基于PLC的澆模型冰激凌控制系統

邸書玉 韓雪泉

(1. 吉林化工學院信息與控制工程學院，吉林 吉林 132022；2. 中糧生化能源(肇東)有限公司，黑龍江 肇東 151100)

在國內，多數生產廠商仍沿用歐美冰激凌機的工作方式生產冰激凌，生產設備仍然采用傳統的接觸器、繼電器/時間控制方式。該方法因設計簡單、操作方便、易于理解且能滿足當時的生產要求和控制條件，在PLC出現前被廣泛使用。當前冰激凌機硬件結構復雜、控制方式靈活、功能繁多，傳統控制方法已不適應將來新產品的開發換代，并且繼電器及線圈等各種機械設備經過長期的運行后老化速度快，經常出現觸點磨損、接觸不良及反應遲鈍等現象，造成整個控制系統無法完成控制功能，嚴重影響了冰激凌的質量和數量。隨著微計算機和PLC技術的發展，用PLC控制制冷機械設備已經被廣泛使用，采用該方法提高了產品性能，改進冰激凌質量，縮短了產品的開發周期，推動了制冷行業的技術進步[1，2]。

筆者提出以西門子S7200 CPU224為核心的控制系統，控制參數有壓力、溫度、流量及液位等模擬量輸入/出信號，泵、電機等開關量輸入/出信號，上位機用HMI或計算機，實現了對澆模型冰激凌機生產線的監視和控制。

1.1 工藝原理

澆模型冰激凌生產線中包括均質設備、老化設備、凝凍設備、澆注設備及硬化設備等，冰激凌的制造過程可分為前、后兩個工序，在前一部分主要是配料、均質、殺菌、冷卻與成熟。后一部分主要是冰凍凝結、成型和硬化。冰激凌生產設備按其后道成型工藝，可分為澆模型、擠壓成型和灌裝成型三大類。其中，澆模型類生產線能生產外形多樣的帶棒類產品，因此其在冰激凌生產設備中占有最大的市場份額。澆模型冰激凌生產工藝示意圖如圖1所示。

圖1 澆模型冰激凌生產工藝示意圖

澆模型冰激凌生產過程中，首先在觸摸屏上設定好配方比例后將牛奶、水、奶油、糖、親水明膠、乳化劑放入攪拌器中，選擇手動/自動模式后將按照設計流程制作冰激凌；然后均勻攪拌6min后放入老化機中，高溫殺毒采用HTST法，溫度控制在80～85℃，20s后啟動壓縮機制冷，冷卻至5℃保鮮約1h；最后，老化后的原料倒入冰激凌機中，溫度1～4℃，攪拌速度15～30r/min，15min后冷凍至設定的硬度出桶。

1.2 均質設備

物料在水相鍋、油相鍋內通過加熱、攪拌后，由真空泵吸入乳化鍋，共兩次均質：第一次均質壓力為 16.5～18.0MPa，溫度為67～70℃；第二次均質壓力為22～25MPa，溫度為55～60℃，其溫度與控制制冷劑閥構成PID控制，生產時均質溫度和壓力控制不好易出現成品粗糙、有冰渣、沉淀分層現象[3]。

1.3 制冷系統

包括壓縮機、冷凝器、儲液罐、過濾器和蒸發器。壓縮機負責吸入、壓縮、輸送制冷劑；冷凝器起制冷作用，將蒸發器吸收的熱量和壓縮機熱量傳遞給冷卻介質；節流裝置起控制、調節流入蒸發器中制冷劑液體的量；蒸發器是輸送冷量的設備，冰激凌的制作是在蒸發攪拌桶內，經冷凍攪拌完成。

工作原理是壓縮機吸入低溫低壓的R404a制冷劑后，壓縮成高溫高壓的氣體傳輸到冷凝器，將冷卻介質水冷凝為高壓液體，經儲液罐和過濾器節流裝置節流為低溫低壓的液體，最后在蒸發器中吸收冰激凌原料的熱量之后，汽化成低溫低壓的蒸汽，這樣制冷劑在系統中經過壓縮、冷凝、節流和蒸發4個過程完成一個制冷循環(圖2)[4～6]。

圖2 制冷循環控制

2 監控系統

控制系統以西門子S7200 CPU224為中心，包括計算機、觸摸屏TP270、溫度、壓力、流量傳感器和AI/AO模塊，主控系統如圖3所示。通過控制變頻器工/變頻達到控制理想的溫度和壓力，通過計算TIC101與TIC102的差值，控制膨脹閥開度，增加/減少制冷劑量對其進行閉環PID控制，AI模塊采集溫度、壓力值，經計算后輸出給電子膨脹閥、變頻器，用來控制冰激凌機的攪拌電機、壓縮機和風扇；并通過PROFIBUS傳送到HMI和上位機實時顯示。其控制采用觸摸屏和計算機結合的兩種控制方式。

圖3 主控系統

當過熱度偏大時，增大膨脹閥開度和制冷劑量，則過熱度減小；當過熱度偏小時，減小膨脹閥開度和制冷劑量，則過熱度增大。此方法保證蒸發器高的利用率，使制冷循環穩定運行，減少結冰量，保護了攪拌器，從而減少了電機的負荷。

攪拌電機的高、低速轉速由變頻器控制。電機的功率是15kW，轉速為1 200r/min，采用均勻調速方法，以保證調速的角加速小從而抑制調速時引起的負載力矩的增加[7]。

2.1 控制的I/O分布

根據工藝和控制要求，PLC需要控制的主要設備有壓縮機、變頻器、風扇、攪拌電機、電磁閥、電子膨脹閥和熱力膨脹閥，其I/O控制點分配見表1。

表1 I/O控制點分配

(續表1)

2.2 程序設計

冰激凌機控制系統的運行程序包括開始程序模塊和運行程序模塊兩部分。開始是準備初始化過程，程序模塊分為高速、低速、變流量、清洗4個程序模塊。其中清洗模塊是公共模塊，冰激凌機的攪拌器和攪拌刀在使用前、后都需要運行此模塊進行清洗任務。清洗時事先在上位機上設定清洗時間T5，按清洗按鈕，狀態器M2.6啟動電機進行高速運轉，T5時間到，電機自動停，通過出料口排出廢水。多次進行這個過程，直到攪拌桶被清洗干凈，則完成清洗工作。高速、低速、變流量是3種不同的制作冰激凌方法，制作時需要選擇其中一種。因制作過程是典型的順序控制，故采用如圖4所示的SCR順序控制圖方式進行編程。

圖4 SCR順序控制

控制模式可以是手動方式和自動方式。自動方式包括連續、單周期、自動返回初始狀態工作方式。M3.3是連續和單周期的選擇開關，為OFF選擇的是單周期工作方式，按下啟動按鈕I1.2后，從初始步M0.0開始，開始模塊主要用來控制系統的啟動、停止和各寄存器的復位。選擇一個模塊，用戶先在上位機上設定好壓縮機運行時間T1和出料時間T4，由M2.0狀態器啟動電機低速運行，T0后，啟動壓縮機和風機，T1時間，則壓縮機和風機自動停止運行，T2后停電機，將出料門打開進行出料，T4后，出料結束電機自動停止。至此，完成整個冰激凌機的自動運行過程。按順序功能圖規定完成一個周期的工作后，返回并停留在初始步。ON是連續工作方式，在初始狀態按下啟動按鈕后，從初始步開始一個周期接一個周期地反復連續工作直到按下停止鍵。按下停止按鈕，并不馬上停止工作，完成最后一個周期的工作后，系統才返回并停留在初始步。

出料程序模塊是冰激凌制成后，壓縮機、電機停止運行。事先設定出料時間T4，打開出料口，按下上位機的出料按鈕后自動出料。T4后，電機停，出料過程結束。

2.3 監控畫面設計

在研究和整理冰激凌生產線工藝要求的基礎上，對工藝流程進行設計，利用監控軟件WinCC完成9個畫面設計，分別是：用戶登錄畫面、生產線流程畫面、制冷控制畫面、順控畫面、參數設置畫面、趨勢曲線畫面、報警畫面、報表畫面和監控系統安全性畫面，實現冰激凌生產線工藝流程的動態監控，如圖5、6所示。

圖5 冰激凌生產線工藝流程

圖6 趨勢曲線

順控畫面的作用是對冰激凌機進行實時控制，設計有3個選擇紐，6個功能按鈕。單/自動選擇鈕、單周期/連續選擇鈕、啟動鈕、停止鈕、清洗鈕、高速/低速/變流量選擇鈕、出料鈕、停止出料鈕、急停鈕。

3 結束語

通過使用計算機和觸摸屏實現了功能框圖所設計的功能，實現了生產過程手動/自動控制和一鍵開啟功能。提升了冰激凌機控制系統的自動化水平，利用變頻器調速實現了電機的軟啟動，避免由于速度切換引起的供電電路系統跳閘、抖動的問題，減小了系統調速時對機械設備的沖擊，提高了系統的安全性、可靠性，降低了維護費用。通過控制過熱度的策略對制冷劑流量進行PID智能控制方法，改善蒸發器對攪拌桶的熱傳遞方式，通過畫面適當調整控制運行參數，提高了熱傳遞效率和制冷效率，節約了能源，從而進一步提高控制系統的經濟價值。

[1] 馬祖達，伍慧春，王曉春，等.全自動液體飲料生產線關鍵技術的研發[J].包裝與食品機械，2008，26(6)：15～20.

[2] 俞云強，袁玉國.PLC在工藝空調控制中的應用[J].微計算機信息，2006，31(11)：21～23.

[3] 朱浪，潘豐.WinCC組態在均質生產過程監控中的應用[J].江南大學學報(自然科學版)，2014，13(1)：17～22.

[4] 李紅霞，周旭，鄧敏華.基于PLC的冰激凌機控制系統[J].控制工程，2009，(z4)：31～33，83.

[5] 單海校.PLC在小型冷庫壓縮機控制系統中的應用[J].浙江海洋學院學報(自然科學版)，2004，23(1)：88～90.

[6] 何竹青.基于PLC的硬冰激凌機測控系統研究與實現[D].南京：東南大學，2009.

[7] 張運剛，宋小春，郭武強.從入門到精通——三菱FX2NPLC技術與應用[M].北京：人民郵電出版社，2007：30～55.