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摘要：麦芽糊精是生活生产中应用广泛的食品原料，因此生产工序是非常重要的。传统生产工艺比较生产效率低下且不安全，本文主对麦芽糊精生产的干燥控制系统做出设计，其使用了S71500PLC和WINCC上位机结合进行自动控制，通过PLC控制各个阀门、电机、温度、压力和液位传感器等开控制产线运行。其中应用PID控制算法进行现场仪表的调节，通过采集现场信号反馈回来之后与设定值比较，再到PID调节器中进行调节，继而达到期望状态。
关键词：麦芽糊精，S71500PLC，WINCC上位机，PID控制算法
Abstract：Maltodextrin is a widely used food material in daily life production，so the production process is very important.The traditional production process is relatively inefficient and unsafe.This article mainly designs the drying control system for maltodextrin production，which uses the combination of S71500PLC and WINCC upper computer for automatic control，and PID control algorithm is used to adjust the on-site instrumentation.After collecting the on-site signal feedback，it is compared with the set value，and then adjusted in the PID regulator to reach the desired state.
Keywords：Maltodextrin，S71500PLC，WINCC host computer，PID control algorithm
1 研究背景
隨着社会经济的发展，工业生产生活中对糖的需求越来越多，麦芽糊精成为生产生活中广为应用的一种食品加工原料。糊精质量优质，富含营养价值，和葡萄糖具有几乎同样的功效。生产糊精成为了更多公司的选择。其生产工艺流程如下：以各种玉米、大米、红薯淀粉等作为原料，把淀粉调制为淀粉乳，然后通过加入淀粉酶进行液化操作，生成糊精液，再进行脱色，离子交换，降膜蒸发及干燥等流程生产成品进行打包出售。在糖果生产、饮料生产、饼干生产、医药行业中都有很大的使用价值。麦芽糊精在国外也广泛使用，美国采用的是液化淀粉进行水解后进行干燥得到的产品。麦芽糊精的生产的方式主要有酸法、酶法和酸酶法，我们采用的是酶法，这样可以避免产生沉淀物，进而减少浪费，提高生产量。
麦芽糊精的生产工艺流程如图2-1所示下：
麦芽糊精干燥控制系统过程如下所诉：
淀粉制成淀粉乳，乳液通过进料泵进入均质机，在均质机运转下把淀粉乳液进行不断搅拌，使得料液更加细腻均匀，然后经过输送管道送至干燥塔内，压缩空气通过进入布袋室过滤除尘后经过散热器，同时来自高压蒸汽管道的热蒸汽经过散热器，二者形成热风，吹入干燥塔对料液进行蒸发，蒸发出来的气体通过热蒸汽冷凝水管进行冷凝回收利用。干燥后的麦芽糊精粉经过大旋风分离器进行分离，最终和气体分离进入收集箱进行打包出售。
2控制方案
本次生产设计中主要争对麦芽糊精的干燥工艺进行讨论，此次设计利用了西门子S71500PLC和wincc上位机进行系统自动化控制，不仅能提高生产效率，而且节约成本，质量保障，安全可行。
2.1.硬件设计
本文中应用下位机S71500PLC硬件和上位机Wincc监控配合，设计中PLC模块使用了西门子1513CPU、冗余1513CPU、STIOP电源、内部电源、内部冗余电源、外部电源、外部冗余电源、通讯模块、光电转换器、DI模块、DO模块、AI模块、AO模块、交换机、空气开关、保险端子若干、西门子网线、光纤等，其中还增加了三个SIMATIC ET 200SP从站进行拓展，使得CPU与现场更多仪表进行信息交流，硬件设备清单如表3-1所示，现场仪表清单如表3-2所示。
CPU作为控制中心装载程序，处理各种数据，内部电源给电柜箱中的CPU和各种模块供电，外部电源给现场仪表供电，冗余电源作为备用电源，主电源发生意外时进行工作。通讯模块接收和发送信息，进行信息交流，交换机增加了网口，更加便捷。在现场中一般通讯距离100米左右，超过100米时需要使用光纤进行通讯，故光电转换器使得光信号和电信号互相转换。AO模块进行模拟量的设定，AI模块读取现场仪表设备的状态，如生产线中的温度、压力、流量、液位等，与设定量进行对比，经过PID调节器进行调节，再通过DO模块对开关阀、调节阀、电机进行控制调节，调节后的仪表状态通过DI模块进行读取，循坏往复，减小误差，使得现场仪表值达到设定值，控制系统高效快速运行。现场运行使用PROFIBUS现场总线通讯，传送现场阀门、执行机构等运行信号。PLC现场控制原理如图2.1所示。
2.2程序开发
本设计中plc程序用高级编程（ST）语言编写，在西门子TIA Portal V15软件中进行编写，TIA Portal V15集成了PLC硬件组态、程序编写与WINCC监控功能，程序下载到CPU和和CPU中上载到计算机都通过TIA Portal V15。编写程序时输入输出变量都与现场接线端子的点位号上、一一对应。程序设计中使用了PID算法调节进行模拟量控制和数字量的控制。
P为比例环节，对系统运行状态下的瞬间偏差做出反应，只要偏差一出现就进行调节，调节的快慢取决于Kp的大小，Kp越大，调节速度越快。 I为积分环节，当接近理想状态但仍有误差，使用积分环节消除误差，
D为微分环节，消除静态状态下的误差。
PID调节器选择：
本控制系统中使用PID控制原理进行调节，使用PID调节的有进出料流量控制器，蒸汽温度、压力、流量控制器，温度使用PID调节器，压力采用采用PI调节器，流量采用PI调节器，液位采用PI调节器。
2.3上位机组态
上位机使用的是WINCC7.4进行了画面制作，与现场变量一一对应，现场设备在PLC控制下运行后画面显示设备仪表的实时运行状态，且在上位机WINCC可以设定值，如温度、压力、流量等。画面中设置了报警器，当现场运行出现故障时，对应报警器进行报警，使得运行更加安全方便。如图4-1为麦芽糊精干燥均质机运行画面，图4-2为麦芽糊精干燥运行画面。
3.结论
本次设计的设计理念主要是争对自动控制生产线制作的，极大程度的减少了人力成本且提升了生产效率。上位机WINCC对现场仪表可以进行调节，使得现场情况一目了然，远程进行控制监控，很大程度增加了生产速率和经济效益。其中PID算法的使用更是点睛之笔，使得现场设备实现自动高效调节，系统安全可靠。此次自动控制项目设计在河北某公司使用运行完好，且这种自动化生产应用到各大食品制造行业将是很重要的一步。在往后的项目研究中我们将更加深入优化算法，使得现场控制更加快速精确。
参考文献
[1]刘振全，王汉芝，杨坤.西门子PLC编程技术及应用案例[M].北京：化学工业出版社，2016.
[2]向晓汉，刘摇摇.西门子WinCC从入门到提高[M].北京：机械工业出版社，2012.
[3]胡新月.电气监控组态软件的研究与开发[J].电子技术与软件工程，2017，22：46-47.
[4]Fukami S，Mizumoto M，Tanaka K.Some Considerations on Fuzzy Conditional Inference[J].Fuzzy Sets and Systems，1980，4：242-273.
[5]Zhiqing G，James G D.A stable self-tuning fuzzy ogic control system for industrial temperature regulation[J]，IEEE Transactions on Industry placations，2002，38（2）：414-424.
[6]Mohamad Abedini，Esmail Mahmodi，MirRahim Mousavi，Iman Chaharmahali.A novel Fuzzy PI controller for improving autonomous network by considering uncertainty[J].Sustainable Energy，Grids and Networks，2019，18.
[7]盧勇威.模糊神经网络PID在PLC温度控制系统中的应用研究[J].科技通报，2018，34（01）：155-158.
[8]曾雪芬.糖厂多效蒸发过程的建模与控制[D].广西大学，2012.
[9]冯洪玉，黄河，李国厚等.S7-300/400 系列PLC应用设计指南[M].北京：机械工业出版社，2014.
[10]宗素兰，章家岩，尹成贺.模糊PID控制在温度控制系统的应用[J].工业控制计算机，2010，23（08）：75-76+78.
作者简介：
宋彦生，出生年月日：1997.06.23，性别：男，民族：汉，籍贯：山西，学历：硕士研究生，研究方向：控制工程，工作单位：天津职业技术师范大学。
储健，出生年月日：1961年4月，性别：男，民族：汉，籍贯：天津市人，学历：硕士 职称：教授，研究方向：检测技术，工作单位：天津职业技术师范大学。
关键词：麦芽糊精，S71500PLC，WINCC上位机，PID控制算法
Abstract：Maltodextrin is a widely used food material in daily life production，so the production process is very important.The traditional production process is relatively inefficient and unsafe.This article mainly designs the drying control system for maltodextrin production，which uses the combination of S71500PLC and WINCC upper computer for automatic control，and PID control algorithm is used to adjust the on-site instrumentation.After collecting the on-site signal feedback，it is compared with the set value，and then adjusted in the PID regulator to reach the desired state.
Keywords：Maltodextrin，S71500PLC，WINCC host computer，PID control algorithm
1 研究背景
隨着社会经济的发展，工业生产生活中对糖的需求越来越多，麦芽糊精成为生产生活中广为应用的一种食品加工原料。糊精质量优质，富含营养价值，和葡萄糖具有几乎同样的功效。生产糊精成为了更多公司的选择。其生产工艺流程如下：以各种玉米、大米、红薯淀粉等作为原料，把淀粉调制为淀粉乳，然后通过加入淀粉酶进行液化操作，生成糊精液，再进行脱色，离子交换，降膜蒸发及干燥等流程生产成品进行打包出售。在糖果生产、饮料生产、饼干生产、医药行业中都有很大的使用价值。麦芽糊精在国外也广泛使用，美国采用的是液化淀粉进行水解后进行干燥得到的产品。麦芽糊精的生产的方式主要有酸法、酶法和酸酶法，我们采用的是酶法，这样可以避免产生沉淀物，进而减少浪费，提高生产量。
麦芽糊精的生产工艺流程如图2-1所示下：
麦芽糊精干燥控制系统过程如下所诉：
淀粉制成淀粉乳，乳液通过进料泵进入均质机，在均质机运转下把淀粉乳液进行不断搅拌，使得料液更加细腻均匀，然后经过输送管道送至干燥塔内，压缩空气通过进入布袋室过滤除尘后经过散热器，同时来自高压蒸汽管道的热蒸汽经过散热器，二者形成热风，吹入干燥塔对料液进行蒸发，蒸发出来的气体通过热蒸汽冷凝水管进行冷凝回收利用。干燥后的麦芽糊精粉经过大旋风分离器进行分离，最终和气体分离进入收集箱进行打包出售。
2控制方案
本次生产设计中主要争对麦芽糊精的干燥工艺进行讨论，此次设计利用了西门子S71500PLC和wincc上位机进行系统自动化控制，不仅能提高生产效率，而且节约成本，质量保障，安全可行。
2.1.硬件设计
本文中应用下位机S71500PLC硬件和上位机Wincc监控配合，设计中PLC模块使用了西门子1513CPU、冗余1513CPU、STIOP电源、内部电源、内部冗余电源、外部电源、外部冗余电源、通讯模块、光电转换器、DI模块、DO模块、AI模块、AO模块、交换机、空气开关、保险端子若干、西门子网线、光纤等，其中还增加了三个SIMATIC ET 200SP从站进行拓展，使得CPU与现场更多仪表进行信息交流，硬件设备清单如表3-1所示，现场仪表清单如表3-2所示。
CPU作为控制中心装载程序，处理各种数据，内部电源给电柜箱中的CPU和各种模块供电，外部电源给现场仪表供电，冗余电源作为备用电源，主电源发生意外时进行工作。通讯模块接收和发送信息，进行信息交流，交换机增加了网口，更加便捷。在现场中一般通讯距离100米左右，超过100米时需要使用光纤进行通讯，故光电转换器使得光信号和电信号互相转换。AO模块进行模拟量的设定，AI模块读取现场仪表设备的状态，如生产线中的温度、压力、流量、液位等，与设定量进行对比，经过PID调节器进行调节，再通过DO模块对开关阀、调节阀、电机进行控制调节，调节后的仪表状态通过DI模块进行读取，循坏往复，减小误差，使得现场仪表值达到设定值，控制系统高效快速运行。现场运行使用PROFIBUS现场总线通讯，传送现场阀门、执行机构等运行信号。PLC现场控制原理如图2.1所示。
2.2程序开发
本设计中plc程序用高级编程（ST）语言编写，在西门子TIA Portal V15软件中进行编写，TIA Portal V15集成了PLC硬件组态、程序编写与WINCC监控功能，程序下载到CPU和和CPU中上载到计算机都通过TIA Portal V15。编写程序时输入输出变量都与现场接线端子的点位号上、一一对应。程序设计中使用了PID算法调节进行模拟量控制和数字量的控制。
P为比例环节，对系统运行状态下的瞬间偏差做出反应，只要偏差一出现就进行调节，调节的快慢取决于Kp的大小，Kp越大，调节速度越快。 I为积分环节，当接近理想状态但仍有误差，使用积分环节消除误差，
D为微分环节，消除静态状态下的误差。
PID调节器选择：
本控制系统中使用PID控制原理进行调节，使用PID调节的有进出料流量控制器，蒸汽温度、压力、流量控制器，温度使用PID调节器，压力采用采用PI调节器，流量采用PI调节器，液位采用PI调节器。
2.3上位机组态
上位机使用的是WINCC7.4进行了画面制作，与现场变量一一对应，现场设备在PLC控制下运行后画面显示设备仪表的实时运行状态，且在上位机WINCC可以设定值，如温度、压力、流量等。画面中设置了报警器，当现场运行出现故障时，对应报警器进行报警，使得运行更加安全方便。如图4-1为麦芽糊精干燥均质机运行画面，图4-2为麦芽糊精干燥运行画面。
3.结论
本次设计的设计理念主要是争对自动控制生产线制作的，极大程度的减少了人力成本且提升了生产效率。上位机WINCC对现场仪表可以进行调节，使得现场情况一目了然，远程进行控制监控，很大程度增加了生产速率和经济效益。其中PID算法的使用更是点睛之笔，使得现场设备实现自动高效调节，系统安全可靠。此次自动控制项目设计在河北某公司使用运行完好，且这种自动化生产应用到各大食品制造行业将是很重要的一步。在往后的项目研究中我们将更加深入优化算法，使得现场控制更加快速精确。
参考文献
[1]刘振全，王汉芝，杨坤.西门子PLC编程技术及应用案例[M].北京：化学工业出版社，2016.
[2]向晓汉，刘摇摇.西门子WinCC从入门到提高[M].北京：机械工业出版社，2012.
[3]胡新月.电气监控组态软件的研究与开发[J].电子技术与软件工程，2017，22：46-47.
[4]Fukami S，Mizumoto M，Tanaka K.Some Considerations on Fuzzy Conditional Inference[J].Fuzzy Sets and Systems，1980，4：242-273.
[5]Zhiqing G，James G D.A stable self-tuning fuzzy ogic control system for industrial temperature regulation[J]，IEEE Transactions on Industry placations，2002，38（2）：414-424.
[6]Mohamad Abedini，Esmail Mahmodi，MirRahim Mousavi，Iman Chaharmahali.A novel Fuzzy PI controller for improving autonomous network by considering uncertainty[J].Sustainable Energy，Grids and Networks，2019，18.
[7]盧勇威.模糊神经网络PID在PLC温度控制系统中的应用研究[J].科技通报，2018，34（01）：155-158.
[8]曾雪芬.糖厂多效蒸发过程的建模与控制[D].广西大学，2012.
[9]冯洪玉，黄河，李国厚等.S7-300/400 系列PLC应用设计指南[M].北京：机械工业出版社，2014.
[10]宗素兰，章家岩，尹成贺.模糊PID控制在温度控制系统的应用[J].工业控制计算机，2010，23（08）：75-76+78.
作者简介：
宋彦生，出生年月日：1997.06.23，性别：男，民族：汉，籍贯：山西，学历：硕士研究生，研究方向：控制工程，工作单位：天津职业技术师范大学。
储健，出生年月日：1961年4月，性别：男，民族：汉，籍贯：天津市人，学历：硕士 职称：教授，研究方向：检测技术，工作单位：天津职业技术师范大学。