张烈平 马航 李梦 朱金萍

摘 要： 传统的柿饼烘干方法费工、费时并且柿饼成品率低，可以用现代自动化技术替代传统烘干方法。基于PLC与WinCC的柿饼烘干监控系统根据柿饼的烘干工艺特点，采用西门子PLC作为控制器，GRM无线通信模块作为远程监控终端，以WinCC组态作为上位机对系统运行状态进行实时监控。监控系统可以实时检测烘房内的温度、柿果含水量等数据，并且具有参数设定、实时数据采集及显示等功能。与自然烘干法和传统设备烘干相比，该系统可精确量化監控柿饼烘干过程，在保障高效率与高品质的同时节约了人力成本。

关键词： PLC； WinCC组态； 柿饼烘干； 监控系统； 实时数据采集； 人力成本

中图分类号： TN948.64?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）14?0118?04

Persimmon drying monitoring system based on PLC and WinCC

ZHANG Lieping， MA Hang， LI Meng， ZHU Jinping

（School of Mechanical and Control Engineering， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： The modern automation technology can substitute for the traditional persimmon drying method in which a lot of labor and time is wasted， and the dried persimmon′s finished product rate is low. Therefore， a persimmon drying monitoring system based on PLC and WinCC is proposed. In the system， according to the drying process characteristic of the persimmon， the SIEMENS PLC is used as the controller， the GRM wireless communication module is used as the remote monitoring terminal， and the WinCC configuration is used as the upper computer to monitor the operation status of the system in real time. The monitoring system can detect the temperature of the drying room， the water content of the persimmon， and other data in real time， and has the functions such as parameter setting and real?time data acquisition and display. In comparison with the natural drying method and the traditional equipment drying method， the system can monitor the persimmon drying process accurately and quantitatively， and reduce labor costs while guaranteeing high efficiency and high quality.

Keywords： PLC； WinCC configuration； persimmon drying； monitoring system； real?time data acquisition； labor cost

柿饼是我国的一种传统美食，富含碘、钙、铁以及多种维生素，且具有很大的医疗保健价值与农业经济价值。柿饼是由柿子经过清洗、去皮、一次烘干、一次捏饼、二次烘干、二次捏饼、三次烘干、整形、上霜和贮藏等工艺流程，才能制作成功[1]。传统的自然干燥法生产效率低，受天气因素影响大，并且在露天的晒制过程中，灰尘、昆虫和鸟类等会对柿饼的品质造成影响。烘干机干制法相对于自然干燥法在生产效率和品质保障上都有很大的提升，但是柿饼制作工艺中的含水量与烘干温度都要进行严格的把控，目前市场上流通的烘干机在功能上还无法达到柿饼制作工艺的要求。基于西门子PLC与WinCC组态软件设计的柿饼烘干监控系统，在功能上可以达到柿饼制作工艺的要求，具有提高柿饼生产效率、保障柿饼品质以及降低人工成本等优点。

1 柿饼烘干工艺及烘干方案

1.1 柿饼烘干工艺

柿饼烘干过程中，烘干温度与柿子含水量直接影响着柿饼的品质，由柿饼加工经验得知采用“低温?高温?低温”的干制工艺，能使得柿饼品质最佳。有研究者实验得出三个阶段烘干温度与柿子目标含水量最佳标准[2]分别为40 ℃与70%，55 ℃与40%和45 ℃与30%。柿饼烘干工艺流程见图1。流程中每阶段的工艺要求如下：

1） 一次烘干。在第一阶段的烘干中，保持烘干温度为40 ℃，将柿子含水量烘干至70%。

2） 一次捏饼。第一阶段烘干流程结束之后，进行第一次捏饼，须将果实捏至微软，使得果实内部水分向柿子表层扩散。

3） 二次烘干。第一次捏饼流程结束之后，进行第二次烘干，将烘干温度提升至55 ℃并保持稳定，将柿子含水量烘干至40%。

4） 二次捏饼。第二次烘干流程结束之后，进行第二次捏饼，须将果肉硬块全部捏碎，使得第三次烘干之后柿饼水分均匀。

5） 三次烘干。第二次捏饼流程结束之后，进行第三次烘干，将烘干温度保持在45 ℃，将柿子含水量烘干至30%。

6） 整形。第三次烘干流程结束之后，将柿子逐个从顶部向下压扁，整捏为饼状，即完成柿饼烘干流程。

1.2 柿饼烘干监控方案

系统组件包括：西门子S7?200PLC控制器、WinCC組态上位机、GRM通信模块、风道式电加热器、冷却风机、称重传感器以及温度传感器等。系统框图见图2。

在WinCC组态上位机上可以选择自动烘干或者手动烘干。在烘干过程中称重传感器和温度传感器分别用来测量柿子的实时重量与实时温度，并将测得的数据实时传输给PLC控制器，WinCC组态上位机与GRM无线通信模块也能实时获取烘房内部的实时数据。同时，GRM无线通信模块可以远程发送数据至用户手机和Internet监控平台，用户不在生产现场即可掌控烘干流程[3]。根据烘干工艺流程，烘房内如需升温或者降温，PLC控制器通过控制接触器触点的开合，来控制风道式电加热器与冷却风机的运行与停止；在热风进口处配置有热风开度电机，PLC控制器根据烘房内部温度的反馈，控制热风进入量实现恒温闭环控制。

2 系统硬件设计

2.1 可编程控制器

柿饼烘干监控系统选取西门子S7?200系列CPU222型PLC进行控制，CPU222型PLC集成8输入和6输出，并且可以扩展2个模块，性价比高，属于应用很广泛的全功能控制器[4]。根据柿饼烘干系统的烘干工艺及系统方案，CPU222型PLC满足本系统的性能要求。此外，由于温度传感器与重量传感器测得的数据均为模拟量，而模拟量输入控制器CPU中需要转化为数字量，故在设计中还增加一个EM231扩展模块，用于烘房温度与柿子重量的模拟量数据采集。

2.2 GRM无线通信模块

GRM无线通信模块专用于工控领域PLC远程监控的测控终端，采用GPRS、短信和电话拨号三种通信相结合的方式，即使GPRS网络中断，还可以借助短信或电话的方式，实现PLC无线通信控制、远程短信控制、短信查询及远程报警等功能[5]。用户只需一台联网的电脑，对GRM通信模块进行配置，无需在控制器内部编写任何程序，即可实现远程监控。其具有安装方便、使用简单、抗干扰能力强、稳定可靠以及高性价比等特点。在系统中，GRM模块和S7?200PLC通过RS 485总线连接，通信协议为PPI协议。

2.3 风道式电加热器

风道式电加热器主要用来将所需要的空气流从初始温度加热到所需要的空气温度，其产生的热空气干燥无水分、不导电、无污染、安全可靠，具有升温快、效率高、体积小等特点，在烘干领域应用很广泛[6]。

风道式电加热器与冷却风机均由S7?200PLC控制器通过接触器控制其运行与停止。在三个阶段的烘干过程中，控制器通过控制热风进口电机的旋转实现调节热风进口开度大小，调节热风进入量，达到控制烘干温度的目的。当温度超过设定值或者开始捏饼流程时，启动冷却风机，降低烘房内部温度至设定值时停止。

3 系统软件设计

3.1 控制器程序设计

本文系统中的控制器编程软件为V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9，提供三种程序编辑器：STL编辑器、LAD编辑器和FBD编辑器[7]。编程使用LAD编辑器编程实现，在PLC控制程序设计中，设计有手动控制模式与自动控制模式，自动控制模式的系统烘干程序流程图如图3所示。

柿饼烘干工艺上有三个阶段的烘干，启动系统后，系统进行初始化[8]。用户设置第一阶段的目标温度与柿子含水量，系统根据设置的参数，启动风道式加热器与热风进口调节电机，将烘房温度提升至目标温度并保持。控制器通过对热风进口电机与冷却风机的控制，实现烘房内恒温烘干的闭环控制。在烘干流程中，如果温度或者设备动作异常，监控界面与报警装置都会报警，并停止系统运行。在保持温度恒定的同时，称重传感器通过测得柿子重量，实时判断其含水量是否达到工艺目标，达到目标值则加热器与风机停止工作，即可进行第一次捏饼。捏饼结束，用户确定第一阶段结束，系统即进行第二阶段烘干流程，第二阶段、第三阶段与第一阶段流程相同，此处不做过多阐述。

3.2 监控界面设计与仿真

柿饼烘干监控系统的核心部分是WinCC软件系统。由于WinCC中没有集成S7?200系列PLC常用的通信协议，WinCC不能直接监控S7?200系列PLC组成的控制系统。要建立WinCC与S7?200PLC之间的通信，采用OPC协议作为通信协议，使用第三方软件作为OPC服务器，WinCC作为客户端读写S7?200系列PLC内部数据，在OPC服务器中建立标签与PLC中的存储地址相对应[9]。柿饼烘干系统的监控主界面如图4所示，主界面包括控制面板、冷却风机、风道式电加热器运行状态、高温报警、烘干过度报警及故障报警，并实时显示烘干温度与柿饼含水量。控制面板包括手动/自动模式切换按钮、启动与停止按钮。

选择自动模式时，弹出参数设置界面如图5所示。用户可设置三个阶段的烘干温度与柿子含水量参数，然后点击启动按钮即可启动自动烘干模式。烘干第一阶段的监控系统仿真界面如图6所示。

4 结 语

本文设计基于西门子PLC和WinCC的柿饼烘干监控系统，实现烘干温度的闭环恒温控制，自动检测柿饼含水量，使柿饼烘干流程严格按照柿饼干燥工艺流程进行烘干，提高柿饼的品质与生产效率。还设计了上位机监控界面，使用户可以进行远程监控，降低了用户的劳动强度，减少人工成本。此系统在烘干的三个阶段流程中，需要进行三次捏饼，因为时间不足和技术上有所欠缺，捏饼的过程仍需要人工实现，希望相关学者在后续的研究中研发出可替代人工捏饼的自动化方案。

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