) 

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(jì)

圖3-2 執(zhí)行電機(jī)主電路

3.3 液位控制模塊的設(shè)計(jì)

    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(gè)液位控制和兩個(gè)脂肪容器的最低液位控制。熬煮鍋的三個(gè)液位控制用來(lái)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(cè)模塊的設(shè)計(jì)

    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(hào)傳送時(shí)的抗干擾能力以提高流量檢測(cè)的精確度，信號(hào)傳送時(shí)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(cè)模塊

3.5 壓力和溫度檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

圖3-5 壓力、溫度檢測(cè)模塊

圖 3-5 是熬糖機(jī)控制系統(tǒng)的壓力和溫度檢測(cè)模塊的電氣連接圖，該模塊工作時(shí)需要供給 24V 直流電源。由于傳感器送出的信號(hào)是比較微弱的模擬信號(hào)，比較容易受到干擾，因此信號(hào)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(gè) 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(jì)

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(shí)報(bào)警信號(hào)的反饋輸入、熬煮鍋系統(tǒng)的三個(gè)液面探頭的輸入信號(hào)、流量測(cè)量模塊送來(lái)的控制信號(hào)以及兩臺(tái)變頻器的故障信號(hào)。下面將分別為這幾類輸入分配輸入點(diǎn)，并簡(jiǎn)要介紹各個(gè)輸入信號(hào)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(bào)警反饋、熬煮鍋系統(tǒng)三個(gè)液面輸入、流量測(cè)量系統(tǒng)送入 PLC 的控制信號(hào)以及兩臺(tái)變頻器的故障報(bào)警輸入信號(hào)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(diǎn)為常開的，當(dāng)某一電機(jī)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載時(shí)，熱繼電器的常閉主觸點(diǎn)斷開，同時(shí)常開輔助觸點(diǎn)閉合，向 PLC 的 X40 輸入點(diǎn)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖3-8 電機(jī)報(bào)警信號(hào)輸入

2.數(shù)字輸出量的分配和 I/O 電氣連接的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的各執(zhí)行器件除了兩臺(tái)攪拌電機(jī)是通過(guò) 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(dòng)作都是通過(guò) PLC 的數(shù)字輸出點(diǎn)來(lái)控制的。同時(shí)數(shù)字輸出點(diǎn)還完成一些運(yùn)行指示燈，報(bào)警燈的控制。這些數(shù)字輸出點(diǎn)需要外部提供直流 24V 的電源。為了實(shí)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(diǎn) Y0-Y17 的連接圖

    圖 3-9 所示是熬糖機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)指示燈。輸出點(diǎn)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(diǎn)設(shè)置了兩個(gè)共用端，以便交直流輸出方式的選擇，由于此處所有輸出點(diǎn)都用于直流所以兩個(gè)共用端都接了直流 24VDC。圖（a）中，輸出點(diǎn) Y2，Y4，Y5，Y6 控制的是電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，為了更準(zhǔn)確反映電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，輸出點(diǎn)與指示燈之間串聯(lián)電機(jī)主控繼電器的常開輔助觸點(diǎn)。圖（b）中的狀態(tài)指示燈主要用來(lái)指示各種氣動(dòng)閥門的工作狀態(tài)。

圖3-10 輸出點(diǎn) Y20-Y27 的連接圖

    圖 3-10 所示是輸出點(diǎn) Y20-Y27 的功能分配和電氣連接情況。其中 Y23 作為啟動(dòng)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(lái)控制真空泵，當(dāng) K8、K7 線圈得電時(shí)，真空泵電機(jī)的星型啟動(dòng)；當(dāng) K8、K6 線圈得電時(shí)真空泵電機(jī)三角形運(yùn)行；當(dāng) K8 線圈失電時(shí)，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(jì)為了實(shí)現(xiàn)緊急停止。 上述各臺(tái)電機(jī)的啟動(dòng)只有在該電機(jī)主電路中對(duì)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(diǎn)和熱繼電器的常閉輔助觸點(diǎn)。由圖可見， K6、K7 是互鎖，因?yàn)槎咭坏┩瑫r(shí)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(gè)二極管來(lái)吸收浪涌電流以保護(hù)繼電器增加其觸點(diǎn)的壽命，此外由于線圈具有一定的儲(chǔ)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(dòng)化設(shè)計(jì)教程