1 引言
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SIEMENS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和操作员进行交互，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进、快速、准确的反映。
2 系统的功能和硬件构成
2.1食品杀菌系统的主要功能及要求
食品杀菌控制系统的工艺流程如下：由杀菌机的蒸汽调节阀产生设定温度的热水，对食品进行杀菌。接着进入冷却机进行冷却，由冷媒电磁阀控制冷却机的内水温。最后经过干燥机的干燥，把完成了杀菌作用的仪器由网带送出。
根据上述工作流程，本食品杀菌控制系统要求：
(1)操作员能实现对杀菌过程中各个工作步骤的顺序控制，该控制系统必须具有自动启动、手动启动、自动停止和手动停止杀菌机、冷却机和干燥机的功能。
(2)对杀菌过程进行在线温度/速度等物理量的检测和控制，并实时显示温度速度值/速度值和水泵、阀及风机的状态。
(3)可完成各种参数（如水温，网带速度和工号等）的设定。
(4)能够定时、抽查和交班打印数据。
(5)实施必要的安全措施，如互锁，紧急停车，现地越控，故障报警等。
2.2食品杀菌系统的硬件构成
通过分析该杀菌控制系统的功能要求，我们采用SIEWMENS的S7 226可编程控制器作为该控制系统的CPU，外加数字IO模块，模拟量输入、输出模块进行扩展。为了提供便于交互的人机界面和设计的方便，我们选用了SIEMENS的触摸屏TP27。同时采用EPS为的LQ300K打印机按用户需要打印数据或报警信息。网带电机的速度我们使用SIEMENS的MicroMaster变频器来进行控制。上述研制配置可满足本系统的各项功能，主电控柜包括PLC、扩展模块、触摸屏和打印机，主电控柜上方是用于声光报警的蜂鸣器和报警灯。现地的控制屏用于显示传输网带速度，水槽内的水温，也可越控（即直接手动控制该系统中的某些装置而不受PLC的影响，主要用于PLC故障或紧急情况）。杀菌机、冷却机和干燥机主要包括网带电机、水泵电机、风机、搅拌机、补水电磁阀、蒸汽调节阀和冷媒电磁阀等执行器，同时包括温度传感器、液位开关、流量开关等用于判断当前状态和故障的传感器。
3 控制方案
在食品杀菌控制系统中，对于水泵，风机等开关量的逻辑控制比较简单，传输网带的控制虽然要复杂些，也不过是根据设定的速度进行模拟量输出，不存在困难。
3.1控制的难点
本系统中控制的难点在于水温的控制，工艺要求杀菌机温度控制范围为：85℃~98℃，控制精度为：±1℃；冷却机温度控制范围为：0℃~4℃，控制精度为：±2℃。
从本质上说，杀菌系统温度控制的难点主要有两方面，一是难以建立数学模型，二是其控制参数的时变性。具体的说，影响水槽内水温变化的因素：
1)杀菌的食品的不同（量的不同和质的不同）导至水温变化。
2)补水阀可能要对水槽进行补水（自来水），上述两因素都是不确定的， 而可控制水温的量仅有杀菌机的电磁调节阀或冷却机的冷媒阀。
3)由于经电磁调节阀出来的蒸汽要经过一定的时间才能与水槽内的水相混合，故存在较大的时滞。
综上，可以看出该水温控制系统是一模型不确定、并存在较大时滞的系统，如果我们采用传统的PID调节，无法给出能保证系统在任何情况下性能均良好的PID参数。我们可以考虑采用模糊控制技术。
3.2 模糊控制在水温控制方案中的应用
兴起于70年代的模糊控制近年来取得了广泛的应用，充分显示了模糊控制在大规模系统、多目标系统、非线性系统和无适当传感器可检测系统中的良好的应用效果。模糊控制主要有不依赖精确的数字模型，对参数变化具有较强的鲁棒性等优点。
针对杀菌系统的水温控制的特点，我们采用如下的控制器结构。在水槽内的温度与设定温度有较大的升温和节能。在两者温差较小时，采用模糊控制，使系统具有良好的动态性能。为消除在零误差附近的极限环振荡，在温差接近于零时，采用PID控制，引入积分，使系统在取得满意的动态性能下，达到期望的稳态性能。
4 系统软件设计
本系统软件的设计包括触摸屏的软件设计和PLC的软件设计两部分。
4.1触摸屏的软件设计
对触摸屏的编程，我们采用ProTool/Pro CS组态软件。ProTool/Pro CS完整的图形用户界面允许用户方便地创建面向对象的、基于符号的项目。在ProTool/Pro CS中界面上的操作单元与执行器之间通过PLC利用变量进行通讯，也即在触摸屏可以直接读或写PLC上的存储区域（地址）。
为了提供给操作员直观、生动的人机交互界面，我们可考虑把水泵，网带等在运行时做成动画，便由于ProTool/Pro CS组态软件本身没有动画功能，为此，我们的解决方法是当上述装置运行时，由PLC启动定时器，把某个定时变化的值传给TP 27触摸屏，而触摸屏根据该值来切换图画，以产生动画效果。
4.2PLC的软件设计
我们采用STEP 7-Micro/Win32软件工具包对PLC进行编程，该工具软件包为S7-200 CPU与其它微型系统部件（如触摸屏呀MicroMaster变频器）的使用提供了便利。PLC的软件设计部分我们采用模块化的方法，大致可分为自动启动/停止模块、手动启动/停止模块、通讯模块、报警模块、水温模糊PID混合控制模块5个部分。
4.2.1自动启动/停止模块
为了方便操作员，本杀菌控制系统具有自动启动/停止功能。冷却机自动启动的程序流程图如图3。杀菌机、干燥机的自动启动程序流程图类似。
而自动停止的流程，则按上述的逆序依欠关闭风机、网带电机、冷媒阀和水泵。
4.2.2手动启动/停止模块
为了提供更加灵活的功能，我们也可让操作员手动来启动或停止指定的风机、网带或水泵。我们的方法是在程序中设置一些标志位，分别对应上述执行器的开或关，当需要启动或停止某一执行器的时候，我们不是直接去控制该执行器的输出，而是去改变上述标志位，同时在PLC的主程序中根据该标志位来执行相应的动作，由于PLC一直在不断地循环扫描程序，根据标志马上能执行相应地动作。
4.2.3通讯模块
由于我们用MicroMaste变频器对网带电机进行调速，所以本杀菌系统中对网带的控制，实际上就是对其MicroMaster变频器的控制。STEP 78-Micro/Win32软件工具包提供了USS通信协议，从减少软件的工作量和提高可靠性出发，我们采用USS协议来完成PLC与变频器的通信。与变频器的通信，对PLC的CPU扫描是异步的，完成一个变频器通信事务通常需要几次CPU扫描。这取决于连接的变频器数目，波特率，以及CPU的扫描时间，使用USS协议的编程顺序如下：
（1）通过调用USS_INIT指令改变USS通信参数，如启用或禁止USS协议、设定波特率，指示哪些地址的变频器是激活的（即可与之通信）。标志为激活的任何变频器都自动地在后台进行轮询控制，汇集状态，并防止变频器的串行链路超时。
（2）把V存储器地址分配给USS协议。
（3）通过调用DRV_CTRL指令来控制指定的变频器，如启停，控制方向，投定速度，查询变频器返回的状态字等。也可调用READ_PM或WRITE_PM指令来读取或写变频器参数。
（4）配置变频器参数，以便与程序中所用的波特率和地址相匹配。
采用上述方法，我们可以很好地控制网带的速度并查询变频器的状态，把诊断信息反馈给PLC。
4.2.4报警模块
为了实时通知操作员故障消息，以便尽快地排除故障，确保整个杀菌系统正常运行，本控制系统具有良好的故障报警措施。系统中一旦有诸如水温过高、过低，水位过低，传输网逞过载，风机故障，流量过小等故障，马上切断该设备，并启动蜂鸣器和灯光，进行声光报警，同时把故障消息打印输出，操作员也可在触摸屏上查询故障类型和发生时间。为了提高可靠性，我们在程序中进行了相应的安全保护。如冷却机主水泵故障时，除进行故障报警、切断主水泵外，还自动启动备用水泵。
我们在PLC程序中始终对相应的传感器输入信号进行扫描，一旦发现故障，马上进行声光报警并切断该输出。考虑到工业现场可能的干扰，1）我们在程序中延迟报警，即只有当报警信号持续一定的时间（一般为几十毫秒到几百毫秒），才认为有故障。2）在启动设备时，逐步开启报警；而在停止设备时，逐步阻塞报警。上述两个措施可有效的防止误报警。
4.2.5水温的模糊PID混合控制模块
根据水温控制方案，当水温与设定温定有一定差时，采用模糊控制，当两者接近时采用PID控制。我们选取设定温度与当前温度的差e,以及的变化率△e作为模糊控制器的输入，PLC模拟输出模块的控制量u作为模糊控制器的输出。
为了完成模糊控制，需进行以下步骤：（1）量化，（2）制定模糊规则，（3）根据输入和模糊规则，计算各种情况下的精确控制量，得到控制表。由于上述过程都是离线得到，并不影响控制时间。
为了完成PID控制，我们需要完成下列工作：
（1）回路控制类型的选择，本系统中，我们仅采用比例、积分回路就可以满足要求。
（2）回路输入的转换和标准化。每个PID回路有两个输入量，给定值（SP）和过程变量（PV）。本系统中的给定值和过程变量是水槽内的水温，在PID计算之前我们必须把这些现实世界的物理量转化为标准的浮点型实数。
（3）回路输出值转换成刻度整数值。回路输出值一般是控制变量，本系统中是阀的开度，是0.0~1.0之间的标准化了的实数值，在回路输出驱动模拟输出之前，必须把回路输出转换成相应的16位整数，以提供给模拟输出模块。
为了让PID运算以预想的采样频率工作，我们把PID控制放在定时发生的中断程序中。
5 结束语
本杀菌控制系统的硬件有PLC、触摸屏、变频器等。波及到PLC对开关量，模拟量和水温的控制，PLC与变频器的通讯，人机交互界面的设计，故障报警，数据打印等，是一典型的工业现场控制系统。我们在分析功能要求的基础上，给出了良好的解决方案，该系统在河南某食品加工厂已投入运行，运行情况表明本系统自动化程度高，水温控制情况良好，抗干扰能力强，大大提高了劳动效率。
(审核编辑: 智汇李)
