番茄酱套管杀菌控制系统设计

摘要：在番茄酱套管杀菌温度监控系统中，以西门子S7-300PLC为硬件平台、下位开发软件STEP7和组态软件WinCC6.0为开发环境，实现了实时数据采集、显示、报警等功能。系统图形界面友好、操作方便。
关键字：番茄酱，套管杀菌，西门子S7-300，WinCC
Design of the sterilization section Control System for Tomato sauce
He Ping，Lou Yi，Xie Lirong
（College of Electrical Engineering; Xinjiang University; Urumqi Xinjiang 830008）
Abstract：In this paper, simulative designed the sterilization section control system, sterilization is a section of tomato sauce product line. With the programmable logic controller Siemens S7-300 being a hardware development platform, and with Siemens software STEP7&WinCC6.0 being a software development environment, it realized those functions,such as data collection ,displaying and real-time alarming and so on .the system has characteristcs such as friendly interface,easy operation. 
Keywords：Tomato sauce，section sterilization，Siemens S7-300，WinCC
 
1 引言

    番茄产业是新疆“黑白红”三大支柱性产业之一。作为亚洲最大的番茄酱加工区，新疆形成了一批番茄酱加工出口企业群，番茄年加工能力80万吨，约占全国番茄加工总量的90％。

    番茄酱加工控制系统的研究，可将具有自主知识产权的控制技术应用于生产中，摆脱对国外技术的依靠，从而降低番茄酱生产的技术成本，提高我国番茄酱产业在世界的竞争力。

2 套管杀菌工艺

    套管杀菌是番茄酱加工过程的关键工段之一。套管，就是几层管子互相套嵌，大管套小管。物料和杀菌水可以在管中充分接触。管中旋转翻滚的酱体与内外夹套里的过热水进行热交换达到杀菌目的。本文采用的是五层套管，三层水夹两层料，大大的提高了杀菌的效率。

    套管分为三段，杀菌、冷却和保温。在杀菌段要把物料的温度迅速提高到规定温度，杀灭各种霉菌。冷却段要把杀菌后的物料迅速冷却，以便保持物料的新鲜和色泽。保温段使物料温度保持，为灌装作好准备。

    杀菌段是整个生产线的重点，杀菌的质量直接影响产品的质量。若杀菌温度达不到，产品将由于霉菌的存在而变质，若杀菌温度过高又会使产品的新鲜度及色泽下降过多，最终影响产品的质量。套管杀菌工艺流程如图1所示。

 
图1杀菌工艺流程图

    杀菌段各主要参数如表1所示。

表1 杀菌段主要参数

3 下位机编程

    套管杀菌段最重要的控制参数是杀菌温度，实际生产线上要对杀菌温度进行精确的控制，使其稳定在106℃，允许变化范围在102℃-110℃。

    杀菌温度由过热水温度决定，过热水由蒸汽量决定。蒸汽压力是稳定的，通过调节蒸汽阀的开度就可以控制杀菌温度，生产现场就是采用这一控制方法，杀菌温度控制框图如图2所示。
 

图2  杀菌温度控制框图

    根据现场控制对象和控制设备，调用STEP7中集成的PID调节模块SFC41，采用闭环控制，完成调节器的设计编程，如图3所示。
 

图3 调节器设计过程

    采用PID对杀菌温度进行控制，温度值存储于MD104中，作为PID调节模块的输入值，其输出值存储于MD100中，同时把PID调节模块的输出MD100作为调节器的设定值，调节器的控制量就是温度输入值。调节后的值返回MD104作为PID调节模块的输入值循环调节。

    除了对杀菌温度的精确控制外,还要控制各种泵阀的起停。需要控制的有进料泵、出料泵、冷却泵、加水泵、出料阀和循环阀。在STEP7中编制基本的起保停梯形图就可以实现。 

    出料阀/循环阀控制程序的编制框图如图4所示。

 
图4 出料阀/循环阀控制框图

4 上位机监控画面开发

    进入WinCC编辑界面，新建一个S7外部变量驱动程序，根据设计需要在相应的通讯方式下新建一个连接。在连接中建立需要的变量，并把变量和通道一一对应。
建立28个外部变量，变量表如图5所示。

 
图5 变量表

    建立在线曲线和在线数据归档，显示杀菌温度、冷却温度和保温温度的变化趋势，并将实时数据归档保存。

    利用WinCC自带的变量模拟器模拟在线曲线如图6所示。
 

图6 在线曲线

    在对象选项板的控件中选择WinCC Online Table Control，建立在线归档表格，如图8所示。
 

图8 在线归档数据

    建立报警记录：打开报警记录，选中“消息块”右键选择组态消息块，在弹出的页面中添加系统块，选择持续时间、日期、时间、状态和编号；添加用户文本块，选择消息文本和错误点。

   建一个图形画面。取名为“报警”。在对象选项板中选择WinCC Alarm Control，右键添加，则图形画面中自动添加一个报警记录表如图9所示。

  
图9 报警记录表

5 通讯

S7-300的通讯网络有：

    通过多点接口（MPI）协议的数据通信：S7-300 CPU集成了MPI的通讯协议，MPI的物理层是RS-485，最大传输速率位12M bit/s。PLC通过MPI能同时连接编程器、计算机、人机界面及其他SIMATIC PLC。

    PROFIBUS：包括PROFIBUS FMS、 PROFIBUS DP和PROFIBUS PA 种总线，其物理层也是RS-485。

    工业以太网:一般用于上层网络。点对点（PtP）：连接两后台S7 PLC及计算机、打印机、扫描仪等非西门子设备。

    AS-i （Actuator-Sensor-Interface）:执行器-传感器接口，处于控制系统的最底层，用来连接现场的二进制设备。

    下位机上传程序及上位机监控时，都采用TCP/IP通讯协议和PLC进行通讯。PLC和各计算机通过交换机组成一个网，各CPU之间通过以太网通讯。I/O设备和PLC之间采用传统的信号方式通讯，模拟量采用4-20mA和1-5V标准信号，数字量采用DC24V信号。

6 结论

    番茄酱加工套管杀菌段控制系统，包括检测、控制、通讯、监控以及控制算法的实现和软件开发等各个环节。该系统采用了上位机监控、上位机、下位机和PLC以太网通信等先进的控制手段。系统可通过上位PC机来实现设定系统参数控制及监控，符合控制集中、危险分散的需求。

参考文献

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[2] 姚漪. 影响番茄酱粘度、色差因素的分析与控制[J].石河子科技，2006，第4期，33-34.
[3] 崔小玲，毛敏，张文杰，刘乐，沈广军，谭华. HACCP系统在番茄酱制品生产及质量控制中的应用[J]. 新疆农业科学, 2OO4,第41期，101-102.
[4] 廖常初.PLC编程及应用.第一版.北京:机械工业出版社，2002.

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