奶站自動清洗PLC控制系統(tǒng)設計

PAGEXXIXword文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯理工學院本科生畢業(yè)設計(論文)學院：專業(yè)：學生：指導教師：完成日期2014年5月xxxx學院本科生畢業(yè)設計（論文）奶站自動清洗PLC控制系統(tǒng)設計DesignofAutomaticCleaningPLCControlSystemforMilkStation總計：34頁表格：2個插圖：35幅xxxxxx本科畢業(yè)設計（論文）奶站自動清洗PLC控制系統(tǒng)設計DesignofAutomaticCleaningPLCControlSystemforMilkStation學院：電子與電氣工程學院專業(yè)：電氣工程及其自動化學生姓名：學號：指導教師（職稱）：評閱教師：完成日期：xxxx學院NanyangInstituteofTechnologyword文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯奶站自動清洗PLC控制系統(tǒng)設計電氣工程及其自動化專業(yè)XXX［摘要］本課題針對目前市場奶站自動清洗控制系統(tǒng)的功能簡單、清洗時間不可調以及沒有與上位機的通訊功能，研究了奶站全自動清洗系統(tǒng)的工藝流程。在此基礎上采用西門子公司提供的S7-300PLC以及觸摸屏對奶站設備進行全自動清洗控制。下位機軟件采用STEP7編寫，上位機軟件采用WinccFlexible軟件實現(xiàn)監(jiān)控。該清洗控制系統(tǒng)清洗時間可根據需要進行調節(jié)，同時具有與上位機通訊的功能，完成奶站設備的全自動清洗。使用該系統(tǒng)可使奶站的清洗質量和生產效率得到很大提高，促進奶牛場的數字化建設。［關鍵詞］奶站；自動清洗控制系統(tǒng)；PLC；觸摸屏DesignofAutomaticCleaningPLCControlSystemforMilkStationElectricalEngineeringandAutomationSpecialtySUNXinbinAbstract:Thetopicforthecurrentmarketthefunctionoftheautomaticcleaningcontrollersystemofmilkstationissimple.Thecleaningtimeisnotadjustableandtheuppercomputercommunicationfunctionisnotavailable.Inthispaper,weresearchontheprocessofthemilkstationautomaticcleaningsystem.Inaddition,weimplementthesystembytheuseofSiemensS7-300programmablelogiccontrollerandthetouchscreen.TheloweranduppercomputersareimplementedbythesoftwareSTEP7andWinccFlexiblerespectively.Thiscleaningcontrolsystemcanadjustthecleaningtimeasneeded,andhasthefunctionofcommunctionwiththeuppercomputer,cleaningthemilkingmachineautomatically.Theuseofthiscleaningcontrolsystemhasthecleaningqualityandproductionefficiencyofthemilkstationbeengreatlyimproved.Itcancontributetotheconstructionofthedigitaldairy.Keywords:Milkstation;automaticcleaningcontrolesystem;programmablelogiccontroller;touchscreenword文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯目錄TOC\o"1-3"\h\u5911引言 1146071.1研究的目的和意義 170931.2國內外研究現(xiàn)狀 2271381.3研究目標 2152472自動清洗系統(tǒng)的工藝流程 3296862.1牛奶的成分及清洗劑的選擇 3236232.2奶站設備清洗工藝要求 3257832.2.1工藝過程 3259682.2.2影響因素及清洗要求 3149972.3奶站清洗工藝設備及流程 412562.3.1擠奶設備清洗流程 465602.3.2儲奶設備清洗流程 5198603系統(tǒng)控制方案設計 6132693.1外部設備 6126473.1.1外部輸入設備 6173103.1.2外部輸出設備 7226273.2控制部分 7131303.2.1PLC簡介及選用 793753.2.2PLC選型 885643.2.3PLC外部接線 8296053.2.4I/O點分配 8126563.3顯示部分 9285834PLC軟件設計 10205254.1STEP7硬件組態(tài) 1059684.2PLC程序設計 1164535控制系統(tǒng)的組態(tài)設計 2064725.1WinccFlexible簡介 2094005.2觸摸屏通訊 21185905.3觸摸屏變量的生成與屬性設置 2137685.4觸摸屏畫面設計 22word文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯229645.5WinccFlexible和PLC的集成仿真模擬 2618646結束語 2821347參考文獻 394945附錄 3015988致謝 341引言隨著中國宏觀經濟的持續(xù)增長以及農村城市化，2000-2015年中國乳品消費總量和人均消費水平將明顯提高。在實施國家學生飲用奶計劃方案下，2015年乳品消費總量將為1999年的2.7倍，達到2501.4萬噸，年均增長率為6.83%，人均消費量將是2000年的2.43倍，達到17.83千克，年增長率為6.1%；2015年城鎮(zhèn)人均乳品消費水平將達到41.03千克，是2000年的2.02倍；農村居民消費水平達到2.43千克，是2000年的2.31倍，年均增長率為5.72%。2015年由于國家實施學生飲用奶計劃，每年至少可以增加乳品的消費需求153.9萬噸[1]。擠奶是牛奶生產過程的關鍵環(huán)節(jié)，其技術水平的高低直接影響牛奶生產的效率及質量。作為一個奶業(yè)生產大國，我國的奶業(yè)機械化程度卻是一個小國。近年來，奶站的自動化擠奶設備得到了迅速發(fā)展，但擠奶設備清洗控制系統(tǒng)的發(fā)展卻遠遠落后于其它奶業(yè)生產大國。奶站全自動清洗控制系統(tǒng)的研究是一個新領域，也迫在眉睫。1.1研究的目的和意義“十一五”期間我國奶業(yè)仍將保持平穩(wěn)較快增長速度，按照農業(yè)部的發(fā)展規(guī)劃，預計2010年和2020年

奶類產量將分別達到3800萬噸和6000萬噸，人均占有奶量將分別達到28千克和42千克以上，奶業(yè)產量在2006-2010年之間的年遞增速度為8.2%，在2011-2020年之間的年遞增速度為4.7%。而即便如此，到2020年中國人均奶類占有量仍然遠遠落后于目前國際人均飲用量的80kg/人，城鎮(zhèn)居民消費乳品量也落后于國際水準。由于飲用牛奶對人體健康有益，政府也制訂了針對乳業(yè)的相關扶持政策。在全國奶業(yè)“十一五”發(fā)展規(guī)劃和2020年遠景目標規(guī)劃中明確提出對發(fā)展乳業(yè)持鼓勵態(tài)度，并投入巨資實施奶業(yè)關鍵技術研究與產業(yè)化技術集成示范[2]。近年來隨著我國乳品產業(yè)的不斷發(fā)展，自動擠奶設備在擠奶行業(yè)中的應用日益廣泛。由于牛乳的脂肪容易粘附于奶管的周圍，一般用冷水很難清洗，容易滋生細菌，因此保證擠奶設備的衛(wèi)生清潔是奶牛場提高原料奶的衛(wèi)生指標的有效途徑。奶站擠奶設備的清洗有手工清冼和自動清洗兩種方法。手工清洗擠奶設備時，清洗過程和清洗時間由操作人員控制，清洗是否干凈由操作人員通過肉眼觀察決定，如果操作人員在清洗的時候減少清洗步驟或清洗時間，或者操作人員觀察的不仔細，擠奶設備的清洗質量就很難保證，牛奶的衛(wèi)生和質量就會受到影響。使用擠奶設備自動清洗時，清洗操作由控制系統(tǒng)自動完成，確保了清洗質量，降低了工人的勞動強度，提高了工作效率以及牛奶的質量。通過對奶站自動清洗控制系統(tǒng)的了解，研發(fā)出適合我國國情、成本低廉的產品，填補我國擠奶設備在自動清洗控制系統(tǒng)高新產品上的空白，提高我國擠奶設備產品的市場競爭力，減少自動清洗控制系統(tǒng)及擠奶設備的進口，降低我國奶牛場(特別是中小規(guī)模的奶牛場)的設備成本，促進我國畜牧業(yè)的健康發(fā)展。1.2國內外研究現(xiàn)狀國內對自動擠奶設備的研制始于建國之后，但是進展比較緩慢。目前國內生產的擠奶設備清洗控制系統(tǒng)的控制功能簡單，清洗時間不能調節(jié)，清洗方式無法選擇，并且沒有與上位機的通訊功能。國內大部分擠奶設備都沒有安裝清洗控制系統(tǒng)，清洗工作由手工完成，每次清洗需要多次開關閥門和泵等執(zhí)行機構，清洗的過程和時間由操作人員手動控制，有可能使擠奶機清洗不干凈，從而導致牛奶的衛(wèi)生和質量降低，直接降低奶牛場的經濟效益[3]。國外有不少公司生產擠奶設備的自動清洗控制系統(tǒng)，如瑞典的Delaval(利拉法)乳業(yè)機械有限公司、英國的FULLWOOD(富爾德)畜牧機械有限公司、丹麥的SAC擠奶設備有限公司、荷蘭的GM公司等。這些公司生產的擠奶設備自動清洗控制系統(tǒng)的功能有：整個清洗過程自動完成、水溫不夠時能夠自動加熱以及液位不夠時自動報警。其中Delaval公司生產的清洗控制系統(tǒng)最先進，除了具備上述的共同的功能外，還能夠自動調配溶液的濃度。雖然這些公司的控制系統(tǒng)的功能較全，但仍然缺乏與上位機的通訊功能，而且價格較高，國內一般奶牛場的購買能力相對較低。目前國內大型奶牛場安裝的帶自動清洗控制系統(tǒng)的擠奶設備基本上是從國外進口的[4]?？傊覈鴶D奶設備自動清洗控制系統(tǒng)的生產及相關技術的發(fā)展水平與發(fā)達國家仍存在很大的差距，但國產自動清洗系統(tǒng)與國外同類機型相比具有明顯的優(yōu)勢：不僅某些技術指標優(yōu)于國外產品，而且價格便宜，比進口的便宜30%～40%；操作簡便，對操作人員的操作水平要求不高；維修方便，配件齊全，長期保證供應。因此，近年來國內有許多奶牛場將目光轉向了國產擠奶設備自動清洗控制系統(tǒng)。1.3研究目標設計的自動清洗系統(tǒng)將實現(xiàn)以下功能：（1）PLC和觸摸屏控制整個清洗過程自動完成；（2）通過觸摸屏按鍵選擇清洗模式，并能夠通過按鍵調用實現(xiàn)相關功能，如清洗方式的選擇、手動操作、急停操作等；（3）自動調節(jié)酸堿清洗液濃度；（4）清洗過程中水溫不夠時能自動加熱；（5）通過觸摸屏實現(xiàn)閥門和泵等的啟停顯示、工作狀態(tài)顯示、水溫顯示等；（6）可以手動控制閥門、泵等的啟停；（7）清洗過程中濃度、液位、水溫不正常時能夠自動報警。2自動清洗系統(tǒng)的工藝流程基于PLC控制的自動清洗系統(tǒng)主要是應用于乳制品、飲料、精細化工等生產領域中。在此以奶站擠奶設備為例，概要地介紹奶站自動清洗系統(tǒng)工藝要求及流程。2.1牛奶的成分及清洗劑的選擇牛奶是一種營養(yǎng)非常豐富的食品，含有蛋白質、脂肪、乳糖、礦物質、酶類等物質[5]。在在擠奶過程中，與牛奶接觸的設備表面，易產生各種沉淀物，即奶垢。這些沉積物會影響殺菌設備的熱傳導效率，影響殺菌效果。另外沉積物也是微生物生長繁殖的良好營養(yǎng)基地，若不盡快徹底清洗牛奶擠奶儲存設備上的附著物，將使微生物大量繁殖，很難保證牛奶的質量安全。牛奶的成分表如表1所示：表1牛奶成分由表1可以看出，牛奶的主要成分是水分、脂肪、蛋白質、乳糖和各類礦物質，礦物質中主要成分是鈣和磷，其次是鈉和鎂。乳糖易溶于水，脂肪和蛋白質難溶于水卻易溶于堿液，礦物質易溶于酸。因此，清洗劑選擇水、堿液和酸液[6]。2.2奶站設備清洗工藝要求2.2.1工藝過程根據本項目的工藝流程設計要求，該系統(tǒng)主要是對擠奶設備和儲奶設備進行清洗，可以完成清水清洗、堿清洗、酸堿清洗三項清洗工藝。奶站擠奶設備必須在每次擠奶前后清洗干凈，制冷儲奶罐在將奶液排凈后進行清洗。清洗過程分為預清洗、堿液、清水沖洗、酸洗、清水沖洗五個過程，如圖1所示。圖1清洗過程2.2.2影響因素及清洗要求預清洗：循環(huán)清洗，一般清洗時間為3分鐘，應在擠奶完畢和制冷儲奶罐將奶液排凈后馬上進行，其原因是當室內溫度低于牛奶溫度時容器和管道中的殘留物會發(fā)生硬化，導致清洗困難。預清洗只需用符合飲用水衛(wèi)生標準的軟性水沖洗即可，目的主要是清洗殘留物中的乳糖。水溫太低會使牛奶中脂肪凝固，太高會使蛋白質變質，所以溫度應控制在36～45℃之間。堿洗：循環(huán)清洗，清洗時間為5分鐘，其原理是堿液和油脂生成易溶于水的鹽，因而方便清洗。堿洗時溫度控制在75～85℃之間，堿液濃度為0.8～1.5%。酸洗：循環(huán)清洗，清洗時間為5分鐘，清洗容器和管道中的殘留礦物質所用清洗劑為酸液，酸洗溫度控制在75～85℃之間，酸液濃度為0.8～1.5%。后沖洗（清水沖洗）：溫水不循環(huán)清洗，清洗時間一般為3分鐘，堿（或酸）洗結束并將堿液（或酸液）排放干凈后進行清水沖洗，清洗完畢直接將水排入污池[7]。2.3奶站清洗工藝設備及流程該清洗系統(tǒng)主要由擠奶設備清洗和儲奶設備清洗及控制系統(tǒng)組成，主要設備包括清洗槽、攪拌器、集乳罐、制冷儲奶罐、泵、閥、板式換熱器等，工藝流程圖如圖2所示。圖2奶站設備清洗工藝流程圖2.3.1擠奶設備清洗流程(1)預清洗擠奶完畢后對擠奶設備管路進行預清洗。通過冷熱水閥L、R向清洗槽注入冷熱水，同時開啟攪拌器1使之混合均勻，水溫調至35～46℃之間。當水位至設定液位H時，關閉閥R、L，打開閥E，打開真空泵，清水由清洗槽流出經過閥E至擠奶機，一并流入集乳罐。當罐內水位到達預控位置時，吸乳泵自動開啟，打開閥Z1、閥A1，A2閉合，打開閥P2、H2，清水經由閥A1、P2、H2流回清洗槽，清洗時間設定為3分鐘。清洗過程由蒸汽加熱來保持水溫在所需范圍內，即水溫降到下限時蒸汽閥自動開啟通過板式換熱器加熱，到上限時停止加熱。清洗完畢后，打開閥G1、F，把清洗槽和集乳罐中的水排出至排污池。(2)堿洗通過閥R、L、堿調節(jié)閥將冷熱水和濃堿注入清洗槽，水溫調至75～85℃，堿液濃度為0.8～1.5%，開始堿洗程序：當水位至設定清洗槽液位H時，將閥R、L、堿調節(jié)閥關閉，打開閥E、真空泵，清洗液從清洗槽出來經過閥E進入擠奶機，一并流入集乳罐。當罐內水位到達預控位置時，吸乳泵自動開啟，打開閥Z1、閥A1，A2閉合，打開閥P2、H2，清洗液經由閥A1、P2、H2流回清洗槽，清洗時間設定為5分鐘。清洗過程由蒸汽加熱來保持水溫在所需范圍內，即水溫降到下限時蒸汽閥自動開啟通過板式換熱器加熱，到上限時停止加熱。清洗結束后，打開閥G1、F，清洗液由清洗槽和集乳罐中排出至污水池。(3)清水沖洗1堿洗結束并將堿液排放干凈后進行清水沖洗。用溫水進行清水沖洗即可。閥P1打開、P2閉合，清水經過閥Al、PI流入排污池，即隨即沖洗，隨即排走。清洗過程結束，打開閥G1，將槽內存水放盡，打開閥F將余留在管路中的洗液排出去，所有閥門進入初始狀態(tài)。(4)酸洗同堿洗。(5)清水沖洗2同清水沖洗1。2.3.2儲奶設備清洗流程(1)預清洗通過冷熱水閥L、R將冷熱水放入清洗槽，水溫調至35～46°C，當水位到達H設定值時，啟動清洗泵，清水經過閥Z2、A2流入儲奶罐。當罐內水位到達設定高度時，啟動制冷罐清洗泵，循環(huán)水經B2、H2流回到清洗槽。儲奶罐內通過攪拌器將罐四周清洗干凈。清洗過程由蒸汽加熱來保持水溫在所需范圍內。循環(huán)3分鐘清洗結束后，打開閥B1、閉合B2，打開G1，清水將直接排入污水池。(2)堿洗將冷熱水和濃堿注入清洗槽,水位調至75～85℃，堿液濃度為0.8～1.5%。當清洗槽液位達到設定位置時，制冷清洗泵啟動，清洗液經過閥Z2，A2進入制冷儲奶罐，當罐內水位到達設定高度時，循環(huán)泵啟動，循環(huán)水經B2、H2流回清洗槽。儲奶罐內通過攪拌器，將儲奶罐四周清洗干凈。清洗過程中，水溫降到下限時蒸汽閥自動開啟通過板式換熱器加熱，到上限時停止加熱。循環(huán)5分鐘清洗結束后，打開閥B1，閉合B2，打開G1，清水將直接排入排污池。(3)清水沖洗1將冷熱水放入清洗槽，當水位到達清洗槽液位H設定值時，清洗泵啟動，清水經過閥Z2、A2流入儲奶罐，當罐內水位到達設定高度時，啟動循環(huán)泵，清水經過閥B2進入制冷儲奶罐，通過攪拌器2，將儲奶罐四周清洗干凈，清水經由閥B1流入排污池，隨沖洗，隨排走。清洗過程結束清洗3分鐘后，打開閥G1，直接將清水排入污水池。(4)酸洗同堿洗。(5)清水沖洗2同清水沖洗1。3系統(tǒng)控制方案設計根據奶站全自動清洗系統(tǒng)的工藝要求，設計奶站全自動清洗系統(tǒng)的系統(tǒng)硬件結構框圖如圖3所示。圖3系統(tǒng)硬件結構框圖3.1外部設備3.1.1外部輸入設備本系統(tǒng)含有一些輸入量來判斷工作環(huán)境和狀態(tài)，包括液位傳感器和溫度傳感器、酸堿濃度變送器等輸入量。在清洗槽和罐體內都裝入壓力傳感器，用于檢測罐體的液位情況；裝有一個鉑熱電阻溫度傳感器，選取PT100熱敏電阻溫度傳感器，用于檢測清洗液的溫度[8]。清洗槽、罐上裝有酸堿濃度變送器，酸堿濃度變送器通過測量溶液電導值來確定濃度，可在線連續(xù)檢測工業(yè)過程中酸、堿在水溶液中的濃度含量。這種變送器主要應用于鍋爐給水處理、化工溶液的配制以及環(huán)保等工業(yè)生產過程，可釆用鋼制電極，價格便宜，可在線連續(xù)檢測酸堿液的濃度[9]。清洗槽中設置四個控制點，分別為：HH報警點、H控制點、L控制點和LL報警點。HH控制點：高液位報警，避免溢出事故的發(fā)生。H控制點：當液位到達H點時，停止加液。L控制點：根據判斷進行相應的補液處理。LL控制點：低液位報警，避免斷流事故的發(fā)生。集乳罐和儲奶罐設置三個控制點，分別為：HH報警點、H控制點和LL報警點。3.1.2外部輸出設備(1)閥門A、B、P、H為二位三通閥[10]，T型，結構如圖4所示，A2口與入口常開，B2口與入口常開，P2口與入口常，H1口與入口常開。圖4A閥結構圖Z1和Z2為單向閥，單向閥又稱止回閥或逆止閥。用于液壓系統(tǒng)中防止液流反向流動，只允許液流從一個方向通過。(2)泵真空泵是一種旋轉式變容真空泵。在較寬的壓力范圍內有較大的抽速，對被抽除氣體中含有灰塵和水蒸汽不敏感。循環(huán)泵指裝置中輸送反應、吸收、分離、吸收液再生的循環(huán)液用泵，一般采用單級離心泵。循環(huán)泵的流量中等大小，在穩(wěn)定工作條件下，泵的流量變化比較小。循環(huán)泵是要將水或溶液循環(huán)起來，例如水暖供熱管道中的熱水是靠循環(huán)泵循環(huán)起來的[11]。此外，該系統(tǒng)還有清洗泵、吸乳泵共四臺泵。(3)攪拌器清洗槽中的攪拌器是為了使冷熱水快速混合均勻，儲奶罐中的攪拌器的作用是攪拌清洗液，使清洗液充分撞擊容器壁，使清洗充分。3.2控制部分3.2.1PLC簡介及選用PLC是在計算機技術發(fā)展下應運而生的新一代邏輯控制裝置，它專門面對工業(yè)環(huán)境，可以進行數字運算操作，帶有存儲器，可編程實現(xiàn)復雜控制功能。世界上PLC產品可按地域分成三大流派：一個流派是美國產品，一個流派是歐洲產品，一個流派是日本產品。美國和歐洲的PLC技術是在相互隔離情況下獨立研究開發(fā)的，因此美國和歐洲的PLC產品有明顯的差異性。而日本的PLC技術是由美國引進的，對美國的PLC產品有一定的繼承性，但日本的主推產品定位在小型PLC上。美國和歐洲以大中型PLC而聞名，而日本則以小型PLC著稱。在眾多PLC產品當中，西門子公司推出了的SIMATICPLCS7系列PLC以其強大的功能、極快的處理速度、良好的性能得到了最廣泛的應用，其中本系統(tǒng)采用的S7-300系列具有模塊化、無排風扇結構，易于實現(xiàn)分布，易于用戶掌握等特點，使得S7-300系列廣泛應用在各種從小規(guī)模到中等性能要求的控制任務中，是目前國內應用較多，性價比較好的高性能PLC[12]。本控制系統(tǒng)選用西門子S7-300PLC作為控制核心。3.2.2PLC選型本系統(tǒng)有模擬量輸入，選擇CPU型號為313C，它是一種緊湊型CPU，帶集成的數字量和模擬量的輸入和輸出。電源選用PS307，PS電源模板將220V交流電轉換成24V直流電供給PLC系統(tǒng)使用，輸出電流為5A。3.2.3PLC外部接線I/O分配圖如圖5所示：圖5PLC外部接線圖3.2.4I/O點分配通過對清洗系統(tǒng)的輸入、輸出設備的分析，得出該控制系統(tǒng)的所有輸入輸出點，控制系統(tǒng)中所有的I/O點分配如表2所示。表2I/O分配表數字量輸入輸出分配I0.0清洗槽液位HQ0.6熱水閥I0.1清洗槽低液位LQ0.7循環(huán)泵I0.2集乳罐液位HQ1.0吸乳泵I0.3儲奶罐液位HQ1.1清洗泵I0.4清洗槽高液位HHQ1.2堿泵I0.5清洗槽低液位LLQ1.3酸泵I0.6集乳罐高液位HHQ1.4攪拌器1I0.7集乳罐低液位LLQ1.5真空泵I1.0儲奶罐高液位HHQ1.6E閥I1.1儲奶罐低液位LLQ1.7G1閥Q0.0Q閥Q2.0Z1閥Q0.1A閥Q2.1Z2閥Q0.2B閥Q2.2熱蒸汽閥Q0.3P閥Q2.3攪拌器2Q0.4F閥Q2.4H閥Q0.5冷水閥模擬量輸入分配PIW1清洗液溫度PIW2清洗液濃度控制過程中需要10個數字量輸入點，21個數字量輸出點，2個模擬量輸入點。根據I/O點數及其特性，并考慮留有一定的升級和修改的余地，CPU313C帶集成數字量和模擬量輸入輸出，24個數字量輸入和16個數字量輸出以及5個模擬量輸入和2個模擬量輸出，配置一塊D08作為數字量輸出模塊。3.3顯示部分為了操作上的方便，人們用觸摸屏來代替鼠標或鍵盤。觸摸屏由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成，觸摸檢測部件安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測用戶觸摸位置，接受后送觸摸屏控制器；而觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點檢測裝置接收觸摸信息，并將它轉換成觸點坐標，再送給CPU，它同時能接收CPU發(fā)來的命令并加以執(zhí)行。觸摸屏的基本原理是用戶用手指或其他物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏時，所觸摸的位置(以坐標形式)被觸摸屏控制器檢測，并通過接口(如RS232串行口)送到CPU，從而確定輸入的信息。采用觸摸屏技術的原因有很多，如惡劣環(huán)境中數據輸入和計算機之間的密封、保護需要采用觸摸技術。觸摸屏是用戶和計算機之間實現(xiàn)互動的最簡單的、最直接的方式。盡管觸摸屏技術相對較新，但是用戶和觸摸屏交互的基本方式已非常久遠：你的手可伸向你想要的東西，這幾乎是所有人的本能?，F(xiàn)在各行各業(yè)都已經成功的將觸摸屏的效用發(fā)揮到各自的應用中，觸摸屏帶來的實質益處有以下幾點[13]。(1)簡化了人機界面，使用戶無需任何培訓就可以使用計算機。(2)提高了精確度，消除了操作員誤操作的可能性。(3)觸摸屏取代了鍵盤和鼠標。(4)結實耐用，可以承受鍵盤和鼠標易受損壞的場所。(5)通過觸摸屏可以快速訪問所有類型的數字媒體，不會受到文本界面的妨礙。(6)底座更小，保證空間不被浪費，因為出入設備己經完全整合到顯示器中。由于本項目的PLC選用西門子的產品，則人機界面也采用西門子的產品SIMATICTP277，操作方便，靈活性好。西門子人機界面的特點[14]。(1)過程可視化：在人機界面上動態(tài)顯示過程數據(即PLC采集的現(xiàn)場數據)。(2)操作員對過程的控制：操作員通過圖形界面來控制過程。(3)顯示報警：當被檢測變量超出設定值時，過程的臨界狀態(tài)會自動觸發(fā)報警。(4)記錄歸檔功能：順序記錄過程值和報警信息，便于檢索以前的生產數據。(5)輸出過程值和報警記錄：例如可在某一班結束時打印輸出生產報表。(6)過程和設備的參數管理：將過程和設備的參數存儲在配方中，可以一次性將這些參數從人機界面下載到PLC中，以便改變產品的品種。4PLC軟件設計控制系統(tǒng)選用西門子S7-300PLC為控制核心，采用STEP7作為軟件編程環(huán)境，對奶站自動清洗PLC控制系統(tǒng)進行模塊化編程，完成控制系統(tǒng)主程序和子程序流程圖繪制，在此基礎上完成軟件設計工作。4.1STEP7硬件組態(tài)硬件組態(tài)的主要工作是根據實際系統(tǒng)的硬件配置，將電源模塊、CPU模塊、信號模塊等設備安裝到模擬生成的相應機架上，生成一個與真實系統(tǒng)完全相同的系統(tǒng)，并對每個硬件組成模塊進行參數設置和和修改的過程。S7-PLC300PLC的模塊在出廠時已經設置默認的參數作為模塊的運行參數，一般情況下，用戶不需要對參數進行設置，這樣加快了硬件組態(tài)過程[15]，STEP7硬件組態(tài)界面如圖6所示。圖6硬件組態(tài)電源模塊放入1號槽，CPU模塊放入2號槽，3號槽是接口模塊，本項目中只有一個機架，3號槽空著，4-11號槽放置其它模塊。4.2PLC程序設計硬件組態(tài)完成后，始程序設計。編寫程序前要確定所有的外部變量，在符號表中輸入符號名稱、絕對地址、數據類型和注釋，如下圖7所示。圖7硬件組態(tài)完成符號編輯后，在程序塊中添加塊，開始梯形圖編輯。STEP7軟件中程序塊有多種，組織塊（OrganizationBlock，簡稱OB）、功能（Function，簡稱FC）、功能塊（FunctionBlock，簡稱FB）、系統(tǒng)功能（SystemFunction，簡稱SFC）、系統(tǒng)功能塊（SystemFunctionBlock，簡稱SFB）、背景數據塊（InstanceDataBlock，簡稱背景DB）、共享數據塊（ShareDataBlock，簡稱共享DB）。這些塊主要編輯用戶程序或存儲數據。完成上述步驟，開始進行程序編寫：（1）主程序OB1OB1是整個系統(tǒng)的主程序，CPU運行后循環(huán)調用主程序OB1，當調用某個子程序的條件滿足時，系統(tǒng)轉到相應的子程序執(zhí)行子程序功能。在0B1中可調用5個子程序，分別是擠奶設備清洗子程序FC1，儲奶設備清洗子程序FC2，手動子程序FC3，急停子程序FC4，復位子程序FC5，OB1流程圖如圖8所示，部分程序如圖9所示。圖8OB1流程圖圖9OB1程序圖擠奶/儲奶設備清洗擠奶設備清洗和儲奶設備清洗有五個過程，當某一個過程的執(zhí)行標志被按下的時候，調用相應的子程序執(zhí)行清洗。全自動清洗在系統(tǒng)中預設好5個執(zhí)行標志都被按下。5個執(zhí)行標志分別是清水洗1執(zhí)行標志、堿洗執(zhí)行標志、清水洗2執(zhí)行標志、酸洗執(zhí)行標志、清水洗3執(zhí)行標志。設備清洗流程圖如圖10所示。圖10設備清洗流程圖（3）第一次循環(huán)清水洗(預清洗)當第一次清水洗執(zhí)行標志被按下時，調用第一次清水洗子程序。當液位到達L，判斷水溫是否在35～46℃，工藝要求是在36～45℃，考慮到系統(tǒng)的滯后，程序中設定為38～43℃。第一次循環(huán)清水洗的流程圖如圖11所示。圖11第一次循環(huán)清洗流程圖（4）酸/堿洗當酸/堿洗執(zhí)行標志被按下時，調用酸/堿洗子程序，酸/堿洗的流程圖如圖12所示。圖12酸/堿洗流程圖（5）清水沖洗(第三次清水洗)當清水沖洗執(zhí)行標志被按下時，調用清水沖洗子程序，清水沖洗子程序的流程圖如如圖13所示。圖13清水沖洗流程圖（6）手動程序當手動標志按下時，轉到手動子程序FC3，通過手動標志位控制閥門、泵的啟停。在系統(tǒng)清洗的過程中，手動標志不起作用，在清洗前、急停后或清洗結束后手動標志才能作用，手動部分程序如圖14所示。圖14手動程序（7）急停子程序當系統(tǒng)出現(xiàn)故障報警或操作者想要終止清冼時，按下急停按鈕，調用急停子程序FC4，執(zhí)行機構復位，整個清洗過程終止部分程序如圖15所示。圖15急停子程序（8）復位子程序當清洗結束時，調用復位子程序FC5，各執(zhí)行機構恢復到清洗之前的狀態(tài)，部分程序如圖16所示。圖16復位子程序（9）報警程序在清洗的過程中當清洗槽水位、清洗液溫度、酸堿液濃度有異常情況時，會產生報警。在觸摸屏軟件中設定報警變量閃爍，這樣就可以把PLC中程序的報警送到觸摸屏上顯示出來，便于操作者發(fā)現(xiàn)故障并及時處理。（10）模擬量輸入輸出轉換本課題中，有兩個模擬量輸入，分別是清洗液的溫度和濃度。清洗液的溫度和濃度用傳感器測量，傳感器將輸出的標準電壓、電流、溫度、或電阻信號供PLC采集,PLC的模擬量輸入模板將該電壓、電流、溫度、或電阻信號等模擬量轉換成數字量。在PLC程序內部要對相應的信號進行比較、運算時將該信號轉換成實際物理值(對應于傳感器的量程)。STEP7自帶模擬量轉換功能塊FC105和FC106。（11）共享數據塊如圖17所示DB1定義了各種清洗狀態(tài)，在程序執(zhí)行的過程中，用MOVE指令給其賦值，用CMP==1進行比較，滿足比較條件時，執(zhí)行相應的指令，這些類型為整型。圖17DB1數據塊如圖18所示DB2定義了清洗標志位，類型為布爾型。當某個清洗標志位被置位時執(zhí)行相應的清洗指令。圖18DB2數據塊如圖20所示DB3定義了清洗時間，類型為S5TIME型。圖19DB3數據塊如圖20所示DB4定義了濃度和溫度。圖20DB4數據塊如圖21所示DB5定義了手動標志位，當手動標志位按下時，相應的執(zhí)行機構動作。圖21DB5數據塊如圖22所示DB6定義了報警。圖22DB6數據塊5控制系統(tǒng)的組態(tài)設計5.1WinccFlexible簡介該全自動清洗系統(tǒng)選用了西門子公司的TP277觸摸屏，TP277觸摸屏是西門子公司按照我國中小型自動化產品用戶的需求而設計出的觸摸屏，與他們的S7-300可編程控制器配合使用，在可靠性和性價比方面都得到了自動化領域的一致認可。TP277觸摸屏可以采用WinccFlexible2008中文版進行組態(tài)。TP277觸摸屏上所顯示的文本、操作、圖形以及顯示元素，需要先在上位計算機上通過Winccflexible組態(tài)軟件來創(chuàng)建。上位計算機可以通過串行接口或MPI/ROFIBUS-DP口連接至TP277觸摸屏，這樣就可以將上位計算機已經組態(tài)好的畫面下載到TP277觸摸屏。當項目下載成功后，可以用專門的通訊線將觸摸屏與PLC連接。Winccflexible是一個集成的HMI(HumanMachineInterface人機界面)和監(jiān)控管理系統(tǒng)，它是結合西門子公司在過程自動化領域的先進技術和MicrosoftPC軟件技術的面向對象的32位應用軟件，Winccflexible是在生產和過程自動化中解決可視化和控制任務的工業(yè)技術系統(tǒng)，提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息報警、過程值歸檔以及報表打印等模塊，使其具有高性能的過程耦合、快速的畫面更新、以及可靠的數據管理功能[17]。Winccflexible實時分批從可編程控制器中讀出相關監(jiān)測和計算參數，進行動態(tài)顯示和存儲。同時計算機可對存盤數據進行抽取、組合處理。對所測數據按參數類別、工藝等特點建立數據庫，用于數據查詢和統(tǒng)計，可對有關參數進行在線修改。5.2觸摸屏通訊打開WinCCFlexible2008軟件的連接編輯器，與S7-300連接。接口IF1B與PLC的Station連接如圖23所示。圖23MPI觸摸屏通訊5.3觸摸屏變量的生成與屬性設置每個變量都有一個符號名和數據類型。外部變量是操作單元與PLC進行數據交換的橋梁，是PLC中定義的存儲單元的映像，其值隨PLC的程序執(zhí)行而改變。內部變量與PLC沒有連接，只有HMI設備能訪問內部變量。內部變量用名稱來區(qū)分，沒有地址。打開變量編輯器，創(chuàng)建和編輯變量。表為變量的名稱、數據類型和地址。HMI通過變量與PLC進行數據交換?？梢钥闯?，每個變量都需要對數據類型、連接方式、與硬件相關的地址和采樣周期等參數進行，并且需要對變量賦予變量名[18]，變量設置如圖24所示。圖24觸摸屏變量5.4觸摸屏畫面設計系統(tǒng)主要通過觸摸屏界面設計進行人機通話，完成層壓機參數設置，并起到實時監(jiān)控的作用。觸摸屏界面設計主要在Winccflexible的編輯環(huán)境下完成的。（1）主畫面點擊系統(tǒng)主畫面，可以選擇擠奶設備清洗、儲奶罐清洗或返回三個按。點擊其中的一個按鈕，進入相應的畫面，如圖25所示。圖25主畫面（2）選擇清冼方式畫面清洗分為全自動清洗和選擇清洗，可以根據需要選擇相應的清洗方式如圖26所示。圖26選擇清洗方式畫面編輯清洗方式畫面如果選擇設備的選擇清冼，顯示編輯清洗方式畫面。根據需要選擇清洗方式，還可以設定清洗時間。圖27編輯清洗方式畫面確認畫面在擠奶設備和儲奶罐畫面清洗之前，有一個確認畫面，保證擠奶過程已經結束。圖28確認畫面擠奶設備清洗畫面在擠奶設備清洗畫面里，可以顯示當前進行的操作和水溫。當執(zhí)行機構動作時，可以直的在畫面中觀察出來。當手動按鈕按下時，可以手動控制執(zhí)行機構的動作。在清洗過程中出現(xiàn)故障時，可以按下急停按鈕，清洗過程終止。圖29擠奶設備清洗畫面儲奶設備清洗畫面圖30儲奶設備清洗畫面（7）報警畫面首先要在報警管理中設置報警變量，如圖31所示。圖31報警變量設置系統(tǒng)發(fā)生報警時，報警畫面如圖32所示。圖32報警畫面5.5WinccFlexible和PLC的集成仿真模擬在STEP7的項目中創(chuàng)建了HMI站后，為了實現(xiàn)PLC與HMI設備之間的自動數據交換，使用STEP7集成的工具軟件建立他們之間的連接。該系統(tǒng)通過MPI連接兩個站點，如圖33所示：圖33組態(tài)MPI網絡打開PLCSIM，將用戶程序和組態(tài)信息下載到仿真PLC，將仿真PLC切換到RUN或RUN-P模式。單擊WinccFlexible工具欄上的運行按鈕，啟動運行系統(tǒng)，開始模擬HMI。如圖34所示的PLCSIM界面上，可以看到IB0第0位、QB0第5、6位前面的方框中打對勾，清洗液到H液位，熱水閥、冷水閥動作。圖34PLCSIM仿真結果在PLCSIM仿真運行的同時，單擊程序編輯器工具欄的監(jiān)視按鈕，進入監(jiān)視狀態(tài)。在圖35所示監(jiān)視畫面中，可以更直觀的看到閥、泵的動作，當執(zhí)行機構動作時，相應的圖標由淺藍色變?yōu)榫G色。在梯形圖中，每個變量的位置上會顯示該變量的當前值，如處于有效狀態(tài)的元件顯示為綠色實線，處于無效狀態(tài)的元件顯示為淺藍色，這樣提供了對程序狀態(tài)檢測和跟蹤調試的功能，更能清楚顯示程序設計的合理、及程序的準確性。圖35擠奶設備監(jiān)視畫面運行結束語本系統(tǒng)從整體角度出發(fā)，首先對奶站自動清洗系統(tǒng)的國內外現(xiàn)狀和研究的必要性進行介紹，接著在分析自動清洗系統(tǒng)的工藝流程和系統(tǒng)組成，對奶站清洗設備的主要組成系統(tǒng)進行設計，確定奶站自動清洗PLC控制系統(tǒng)方案，從系統(tǒng)的硬件設計到軟件設計分別進行說明。主要做了以下工作：(1)首先了解和明確課題的設計要求，分析奶站自動清洗系統(tǒng)的功能及要