摘 要： 食品工業(yè)的飛速發(fā)展帶動了真空預冷技術的快速發(fā)展。以西門子公司的S7—200型PLC為例，介紹了PLC在真空預冷試驗臺中的應用。實驗證明，PLC在真空預冷實驗裝置中安全可靠、經濟實用、操作維護方便、自動化程度高，可滿足試驗要求。
關鍵詞： 可編程序控制器；通信；真空預冷；實驗研究
真空預冷就是在真空條件下，使水在真空室內以較低的溫度迅速蒸發(fā)，水在蒸發(fā)過程中需吸收大量的熱量，在沒有外界熱源的情況下，便會在真空室內產生制冷效果。真空預冷實驗裝置根據(jù)此原理設計開發(fā)，用于蔬菜、鮮花、瓜果保鮮的研究[1-2]。
PLC即可編程控制器，是專為工業(yè)環(huán)境下的應用而設計的一種數(shù)字運算操作的電子裝置，它在制冷 行業(yè)中被越來越廣泛地應用。
1 PLC的特點
PLC是以嵌入式CPU為核心，輔以輸入、輸出等模塊，可以方便地用于工業(yè)控制領域的裝置。PLC具有以下幾個顯著的特點：
(1)可靠性好，平均無故障時間可高達5萬～10萬小時以上；(2)功能完善，目前的PLC幾乎可以完成所有的工業(yè)控制任務；(3)編程簡單，類似繼電器控制系統(tǒng)圖的梯形圖語言，非常容易被技術人員掌握；(4)在線編程，當PLC聯(lián)網后，可以在網絡的任一位置對PLC編程；(5)由于采用模塊化的結構，易安裝。
另外PLC還有體積小、重量輕、功耗低、價格越來越便宜的優(yōu)點。PLC的用途主要有取代繼電器控制、過程控制、位置、速度控制、數(shù)據(jù)監(jiān)控、組成分散控制系統(tǒng)等。
西門子公司的S7-200PLC系統(tǒng)是緊湊型可編程控制器。系統(tǒng)的硬件構架由構成系統(tǒng)的CPU模塊和豐富的擴展模塊組成。S7-200除具有PLC基本的控制功能外，還具有功能強大的指令集、豐富強大的通信功能、編程軟件的易用性等特點[2]。
2 真空預冷試驗裝置控制要求
真空預冷試驗裝置主要由制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成，食品降溫在真空室內實現(xiàn)[3]。實驗臺在啟動時須先啟動制冷系統(tǒng)，當制冷系統(tǒng)中補水器盤管的溫度達到實驗要求的溫度時，便開啟真空泵。實驗過程中需要的實驗數(shù)據(jù)有：實驗樣品的溫度、重量；真空室的真空度、溫度；制冷系統(tǒng)盤管溫度；各個用電設備的電壓、電流、功率等。實驗過程中試驗者能夠對試驗樣品實時監(jiān)控。
3 PLC在真空試驗臺中的應用
3.1 西門子PLC的CPU及模塊的選型和控制系統(tǒng)設計
真空預冷試驗臺是一個單位控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)沒有特殊的控制功能，因此使用一臺PLC就可以滿足需要。食品真空冷卻過程中，要檢測溫度（8個）、壓力（1個）、重量（1個）等信號，要對水泵、制冷機和真空泵進行控制。裝置要求最少10個輸入、3個輸出，要求CPU可連接擴展至少3個模塊，因此，選定CPU型號為CPU224。因為要控制真空泵和制冷機需要有較大的電壓和電流進行驅動，而繼電器能夠承載所用設備。所以，CPU的 輸出類型選用繼電器輸出。
測溫元件為T型熱電偶，本文采用S7-200系統(tǒng)的EM231TC測量模塊進行測溫過程的信號轉換。EM231TC是熱電偶輸入模塊，4輸入通道。裝置測溫點位為8個，因此需要引入2個熱電偶模塊[4]。
裝置要進行壓力和重量的檢測，本試驗臺選用EM235模擬量混合模塊4通道電流/電壓輸入、1通道電流/電壓輸出。該模塊能夠實現(xiàn)信號轉換和輸出功能。
檢測系統(tǒng)的功率和能耗等選用青島青智儀器有限公司生產的8775A型數(shù)字電參量測量儀，該儀器利用數(shù)字采樣技術對信號進行分析處理，并擴展了RS485串行口，還帶有并行口，可以與計算機連接通信。
根據(jù)實驗的控制要求，設計了系統(tǒng)的控制原理圖，如圖1所示，圖中 K1、K2、K3為繼電器，PLC通過繼電器來控制水泵（M）、制冷機（N）、真空泵（P）。來自壓力傳感器的電流信號，通過并聯(lián)一個5Ω電阻分壓將信號傳至EM235模擬量擴展模塊；來自重量傳感器的電壓信號，與EM235模擬量擴展模塊連接。
電源的供電能力為：5 VDC/660 mA和24 VDC/280 mA，通過計算可知，CPU內部電源可以滿足CPU及各模塊的需求。 程序下載后，利用上位機的串口調試軟件，可以檢測到PLC將送到上位機的信息，此時已初步實現(xiàn)了PC－PLC自由通信。但這些信息是以字節(jié)的形式反映出來的，還不能輕易識別，要將它們轉化成易懂實用的數(shù)據(jù)，還需要進行上位機編程。 在VB中，MScomm控件是串行通信控件，它提供很多操作方便的屬性和方法，可以很方便地實現(xiàn)通信。使用MScomm控件主要是通過事件來處理串行口的交互，即當數(shù)據(jù)到達時，控件的OnComm的事件就會來捕獲或處理這些通信事件。而OnComm事件也可以用來捕獲和處理通信錯誤。在實際應用中，一個MScomm控件就對應一個串行口，所以如果要處理多個串行口的話，必須有相應數(shù)量的控件與之對應。在本系統(tǒng)中要用到2個串行口，與之對應的要有2個MScomm控件。
3.2 電源校核計算
所有的S7-200CPU都有內部電源，為CPU和擴展模塊以及其他用電設備提供5 V、24 V直流電源。但是如果系統(tǒng)擴展模塊和設備用電量超出了CPU所提供的5 V或24 V電源的供電能力，則需要增加一個外部電源進行供電。
根據(jù)上面所選的CPU及擴展模塊，可以計算系統(tǒng)電源需求量如表1所示。
3.3 系統(tǒng)的軟件設計
3.3.1界面設計
試驗臺用西門子公司的Step7語言編寫PLC端的通信和控制程序, 在PC端用VB6.0實現(xiàn)串行通信的控制和監(jiān)控界面的顯示。圖2所示為顯示與控制界面。
3.3.2 通信及通信協(xié)議設計
本試驗臺采用自由口(FreePort)通信方式，由用戶定義通信協(xié)議，實現(xiàn)PLC與外設的通信。這種方式不需要增加投資，有較好的靈活性，適合小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)。西門子公司提供的PC/PPI電纜帶有RS232/RS485電平轉換器，可以很方便地將PLC和PC機互聯(lián)[5]。
自由口通信協(xié)議通過用戶程序可以控制S7-200CPU通信口的操作模式。利用自由口模式，可以實現(xiàn)用戶自定義的通信協(xié)議連接多種智能設備。在自由口模式下，通信完全由用戶程序控制。計算機作為主站，可以實現(xiàn)對PLC從站寄存器的讀寫操作。計算機通過COM口發(fā)送指令到PLC的PORTO口，PLC通過RCV接收指令，再對指令譯碼后實現(xiàn)指令要求的操作。用戶程序通過使用接收中斷、發(fā)送中斷、發(fā)送指令(XMT)和接收指令(RCV)控制通信口的操作。
3.3.3 PLC通信程序設計
根據(jù)裝置和模塊的特點，系統(tǒng)要檢測8個溫度值、1個壓力值和1個重量值。S7－200PLC的3個模擬量擴展模塊分別完成各傳感器回送信號的預處理工作，然后由CPU將處理過的信號傳到發(fā)送緩沖區(qū)，如圖3所示。在先前進行的內存分配工作中，已經劃定VB199以后的若干字節(jié)為發(fā)送緩沖區(qū)。
3.3.4 PC通信程序編制
系統(tǒng)要實現(xiàn)溫度、壓力、重量等信號的實時采集，上位機必須實現(xiàn)與PLC、電參量測量儀的通信。PC機與各儀器的通信流程圖如圖4所示。
3.3.5 PLC控制程序設計
本系統(tǒng)程序采用順序功能圖進行編制，而且西門子公司專為用戶提供了功能圖編程設計的指令。在PLC的程序編制過程中，還要充分考慮裝置的控制特性：真空冷卻過程中要先開啟水泵M0、開啟制冷機M1，然后是真空泵M2，最后依照實驗要求依次關閉真空泵、制冷機和水泵；另外從節(jié)能的角度考慮，當溫度值達到足夠低時可以關閉制冷機以減少裝置能耗。本系統(tǒng)應能設置不同的工況，保證裝置能按既定的方案運行。圖5和圖6所示為裝置操作示意圖和功能圖。通過程序編制，裝置能夠在線檢測溫度、壓力、功率、功率因數(shù)、能耗等相關模擬量。
本文介紹了PLC在真空預冷試驗臺中的數(shù)據(jù)采集與控制，詳細地介紹了PLC的選型計算和程序編寫過程。首次將PLC用于真空預冷設備，在程序中設置了自動和手動操作、數(shù)據(jù)的自動保存、電腦的實時監(jiān)控等功能。通過試驗證明，將PLC用于真空預冷實驗裝置，具有抗干擾能力強及其安全可靠的特點，使整個真空預冷實驗系統(tǒng)都得到了優(yōu)化。
參考文獻
[1] 韓志, 謝晶. 真空預冷實驗機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與實驗研究[J]. 農產品加工報,2006(3):17-19.
[2] 殷洪義. 可編程序控制器選擇設計與維護[M]. 北京:機械工業(yè)出版社，2004:174-233.
[3] 周冰, 陳兒同, 徐波,等. 真空冷卻中的氣體溫度變化特性研究[J]. 制冷學報， 2006,27(6):18-23.
[4] 蔡軍, 曹慧英. 基于PLC的溫控系統(tǒng)設計與研究[J].微計算機信息，2007(2-1):26-28.
[5] 吳超群, 吳昌林. PC機與PLC之問的通訊在工業(yè)控制中的應用[J].機床與液壓，2004(1).