稻谷副產品加工設備的PLC控制系統硬件設計

周雄煜

（國投廣東生物能源有限公司，廣東 湛江524300）

1 研究的背景及意義

2017年底，木薯原料采購價格不斷上漲，市場供應量不足的情況，公司審時度勢，提出了用陳化稻谷來生產燃料乙醇的思路。陳化稻谷是中央儲備時間較長、無法食用的糧食，其采購價格較之木薯價格低，利用稻谷生產燃料乙醇將會帶來更高的效益。同時稻谷副產品如稻殼、碎米、米糠等還可以加工成飼料對外銷售，進一步提高公司的利潤。于是，陳化稻谷加工的技改已付諸實際行動中。隨著社會信息化的高速發展，先進的控制設備及自動化系統的變化也是日新月異，選擇合適企業本身生產發展需要的自動化控制系統，使得產品質量，生產效率和人員技術水平得到全面提高，有利于企業的發展，也是重中之重。經過綜合性能比較及經濟性的兼顧，在PLC行業中，西門子PLC-300系統經過在中國多年的實踐及運用，憑借其穩定性、可靠性、性價比等優勢占據了大部分市場，而且該系統對于稻谷加工系統的管理、監控及操作等各方面都可起到顯著的效果。因此，本文對稻谷加工技改的自控系統中PLC的設計進行了分析，具有十分重要的意義。以下是以整個稻谷加工技改系統中的稻谷副產品加工成飼料這部分自動控制系統進行分析設計及研究。

2 工藝過程設計

如圖1所示。飼料加工主要設備由1臺板框壓濾機、2臺干燥機及其冷卻器與風送系統、包裝系統組成。來自精餾的廢醪液經板框壓濾機分離后，濕糟進入管束式干燥機進行干燥，壓榨后的清液進入厭氧反應系統；干燥后的飼料經冷卻器冷卻后由風送系統送至包裝裝置進行包裝。

圖1 工藝流程圖

由于從板框壓濾機中分離出的濕糟含大量水分，不利于儲存和運輸，因此需要進行干燥，即通過間接加熱使濕糟中的水分蒸發逸出。本崗位采用了蒸汽管束式干燥機，管程走蒸汽，殼程走被干燥的濕糟，通過列管壁進行熱交換。濕糟中的水分蒸發產生的二次蒸汽通過風機抽出，經旋風除塵器使含有的少量粉塵沉降后排放。

3 控制系統總體方案設計

控制系統總體設計時，系統應能滿足過程控制的要求，具備連續過程控制功能，應完成全部的監測、順控及各種報警聯鎖保護等功能。根據工藝提供的數據要求，需要實現以下基本功能：

（1）溫度、流量、壓、液位的數據顯示在工控電腦的界面上，且具有PID過程控制及報警聯鎖保護的功能。

（2）實現開關閥，堵料報警，轉速報警及電機運行狀態信號在電腦界面上的顯示，方便操作人員對現場設備進行實時狀態監控及工藝參數的調整。

（3）對開關閥、調節閥、電機的控制具有自動和手動的操作功能，實現現場設備的開關啟動停止，同時具有按工藝順序步驟進行啟停的順控功能。

4 系統硬件設計

稻谷加工系統的儀表設備如下：

（1）流量計和差壓液位計各1個。

（2）壓力變送器5個。

（3）熱電阻溫度變送器13個。

（4）轉速傳感器和堵料開關各12個。

（5）電機53臺。

（6）PLC輸入輸出的點數量如下：

1）模擬量輸入點25個。

2）模擬量輸出點11個。

3）開關量輸入點199個。

4）開關量輸出點114個。

5）熱電阻RTD輸入點13個。

根據已確定的控制方案和PLC點數，本系統采用西門子PLC-300系統，工控機戴爾電腦一臺，控制站CPU采用模塊CPU315-2、數字量輸入（DI）和數字量輸出（DO）采用 SM323模塊，模擬量輸入（AI）采用 SM331模塊，模擬量輸出（AO）采用 SM332模塊以及IM365等模塊組成，采用CP342-5模塊實現機架擴展，如圖2所示。PLC模塊與擴展的PLC模塊之間信號連接的采用CP342-5通訊模塊通過PROFIBUSDP進行通訊，如圖3所示，從而確保上位機工控機可以對整個稻谷飼料加工控制過程進行監控和操作。

圖2 硬件組態圖

圖3 PR O F I B U S DP通訊

5 PLC模塊與現場設備連接方式設計

5.1 模擬量輸入連接方式

與模擬量有關的現場設備元件及信號主要是調節閥、電機、流量計、壓力變送器、差壓液位計溫度及流量、壓力、液位和電流等。其中流量計、壓力變送器和差壓液位計這三種儀器是兩線制接線法的，它的接線方式如圖4所示（只給出部分接線圖）：

圖4 模擬量輸入接線圖

5.2 模擬量輸出連接方式

蒸氣調節閥的模擬輸出信號接線方式如圖5所示（只給出部分接線圖），其中電機變頻器的速度頻率調節信號與調節閥的輸出控制信號一樣，其接線方式是兩線制的。

圖5 模擬量輸出接線圖

5.3 溫度信號輸入連接方式

溫度計（RTD）包括測量管道介質溫度計及電機前后軸承溫度計，接線方式是三線制的，接線方式如圖6所示（只給出部分接線圖）。

圖6 溫度接線圖

5.4 開關信號量輸入連接方式

開關量信號輸入輸出主要是現場的的開關閥控制，堵料報警信號，轉速報警信號及電機信號控制，電機信號包括就地遠程、停止、開始、運行狀態、錯誤報警、電流信號。其中，開關閥控制、堵料報警信號、轉速報警信號和電機的開始停止信號接線方式是一樣的，它們都是二兩制接法，接線方式如圖7所示（只給出部分接線圖）。

圖7 開關量輸入接線圖

6 PLC控制系統的抗干擾及隔離設計

隨著工業自動化技術的快速的發展，強電電路和強電設備得到快速發展的同時，但由于強電設備自身特征，也產生了對控制信號傳送不利的電磁干擾，電磁干擾的現象極為普遍。因此，必須要想辦法提高PLC系統的抗干擾能力，本設計采用以下方式：

6.1 屏蔽

采用金屬外殼屏蔽。將PLC系統內置于金屬柜之內。金屬柜外殼可靠接地，能起到良好的靜電、磁場屏蔽作用，防止空間輻射干擾。

接線屏蔽。在設計要求中，對于強弱電信號線都是分開走線，并且距離要有一定的間隔。模擬信號傳輸線采用雙絞線屏蔽電纜，每個儀表信號電纜的屏蔽層在PLC機柜內均采用單點接地，接在PLC系統機柜工作接地匯流排的接地點上。

6.2 線路隔離

（1）中間繼電器。本系統設計采用歐姆龍中間繼電器，中間繼電器在PLC系統中是起到一個隔離保護的作用，比如雷擊、過流、短路的時候，對PLC進行一個阻斷保護。

（2）信號隔離器。本系統設計中采用MSC300信號隔離器，它主要應用在現場模擬量設備元件信號輸入時起到的信號隔離，抗干擾的作用，保證信號傳輸的穩定。

7 結語

本控制系統設計以西門子PLC 300為控制核心，主要闡述了PLC系統的硬件線路設計過程和基本的硬件配置。經過一段時間的調試及試運行，該系統已經逐步穩定工作，取得了良好的預期效果。在后緒的生產中，會根據現場生產實際情況，更加優化系統性能和完善系統參數設置。