1 引言

    食品的殺菌流程為：食品必須經過殺菌機、冷卻機和干燥機三部分的依次作用來完成。舊式的殺菌系統通常采用繼電器式的自動控制柜，存在結構復雜、體積大、故障率高、通用性差且控制精度不高等問題，嚴重影響了殺菌流程的效率。隨著自動化和計算機技術的發展，新一代食品殺菌控制系統，不僅自動化程度高，易操作，而且生產效率和產品質量也大大提高。

    我們采用SIEMENS的小型PLC對整個殺菌系統進行控制，可實現較高的自動化程度，并能完成智能控制、狀態監測和故障保護等任務，同時還提供良好的人機界面和操作員進行交互，使得修改各種參數簡單、易行，對于機械設備的運行狀態能夠及進、快速、準確的反映。

2 系統的功能和硬件構成

2.1食品殺菌系統的主要功能及要求

    食品殺菌控制系統的工藝流程如下：由殺菌機的蒸汽調節閥產生設定溫度的熱水，對食品進行殺菌。接著進入冷卻機進行冷卻，由冷媒電磁閥控制冷卻機的內水溫。最后經過干燥機的干燥，把完成了殺菌作用的儀器由網帶送出。

根據上述工作流程，本食品殺菌控制系統要求：

(1)操作員能實現對殺菌過程中各個工作步驟的順序控制，該控制系統必須具有自動啟動、手動啟動、自動停止和手動停止殺菌機、冷卻機和干燥機的功能。

(2)對殺菌過程進行在線溫度/速度等物理量的檢測和控制，并實時顯示溫度速度值/速度值和水泵、閥及風機的狀態。

(3)可完成各種參數（如水溫，網帶速度和工號等）的設定。

(4)能夠定時、抽查和交班打印數據。

(5)實施必要的安全措施，如互鎖，緊急停車，現地越控，故障報警等。

2.2食品殺菌系統的硬件構成

    通過分析該殺菌控制系統的功能要求，我們采用SIEWMENS的S7 226可編程控制器作為該控制系統的CPU，外加數字IO模塊，模擬量輸入、輸出模塊進行擴展。為了提供便于交互的人機界面和設計的方便，我們選用了SIEMENS的觸摸屏TP27。同時采用EPS為的LQ300K打印機按用戶需要打印數據或報警信息。網帶電機的速度我們使用SIEMENS的MicroMaster變頻器來進行控制。上述研制配置可滿足本系統的各項功能，主電控柜包括PLC、擴展模塊、觸摸屏和打印機，主電控柜上方是用于聲光報警的蜂鳴器和報警燈。現地的控制屏用于顯示傳輸網帶速度，水槽內的水溫，也可越控（即直接手動控制該系統中的某些裝置而不受PLC的影響，主要用于PLC故障或緊急情況）。殺菌機、冷卻機和干燥機主要包括網帶電機、水泵電機、風機、攪拌機、補水電磁閥、蒸汽調節閥和冷媒電磁閥等執行器，同時包括溫度傳感器、液位開關、流量開關等用于判斷當前狀態和故障的傳感器。

3 控制方案

    在食品殺菌控制系統中，對于水泵，風機等開關量的邏輯控制比較簡單，傳輸網帶的控制雖然要復雜些，也不過是根據設定的速度進行模擬量輸出，不存在困難。

3.1控制的難點

    本系統中控制的難點在于水溫的控制，工藝要求殺菌機溫度控制范圍為：85℃~98℃，控制精度為：±1℃；冷卻機溫度控制范圍為：0℃~4℃，控制精度為：±2℃。

從本質上說，殺菌系統溫度控制的難點主要有兩方面，一是難以建立數學模型，二是其控制參數的時變性。具體的說，影響水槽內水溫變化的因素：

1)殺菌的食品的不同（量的不同和質的不同）導至水溫變化。

2)補水閥可能要對水槽進行補水（自來水），上述兩因素都是不確定的， 而可控制水溫的量僅有殺菌機的電磁調節閥或冷卻機的冷媒閥。

3)由于經電磁調節閥出來的蒸汽要經過一定的時間才能與水槽內的水相混合，故存在較大的時滯。

綜上，可以看出該水溫控制系統是一模型不確定、并存在較大時滯的系統，如果我們采用傳統的PID調節，無法給出能保證系統在任何情況下性能均良好的PID參數。我們可以考慮采用模糊控制技術。

3.2 模糊控制在水溫控制方案中的應用

   興起于70年代的模糊控制近年來取得了廣泛的應用，充分顯示了模糊控制在大規模系統、多目標系統、非線性系統和無適當傳感器可檢測系統中的良好的應用效果。模糊控制主要有不依賴精確的數字模型，對參數變化具有較強的魯棒性等優點。

    針對殺菌系統的水溫控制的特點，我們采用如下的控制器結構。在水槽內的溫度與設定溫度有較大的升溫和節能。在兩者溫差較小時，采用模糊控制，使系統具有良好的動態性能。為消除在零誤差附近的極限環振蕩，在溫差接近于零時，采用PID控制，引入積分，使系統在取得滿意的動態性能下，達到期望的穩態性能。

4 系統軟件設計

    本系統軟件的設計包括觸摸屏的軟件設計和PLC的軟件設計兩部分。

4.1觸摸屏的軟件設計

    對觸摸屏的編程，我們采用ProTool/Pro CS組態軟件。ProTool/Pro CS完整的圖形用戶界面允許用戶方便地創建面向對象的、基于符號的項目。在ProTool/Pro CS中界面上的操作單元與執行器之間通過PLC利用變量進行通訊，也即在觸摸屏可以直接讀或寫PLC上的存儲區域（地址）。

    為了提供給操作員直觀、生動的人機交互界面，我們可考慮把水泵，網帶等在運行時做成動畫，便由于ProTool/Pro CS組態軟件本身沒有動畫功能，為此，我們的解決方法是當上述裝置運行時，由PLC啟動定時器，把某個定時變化的值傳給TP 27觸摸屏，而觸摸屏根據該值來切換圖畫，以產生動畫效果。

4.2PLC的軟件設計

    我們采用STEP 7-Micro/Win32軟件工具包對PLC進行編程，該工具軟件包為S7-200 CPU與其它微型系統部件（如觸摸屏呀MicroMaster變頻器）的使用提供了便利。PLC的軟件設計部分我們采用模塊化的方法，大致可分為自動啟動/停止模塊、手動啟動/停止模塊、通訊模塊、報警模塊、水溫模糊PID混合控制模塊5個部分。

4.2.1自動啟動/停止模塊

    為了方便操作員，本殺菌控制系統具有自動啟動/停止功能。冷卻機自動啟動的程序流程圖如圖3。殺菌機、干燥機的自動啟動程序流程圖類似。

而自動停止的流程，則按上述的逆序依欠關閉風機、網帶電機、冷媒閥和水泵。

4.2.2手動啟動/停止模塊

    為了提供更加靈活的功能，我們也可讓操作員手動來啟動或停止指定的風機、網帶或水泵。我們的方法是在程序中設置一些標志位，分別對應上述執行器的開或關，當需要啟動或停止某一執行器的時候，我們不是直接去控制該執行器的輸出，而是去改變上述標志位，同時在PLC的主程序中根據該標志位來執行相應的動作，由于PLC一直在不斷地循環掃描程序，根據標志馬上能執行相應地動作。

4.2.3通訊模塊

    由于我們用MicroMaste變頻器對網帶電機進行調速，所以本殺菌系統中對網帶的控制，實際上就是對其MicroMaster變頻器的控制。STEP 78-Micro/Win32軟件工具包提供了USS通信協議，從減少軟件的工作量和提高可靠性出發，我們采用USS協議來完成PLC與變頻器的通信。與變頻器的通信，對PLC的CPU掃描是異步的，完成一個變頻器通信事務通常需要幾次CPU掃描。這取決于連接的變頻器數目，波特率，以及CPU的掃描時間，使用USS協議的編程順序如下：

（1）通過調用USS_INIT指令改變USS通信參數，如啟用或禁止USS協議、設定波特率，指示哪些地址的變頻器是激活的（即可與之通信）。標志為激活的任何變頻器都自動地在后臺進行輪詢控制，匯集狀態，并防止變頻器的串行鏈路超時。

（2）把V存儲器地址分配給USS協議。

（3）通過調用DRV_CTRL指令來控制指定的變頻器，如啟停，控制方向，投定速度，查詢變頻器返回的狀態字等。也可調用READ_PM或WRITE_PM指令來讀取或寫變頻器參數。

（4）配置變頻器參數，以便與程序中所用的波特率和地址相匹配。

采用上述方法，我們可以很好地控制網帶的速度并查詢變頻器的狀態，把診斷信息反饋給PLC。

4.2.4報警模塊

    為了實時通知操作員故障消息，以便盡快地排除故障，確保整個殺菌系統正常運行，本控制系統具有良好的故障報警措施。系統中一旦有諸如水溫過高、過低，水位過低，傳輸網逞過載，風機故障，流量過小等故障，馬上切斷該設備，并啟動蜂鳴器和燈光，進行聲光報警，同時把故障消息打印輸出，操作員也可在觸摸屏上查詢故障類型和發生時間。為了提高可靠性，我們在程序中進行了相應的安全保護。如冷卻機主水泵故障時，除進行故障報警、切斷主水泵外，還自動啟動備用水泵。

    我們在PLC程序中始終對相應的傳感器輸入信號進行掃描，一旦發現故障，馬上進行聲光報警并切斷該輸出。考慮到工業現場可能的干擾，1）我們在程序中延遲報警，即只有當報警信號持續一定的時間（一般為幾十毫秒到幾百毫秒），才認為有故障。2）在啟動設備時，逐步開啟報警；而在停止設備時，逐步阻塞報警。上述兩個措施可有效的防止誤報警。

4.2.5水溫的模糊PID混合控制模塊

    根據水溫控制方案，當水溫與設定溫定有一定差時，采用模糊控制，當兩者接近時采用PID控制。我們選取設定溫度與當前溫度的差e,以及的變化率△e作為模糊控制器的輸入，PLC模擬輸出模塊的控制量u作為模糊控制器的輸出。

    為了完成模糊控制，需進行以下步驟：（1）量化，（2）制定模糊規則，（3）根據輸入和模糊規則，計算各種情況下的精確控制量，得到控制表。由于上述過程都是離線得到，并不影響控制時間。

為了完成PID控制，我們需要完成下列工作：

（1）回路控制類型的選擇，本系統中，我們僅采用比例、積分回路就可以滿足要求。

（2）回路輸入的轉換和標準化。每個PID回路有兩個輸入量，給定值（SP）和過程變量（PV）。本系統中的給定值和過程變量是水槽內的水溫，在PID計算之前我們必須把這些現實世界的物理量轉化為標準的浮點型實數。

（3）回路輸出值轉換成刻度整數值。回路輸出值一般是控制變量，本系統中是閥的開度，是0.0~1.0之間的標準化了的實數值，在回路輸出驅動模擬輸出之前，必須把回路輸出轉換成相應的16位整數，以提供給模擬輸出模塊。

為了讓PID運算以預想的采樣頻率工作，我們把PID控制放在定時發生的中斷程序中。

5 結束語

    本殺菌控制系統的硬件有PLC、觸摸屏、變頻器等。波及到PLC對開關量，模擬量和水溫的控制，PLC與變頻器的通訊，人機交互界面的設計，故障報警，數據打印等，是一典型的工業現場控制系統。我們在分析功能要求的基礎上，給出了良好的解決方案，該系統在河南某食品加工廠已投入運行，運行情況表明本系統自動化程度高，水溫控制情況良好，抗干擾能力強，大大提高了勞動效率。