0 引言
食品真空快速冷却机早期的监控由继电器控制，体积大、耗电多、寿命短、可靠性差、运行速度慢、接线繁琐、灵活性差。目前监控软件市场上的商业软件功能过于庞大且价格昂贵，如何实现针对小型食品冷却机设备的有效监测和控制是监控系统研究的核心。PLC有着运算速度高、指令丰富、功能强大、可靠性高、使用方便、编程灵活、抗干扰能力强等特点，可利用PLC硬件和软件上采取的一系列措施，使它可以直接安装于工业现场而稳定可靠地工作。某冷冻设备有限公司生产的食品真空快速冷却机，以前与之配套的控制器采用传统的继电器控制，操作不灵活，界面不友好，无法进行大量数据的保存和分析，影响了设备的使用效率。针对其设备的监控需求，通过技术改造，开发了基于PLC控制技术并与触摸屏技术相结合的食品真空快速冷却机的监控系统。即采用结构小巧、价格低廉的PLC替代继电器来对食品真空快速冷却机进行控制，同时采用直观、简单的触摸屏对整个系统的运行进行监控。改进后的控制系统具有运行可靠、操作简单、维护简便等特点，而且触摸屏使得人机界面更加人性化和个性化。
1 食品真空快速冷却机的结构及工艺流程
1．1 食品真空快速冷却机的结构
食品真空快速冷却机的结构如图1所示，主要由真空槽、水喷射冷凝器、水箱、循环泵和执行机构等部分组成。
食品真空快速冷却的原理：将蒸煮后的高温熟食品放人冷却真空槽内，关门密封，由真空泵排气。随着冷却真空槽内的压力不断下降，食品组织内外水的沸点也随之降低，水分因不断吸热而汽化升腾的同时，水汽又被真空泵抽走，这个过程连续不断地持续一定时间，使食品达到了直接冷却(快速降温)的目的。
图1中，水箱18中的水，经由过滤网19吸入循环泵21中，从水喷射冷凝器11内部的喷嘴13喷出，经由止回阀10把真空槽14内部的空气、蒸气等吸入后，水返回水箱。如此反复循环，使真空槽14中的制品快速冷却，温度降低。
1.2 食品真空快速冷却机的工艺流程
某冷冻设备有限公司食品真空快速冷却机的生产工艺流程图如图2所示，其监控过程如下：
1)冷却过程开始； 2)设定冷却制品的温度和放气时间(破真空时间)； 3)设定渗气阀A，B的动作状态及动作时间，即确定冷却工作时间； 4)PLC控制渗气阀动作以及开启供水阀和循环泵； 5)制品在冷却的过程中，触摸屏的监控画面上不但会显示冷却真空槽和水箱的当前温度，还会显示冷却已进行的时间。当制品温度≤设定温度，或者冷却时间=设定时间时，PLC自动控制渗气阀、供水阀及循环泵的关闭； 6)PLC控制开启破真空阀； 7)系统报警； 8)冷却过程结束。
可以看出，食品真空快速冷却机的生产工艺流程都是有步骤、有顺序的。因此，本系统在设计PLC程序时采用顺序控制法来实现生产流程的顺序动作，满足以上的控制要求。
2 监控系统的硬件配置
硬件配置是否合理，对于一个系统来说，是至关重要的。只有系统硬件配置合理，才能成功实现系统预期的功能，以经济的成本实现优良的性能。食品真空快速冷却机监控系统的硬件配置主要由检测单元、变送单元、调节主控单元和人机界面构成。检测单元由各传感器系统构成，变送单元由三菱公司的FX2N-4AD-PT模拟特殊模块构成，调节主控单元由三菱公司FXlN-14MR可编程控制器构成，人机界面由触摸屏组成。
食品真空快速冷却机监控系统组成框图如图3所示。
监控系统的核心控制器PLC扩展一块模拟特殊模块FX2N-4AD-PT，具体控制过程为：由温度传感器Pt100检测冷却真空槽温度和水箱温度，发出的模拟信号经由模拟输入模块FX2N-4AD-PT采集即可检测到真空冷却机工作的状态，转换成数字信号读人PLC，然后通过PIE逻辑运算，形成相应的开关量输出，控制电磁阀的动作，从而整体控制渗气阀、供水阀、循环泵和破真空阀的动作。同时，PLC把检测到的冷却机状态和动作信号送入触摸屏，用户利用这些信号对各种故障进行诊断，通过触摸屏实现实时监控，保证产品质量，提高了生产率。
2.1 检测单元
对于食品真空快速冷却机来说，影响食品快速冷却的主要因素是冷却真空槽的温度和水箱的温度以及设备的正常运转情况，因此需要温度传感器来测量温度。温度检测主要采用稳定性和线性都比较好的铂温度传感器Pt100。Pt100温度传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，把温度转化成电信号检测真空槽温度和水箱的水温。在控制系统中，使用3根探针式温度传感器Pt100充当检测单元来测量温度，其中2根放在冷却真空槽中测量制品温度，1根放在水箱中测量水箱。
2.2 变送单元
变送单元的模块选用FX2N-4AD-PT模拟特殊模块来检测各测量点的测试，与三菱PLC一起配套使用。模拟特殊模块FX2N-4AD-PT与Ptl00温度传感器匹配，将来自3个铂温度传感器(Ptl00，3线，100Q)的输入信号放大，并将数据转换成12位可读数据，存储在主处理单元(MPU)中。
2.3 调节主控单元
通过对各种可编程控制器的价格/性能比和指令系统的功能进行比较，调节主控单元采用三菱FXlN系列PLC的FX1N-14MR。FX1N-14MR型PLC采用整体式单元结构，可控制14点I/O，其中输入点8个，输出点6个，同时还可以配置智能I/O模块、网络通信模块、模拟量I／O模块等，是一种高性能PLC。
采用三菱的FX1N系列PLC对整个食品真空快速冷却机运行系统进行控制，不但可以控制真空冷却机
按一定的开关顺序动作，而且可以将变送单元模块中的模拟量输出通过串行通信方式传给触摸屏，由触摸屏对设备进行实时监控。可实现较高的自动化程度，并完成智能控制、状态显示和故障报警等任务，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能及时、快速、准确的反映。
2.4 人机界面
人机界面是人与机器之间进行信息交换的通道，它显示直观，可以监视整个生产过程，当生产过程中出现问题时用监控画面向PLC发出开关量命令，还可以通过声音报警等方式提醒用户及时采取措施，使用户通过友好的操作界面轻松地完成各种调整和控制的任务。
本设计采用的WeinView MTS00系列触摸屏，是台湾威纶公司的HMI(Human Machine Interface)产品，具有强大的画面显示和组态功能，完全满足了系统监控画面的组态要求，可以实现人机对话，与PLC系统进行数据传送和交换。将设定参数写人PLC，也可将PLC和传感器内部参数读人触摸屏，实现了模拟量、数字量的实时监控、目标值的设定以及报警记录等。
利用触摸屏软件设置触摸屏显示画面，在冷却机工作运行时，通过采集PLC中的数据可动态显示冷却机的真实监测值(图4)，方便操作员随时掌握冷却进程。
3 监控系统的软件设计
监控系统的软件设计包括触摸屏软件设计和PLC软件设计：采用三菱公司的EasyBuilder 500编程软件进行触摸屏程序设计；采用三菱公司的GX Developer编程软件进行PLC程序设计。通过对触摸屏画面上所设元件属性和与PLC的数据交换地址的定义，实现
触摸屏上相关元件对应的寄存器对PLC存储单元的读写。
监控系统以三菱FX-1N-14MR型PIE为主控制器，由RS-232C串行通信接口与威纶MTS00触摸屏联网。通过编写一系列的PLC程序和触膜屏程序，构建了触摸屏对设备的现场实时监控，为自动线设备的持续正常运转奠定了基础，取得了良好的成效。
4 结束语
本系统是对某冷冻设备有限公司的食品真空快速冷却机的监控系统进行的改进，且实际生产运行良好。改进后的控制线路相对传统继电器控制系统要简单的多，系统抗干扰能力强，可靠性高，只需要修改控制程序就可达到改善控制的要求，编程方法简单易掌握。该监控系统操作简单，功能强大，界面友好直观，系统维护方便，生产效率高，能耗低，在生产应用中取得了很好的效果，为企业减少了人力资源浪费，改善了工人的工作环境，降低了工作强度，并实现了集中监控。与国外大型组态监控软件相比，本监控系统成本低，用于国内中小型企业的简单生产过程的监控，经济效益显著，并且对探索如何在现有资源上进行自动化改造，以较小的投资取得较大的生产效益有实际的参考价值。
(审核编辑: Doris)
