PLC控制的間歇式微波干燥控制系統研究

陳建東,張 茜,楊旭海

(1.桂林電子科技大學 信息科技學院，廣西 桂林 541004；2.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832001)

0 引言

目前,國內外對辣椒干燥的工藝方法研究有許多,其中有太陽能干燥、熱風干燥、真空干燥、熱風與微波組合干燥等工藝方法[1],在這些干燥方法中,對溫度很難控制，而微波干燥板椒具有速度快、溫度易于控制，同時能在較低的溫度下殺滅霉菌和細菌且可實現快速干燥板椒，最大限度地保持物料的活性和食品的維生素、色澤和營養成分[2-4]。本控制系統采用PLC與溫度傳感器控制磁控管的開與關，來控制微波的產生與停止，同時采用PLC控制傳送電機啟停的方法，能較準確地控制板椒的干燥溫度，實現自動間歇式傳送及自動溫控等技術難點，使板椒的干燥品質達到要求；本控制系統維護簡單、自動化程度高、能連續工作。

1 控制系統功能總體結構設計

整個設備由6工作單元組成，并排列成蛇形形態分布，每個工作單元(即微波干燥箱)分別由一個微波加熱腔與冷卻腔組成,其長度比為1∶1，每個微波加熱腔中安裝有一個4 kW的磁控管用來產生微波加熱板椒。6個微波加熱腔中的各磁控管可單獨工作，也可一起工作。傳送載物鏈條在6個工作單元串聯成的蛇形管道內穿過，整個管道全長18 m，每個工作單元的微波加熱腔與冷卻腔都設有抽風裝置用來排濕與降溫。輸送帶卸料端與上料端之間設置有金屬擋板，防止微波泄漏對工作人員造成傷害[5-6]。在每個加熱腔內還安裝有溫度傳感器、磁性接近開關，冷卻腔內也安裝有磁性接近開關，在兩條傳輸鏈條聯接處安裝有氣缸推料裝置(圖1)；整個機構采用PLC控制，可實現生產線自動、連續、準確控制溫度、可調節間歇傳動。

1.進料盤；2.電控箱；3.傳送電機；4.溫度傳感器；5.磁控管(微波發生器)；6.磁性接近開關；7.推料氣缸；8.傳送輥輪；9.傳送鏈條；10.出料口；11.進料口

2 系統硬件設計

系統采用三菱 FX2N-48MR型號PLC作為主控制器，具有24個X輸入端和24個Y輸出端，輸出端Y端口與交流接觸器、中間繼電器連接，間接控制各電機的啟停與各磁控管(微波發生器)的啟停狀態。將 PLC 與觸摸屏進行通信連接，對各個執行元件的運動狀態進行顯示監控。溫度傳感器采用T型熱電偶溫度傳感器，通過連接到 FX2N-8AD功能模塊，將模擬電信號轉換成數字信號傳輸給主控器PLC進行信息處理。三個鏈條傳送電機都選1.5 kW的三相異步電動機，6個磁控管(微波發生器)都選用工作頻率為2450 MHz、輸出功率為4 kW的設備，磁性接近開關選用D-C73L型號，氣缸選用MAL20-75-S的雙作用氣缸，電磁閥選用4V220-08型雙電控二位五通閥，控制系統的結構框架如圖 2 所示。

2.1 主電路設計

三個電機分別為1#、2#、3#鏈條電機，電源采用380 V三相交流電源。在主電路中采用空氣開關實現電源的閉合、關斷，采用融斷器、熱繼電器實現對電機的短路保護與過載保護，采用交流接觸器實現對電機的電氣自動控制；6個磁控管(微波發生器)，電源采用220 V交流電源，采用中間繼電器實現對磁控管的電氣自動控制(圖3)。

2.2 氣路設計

壓縮空氣從三聯件(即過濾器、減壓閥、油霧器)進入到三位五通閥中，再從三位五通閥進入調節閥到氣缸(圖4)。三位五通閥兩端各有電源線和控制線，電源線接直流24 V電源，控制線接入PLC輸出端Y上，用于控制氣缸動作；磁性接近開關控制線直接接入PLC輸入端X上。

圖2 微波干燥控制系統框架圖

圖3 主電路圖

3 系統軟件設計

3.1 主程序流程

該微波干燥裝置控制系統主要完成物料扎孔、物料托盤輸送、微波干燥、溫度控制等功能。為了使板椒干燥后的質量和品質得到保證[6]，必須對干燥裝置內的溫度進行有效控制。物料輸送托盤由鏈條傳送電機通過驅動鏈輪，其由PLC 控制三個鏈條傳送電機來調節三段鏈條的傳輸。根據板椒微波干燥起溫快，易產生“煮沸”現象的特點[7-10]，其需對干燥溫度進行準確控制。設計分成三段干燥，每段由兩個工作單元組成：第一段，每個工作單元干燥、冷卻時間均為3 min；第二段，每個工作單元干燥、冷卻的時間要短點，均為2.5 min；第三段，每個工作單元干燥、冷卻的時間最短，均為2 min。這樣連續干燥時，產品不會產生擁堵現象，也符合板椒干燥的工藝要求。在兩個傳送帶相聯處的箱體內安裝有一個推桿氣缸，由PLC控制推桿氣缸推動物料托盤輸送到下一個傳送帶上。當測溫系統監控到干燥過程中的板椒溫度過高時，由PLC控制微波發生器停止工作[11]。

圖4 氣路圖

具體干燥控制過程: 板椒裝入物料托盤后,放在物料傳輸鏈條上，接通電源，設備開始工作，物料傳輸帶開始傳送物料，當上料托盤接近開關感應到有物料通過時，計數一次，同時1#鏈條電機啟動，電機帶動鏈條，鏈條帶動物料托盤從入料口進入，經過扎孔圓輥，將板椒表面扎孔，并送到第一個微波干燥腔內，當到達1#干燥箱接近開關后，1#鏈條電機停止傳送，同時1#微波發生器開始工作，在干燥腔體內由微波加熱3 min后，PLC程序再次啟動1#鏈條電機帶動鏈條(同時1#微波發生器停止工作)將板椒托盤送到第一個板椒冷卻腔內，當到達1#冷卻箱接近開關時，1#電機停止傳送并在冷卻腔體內冷卻3 min后(這個過程同時在第一個微波干燥腔內又可以放入新的物料進行干燥)，PLC再啟動1#電機帶動鏈條傳輸到2#微波干燥腔內接近開關后，又停止傳送并在干燥腔體內由微波加熱3 min后，PLC再啟動1#電機帶動鏈條將板椒托盤送達1#鏈條到位接近開關時，1#電機停止傳送并在冷卻腔體內冷卻3 min后，啟動1#氣缸前進電磁閥使1#氣缸推出，將板椒托盤推送到下級的物料傳送鏈條上(當1#氣缸推桿到達1#氣缸前限位接近開關時，啟動1#氣缸后退電磁閥使1#氣缸退回，1#氣缸推桿到達1#氣缸后限位接近開關時，1#氣缸停止工作)，即第二個板椒傳輸帶上。當到達2#鏈條1到位接近開關時，啟動2#鏈條電機，將板椒托盤送達3#干燥腔內干燥2.5 min后，啟動2#鏈條電機，并在冷卻腔體內冷卻2.5 min后，再啟動2#鏈條電機，依次干燥下去，至到板椒從出物料口出來，并在出料時碰到出料接近開關并計數一次，干燥完成。2#鏈條上的各干燥腔、冷卻腔的干燥、冷卻時間均為2.5 min，3#鏈條上各干燥腔、冷卻腔的干燥、冷卻時間均為2 min；另外，當進料口傳感器計數與出料口傳感器計數相等時，報警燈閃爍，說明無物料送入，1 min后板椒微波干燥生產線自動關閉。當1#干燥腔溫度大于75 ℃時，1#微波發生器停止工作，當小于45 ℃時，1#微波發生器啟動工作。同樣2#、3#、4#、5#、6#溫度傳感器分別控制2#、3#、4#、5#、6#微波發生器啟、停工作。

3.2 對控制系統PLC的I/O分配

對FX2N-48MR型號的PLC、FX2N-8AD型號的模塊輸入輸出口所對應的各傳感器、電機、磁控管(微波發生器)、電磁閥的分配如表1至表3所示。

3.3 控制系統PLC接線圖

三菱PLC選用的是FX2N-48MR型號的PLC，電源采用交流電220 V。輸入部分公共端com口采用自帶24 V電源；輸出部分com0～com2端口接交流電220 V火線L端，公共端采用零線N端。PLC的控制接線圖如圖5所示。

表1 FX2N-48MR輸入表

表2 FX2N-8AD輸入表

表3 FX2N-48MR輸出表

3.4 控制系統PLC部分程序編寫

3.4.1 系統啟動

如圖6所示，當系統啟動時，1#氣缸后限位接近開關X23到位、2#氣缸后限位接近開關X25到位時才能啟動輔助繼電器M0，使控制系統處于初始狀態，當啟動按鈕X0閉合時1#電機Y0得電則驅動1#鏈條傳輸。當停止開關X1閉合時，整個系統停止工作。上料托盤接近開關X2閉合一次，計數一次。

3.4.2 溫度的檢測與控制

BFM #0，#1：指定輸入模式[11-15]

圖5 PLC接線圖

圖6 系統啟動程序圖

在BFM#0里寫入一個數值，可以指定CH1～CH4的輸入模式，而在BFM#1里寫入一個數值，可以指定CH5～CH8的輸入模式(圖7)。CH1～CH8分別對應的是FX2N-8AD的I1+(或V1+)到I8+(或V8+)接線端子。

圖7 指定輸入模式

在輸入模式的指定中，每一個BFM表示為一個4位十六進制的代碼，每一位分配了一個通道的編號，對每一通道，在每一位中指定一個0～F的數值。

Ο=B時為熱電偶輸入模式(T類)，攝氏溫度顯示(溫度范圍為-100～350 ℃)分辨率為0.1 ℃。

Ο=F：輸入通道釋放(不可用)

如圖8通過TO指令設置FX2N-8AD的輸入方式，第一個k0表示0#擴展模塊即FX2N-8AD，第二個K0表示0#擴展模塊相對應BFM#0緩沖存儲器，k0為指定CH1～CH4的輸入模式，k1為指定CH4～CH8的輸入模式，H0BBBB熱電偶輸入模式(T類)。From指令是將數據從BFM緩沖存儲器中讀取出來，第一個k0同上表示0#擴展模塊，k10～k15是CH1～CH6的數據緩沖存儲器，D10～D15是數據存儲器，用來存儲CH1～CH6的溫度數據。D10存儲的是1#溫度傳感器采集到的實際溫度值，當D10的值大于或者等于設定溫度75 ℃時，輔助線圈M10得電從而停止磁控管(微波發生器)Y3加熱，當D10的值大于40 ℃且小于45 ℃時，輔助線圈M11得電從而驅動磁控管(微波發生器)Y3加熱。其他干燥腔溫度控制程序與此類似。

圖8 溫度控制程序

3.4.3 氣缸物料推送

如圖9當1#電機帶動鏈條將板椒托盤送達1#鏈條到位接近開關X6時，1 #氣缸前進電磁閥Y14得電使1#氣缸推出將板椒托盤推送到下級的物料傳送鏈條上(當1#氣缸推桿到達1#氣缸前限位接近開關X22時，1 #氣缸后退電磁閥Y15得電使1#氣缸退回，1#氣缸推桿退回到達1#氣缸后限位接近開關X23時，1#氣缸停止工作)。2#氣缸編程程序與此類似。

圖9 氣缸物料推送程序

3.4.4 干燥腔與冷卻腔時間控制程序

圖10 干燥腔與冷卻腔時間控制程序

如圖10當1#電機帶動鏈條將板椒托盤送達1#干燥腔接近開關X3時，程序中M30得電，則M30常閉觸點斷開使1#電機Y0失電停止傳輸，同時1#干燥箱微波發生器Y3得電開始加熱，同時時間繼電器T0開始計時，3 min后，T0常閉觸點斷開使1#干燥箱微波發生器Y3失電停止加熱，同時M40得電，則M40常開觸點閉合使1#電機Y0得電重新啟動傳輸，當1#電機帶動鏈條將板椒托盤送達1#冷卻腔接近開關X4時，程序中M50得電，則M50常閉觸點斷開使1#電機Y0失電停止傳輸，同時時間繼電器T20開始計時，3 min后，T20常閉觸點斷開使M60得電，則M60常開觸點閉合使1#電機Y0得電又啟動傳輸。如此類推，其他電機編程程序與此類似。

3.5 人機界面

采用昆侖通態TPC7062Ti的觸摸屏，并使用昆侖通態MCGS軟件進行人機界面的設計[16]。人機界面設計了一個主界面窗口，如圖11所示。

圖11 人機界面主窗口

4 系統性能測試

通過對原樣機的小批量試驗分析后得出：板椒干燥用4 kW的微波發生器、加熱方式為間歇式微波加熱、在板椒表面扎孔的處理方式、對加熱溫度進行準確控制的方法，最終使板椒干燥的品質良好[3]，成品率達到98%以上，達到了設計要求。

5 結論

(1)控制系統結合了 PLC 和觸摸屏各自的特點，PLC具有很好的抗干擾能力，能夠實現穩定自動連續的運行[3]; 觸摸屏提供了良好的人機操作界面，方便操作人員對干燥過程進行監控和管理。

(2)板椒干燥機智能控制系統的開發降低了現場操作人員的作業量，提高了干燥效率，具有很好的應用前景。

(3)通過對板椒的加工生產試驗得出, 該設備對板椒干燥均勻,干燥品質好，自動化程度高，運行穩定可靠，能夠滿足對辣椒類農產品的干燥。

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