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1、连续烤蛋机的PLC控制引言鸡蛋是菜篮子工程主要项目之一，目前，我国鸡蛋主要为食用，开发鸡蛋深加工技术，有利于促进畜牧业发展，提高鸡蛋深加工水平和商品价值，改善我国人民饮食习惯，蛋制品深加工前景广阔【1】。利用焙烤机械对鸡蛋进行烘烤可以作出琥珀色光亮，具有浓郁香味且同时具有卤、茶蛋香味的新型蛋制品。烤蛋一般要经过选蛋、清洗、处理、烘烤四个工艺过程，烤蛋的加工质量，在很大程度上取决于合理的加工工艺，影响烤蛋的加工质量的参数很多，其中温度、湿度、时间影响较为显著。选取合适的工艺参数是重要和必要的，而烤蛋机是确保工艺路线贯彻执行的关键【2】。烤蛋的烘烤过程存在参数的测控问题， PLC作为一种通用的工业
2、控制器，它的可靠性高、柔性好、控制方便、价格低廉，特别适合于自动化机电设备，目前大量的机械设备采用PLC控制系统，实现了自动化、柔性化和网络化，所以将PLC技术应用于烤蛋机中，必将提高产品质量，改善烤蛋工艺过程。本文采用S7-300PLC，其运算速度快、循环周期短，编程功能强，扩展性能好，作为控制功能扩展，它可以通过多点模拟量输入/输出模块、温度测量模块，实现现场温度、速度、电机速度等参数的控制、测量、调节功能，比较适合于所设计的烤蛋机如果利用PLC的网络化与通信功能，使其与自动剥蛋皮机、自动化包装机连接，能够实现烤蛋生产的自动化。【3】一、烤蛋机的总体结构设计（一）总体规划【4】连续烤蛋机主
3、要有炉体部分，加热系统，传动系统，排潮系统，电气控制系统等部分组成。炉体部分采用金属架构炉体由型钢构架，金属薄板和保温材料组成，型钢构成骨架，金属薄板安装在构架两侧，中间填充保温材料，减少热量损失。炉体的截面采用拱形形状，它的顶部成圆弧状，加热时需要的热量将会有所增加，但拱形顶部的便于水蒸汽排放，避免形成积聚水蒸气的死角，对烤蛋的质量有利。连续烤蛋机总体结构如下图所示：9712346581炉体外罩2排气管 3保温层 4上加热元件5喷油嘴6光电传感器 7螺旋杆 8鸡蛋 9下加热元件图1-1烤蛋机结构示意图（二）加热和保温系统1加热原理本烤蛋机采用远红外加热元件进行加热。远红外线是一种电磁波，其波
4、长为31000um,它与可见光线一样按直线传播，并服从透射和吸收定律，当远红外辐射器所产生的电磁波以光速直线传播到物体时，远红外线的发射频率与被烤物料中分子运动的固有频率相同，就引起物料中的分子强烈振动，在物料中发生激烈摩擦产生热而达到加热的目的。2.加热元件加热元件采用管式半导体远红外辐射器加热元件。3.炉体保温。炉体保温材料选用耐火纤维其密度为100-300/m,导热系数为0.054w/mk。4.元件排布整体炉有三段组成，第一段为加热升温阶段，此段要求温度升温比较快，因此加热元件排布较为密集，元件数量也较多。中间段为保温成熟阶段，需要温度较为稳定，加热元件的数量比第一段要少，密集程度也较低
5、。第三段为上色阶段，加热元件的数量比中间段较少，密集程度更低。当蛋品缓慢的通过这三个温度段时，温度要保持在80左右。（三）传动系统传动系统由六根螺旋组成，每两根一组中间传送蛋品，共有五排蛋品同时进行传送，螺旋杆的转动由电动机经一级减速齿轮减速后进行传动。蛋品在螺旋杆上的运动速度由电动机的速度改变来控制。（四）排潮系统排气管的位置在第一段和第二段温区上，这样可以保证水蒸气引入中部蒸发区，这样可以进一步提高烤炉的效率，对上色有利。同时从后部引入的水蒸气把中部蒸发区表面的水膜吹散，有利于水分的蒸发和扩散，另外为了保证第一阶段获得迅速的蒸发和良好的升温，可将中部大量水蒸气引入烤炉入口端。L/16L/1
6、6L/4L/4L 图1-2 排气管分布图（五）喷油装置为了提高蛋品的光泽度，改善口味，在烤炉的后半段安装有喷油装置。当蛋品运动到烤炉的最后一段中间位置时开始喷油，喷嘴共有六只，其中上方三只下方三只，这样可以使上下同时喷油，喷嘴做成扁形的，使喷雾更加均匀。喷油的压力一般为0.81.0MPa.为降底低油的粘度使油从喷油机构中顺利通过，并易形成油雾，同时使油温与蛋品温度相差不大，贮油槽中的预先加热到50左右。蛋品从烤炉左端进入右端输出，贮油槽中的油经滤油器被齿轮泵打入上下箱体的喷嘴。了防止油雾从入口处逸出，在进出口处设置有油雾回收管，抽气泵将回收的油送入冷凝器，以便使之冷凝成液体，送回贮油槽重复使用
7、。【5】喷油系统示意图如下图所示。3714685921上箱体 2下箱体 3齿轮泵 4贮油槽5油雾冷凝器6抽气泵 7螺旋杆 8喷油嘴 9电磁阀图1-3 喷油系统图二、烤蛋机监测控制系统（一）温度监测控制系统PLC的温度测量模块，烤炉中的三段炉温由热电偶电热传感器进行测量，检测到信号后送到PLC的温度测量模块，再由PLC进行处理，然后由模拟量输出模块进行电压输出，利用电压控制温度【6】。温度监测控制系统原理图：测 温 元 件PLC温度测量模块P L C模拟量输出模块升压变压器远红外加热元件（二）颜色检测控制系统在烤炉的第二段和第三段之间处安排有颜色测量装置，重点用于调节第三段的温和螺旋杆的转速，鸡
8、蛋的颜色由光电传感器测量，当鸡蛋的颜色发生变化时将信息反馈到PLC，由PLC重新调整烤炉内加热器的热量和螺旋杆的速度。颜色检测控制系统原理图：光电传感器PLC模拟量输入模块P L C模拟量输出模块电机加热元件（三）速度测量控制系统在螺旋杆传动处安装有测速电机，用于检测螺旋杆的转速。等蛋品的颜色达不到要求时，PLC将降低螺旋杆的转速，以保证蛋品的成熟，当满足要求时尽可能提高转速。速度测量控制系统原理图：测速电机PLC模拟量输入模块P L C模拟量输出模块变频器电 机（四）位置检测系统蛋品运动到一定位置时由光电检测开关检测，将信号发送到 PLC，再由PLC输出信号驱动油泵电机开始喷油。位置检测系统
9、原理图：光电检测开关PLC数字量输入模块P L C数字量输出模块齿轮油泵电 机三、PLC控制系统规划（一）系统规划1.系统描述。连续烤蛋机的主要传动机构为螺旋杆，蛋品在两根螺旋杆上运动，在运动中自左向右经历第一、第二、第三共三个温区，其中第一温区为升温温区，此段要求升温速度越快越好，第二温区为保温成熟温区，是蛋品主要的成熟阶段，第三温区为上色温区，此段为蛋品颜色形成的重要阶段。其中每个温区分别安排有一个电偶温度传感器，第二温区和第三温区之间安装有光电传感器用于测量蛋品的颜色，在第三温区中段安装有喷油装置。【7】连续烤蛋机的螺旋杆的转动由三相异步电动机通过减速器带动，螺旋杆的转速由测速电机进行测
10、量，三相异步电动机采用变频调速，其转速根据检测到的温度和鸡蛋的颜色来调节。其工艺流程图如下图所示：入 口第一温区第二温区第三温区温度测控温度转速测控出 口颜色测量喷 油温度测控2.控制要求。整个烤炉由触摸屏进行操作与控制，系统启动通过屏上的ON按钮进行，系统停止与紧急停止共用一个按钮，系统启动后通过指示灯显示当前状态，为了实现自动控制，各项要求按需要输出，主要有以下几项：（1）检测参数：烤炉中的三个温度检测点的检测值，螺旋杆的转速值，鸡蛋颜色的反应值。（2）温控输出：烤炉中三个远红外加热器的温度控制。（3）控制输出：烤炉中螺旋杆电机的转速。（4）提供手动/自动两种方式：手动时螺旋杆电机的启动停
11、止，三段远红外加热器的启动/停止，以及各监测控制装置的启动停止，通过手动按钮实现控制，自动方式由PLC系统控制实现。（二）控制要求表表3-1 温度控制要求表控制对象远红外加热器规格半导体远红外加热器控制方式手动控制/自动控制输入点数3点输出点数3点工作条件1工作停止2紧急停止时未动作表3-2 螺旋杆电机控制要求表控制对象交流异步电机规格交流异步电机控制方式手动/自动输入点数1点输出点数1点工作条件1工作停止2紧急停止时未动作（三）确定硬件配置与选择 PLC1.操作面板的选用操作面板采用两种方式，一种是硬面板，主要是手动时进行操作，由按钮和指示灯组成。另一种是软面板，选用触摸屏，触摸屏不但可以显
12、示多种文字信息，而且可以显示流程示意图，图形显示直观，它不但有独立的CPU与存储器几乎与任何型号的PLC相连接【8】。表3-3 按钮要求表序号名称要求数量作用备注1按钮SB10按下1第一温区加热器启动PLC输入断开第一温区加热器停止2按钮SB20按下1第二温区加热器启动断开第二温区加热器停止3按钮SB30按下1第三温区加热器启动按下第三温区加热器停止4按钮SB40绿色1螺旋杆电机启动5按钮SB41红色1螺旋杆电机停止6按钮SB50按下1所有检测装置启动断开所有检测装置停止7按钮SB60绿色1喷油泵启动8按钮SB61红色1喷油泵停止9按钮SB70红色1紧急停止表3-4 指示灯要求表序号名称要求数
13、量作用备注1指示灯E10亮1第一温区启动PLC输出灭第一温区停止2指示灯E20亮1第二温区启动灭第二温区停止3指示灯E30亮1第三温区启动灭第三温区停止4指示灯E40绿色1螺旋杆电机启动5指示灯E41红色1螺旋杆电机停止6指示灯E50绿色1油泵电机启动7指示灯E51红色1油泵电机停止8指示灯E60亮1颜色检测运行灭颜色检测停止 9指示灯E70亮1速度检测运行灭速度检测停止10指示灯E80亮1位置检测运行灭位置检测停止2.输入/输出统计PLC输入点数统计：9点。PLC输出点数统计：10点3.PLC选择组成模块如下：（1）CPU模块： S7-300的 CPU312，型号：6ES7312-1AD10
14、-0AB0；(2) 输入模块：4点DC24V温度输入模块, 型号：6ES7331-7PD22-0XA0；4点DC24V模拟量输入/1点输出模块，型号：6ES7335-OHKD22-0XA0；(3)输出模块：4点DC24V模拟量输出模块，型号：6ES7332-OH1322-0XA0；8点DC24V开关量输出模块，型号：6ES7332-1BF01-0XA0；(4)输入/输出混合模块：16点输入/8点DC24V输入/输出混合模块，型号：6ES7-1BLOO-OAAO ；(5)电源模块：DC24V电源模块。四、PLC控制系统硬件设计(一）硬件设计规划连续烤蛋机硬件系统包括CPU模块，模拟量输入/输出模
15、块，开关量输入/输出模块, 温度输入模块电源模块，触摸屏，控制系统的主要电气执行元件有：管式半导体远红外加热元件三个，交流异步电动机一个，齿轮泵一个。硬件结构图为：PLC液晶触摸屏电源温度测量模块颜色速度模拟量测量模块开关量输入模块模拟量输出模块开关量输出模块（二）系统主回路连续烤蛋机系统主回路包括交流异步电动机，齿轮泵，PLC电源,PLC输入/输出模块电源等。系统总电源安装有独立的电源开关，用于分断整个系统电源与电网的连接。交流异步电动机，齿轮泵采用自动断路器进行短路和过载保护，电机的启动与停止通过接触器进行控制。PLC的电源用另一个开关稳压电源供电供电，电压也为 DC24V。系统主回路图如
16、图4-1所示。（三）控制回路PLC的输入模块与输出模块采用一个开关稳压电源集中供电,供电电压为 DC24V，控制回路为螺旋杆电机和油泵电机的DC24V控制阀输出，采用独立的接触器进行分断。控制回路图如图4-2所示。（四）开关量输入/输出回路按照系统的要求与模块的I/O接口情况，对各模块的I/O进行功能分组与分配。开关量图输入/输出回路。如图4-3所示。（五）颜色测量系统【9】1.测量原理颜色测量采用光敏二极管光线传感器监测，光敏二极管在电路中处于反偏位置，等无光照时反向电阻很大，电路中有很小的反向饱和漏电流，即暗电流，此时相当于光敏二极管截止;当有光照时二极管反向电流增加，形成光电流，相当与光
17、敏二级管导通。如果入射光照度变化，通过外电流的光电流强度也随之变化，原理图如下图所示。G图4-4 测量原理图2.测量方式测量方式采用反射式当光源发出的光投射到被测物体上，再从被测物体表面反射后投到光电元件上，物体表面的性质可以决定反射光的通过量，如下图所示。光电元件光源被测物图4-5 反射式光电检测示意图3.型号选择颜色测量传感器选用光敏二极管光线传感器2CU1C型，其光谱响应范围为400011000 um，使用温度为-55125。4.颜色测量回路图选用模拟输入/输出混合模块型4点输入/1点输出，6ES7335-OHKD22-0XA0型,与速度测量共用一个模块。（六）温度测量控制系统1.温度测
18、量原理温度测量选用热电偶电热传感器，它是将两种不同的导体组成一个闭环回路，若两接触点温度不同则回路中有电流，表明回路中有电势（热电效应）。通常用热电势的大小来衡量温度的大小【10】。2.温度的控制温度的控制信号由PLC经模拟量输出模块输出，输出的模拟信号为电压模拟量。 （4-1）由公式（1-1）可知电功率与电压成正比,当电阻一定时改变电压，辐射元件的热效率将发生变化，从而达到调节温度的目的。【11】3.型号选择热传感器选用铜-康铜热电偶，其温度测量范围长期为-200200。4.温度测量回路图热传感器选用铜-康铜热电偶，测量出模拟信号后经温度输入模块输入，温度输入模块选用6ES7331-7PD2
19、2-0XA0型。如下图所示。ES7331A+AB+ B C+ CV+-图4-6 温度测量回路图3.电压模拟量输出回路图电压模拟量输出模块输出电压后经升压变压器升压，用电压驱动加热器。电压模拟量输出模块选用6ES7332-OH1322-0XA0型4点输出。如下图所示。M L+M0 V0 M1 V1 M2 V2ES7332+- 图4-7 电压模拟量输出回路图（七）速度测量控制系统1.速度测量速度测量采用磁电式转速传感器，将模拟信号送到PLC的模拟量输入模块，最后由PLC进行处理。2.速度控制螺旋杆的速度由异步电动机的转速来控制，异步电动机的转速采用变频调速技术实现。异步电动机的同步转速公式为： （
20、4-1）3. 变频调速的原理【12】变频调速的工作原理由式（2-1）可知，等频率f连续可调时，电动机的同步转速n0也连续可调，又因为异步电动机的转子转速总是比同步转速略低一些，所以电动机的同步转速连续可调时，转子转速也连续可调。磁极对数p取决于定子绕组结构，一套绕组只能转换两种磁极对数，不能实现无级变速。所以采用改变电流频率来改变转速。电流变频采用交-直-交电路实现，工作原理由图11所示，图中交-直部分中的六个整流管组成三相整流桥，它将三相交流电全波整流成直流电。直-交部分的逆变管可以将直流电再逆变成频率可调的交流电，只要按照一定规律来控制六个逆变管的导通与截止，就可以把直流电逆变成三相交流电
21、，逆变后的电流频率可以通过改变控制信号的变化周期来调节。RSTUVW图4-8 交-直-交变频器主电路示意图4.变频出现的问题电机定子线圈电压公式： （4-2） （4-3）由（4-2）式可知：当频率f1下降时，E1也随之减小。由（4-3）式知，这必将导致定子电流I1也增大，从而使定子绕组的磁动势I1N1也增大。引起磁路饱和从而损坏电机。5.解决办法解决办法就是在变频的同时也变压，通常采用脉宽调制，即改变电压脉冲的占空比，当占空比减小时，平均电压也降低。目前通常采用在脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按整弦规律来安排,称为正弦波脉宽调制（SPWM）【13】。6.变频调速回路图模拟量模块选用模拟量输入/
22、输出混合模块其有4点输入/1点输出，与颜色测量共用6ES7335-OHKD22-0XA0型,变频器选用SIEMENS MM440型变频器。如下图所示：ARA A+ A- M L+ES7332 MSIEMENSMM440AIN+ AIN-VI MI24VR S TU V W+-图4-9 变频调速回路图五、PLC控制系统软件设计（一）程序流程图连续烤蛋机的控制系统程序流程为初始化后进行自动和手动的选择，手动时第一、第二、第三温区的加热器的启动，温度参数的设定均是手动操作，螺旋杆电机的启动、停止，电机转速的设定以及油泵电机的启动、停止也是手动控制。自动控制时由PLC统一控制。无论自动还是手动控制，都
23、要采集各温区的温度参数，及螺旋杆电机的转速。然后将各参数信号送到PLC进行处理。参数检测正常后，由PLC对采集的温度、速度等模拟量参数与设定的参数进行比较处理，最后由模拟量输出模块对温度、速度进行调节，整个过程采用闭环控制。其他各开关量也是由PLC开关量模块采集信号，由PLC进行统一处理控制，最后由开关量输出模块输出信号，由电磁阀执操作。【14】系统流程如下图所示。初始化手动/自动一/二/三温区?一/二/三温区?一区手动二区手动三区手动一 区工 艺控 制二区工艺控 制三 区工 艺控 制采 集 各 工 位 的 工 艺 参 数是否异常对异常处理跟踪状态参数结 束图4-10 程序流程图（二）系统主程
24、序系统主程序【15】：A I 0.1 第一温区启动信号A I 0.2 第一温区检测启动信号A MW 0.3 第一温区参数输入信号= M 0.0 第一温区启动= Q 0.0 第一温区启动指示灯亮= MW 0.0 第一温区参数输入A I 1.1 第二温区启动信号A I 1.2 第二温区检测启动信号A MW 1.3 第二温区参数输入信号= M 1.0 第二温区启动= Q 1.0 第二温区启动指示灯亮= MW 1.0 第二温区参数输入A I 2.1 第三温区启动信号A I 2.2 第三温区检测启动信号A MW 2.3 第三温区参数输入信号 = M 2.0 第三温区启动 = Q 2.0 第三温区启动指示
25、灯亮= MW 2.0 第三温区参数输入A I 4.1 位置检测= M 4.0 位置检测启动= Q 4.0 位置检测启动指示灯亮A I 5.1 颜色检测= M 5.0 颜色检测启动= Q 5.0 颜色检测指示灯亮致谢: 本篇论文是在指导老师刘的悉心指导下完成的，论文题目是刘老师从目前现状出发结合本专业慎重选择的，论文方案的设计、论文的撰写过程刘老师一直严格要求，耐心指导。刘老师给了许多建议使我能够顺利的完成论文。刘老师广博的知识以及治学严谨、实事求实的作风，使我受益匪浅，永远是我学习的榜样。特此向老师致以最诚挚的谢意！同时感谢评阅老师给予本论文的批评指正。值此论文完成之际，再次向多年来关心和帮助
26、我的所有老师和同学们致以最真挚的感谢 ！ 参考文献：1乔秀红，李青萍，赵桂玲，王向东，郑晓玲. 鸡蛋烘烤工艺技术条件研究J. 食品与机械，2003，（7）4：15-162何阳春，何咏平. 单片机在焙烤食品加工中的应用J. 食品科学，1996，（9）：56-59 3龚仲华. S7-200/300/400PLC应用技术（通用篇）M. 人民邮电出版社， 20074张国治.焙烤食品加工机械M.化学工业出版社，20065王颖，王永华，秦炳熙. 基于PLC连续退火炉控制系统J. 自动化技术与应用，2006，（7）10：51-536刘艳，张天开，黄东. 多工位烧结智能温度控制系统的设计与应用J. 自动化仪表
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