基于S7-1200的低温高湿度解冻库设计

　　摘要：为改进传统的肉类解冻方式的不足，提高解冻效率并且保证解冻完成后肉类的营养流失最少，根据先进的低温高湿度解冻理论，设计出低温高湿度解冻保鲜库，实现了肉类解冻以及食品保鲜功能。采用西门子S7-1200作为控制器，通过程序控制库内温湿度在设定范围并通过触摸屏以及计算机进行实时监测与控制。通过现场调试与运行，完善系统的可靠性，达到预期解冻效果，实现新型解冻保鲜模式的设计要求。

关键词：低温高湿度；解冻与保鲜；PLC；触摸屏；控制系统

　　在如今的肉类食品处理过程中，解冻与保鲜技术尚未有突破性的改善与提高。自然解冻、水解冻以及微波解冻依然是主流的冷冻肉处理方式。但以上几种方式都存在较大缺陷。自然解冻效率过低，并且对环境温度有严格要求，温度过高和过低都不宜采用这种方式。水解冻相较自然解冻效率有所提高但容易造成肉类表面营养成分的流失并且对于数量过大的冷冻肉类来说，大量水资源的消耗也不是环保之举。目前解冻效率最高、速率最快的微波解冻由于其方式的限制，容易在解冻过程中造成解冻不均匀以及肉质口感下降。根据先进的低温高湿度解冻理论表明，4℃时水的密度最大，有利于热量的交换。同时，在湿度较高的环境下，待解冻肉类表面会形成均匀的隔氧水膜，减少解冻过程中的营养流失。据此，可进行实际解冻系统的设计。



1  系统设计要求

　　设计中要求系统通过PLC控制库内温度在2℃～8℃范围内波动，湿度在90%左右，营造出稳定的低温高湿度的解冻环境并通过环境参数的改变，解冻完成后库内温度在-2℃左右，实现解冻后的保鲜功能。

　　1.1  硬件系统

　　设计要求的低温高湿度解冻库由硬件系统以及软件系统组成，采用上位机触摸屏、计算机共同监控和下位机PLC综合控制的方法。通过温度、湿度传感器进行环境参数的采集，并由模拟量扩展模块进行1信号的传送与处理。制冷片以及冷却水喷头、加热蒸汽喷头由PLC控制工作实现对库内环境的调节。系统结构框图如图1所示。



图1　系统结构框图

　　1.1.1  控制器选型

　　根据应用环境以及设计要求，控制系统选用西门子PLC S7-1200-1212C作为控制器，该PLC共有8个数字量输入点、6个数字量输出点，2个模拟量输入输出点。作为工业级可编程逻辑控制器，S7-1200能够保证系统运行的稳定并且不用借助扩展模块实现计算机与PLC的无线通讯，实现监控与控制功能。

　　1.1.2　输入输出确定

　　根据解冻库系统功能设计要求，共需要3个模拟量输入点、5个数字量输出点。具体输入输出分配如表1所示。

表1　输入输出分配表

输入点	输出点
IW64  环境温度传感器	Q0.0  加热蒸汽喷头
IW66  肉体温度传感器	Q0.1  制冷片
IW96  湿度传感器	Q0.2  指示灯/紫外线灯
	Q0.4  冷却水喷头
	Q0.5  风扇

　　1.1.3  传感器选型

　　解冻库内环境参数的采集需要用到温度以及湿度传感器。为实现传感器信号采集后的传送与处理，设计需要增加西门子SM1231模拟量扩展模块，该模块具有4路输入输出点。湿度传感器选用HM1500LF电容型湿度传感器，工作电压为5CDC，线性电压输出1～4V对应于0～100% RH湿度范围。该传感器具有尺寸小，可靠性高以及极低的温度依赖性等优点。环境温度传感器以及待解冻肉类温度传感器皆采用PT100铂电阻和SBWZ温度变送器的组合，能够准确测量-50℃～100℃范围内温度的变化，由于铂金属的稳定性，传感器可正常工作于多种环境中。SBWZ温度变送器接线。



图2　HM1500LF湿度传感器以及SBWZ温度变送器接线图

　　1.1.4  解冻库结构组成

　　解冻库主要采用轨道悬挂式解冻，单体解冻质量为65～75kg肉类。主要框架结构由外彩钢板内304不锈钢组成。库板夹层使用聚氨酯保温板填充，减少库内外热量交换。控制部分外接专用电气控制柜，导线采用防水铜芯电缆，增强系统抗干扰能力。电源部分采用欧姆龙变压器S8FS-C10024以及S8JC-Z05012C将220V交流电转换为24VDC，12VDC为PLC等装备供电。设置低压断路器，防止短路造成设备的损坏。解冻库设计中所有输出加装继电器，以提高系统运行的可靠性。

　　1.2  软件系统

　　控制程序使用博途V13软件进行编写与调试以及实现触摸屏的组态与通讯功能。设计通过程序控制实现解冻保鲜模式的运行与切换、温湿度曲线的实时监控与备份、计算机无线监控与控制等功能。

　　1.2.1  解冻与保鲜模式的实现

　　解冻库设计中，通过温湿度传感器分别采集库内环境参数以及待解冻肉体内部温度并将模拟量信号处理为标准单位下数值。模拟量处理STL程序如下所示：

　　程序1：湿度模拟量处理STL。

　　LD　　 SM0.0

　　ITD　　IW64，VD802

　　DTR　　VD802，VD810

　　LD　　 SM0.0

　　MOVR　 VD810，VD800

　　/R　　 2764.8，VD800

　　MOVR　 VD800，VD804

　　-R　　 1.0，VD804

　　*R　　 100.0，VD808

　　MOVR　 VD808，VD440

　　程序2：温度模拟量处理STL。

　　LD　　SM0.0

　　ITD　 IW96，VD100

　　DTR　 VD100，VD96

　　LD　　 SM0.0

　　MOVR　 VD96，VD52

　　/R　　 2764.8，VD52

　　MOVR　 VD52，VD56

　　/R　　 0.025，VD56

　　MOVR　 VD56，VD60

　　-R　　 40.0，VD60

　　MOVD　 VD60，VD64

　　*D　　+94，VD64

　　MOVD　 VD64，VD68

　　-D　　+5300，VD68

　　/R　　 100.0，VD68

　　程序控制解冻库内温度在2℃～8℃范围，温度在90%上下。一旦库内温度过高，制冷片以及冷却水细雾喷头共同工作进行降温；温度过低，则仅有热蒸汽喷头工作进行升温。若湿度不满足要求，冷却水细雾喷头单独工作。在符合要求的解冻环境中，风扇工作，使待解冻肉类表面形成均匀气流加快解冻进程。至肉块中心温度达到0℃±1℃时，解冻完成，自动进入保鲜模式。保鲜模式中紫外线灯工作，进行杀菌消毒。针对不同应用群体，系统还设置有肉类保鲜、蔬菜保鲜两种模式可供选择。整体系统工作流程图如图3所示。



图3　系统工作流程图

　　1.2.2  温湿度曲线的实时监控与备份

　　通过博途V13软件的HMI组态并与西门子触摸屏KTP700通讯成功后，可在触摸屏以及计算机上查看温湿度的实时变化曲线。并且，程序支持曲线数据的导出，可通过便携式存储设备备份数据，以便进一步的分析与调整。解冻试验采集的数据经MATLAB处理后如图4所示。



图4　低温高湿解冻过程库内温度变化曲线

　　1.2.3  计算机无线监控与控制

　　1) 计算机无线通讯连接：在博途V13软件中进行工作站即PLC与计算机的无线通讯组态与配置，设置计算机的IP地址与PLC在同一局域网内。在计算机系统控制面板中进行PG/PC接口的设置，选取S7ONLINE选项卡，即可完成无线通讯。

　　2) 触摸屏通讯：在博途V13软件中选取对应的触摸屏型号，设计所选取的型号为西门子精简系列触摸屏6AV2-123-2GA03-0AX0，进行硬件的组态后即可连接并进行HMI界面的绘制。触摸屏显示画面如图5所示。



图5　触摸屏界面

　　



2  试验结果与分析

　　经现场调试，保证设备正常运行后，进行冷冻牛肉的解冻效果试验。设备正常工作，库内温湿度均满足设计要求，解冻过程顺利进，并且解冻完成后自动进入肉类保鲜模式。解冻完成后，解冻库内的冻品解冻的效果均匀一致，无氧化与黑线现象出现。与自然解冻方式对比下，低温高湿度解冻法所解冻肉类更贴近原有色泽，肉质更有弹性。在具体解冻参数对比中，基于S7-1200的低温高湿度解冻法蛋白质以及水分流失最少，并在保持了最高效解冻同时能耗最低，对环境影响极小。解冻效果如图6所示。



图6　试验解冻效果与自然解冻效果对比展示

　　经实际解冻试验，多种解冻过程以及解冻结果相关参数对比如表2所示。

表2　不同解冻方式重要参数对比（以1000kg-18℃冷冻肉为例）

解冻参数/方法	空气自然解冻	水解冻	微波解冻	低温高湿解冻
温湿度控制方式	不控制	不控制	控温不控湿	控温控湿
色泽	暗淡	灰白	焦糊色	鲜亮
肌肉组织	松弛	海绵状	橡胶质感	有弹性
水分流失	5%	3%～5%	2%～3%	＜1%
营养成分	蛋白质流失	蛋白质流失	蛋白质变性	保持原有成分
有害菌数量级	1000	10000	100	100
耗电量	无	无	33kW.h	18kW.h
耗水量	无	18～25t	无	1～1.5t
污水处理	成本较高	成本高	无	无
解冻时间	24h	8～10h	0.5～2h	13～20h

3  结  语

　　针对传统解冻模式的不足，依据全新的低温高湿度解冻理论基础，并创新性的增加保鲜模式，通过西门子PLC S7-1200作为主控制器实现了低温高湿度解冻保鲜库的设计。配合西门子KTP700触摸屏实现了模式切换、温度设置、数据监控以及多库控制等功能，友好的人机界面有利于设备的广泛推广与使用，具有良好的实用性。