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1、 辽宁科技大学本科生毕业设计 第II页基于PLC的食品杀菌通信和温度控制系统设计摘要众所周知，温度是工业生产和科学实验中一个非常重要的参数。物体的许多物理和化学性质都与温度有关，许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的，因此需要测量温度并进行有效的温度控制。课题针对食品杀菌过程中温度较难控制的问题，采用PLC软件中PID控制器进行解决。在工业生产中，常采用闭环控制方式来控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量。为了使控制过程稳定准确，在对模拟量进行采样检测之外，还要对采样结果进行PID运算，根据运算结果，形成对模拟量的有效控制。本论文以西门子S7-200系列可编程序控制器(PLC)为主要控制设备
2、，实现了食品杀菌过程中对温度的精确控制，并在设计中实现了PLC间的通信等功能。在S7-200PLC中，通过PID回路指令处理模拟量的控制是非常方便的。本文介绍了PID控制器在食品杀菌温度控制系统中程序设计的全过程，对食品杀菌温度的控制选用PLC中的PID功能指令的编程方法来实现,满足了系统的控制需求。关键词：食品杀菌；温度控制；PLC通信；PID调节Based on PLC food sterilization communication and temperature control system designAbstractIt is well known that temperature
3、 is a very important parameter in industrial production and scientific experiments. Many physical and chemical properties are related with temperature. Many production processes work in some certain temperature range, so temperature needs to be measured and controlled effectively. Aiming at the prob
4、lem that it is difficult to control temperature in food sterilization process, PID controller in PLC software was adopted to overcome it in the paper. In the industrial production, closed-loop control is usually used to control temperature, pressure, flow and other continuously variable analog quant
5、ities. In order to make the system stable and accurate, not only analog quantities need to be sampled and measured, but also the sample result need to be computed with PID algorithm, then according to the results of operations, analog can be controlled effectively. The PLC of Siemens S7-200 as a mai
6、n control device was adopted in the paper, to implement the control precisely in food sterilization control system, and implement the function of communication between PLC. It is convenient to deal with the control of analog with PID loop instruction of S7-200PLC. The whole design process of PID con
7、troller in food sterilization temperature control system was introduced. The programming instructions of PID function in PLC were used to realize temperature control of food sterilization to meet the control needs of system. Key words：food sterilization; temperature control; PLC communication; PID a
8、djustment 目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 课题背景和意义11.2 课题发展现状和趋势11.3 课题研究内容和论文简介22 PLC和STEP7介绍42.1 可编程序控制器的基础42.1.1 可编程序控制器的产生和应用42.1.2 可编程序控制器的组成和原理42.1.3 可编程序控制器的分类和特点72.2 STEP7介绍72.2.1 STEP7概述72.2.2 硬件接口与项目结构82.2.3 模块简介93 食品杀菌控制系统硬件设计113.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤113.1.1 PLC控制系统设计的基本原则113.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤133.2
9、 PLC的选型和硬件配置143.2.1 PLC的型号选择143.2.2 S7-200 CPU的选择153.2.3 温度传感器选型153.2.4 食品工业中杀菌设备选型154 食品杀菌控制系统软件设计184.1 PLC程序设计方法184.2 温度控制程序设计194.2.1 设计思路及控制原理194.2.2 PLC外部接线204.2.3 控制流程图214.2.4 PID参数整定224.2.5 PLC控制系统梯形图234.3通信控制程序设计264.3.1控制要求264.3.2编程思路264.3.3程序设计27结论30致谢31参考文献321 绪论1.1 课题背景和意义随着现代工业的逐步发展，在工业生产
10、中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。这方面的应用大多是基于单片机进行PID控制,然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂,特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处,然而PLC在这方面却是公认的最佳选择。随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID控制功能,因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的，通过采用PLC来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高
11、被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，PLC的出现很好的解决了一个工业生产中经常会遇到的问题，温度的控制问题。温度和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工业生产中最常见最基本的工艺参数，并且随着人们生活水平的提高，人们对自己的生存环境越来越关注，空气中温度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响。总之，温度的检测与调节仪器的设计和开发具有非常大的市场前景和实用价值。1.2 课题发展现状和趋势食品杀菌：就是以食品原料、加工品为对象，通过对引起食品变质的主要因素，微生物的杀菌及除菌，达到食品品质的稳定化，有效延长食品的保质期，并因此降低食品中有害细菌存活数量，避免活菌的摄
12、入引起人体(通常是肠道)感染或预先在食品中产生的细菌毒素导致人类中毒。目前在我国高温杀菌一般采用水浴式杀菌和蒸气杀菌即我们常说的水杀和汽杀两种杀菌方式，上个世纪九十年代开始为了满足软包装等特殊的产品生产要求，开始从日本引进双层杀菌锅即日式杀菌锅，新世纪伊始，西班牙、德国、法国等欧洲国家为了节约能源和水资源，推出一种带热交换器的水淋式杀菌锅，特别是法国采用最先进的锅内蒸气循环系统，以达到高温节能、短时高效、节约水资源等目的。现在我们国内的全自动杀菌锅大多数都采用日式锅的理念，从前两年开始有了模仿欧洲技术带热交换器的水淋式杀菌，今年我们在法国杀菌锅基础上开发一种全新概念的水汽混合杀菌，在继承了法国
13、高温节能、短时高效、节约水资源等优点基础上，主要优化了锅内热力分布效果，堪称世界上最先进的全自动杀菌锅。在食品杀菌的方法上，超高压杀菌技术和超高温瞬间杀菌技术，广泛用在各类罐藏食品、饮料、酒类、药品、乳品的生产中。后一种方法，由于其独特的优点，已发展为一种高新食品杀菌技术。电阻加热已成功地用于各种包含大颗粒的食品和片状食品的杀菌，如马铃薯、胡萝卜、蘑菇、牛肉、鸡肉、片状苹果、菠萝、桃等。超高压杀菌技术最大优越性在于它对食品中的风味物质、维生素C、色素等没有影响，营养成分损失很少，特别适用于果汁、果酱类食品的杀菌。膜过滤除菌技术已在食品、生物制药等工业生产中得到广泛应用，例如生化物质的提取、纯水
14、的制备、果汁的浓缩等。另外还有一种杀菌方式，巴氏杀菌法:巴氏杀菌是指温度比较低的热处理方式，一般在低于水沸点温度下进行。它是一门古老的技术，由19世纪法国医生巴斯德首创，至今仍有一定的应用价值。巴氏杀菌是最早的杀菌方法，利用热水作为传热介质。杀菌条件为6163 ，30 min，或7275 ，1015 min。加热时应注意物料表面温度较内部温度低45 ；此外，当表面产生气泡时，泡沫部分难以达到杀菌要求。这种杀菌方法，由于所需时间长，生产过程不连续，长时间受热容易使某些热敏成分变化，杀菌也不够理想，目前在大中型食品厂中已很少采用。其它几种杀菌方法是以后食品杀菌行业的发展趋势。1.3 课题研究内容和
15、论文简介食品的杀菌流程为：食品必须经过杀菌机、冷却机和干燥机三部分的依次作用来完成。旧式的杀菌系统通常采用继电器式的自动控制柜，存在结构复杂、体积大、故障率高、通用性差且控制精度不高等问题，严重影响了杀菌流程的效率。随着自动化和计算机技术的发展，新一代食品杀菌控制系统，不仅自动化程度高，易操作，而且生产效率和产品质量也大大提高。我们采用西门子的小型PLC对整个杀菌系统进行控制，可实现较高的自动化程度，并能完成智能控制、状态监测和故障保护等任务，同时还提供良好的人机界面与操作员进行交互，使得修改各种参数简单、易行，对于机械设备的运行状态能够及时、快速、准确的反映。 本论文研究的是PLC技术在温度控制系统上的应用。从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、系统流程图、程序设计，控制算法的选择和参数的整定，人机界面的设计等。 本论文通过德国西门子公司的S7-200系列PLC控制器，温度传感器将检测到的实际温度转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，输出信号通过继电器控制阀门开闭控制温度。总体上包括:硬件设计，软件编程，参数整定等。全论文分四部分，各章的主要内容介绍如下。1对食品杀菌通信和温
