基于PLC的人参蒸制、烘干自动加工设备系统设计.pdf

1 訇 化 基于P L C 的人参蒸制、烘干 自动加工设备系统设计 Desi gn of gi ns eng s t eam i n g and s t ov i ng of aut om at ed m achi n i ng equi pm ent bas ed on PLC 宫百香 ，孙宝玉 ，张西龙 GONG Ba i x i a n g， SUN B a o y u ， ZHANG Xi l o n g 长春工业大学 机电工程学院，长春 1 3 0 0 1 2 摘 要针对传统的人参加工方法存在严重的浪费时间和能源等问题，设计基于P L C 的人参蒸制和烘干 于一体的自动加工设备。采用西门子公司的 7 -2 0 0 系列作为系统的控制主机，研究了控制系 统的硬件配置、输入／ 输出点分配以及软件设计方法。该设备能够省时、节能、高效地加工人 参，较传统方法效率提高5 倍以上 ， 缩短了资金周转时间，并防止了鲜参大量的囤积。蒸制、 烘干为一体加工设备的实现 ，能够极大地提高中国人参产业在国内、外市场的竞争力。 关键词人参蒸制和烘干；一体化； P L C ；高效；竞争力 中囝分类号T P 2 7 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 3 1 1 上 一0 0 5 4 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 1 1 上 ． 1 6 0 引言 1 ． 2加工 方 案对比 随着近代生 物科学 的发展 ，人参的种 植技术 传统加工方法 参农将煮好 的人参放置在烘 得到 广泛地推广 ，从而提高了人参 的产量 ，大大 干窑内，以5 吨人参量为例，采用通热风烘干的方 降低 了人参 的价格 。但是，对人参 的加工一直存 法加工 ，大约需要近 1 5 天左右的时间才能完成， 在耗能高 、用时长、质量低等 问题 。吉林 省是人 且能源消耗大。 目前 ，国内生产厂家生产的人参 参的主产区，人参种植面积达到4 2 0 0 万平方米， 鲜 烘干机主要就是热风烘干炉 ，但不具有人参加工过 参总产量达1 ． 5 万吨左右 ，产出量 占全国的8 5 ％， 程的蒸煮工序。虽然热风烘干炉的效率较参农的加 占世界的7 0 ％以上，年总产量6 亿元余人民币 。但 工方法有所提高，但仍然不能满足市场的要求。 据权威资料显示 ，韩国的人参产量不足吉林省人 一体化加工方法与传统加工方法不同，一 参的三分之一，年产量却达2 5 ． 6 “I L 。造成这种现 体化加工方法 改变 以往 只用热风炉烘干的技术现 状 的症结所在主要是生产管理较为粗放，加工企 状 ，开发集蒸 煮和真空烘干为一体 的自动加工设 业各 自为战，加工工艺参数不统一[ 1 ] 。为了提高人 备 。以5 吨人参量为例 ，只需要2 5 天，就可以加工 参的加工效率，文中设计 了一种基于P L C 可编程 完成 ，高效节 能。且设备的能量来源于有机质燃 序控制器 的人参蒸制、烘干 自动化加工设备，并 料 如秸秆 ，燃料燃烧不产生环境污染 ，实现 详细介绍了设备的机械部分设计和控制部分设计。 环保。在加工过程中利用P L c 实现 自动控制，可以 人 参 加 工 要 求 及 方 案 对 比 銮 薹 言 昌 誓 1 ． 1人参的特性与加工要求 关闭和电机的启动停止，节省了不必要的线路连 由于鲜参含水量比较 高，不利于存储 ，并且 接，从而提高了系统的稳定性和安全性 。 经过特殊方法加工 出来的人参能够进一步提高人 综上所述两种方法 ，由于蒸制、烘干 时间和 参 的品质 。因此 ，人参 粗加 工时 ，为 了便 于储 能量消耗分别是影响人参加工效率和加 工成本 的 存，大约8 0 ％的鲜参都需要先后经过浸润、洗刷、 主要因素，所 以能 自动控制且集蒸制和烘干为一 分选 、精洗、蒸制、晾晒、高温烘干、打潮 、下 体的加工设备具有明显的优势。 篓 装 三 三 葶 2结 构 设 计 及工 作 原 理 和 烘 干 是 两 个 主 要 的 环 节 ，它们决定着人参 的加 ⋯⋯ ⋯⋯ 。⋯ ～。 一 工时间和加工质量。 2 1整体结构设计 收稿日期2 0 1 3 - 0 7 - 0 9 基金项 目吉林省教育厅科技发展基金项 目 2 0 1 0 0 8 3 作者简介宫百香 1 9 6 5一，女，硕士，副教授，主要从事图学及C A D， C A E 方向研究。 [ 5 4 1 第3 5 卷第1 1 期2 0 1 3 - 1 1 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 匐 似 人参蒸制 、烘干 自动化 加工设备的结构示意 图如图1 所示。它 由能够提供人参／ J n T ． 热源的蒸汽 热风两用锅炉 ，用于人参蒸制和热风烘干的真空 加工罐 ，降低真空加工罐排 出热蒸汽温度的冷却 塔 ，实现真空加工罐抽真空的真空泵 以及管道和 电磁 阀等组成 J 。 1 ． 鼓风机；2 ． 电动机；3 ． 蒸汽热风两用锅炉、4 ． 电磁阀；5 ． 蒸汽管；6 ． 出 烟口；7 ． 电磁阀；8 ． 温度表；9 ． 真空加工罐；l 0 ． 真空表；1 1 ． 电磁阀；1 2 ． 真空管；1 3 ． 冷却塔；1 4 ． 真空管；1 5 ． 电磁阀；l 6 ． 真空泵；1 7 ． 电动机；1 8 ． 疏水器；1 9 ． 热风调节器；2 0 ． 热风管；2 1 ． 电磁阀2 2 ． 电磁阀 图1 设 备结构示意图 2 ． 2 工作原理 将 简易处理 过的人参用 吊车放入真空／ J n T ． 罐 中，启动蒸汽热风两用锅炉 ，其以煤或有机质燃料 如秸秆为燃料燃烧产生1 0 0 ℃的蒸汽和热风。 人参的蒸制加工工序 中，电磁阀4 、电磁 阀2 1 处于 关 闭状 态，电磁 阀7 、电磁 阀2 2 处于 打开状 态，蒸汽通入加工罐的时 间一般为6 个小时 。待人 参蒸熟后 ，旁通道上电磁 阀4 打开，主通道上 电磁 阀7 关闭，蒸汽不在进入真空加工罐中。 抽真空工序 中，打开 电磁 阀1 5 和 电磁 阀1 1 ， 启动 电动机 1 7 ，真 空罐 内的高温水蒸汽进入冷却 塔 内，冷却 后高温蒸汽一部分变成冷凝水 由疏水 器排除，另一部分被冷却的气体由真空泵排 出。同 时通过真空表显示真空罐内的真空度。当真空度达 到一 9 9 ％时，按下按钮 ，从而进行下一步的操作 。 人 参烘干 工序 中，关 闭电磁 阀7 、电磁 阀1 1 此时 电磁 阀与大气相连 和电磁 阀2 2 ，打开 电 磁阀4 、电磁 阀2 1 。使锅炉 内产生的热风进入真 空 罐 中。在真 空加工罐 底部安装有热风调节器 ，使 流 向真 空加工罐 内的热风均 匀分配 。真空罐 内的 温度 由温度传感器 实时监 测，使温度始终控制在 4 0 ℃～5 0 ℃之间。根据真空罐中人参的总重量和单 体大小设定烘干的时间，烘干完成之后关闭电磁阀 2 1 ，打开电磁阀2 2 ，不再 向真空罐内输送热风 。 重 复执行抽真 空工序和烘干 工序，直到真 空 罐 内人参的含水量达到l 3 ． 5 4 - 0 ． 5 ％，停止烘干 ，则 完成了人参加工的所有工序 捌。／ J n T_ 流程图如图2 所示。 图2 加工流程图 3 P L C 控制系统硬件设计 3 _ 1 P L C选型 根据控制 系统 的功能要求 ，从经济性 、可靠 性 等方面考虑 ，选择西 门子S 7 2 0 0 系列作为人参 蒸制 、烘干 自动加工设备P L C 控制 系统 的控制主 机 。此控制 系统总共有4 个数字输入量 ，8 个数字 输 出量，共需要1 2 个数字量I ／ O，1 个模拟量输入， 根据I ／ O点数 ，以及程序容量和控制的要求 ，选择 C P U2 2 4 作为该控制系统的主机 。选择具有4 路模 拟量输入／ 输 出的模块E M2 3 5 ，温度传感器P T1 0 0 与C P U 2 2 4 模块构成了控制系统的基本单元。 3 ． 2 l ， 0资源配置 在这个控制系统中，P L C 输入信号包括启动按 钮 、关 闭按钮 、真 空度控制按钮 ，以及循环操 作 按钮 。其 中，启动按钮为 系统的工作控制开关 ； 关 闭按钮为 系统 的停止控制开关；真空度控制按 钮在真空加工罐 内的真空度达到一 9 9 ％时按下，从 而进行下一步 的操作 ；循环操作按钮按下的次数 是根据人参 的重量计算 出的时间除以每一 次循环 所需的时间。 第3 5 卷第1 1 期2 0 1 3 - 1 1 上 [ 5 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 訇 似 P L C 输出信号包括6 个电磁阀和2 个伺服电机 。 电磁 阀均 为常 闭电磁 阀 ，不动 作 时 逻 辑值 为 “ 0 ”为 闭合 ，此时电磁阀不通气 ；动作时 逻 辑值为 “ 1 ”为打开 ，此时电磁 阀通气 ；电磁 阀 “ l 1 ”为二位三通 电磁 阀，不动作时与大气相 连，动作时与冷却塔相连接。 在 系统 中，还需要实时检 测和控制真空罐 中 温度值 ，所 以扩展 了1 个模拟量输入模块 ，该模块 由传感器测得 的温度值转化为电信号 。在被控系 统中的温度测量点 ，温度信号经变送器变成4～2 0 mA的电信号送入E M2 3 5 的第二个模拟量输入通道 AI W2 中，P L C读入温度后，再取其平均值为被控 系统的实际温度值 。为 了把温度传感器P TI O 0 随温 度变化 的电阻转换成相应的温度变化值 ，利用温 度公式 1 求得 。 T 。 r 一 温度数字量． 0 o C 偏置量 ／ 1 ／1 。 C 数字量 其 中，温度数字量为存储在Al Wx x 0 ， 2 ， 4 中的值 ；0 ℃偏置量 为0 ℃测 出的数字量 ，这里取 为6 4 0 0 ；1 ℃数 字量为温度每升高 1 ℃的数字量 ， 这里取为1 5 8 5 。温度传感器P T1 0 0 在正常工作时需 要1 2 ． 5 mA的电流，这里采用E M2 3 5 模块的输 出通 道来给温度传感器供电。 人参蒸制 、烘干 自动化加工设备P L C输入／ 输 出点配置如表1 所示。 表1 P L C 输入， 输出点的配置 输入地址 输入设备 输出地址 输 出设备 1 0 ． 0 启动按钮 Q O ． 1 电磁 阀4 1 0 ． 1 关闭按钮 Q O ． 2 电磁 阀7 1 0 ． 2 真 空度控制按钮 Q O ． 3 电磁 阀1 1 1 0 ． 3 循环操作按钮 Q O ． 4 电磁阀 1 5 AI W2 温 度传感器P T1 0 0 Q O ． 5 电磁阀2 1 Q o ． 6 电磁 阀2 2 Q O ． 7 伺服电机2 Q1 ． 0 伺服电机1 7 3 ．3 P L C 硬件接线图 根据 系统 的控制要求、硬件框架及I ／ O分配情 况 ，人参蒸制、烘干 自动加工设备P L C控制部分的 硬件接线图如图3 所示 。 4 P L C 控制系统软件设计 软件采用顺序功能 图的编程方法进行编程 ， I 5 6 1 第3 5 卷第1 1 期2 0 1 3 - 1 1 t - 真 空 循 图3 P L C 硬件接线图 电磁阀 4 电磁 阀 7 电 磁 阀 1 1 电磁 阀 1 5 电磁 阀 2 l 电磁 阀 2 2 电动机 2 电动机 l 7 主程序 中调用子程序 ，上 电执行一次初始化子程 序 ，然后扫描开关输入 ，进行功能切换 。如图4 所示。 C 0 定时 6小时蒸制人参 ． ． ． _ H 。 ． 真 Q o 空 ． 1 l 度 Q O 达 ．3 1 到 Q o ． 4 [o o 时 ．6 按 1 下 间 图4 J l瓯 序功能图 利用 图4中的顺序 功能 图，可 以得到每 个子 步 的逻辑表达式，进而得到每个子步对应的梯形 图 。 另外，在数据采集上 ，将温度传感器P T1 0 0 转 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 訇 化 换成 的电信号与 系统设定 的对应于设定温度的 电 信号进行比较。当温度等于设定值4 5 “ C时，电磁 阀 2 1 复位 ，电磁 阀2 2 置位；当温度小于4 0 ℃时，电磁 阀2 1 置位，电磁阀2 2 复位；当温度大于5 O ℃时，电 磁阀1 1 置位，电磁阀2 l 复位 ，电磁阀2 2 置位 。 5 结论 1 采用 “ 人参蒸制 、烘干一体化 自动加工设 备 ”加工人参，可显著提高加工效率，较传统方法 快5 倍以上 ，且可 以利用可再生能源，不仅能源来 源丰富，也降低了成本 ，并且减少了空气污染。 2 由于设备采用了紧凑的设计原则 ，因此， 大大 的节省 了空间，为大规模 的人参加工提供 了 条件。 3 利用P L C自动控制 系统，提高 了系统的 自 动化程 度和精确度 ，减 少了人 的工作量 ，从而提 高了效率，减少了不必要的开支 。 4 通过测试结果与传统方法结果的比较，表 明 “ 人参蒸制 、烘干 自动化加工设 备”能够完成 规定的技术指标 ，进一步证明蒸 制、烘干一体 的 优越性 。 参考文献 [ 1 】吉林人 参遭遇尴 尬【 N 】 ． 医药经济报． 2 0 0 5 ． [ 2 】孙 宝玉， 王登 月． 人参蒸制 、烘干 自动 加工设备及工艺方 法 [ P 】 ． 中国专利 2 0 1 0 1 0 1 7 2 1 2 8 ， 2 0 1 2 0 7 0 4 ． 【 3 】中华人民共和国药典[ M】 ． 中国医药科技出版社， 2 0 1 2 ． [ 4 】张崇禧， 郑友兰， 李向高． 人参加工模式、新方法、新工 艺 、新制剂的研 究[ J ] ．人参研 究， 2 0 0 1 ， 1 1 3 2 ． [ 5 】S I MAT I C S 7 2 0 0可编程序控制器系统手册[ z 】 ．2 0 0 5 ． 【 6 】杨后川， 张瑞， 高建设， 曾颈松． 西门子S 7 2 0 0 P L C用1 0 0 例 [ M] ． 北京 电子工 业出版社 ，2 0 0 9 ． 【 7 】龚仲华． s 7 - 2 0 0 ． 系列P L C应用技术【 M】 ． 北京 人民邮电出 版社 ， 2 0 1 1 ． 重● {矗● ● {重● 童● {国● 囊● {矗● 蠡‘ r 蠡‘ ●矗‘ {重● {重●{文● {重● ‘ 蠡‘ 蠡‘ 童●{童● {矗● 蠡● 蠡‘ 重‘ 【 上接第5 3 页】 料 ，并且 内部那么深的支撑材料基本无法去除 。 因此对于机 身的两部分 ，让分割面朝z方 向的正 向，以此作为成型 面 。作 为采用 同种方法分割 而 来 的连杆两部分其 成型面的选择 又有所不 同。由 于杆直径为1 9 ． 7 mm，尺寸 比较小，增加 的支撑 和 成型 时间不多，而且 杆里面添加 的部分支撑起 到 了增 强杆强度的功 能，因此选择水平方 向作为成 型 面 。 图9连杆的分割与成型方 向 另外装配体 之 间必须考虑装配尺寸 ，这在设 计 的时候考虑 塑料件 和金 属件之 间的差异 。待各 部分成型完之后再装配在一起。 5 结束语 针对 目前市 场上无线电定向测 向比赛常用 的 1 4 4 MHz 无线电测向机在形态和结构上 的缺陷进行 了改进 ，增加加符合人体工程学 的把手 ，使操作 方便 ，长期使 用不疲劳 ，采用 了空 间四杆机 构实 现对天 线的折叠 ，以利用定 向中的野外奔跑。然 后在基于F DM工艺 的快速成型机上遇到的几点具 体 的内容进行 了探讨 ，指 出超 出成型空间的直接 在S T L 文件模型上进行分割，并修复分割 中产生的 法 向错 。给 出了成型方 向选择的几个原则，并确 定 了本次试验所采用 的方法 。实验表明该 改进方 法有效 ，并且采用快速成型技术可以快速 的实现 设计制造一体化 ，缩短产品开发周期 ，降低开发 成本 。 参考文献 【 1 】金杰， 张安阳． 快速成型技术及其应用【 J 】 ． 浙江工业大学 学报， 2 0 0 5 ， 0 5 5 9 2 5 9 5 6 04 ． 【 2 】熊开封， 崔 鹏， 刘满禄 ． 基于T R I Z 理论的3 ． 5 MHz 无线 电测 向机创 新设计 【 J ] ． 包装工程2 0 1 0 ， 3 1 2 2 1 5 1 8 ． [ 3 】黎步松， 周钢， 王从军， 等． 基于S T L 文件格式的实体分 割算法研究与实现[ J 】 ． 华中科技大学学报 自然科学 版 ， 2 0 0 2 ， 3 0 3 4 0 - 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