基于PLC的食品膨化控制系统设计毕业设计说明书.docx
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基于PLC的食品膨化控制系统设计毕业设计说明书
CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY
毕业设计说明书
题目：
基于PLC的食品膨化控制系统设计
摘要
随着膨化食品越来越多的受人们的喜爱，用传统的方法制作膨化食品的速度已经满足不了客户的需求。
所以，膨化设备的开发与制作就显得尤为重要。
本文主要介绍的是食品膨化控制系统的设计。
该系统主要由PLC，触摸屏，A/D和D/A转换模块，传感器组成。
该系统能稳定的检测和控制3个膨化罐内的温度与压力。
使其基本文帝在设定的温度和压力值上。
除此之外，系统能以组态形式在触摸屏上显示检测结果与控制过程。
本系统采用PID调节，此种调节保证了系统的稳定，高效。
该系统有自动和手动两种模式，在一般情况下，自动模式完全能满足日常的需求。
这使得膨化食品的成本得到进一步的控制，这也是本系统开发的原因之一。
该系统还具有密码功能，在达到了使用期限后，所有的输出点都会停止输出，直到再次输入密码为止。
大大保障了生产厂家的利益。
关键词膨化；PLC；温度控制；压力控制；
Abstract
Accordingtothepuffedfoodmoreandmorepopularamongpeople,thespeedofmakingpuffedfoodislower.Sothepuffingequipmentdevelopmentandproductionisparticularlyimportant.Thedesignofthepuffedfoodsystemismainlyintroducedinthispaper.ThesystemiscomposedbyPLC,touchscreen,A/DandD/Aconversionmodule,sensorsandsoon.Thesystemcanbestablecontrolthetemperatureofthethreeexpansiontank,makeitsbasicstabilityinthesettemperature.Inaddition,thecontentofthetouchscreenisoneofthehighlightsofthisdesign.Onthetouchscreen,variouspartsofthemovementandtheclosedswitchcanbedisplayedintheformofanimation.
ThissystemusesthePIDadjustmentthatcanensurethestabilityandtheefficientofthesystem.Thesystemhastwokindsofpatterns,automaticandmanual.Ingeneral,automaticmodecanfullymeettheneedsofdaily.Thisgreatlyliberatedthelaborforce,tofurthercontrolthecostofpuffedfood.ThisismyoneofthegoalwhyImakethesystemdesign.Thesystemalsohasthepasswordfunction,afterachievedtheuseperiod,allthedotswillstopoutput,untiltoenterthepasswordagain.Thisgreatlyguaranteetheinterestsofmanufacturerofthedevice.
Keywords:
Puffed,PLC,Temperaturecontrol，Pressurecontrol
第1章绪论
1.1系统的来源现状及未来
1.1.1系统的来源
膨化食品从其诞生以来一直被广大儿童所喜爱。
该类食品口感酥脆，结构彭松，具有一定的营养价值，很是美味。
它以谷类，薯类，豆类为主要原料，经过高压和高温，使材料本身的结构发生改变。
该类产品的主要代表是爆米花和薯片。
膨化食品起源于60年代末期，膨化设备也是从那个时候发展起来的。
最初的膨化设备类似于一个高压锅。
把需要膨化的食物放进去，加入少量水分，然后对其加热，再打开压力阀门，膨化食品就做好了。
这种膨化设备现在偶尔也能看的见，在路边上那个黑色的用手摇的球就是它。
随着时间的过去，老膨化设备做出来的食品的缺点也渐渐的显露。
膨化过程难以控制，食品的卫生条件等极大的限制了这个行业的发展。
但在此时，自动化设备的迅猛发展完美的解决了这个问题。
第二代的膨化设备采用部分自动化设备。
它通过外部的按钮开关来调节膨化时的温度和压力。
这种设备大大简化了人们的工作量，并使膨化设备造出的产品合格率大幅度的提高。
第三代的膨化设备沿着全自动的方向发展了起来。
在这代产品中，人们已经不需要再人为的控制温度。
机器设备可以自动的调节温度。
当温度高时，他会自己停止加热，使其自然冷却，过段时间后它又重新加热。
这类产品的优点非常的突出，它完全解决了劳动力的问题。
人们只要按一个开始开关，机器就会自动把产品做好。
这使得膨化食品的成本进一步的缩小。
1.1.2系统的现状
我国的膨化设备产业正在迅猛的发展中。
现在的膨化设备一般采用PLC作为控制核心，利用PLC中的PID调节作为调节温度的手段。
温度的采集通过PLC的扩展模块来实现，利用触摸屏也能很好的监控设备的运行状况。
现在市面上的系统采用的PLC一般有这几种：
三菱，西门子，施耐德，欧姆龙，信捷，昆仑通态。
其中，三菱和西门子的市场占有率是最高的。
本次设计采用的是信捷公司的产品。
它虽在某些方面比不过三菱和西门子，但是它也有着自己的特点。
西门子公司的产品主要面对高端市场的需求。
它有一个最主要的特点精确。
它的控制精度非常高，比信捷公司的产品精确度高了一个数量级。
但是，高精度带来了它的另一个特点：
昂贵。
功能一般的西门子PLC一台就达到了4000元的高度。
而在信捷公司，这个价格可以买下一套设备。
三菱公司主要面对的是中低端市场，不错的精度，还算低廉的价格给予它无穷的竞争力。
但是它的价格还是远远的大于信捷公司的产品。
廉价但相对高效是信捷公司的主要特点。
这个特点造成了它的PLC成了很多厂家的首选。
1.1.3系统的未来
膨化设备的发展在向智能化发展。
智能设备把人的思维动作进行数字化建模，然后，机器就能自己推测，判断，理解，识别，规划现在的状况。
它可以更好的通过人的操作经验来模拟机器的运行。
理论上来讲，他可以完全的消除系统的静态误差。
1.2课题研究方向
本次的设计最主要的是解决一个恒温的问题。
以前的恒温系统是以人力来操控的，费时费力。
所有我寻求一种能全自动的完成全部工序的系统，这就是今天我研究的膨化系统。
在这个系统中，人的双手得到了解放。
人只需要按几个按钮，加入原料，等待一段时间，再取出成品即可。
考虑到有些企业家对自动系统的不信任，该系统也可以由手动操作。
在手动操作的时候，我也要尽力的去减少人们的劳动量，所以，在手动操作时，只需操作一个量（蒸气阀的开度）即可。
显示的设计也是我要解决的问题之一。
首先，温度的显示肯定是最主要的，其次是各个部位的动作。
这次我准备用动画来编写，只要这部分动作，动画也会随着动作，这样简洁明了。
接下来要解决的是报警问题，当某个部分发生错误时，能让人一目了然的看出来，然后迅速排除这些问题。
还有当发生报警时，人们应该能停止这个设备的运行，所以急停按键式必不可少的。
在报警问题方面，还有一个要考虑的就是报警后什么时候清除记录的问题。
一种是问题解决的时候自动清除，这种方式简单不需要人工操作。
还有一种是故障排除后人为的手动清除。
最后对比了一下，我还是决定使用手动清除。
因为自动清除会带来一个问题，就是当电压出现波动的时候，接触器会反复的吸合和断开。
然后在屏幕上它就表现报警的实时闪烁，让人看不清楚。
虽然在手动清除的情况下，屏幕会出现刷屏，但这总比看不清问题来的好。
1.3课题研究的意义
研究这个问题，是为了解决产品的质量问题。
在以前的产品中，由于多数是人工控制，产品的味道颜色这方面会出现一些变化。
对于刚刚进厂的员工来说，由于对流程不熟，很有可能造出一些次品，增加企业的成本。
而把一个初级工培养成一个熟练工也会花去企业大把的时间。
在这种情况下，引入自动化设备就显的尤为重要了。
自动化设备操作简单，往往几个按钮就可以解决一个问题，而且很容易上手。
最主要的是，它足够稳定。
所有生产出来的产品的差异不会特别的大。
解决了生产问题，解决劳动力的问题也是这个设计的核心。
对于一个企业来说，最关键的就在于控制成本。
而我的个设计，正好能解决企业的问题。
首先，用了我的设备基本上就不需要工人了，企业就能省下一大笔的费用。
只要一次投入，以后就能一劳永逸了。
接着，采用自动化设备的机器可以一直工作，不用休息，即使天天满负荷运转，机器也不会有任何的怨言。
人工绝对做不到这一点。
最后，一般的膨化车间很闷，工人长期在里面工作可能会诱发各种各样的疾病。
工人生病可能会花很多时间来让自己痊愈。
机器就不一样，只需跟换一两个零件，他又能马上工作了。
1.4本章小结
在这个章节中，我们主要研究了这个课题的来源，发展现状，发展未来，研究方向，研究意义这几个方面。
主要阐述了该系统的优越性和采用这种系统的理由。
1.5本文研究的主要内容
第一章主要研究了这个课题的来源，发展现状，发展未来，研究方向，研究意义这几个方面。
主要阐述了该系统的优越性和采用这种系统的理由。
第二章介绍了膨化系统的构成，以及本系统的主要结构。
大体介绍了系统功能实现的基本思路，分析了系统设计的重难点。
第三章详细地介绍了系统的硬件选定以及各个硬件的使用方式跟注意事项。
整个硬件系统由PLC、变送器、水泵、触摸屏、扩展模块等部件组成。
各个部位相辅相成，组成了整个复杂的系统。
第四章详细地分析了系统的软件程序，包括两个工作模式的具体功能实现，温度，压力，报警系统，压力温度的换算。
第五章介绍了PLC扩展模块的设置及触摸屏的调试。
在调试过程中发生过很多问题，比如画面跳转不正确，对应寄存器错误等等，最后我都一一的解决了。
第2章系统方案设计
2.1膨化系统的基本结构
膨化系统由下面几个部分构成
（1）温控系统
温控系统是PID调节的主体系统。
它由蒸气阀，模拟量输入模块，数字量输出模块组成。
当温度过高时降低比例阀开度就能降温，当温度过低时，增加例阀的开度即可实现温度的基本稳定。
（2）冷却系统
这个系统不参与保持膨化罐内温度的稳定，它的主要作用是等食品膨化好后给膨化罐冷却降温，方便取出。
（3）压力系统
压力系统是用来控制真空罐内压力的。
每隔一定时间，位于底部的阀门会打开，由于真空罐内压强小，水蒸气会被压入真空罐内，借着这高温的水蒸气和巨大的压力差，食品将会瞬间膨化成型。
当真空罐内压力高于一个值时，真空泵就会启动，把里面的气体抽出来。
（4）监控系统
在触摸屏上显示各个位置的动作，当前的温度和压力。
当出错报警时，触摸屏上也有相应提示。
（5）密码系统
当使用超过期限时，所有输出点全部停止输出，直到输入正确密码为止。
2.2膨化系统的工作原理
食品的膨化利用的是压力差和热蒸气。
当热真气在一瞬间大量通过食品时，食品的外观和结构就会发生明显的形变，变成多孔，酥脆的膨化食品。
在本系统中，我的膨化罐内的压强始终保持一个大气压，在膨化罐下方有一个真空罐，它们之间有一个阀门。
当罐内温度保持一段时间后，阀门就打开，然后由于真空罐内压强小，水蒸气会被瞬间通过食物然后抽离。
这样膨化食品就做好了。
2.3控制系统方案设计
图2-1系统硬件框图
本次的设计由一台PLC控制三个膨化罐完成膨化过程，我就以其中一个罐子为例作详细的阐述。
系统的结构框图如图2-1所示。
PLC带有3个扩展模块，一个是输出点的扩展模块，一个是模拟量输入的模块，一个是数字量输出的模块。
模拟量的输入模块用来分别测量3个罐子的内部温度和1个压力仓的内部压力。
通过内部的PID算法，PLC把结果以数字量形势送到数字量输出模块，数字量输出模块经过转换通过模拟量控制热蒸汽比例阀开度。
比例阀的开度控制通过的热蒸气的量，最终达到恒温的效果。
恒温一段时间后，打开压力阀门。
由于真空罐内压力小于一个大气压，所以高温热蒸气快速通过需膨化的食物。
在高温，压力差的帮助下，食物迅速膨化完成。
然后关闭热蒸汽，开始注入冷却水，等冷却完成后开启排污。
排污结束就可以取出食物了。
若真空罐内的压力大于-1.0Mpa，真空泵启动，吸出多余气体，直至压力在-1.5Mpa停止。
需要特别说明的是，膨化罐内的温度控制控制在0~150度之间，压力在-0.15Mpa~0Mpa之间。
本次设计有两种模式可以选择，一种是自动模式，可以直接自动完成所有的控制。
一种是手动模式，通过直接调节比例阀的开度调节膨罐内的温度，通过控制压力阀门的打开关闭控制膨化的开始和结束。
在触摸屏上，我需要编写
（1）登陆界面，就是欢迎界面
（2）模式选择界面，可以选择手动还是自动模式
（3）ＰＩＤ调节界面，用来显示自整定后的PID参数
（4）品种选择界面
（5）手动界面，可以手动控制膨化罐子的比例阀开度
（6）自动界面，可以设定温度，膨化时间和观看已执行时间
（7）自动监控界面，用来监控各个方面的运行状况。
编写的时候采用动画编写，因此可以看到各方面的动作情况。
（8）手动监控界面
（9）历史报警界面，如果压力超过一个的度，就会报警
（10）广告屏保，如果一段时间没有使用就会跳出来进行屏幕保护
（11）密码界面，如果使用期限超标，就会自动停止Y点的所有输出，直到再次输入密码正确为止。
2.4本章小结
本章主要介绍了膨化系统的构成，以及本系统的主要结构。
大体介绍了系统功能实现的基本思路，分析了系统设计的重难点。
第3章系统硬件设计
系统主要是通过触摸屏进行运行状态的显示与控制。
其主要功能部件包括：
PLC、扩展模块、触摸屏等。
本系统需要控制3个膨化罐，每个膨化罐都可以实现手动和自动的控制。
下面，我就来介绍下它的硬件设计。
3.1PLC和输出扩展模块选型
3.1.1I/O端口分配
表3-1I/0端口分配
输入点名称
作用
输出点名称
作用
X0
第一罐停止加热
Y0
罐一放气口1
X1
第一罐停止冷却
Y1
罐一排污
X2
第二罐停止加热
Y2
罐一放气口2
X3
第二罐停止冷却
Y3
罐一加热通道1
X4
第三罐停止加热
Y4
罐一加热通道2
X5
第三罐停止冷却
Y5
罐一冷却通道1
Y6
罐一冷却通道2
Y7
罐一压力阀门
Y10
罐二放气口1
Y11
罐二排污
Y12
罐二放气口2
Y13
罐二加热通道1
Y14
罐二加热通道2
Y15
罐二冷却通道1
Y16
罐二冷却通道2
Y17
罐二压力阀门
Y20
罐三放气口1
Y21
罐三排污
Y22
罐三放气口2
Y23
罐三加热通道1
Y24
罐三加热通道2
Y25
罐三冷却通道1
Y26
罐三冷却通道2
Y27
罐三压力阀门
Y30
水泵
Y31
水泵
Y32
真空泵
Y33
水泵
由上表可知，我所需要的输入点总共为6个，我所需求的输出点为28个。
3.1.2信捷XC系列PLC简介
XC系列PLC的基本单元具备多个子系列产品线，机型丰富，可针对不同的用户、不同的工业现场，选择最佳的型号。
下面让我们了解下信捷的PLC。
信捷的PLC一般如图3-2所示。
图3-2XC系列PLC介绍
了解了信捷的PLC，让我们看看信捷PLC的命名规格。
信捷的PLC命名规则如图3-3所示。
图3-3PLC命名规则
3.1.3输出扩展模块
一般的扩展模块命名规则如图3-4所示。
图3-4PLC扩展模块命名规则
1指的是系列的名称XC
2用E字母指代扩展模块
3输入点数，输入点数总共有8点，16点，32点三种
4当NPN输入时用字母X表示，当PNP输入时用字母PX表示
5输出点数，输出点数有8点，16点，32点三种
6输出形式，YR为继电器输出，YT为晶体管输出
信捷的输出扩展模块一般有这几种：
（1）XC-E32YR
32点输出扩展模块
输出形式：
继电器输出
本体支持扩展最多7个模块连接
（2）XC-E16X16YR
16点输入16点输出扩展模块
输入形式：
NPN型
输出形式：
继电器输出
本体支持扩展最多7个模块连接
PNP型输出模块为：
XC-E16PX16YR
（3）XC-E16YR（T）
16点输出扩展模块
输出形式:
继电器输出/晶体管输出
本体支持扩展最多7个模块连接
（4）XC-E8X8YR（T）
8点输入8点输出扩展模块
输入形式：
NPN型
输出形式：
继电器输出/晶体管输出
本体支持扩展最多7个模块连接
PNP型输入模块为：
XC-E8PX8YR（T）
3.1.4最终选择
因为我不需要什么额外的功能，所以XC3系列完全能满足我的要求。
在输出点方面，我需要的总点数是33点其中输入点6点，输出点28点。
我首先考虑的是42点的PLC,但是，42点的PLC只有18点的输出，这显然不符合我的要求。
再看48点的，28点输入，20点输出，还是不够。
60点的也只有24点的输出，所以我决定使用扩展模块。
因为60点的PLC具有24个输出，我还差2个输出。
最终我决定使用XC3-60-RT-E
而输出扩展模块我使用的是XC-E16YR。
3.2扩展模块的选择
3.2.1模拟量输入模块
模拟量输入模块信捷公司只有一款XC-E4AD。
该模块具有如下特点：
（1）4通道模拟量输入：
可以选择电压输入和电流输入两种模式，其中电压输入有0～5V、0～10V，电流输入有0～20mA、4～20mA两种模式
（2）14位的高精度模拟量输入
（3）作为XC系列的扩展模块，它最多可以在PLC主单元右边连接7台，且具有PID调节功能。
它的只要技术参数如表3-5
表3-5XC-E4AD模块的参数
项目
模拟量输入
电压输入
电流输入
模拟量输入范围
DC0～5V、0～10V
DC0～20mA
最大输入范围
DC±18V
DC0～40mA
数字量输出范围
14位二进制数（0～16383）
分辨率
1/16383（14Bit）；转换数据以16进制形式存入PLC（14Bit）
PID输出值
0～K4095
综合精确度
0.80%
转换速度
20ms/1通道
模拟量用电源
DC24V±10％，100mA
安装方式
可用M3的螺丝固定或直接安装在DIN46277（宽35mm）的导轨上
外形尺寸
63mm×102mm×73.3mm
本次设计中，我需要用到3个电压输入和1个电流输入。
所以，我把通道0,1,2定为压力输入，模式就选择0~10V。
通道3作为电流输入，模式为4~20mA。
这些设置需要更改PLC上面的设置，这些我会在第五章系统调试中做进一步详细说明。
该模块具有4个通道，14个端子，每个端子的作用如表3-6所示
表3-6XC-E4AD模块的端子作用
通道
端子名
信号名
CH0
A10
电流模拟量输入
V10
电压模拟量输入
C0
CH0模拟量公共端
CH1
A11
电流模拟量输入
V11
电压模拟量输入
C1
CH1模拟量公共端
CH2
A12
电流模拟量输入
V12
电压模拟量输入
C2
CH2模拟量公共端
CH3
A13
电流模拟量输入
V13
电压模拟量输入
C3
CH3模拟量公共端
24V
﹢24V电源
0V
电源公共端
在本次的设计中，XC-E4AD模块作为第2个扩展模块来使用（第一扩展模块为输出扩展模块）。
当它作为第2个扩展模块时，我们需要知道它的寄存器定义号。
该寄存器的定义号如表3-7所示
表3-7扩展模块寄存器定义号
通道
AD信号
PID输出值
PID控制启停位
设定值
PID参数：
Kp、Ki、Kd、控制范围DIFF、死区范围Death
0CH
ID200
ID204
Y200
QD200
Kp---QD204
Ki---QD205
Kd---QD206
Diff-QD207
Death-QD208
1CH
ID201
ID205
Y201
QD201
2CH
ID202
ID206
Y202
QD202
3CH
ID203
ID207
Y203
QD203
这里需要特别注明的是：
启动信号（Y），当Y为0时关闭PID控制，为1时开启PID控制。
3.2.2模拟量输出模块
模拟量输出模块，信捷公司也只有一款XC-E4DA。
我们需要知道的是它的定义号分配。
它的定义号分配如下表3-8所示：
表3-8输出模块的定义号分配
通道号
一号单元
二号单元
三号单元
四号单元
五号单元
六号单元
七号单元
0CH
QD100
QD200
QD300
QD400
QD500
QD600
QD700
1CH
QD101
QD201
QD301
QD401
QD501
QD601
QD701
2CH
QD102
QD202
QD302
QD402
QD502
QD602
QD702
3CH
QD103
QD203
QD303
QD403
QD503
QD603
QD703
在本次的设计中，我们把模拟量输出模块作为第3个扩展模块来使用。
所以我们需要的数值在3号单元中可以找到。
3.3触摸屏的选择
3.3.1信捷触摸屏简介
信捷TH系列触摸屏具有如下显著特点：
（1）拥有触控校准功能，不过在校准过程中可能出现差错，所以不建议客户自行使用；
（2）支持多国语言文字，字体大小可调，可以使用下划线、斜体、粗体等格式，更可以加阴影等效果；
（3）拥有开关控制、数据动态显示监控、棒状图、实时/历史趋势图、时间趋势图、XY趋势图、XY折线图、离散/连续数据柱状图、实时报警、历史报警记录等完善控制功能；
（4）可以设置9级密码，完美达成了客户的权限设置；
（5）拥有在线模拟、离线模拟、数据上传，组态功能；
（6）拥有独创的C语言函数功能块，你完全可以用C语言编写你需要的程序，简单，快捷，方便；
（7）拥有USB-A（USB2.0标准）接口U盘数据备份功能，速率高达480Mbps。
同时拥有专用USB-B（USB2.0标准）下载接口，数据传输更为快捷；
（8）可以使动画按照设定的轨迹运动；
（9）拥有多个接口，可以
升级会员 