張琳芳 黃智坤

摘 要： 為了提高低溫真空油炸控制系統(tǒng)的自動化程度，提出了基于PLC和MCGS組態(tài)軟件的低溫真空油炸控制系統(tǒng)的設計方案。該方案由永宏公司FBS系列PLC實現(xiàn)控制功能，由MCGS組態(tài)軟件實現(xiàn)動態(tài)演示、過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄、報警等功能。結果表明，該方案可操作性強，自動化程度高，對生產(chǎn)實踐具有一定的積極意義和推廣價值。

關鍵詞： 低溫真空油炸； 組態(tài)設計； PLC； MCGS

中圖分類號： TP 29 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2015）06-0090-05

0 引 言

油炸食品加工法是我國食品加工的重要方法之一，然而基于這種傳統(tǒng)方法的油炸食品卻面臨著“營養(yǎng)損失”、“油炸食品含油量高”、“聚合產(chǎn)生致癌物”等種種問題的困擾[1]，已滿足不了公眾對其食用安全性的要求，于是低溫真空油炸技術受到了高度的重視。為了解決人工加工操作難度大、含油率和含水率高、控制復雜、效率低等問題，提高真空油炸設備的自動化程度，加大機電一體化的開發(fā)應用，實現(xiàn)管控一體化是低溫真空油炸加工的必然選擇。

本研究提出了基于永宏公司FBS系列的可編程控制器（PLC）和MCGS組態(tài)軟件的低溫真空油炸控制系統(tǒng)的設計方案，劃分為入料、油炸、脫油、出料四大模塊，將各部分傳感器采集到的加工狀態(tài)指數(shù)送入PLC中，由PLC將其與設定值進行比較，再發(fā)出相應的指令驅動執(zhí)行設備來控制油炸設備，從而實現(xiàn)設備的智能控制。另外，使用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)上位機實時監(jiān)控界面，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)實時顯示、實時監(jiān)控的任務。

1 控制系統(tǒng)功能要求

本文以紫薯干為低溫真空油炸加工對象。根據(jù)實際生產(chǎn)要求，紫薯干的一般工藝流程為：原料→篩選→清洗→調(diào)整→預處理→真空油炸→真空脫油→包裝→成品[2]。其中真空油炸和真空脫油是整個流程的關鍵環(huán)節(jié)，也是本文的研究對象。根據(jù)紫薯干的加工指標，設備的控制方式分為自動模式和手動模式。

在手動模式下：在組態(tài)界面上點擊操作狀態(tài)按鈕切換到手動操作狀態(tài)（在此狀態(tài)下按下任一執(zhí)行器點動按鈕（特別針對系統(tǒng)故障、設備調(diào)整）控制相對應電磁閥、電機）。

在自動模式下：在組態(tài)界面上點擊操作狀態(tài)按鈕切換到自動操作狀態(tài)。（按下啟動點動按鈕，旋蓋電機啟動，真空泵開，冷卻塔開，冷水泵開，抽油閥開，低位真空破壞閥開，油鍋到規(guī)定液位，抽油閥關，低位真空破壞閥關，低位真空閥開，蒸汽加熱閥開，剎車開，慢速脫油開；溫度與真空信號到設定值，恒溫加熱定時，放油閥開，慢速脫油關，剎車關；油鍋下液位信號，放油中液位延時，剎車開，快速脫油開且定時，剎車關，快速脫油關，真空破壞閥開，低位真空閥關，真空泵關，水泵關，冷卻塔關；旋蓋電機啟動，真空油炸結束）。

控制過程中如有意外情況，按下急停按鈕便立即停止一切工作，調(diào)試后，打開急停按鈕按動啟動按鈕工作將會繼續(xù)進行。

2 總體設計方案

基于永宏PLC的真空油炸控制系統(tǒng)結構如圖1所示。系統(tǒng)以永宏PLC FBs—60MA為控制核心，配備了投料口蓋的旋轉編碼器、油鍋液位的液位傳感器、油溫的RTD溫感器、蒸汽開關的電動閥、抽真空電磁閥等設備。通過各部位的傳感器反饋到PLC，PLC程序根據(jù)傳感器反饋的信號經(jīng)CPU運算判斷系統(tǒng)運行到哪個階段，再根據(jù)各個階段的加工工藝執(zhí)行相對應的熱行機構，最終完成整個工藝流程。PLC采用Modbus通訊協(xié)議與變頻器通訊控制實現(xiàn)脫油電機的定速控制，PLC采用永宏通訊協(xié)議與上位機MCGS組態(tài)軟件通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、運行狀態(tài)監(jiān)測、報警顯示、歷史數(shù)據(jù)記錄等功能，最終實現(xiàn)自動化控制系統(tǒng)“集中控制，分散管理”。

3 硬件設計

3.1 系統(tǒng)主電路設計

根據(jù)控制要求，低溫真空油炸設備控制電路主電路如圖2所示。圖2中，脫油電機采用變頻器施動，帶動載物籃慢速旋轉油炸和快速旋轉脫油。旋蓋電機由旋轉編碼器控制開啟角度，由電機正轉、反轉和停止來完成油鍋蓋的開啟與閉合。真空泵、冷卻水泵、冷卻塔為開關設備。變頻器選用蘇州吉泰科GK600—4T11G。總空開QF為設備總電源開關，控制整個系統(tǒng)電源。KM1～KM5交流接觸器控制相對應的電機啟停。各路空開QF0～QF4，對各分支電路進行嚴重過載保護或短路保護。熱繼電器FR1～FR5分別對電動機過載、堵轉時，可有效可靠地保護電動。

3.2 PLC 硬件電路的設計

本設計采用的是永宏FATEK FBs系列PLC。主機型號為FBs-60MA，擴展I＼O模塊為FBS-8YR，擴展溫度模塊為FBS-6RTD。永宏FATEK FBs 系列PLC有MA（經(jīng)濟型）、MC（高功能型）及MN（高速 NC 型）等三大類，點數(shù)由10～60點共計17種類型，擴展機/模塊則DI/DO有14種機型，NI/NO有12種機型，具有結構緊湊、功能豐富、擴展性強、性價比高、可靠性好等特點，適用于多種場合多種行業(yè)的檢測、監(jiān)控及自動化控制。PLC配備熱電偶、熱電阻和負溫度系數(shù)的溫度拓展模塊，模塊的精度為0.1℃，總和精度為±1%；還具有強大的通訊功能，最高通訊速率可達921.6 kHz，支持Modbus和自用通訊協(xié)議等常用的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，任意配置常用的RS-232和RS-485通訊拓展口。根據(jù)控制要求，PLC控制程序I/O端口主要信息如表1和表2所示。

4 軟件設計

4.1 PLC程序設計

4.1.1 主程序結構

主程序由：①輸入點、②啟動階段、③關蓋階段、④抽油階段、⑤加熱階段、⑥恒溫階段、⑦放油出鍋階段、⑧輸出點這8個部分組成，在整個程序中各個階段各自獨立以環(huán)環(huán)相扣互相配合。下面對部分關鍵環(huán)節(jié)的程序設計做具體介紹，如程序段I～程序段IV。

4.1.2 關蓋階段

頂蓋的旋轉采用三相異步電機來施動，位置信號通訊光電編碼器來反饋給PLC，編碼器安裝在頂蓋的旋轉軸上。編碼器型號為1000線，即編碼器轉一圈反饋1000個脈沖。1000除以360度得到頂蓋每旋轉1度，編碼器反饋2.78個脈沖。配合永宏PLC高速計數(shù)指令來控制關蓋與開蓋如圖3中的程序段I所示。當頂蓋關閉到位，開啟抽油階段。

4.1.3 加熱階段

PLC MODBUS 通訊程序如圖6和圖7所示。變頻器寄存器地址是從0開始，PLC程序設定地址是從1開始，所以PLC程序設定地址需加1。設定頻率地址為25092，讀取當前運行頻率為25346。

4.2 上位機程序設計

本設計采用MCGS組態(tài)軟件實現(xiàn)上位機的設計與開發(fā)，與永宏FBs-PLC port0口聯(lián)結，根據(jù)永宏通訊協(xié)議聯(lián)機通訊。

基于MCGS組態(tài)軟件的監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)測、操作和報警三部分組成。監(jiān)測部分包括利用圖元庫構建的監(jiān)測動畫界面，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理，監(jiān)控油炸鍋運行狀態(tài)。操作部分包括加工參數(shù)的設定，手動/自動模式選擇，手動模式下各種執(zhí)行機構的啟/停。報警部分包括實時歷史數(shù)據(jù)的記錄和處理，比對各參數(shù)限定值，自動顯示報警信息[4]。MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng)結構如圖8所示。

5 結 論

本文運用永宏FBS系列PLC和MCGS組態(tài)軟件，完成了低溫真空油炸控制系統(tǒng)的設計。本控制系統(tǒng)有手動、自動兩種工作模式，手動模式應用于故障處理，自動模式應用于正常運行狀態(tài)。利用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)低溫真空油炸系統(tǒng)的組態(tài)設計，實現(xiàn)了設備的數(shù)據(jù)采集和可視化處理。該系統(tǒng)已在多家食品加工廠投入使用，運行情況表明，該系統(tǒng)具有操作簡單、運行穩(wěn)定、自動化程度高等特點，大大減輕了工作人員的勞動強度，也提高了產(chǎn)品的加工質量，具有較高的推廣應用價值。

參考文獻：

[1] 鈕福祥，王紅杰，徐飛，等. 果蔬真空油炸脫水技術研究及果蔬脆片產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況[J]. 中國食物與營養(yǎng)，2012，18（2）：24-29.

[2] 謝育金. 真空低溫油炸技術及在果蔬加工保存上的應用研究[D]. 廣東：汕頭大學，2012.

[3] 王云剛，陳文燕. 基于MCGS和PLC的水位自動控制系統(tǒng)設計[J]. 測控技術，2014（1）：90-94.

[4] 嚴盈富. 監(jiān)控組態(tài)軟件與PLC入門[M]. 北京：人民郵電出版社，2006.

Abstract： In order to improve the automation of low-temperature vacuum frying control system， this paper presents a design scheme of the low-temperature vacuum frying equipment control system based on PLC and MCGS. The scheme consists of Yonghong FBS series PLC control functions， and implements dynamic presentation， process monitoring， data logging and alarm by MCGS. Experiments and applications show that the scheme can operate， high degree of automation， with some positive significance and promotional value of production practices.

Key words： low-temperature vacuum frying； configuration design； PLC； MCGS

（責任編輯：徐興華）