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案例頻道

WinAC 在果蔬飲品調(diào)配系統(tǒng)中的應(yīng)用

    一、前言

  果蔬飲品是以果汁、蔬菜汁為原料,經(jīng)過調(diào)配加工,制成各種口味的飲料。隨著生活的提高,人們對飲料的要求(包括營養(yǎng)、美味和健康等方面的要求)也越來越高。因此,越來月的越多的手工調(diào)配罐被全自動的機(jī)械調(diào)配裝置所替代。為了提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,適應(yīng)市場的需求,對調(diào)配設(shè)備的自動化要求也越來越高。本文介紹一個(gè)以軟PLC 為主站、S7-200 系列的PLC 為從站的全自動果蔬飲品控制系統(tǒng),是西門子WinAC(視窗自動化中心)和Profibus-DP(分散外圍設(shè)備的過程現(xiàn)場總線)在食品飲料加工設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用。

    二、系統(tǒng)簡介

  1、控制對象

  該系統(tǒng)由三部分組成:調(diào)配系統(tǒng)、原料系統(tǒng)和CIP 清洗系統(tǒng)。

  (1)調(diào)配系統(tǒng):為飲料成品的調(diào)配系統(tǒng),共有三組組成,即1#調(diào)配系統(tǒng)、2#調(diào)配系統(tǒng)、3#調(diào)配系統(tǒng)。三組調(diào)配系統(tǒng)具有同樣的配置和功能。對于每組調(diào)配系統(tǒng),都由兩個(gè)輔料罐、兩個(gè)調(diào)配罐和各種進(jìn)出物料管道及清洗管道組成。主要控制對象在輔料罐上有二個(gè)進(jìn)水閥、二個(gè)輔料出口閥、一個(gè)輔料水泵和二個(gè)清洗回流閥。在調(diào)配罐上有四個(gè)進(jìn)料閥(分別為進(jìn)果汁、糖漿、輔料和水)、二個(gè)出料閥、一個(gè)出料泵和一個(gè)清洗回流閥。主要檢測點(diǎn)有輔料出料的流量信號、四個(gè)罐的溫度及液位信號以及故障信號等。

  (2)原料系統(tǒng):為原料的調(diào)配系統(tǒng)。由一個(gè)熱水系統(tǒng)、二個(gè)糖水混合罐、一個(gè)糖漿攪拌罐、一個(gè)果汁加料罐和二個(gè)果汁攪拌罐及其進(jìn)出物料管道和清洗管道組成。主要控制對象有二個(gè)進(jìn)水閥、一個(gè)熱水調(diào)節(jié)閥、一個(gè)熱水泵。在二個(gè)糖水混合罐上各有一個(gè)進(jìn)水閥、一個(gè)出料泵。在糖漿攪拌罐上有一個(gè)出料閥和出料泵、一個(gè)清洗回流閥和回流泵。在果汁加料罐上有一個(gè)吸料泵、一個(gè)出料泵和一個(gè)兩位三通閥。

    在二個(gè)果汁攪拌罐上有各有一個(gè)進(jìn)料/出料閥和出料泵,還有一個(gè)清洗回流閥。主要檢測點(diǎn)有流量信號、罐的溫度及液位信號以及故障信號等。

  (3)CIP 清洗系統(tǒng):為調(diào)配系統(tǒng)中所有罐和管道的清洗和消毒系統(tǒng)。由堿水 罐、酸水罐、消毒水罐、濃堿儲罐、濃酸儲罐和兩個(gè)加熱器及其相關(guān)管道組成。主要控制對象在堿水罐、酸水罐和消毒水罐上各有二個(gè)出水閥和二個(gè)回流閥(對應(yīng)于 兩條清洗回路),還各有一個(gè)進(jìn)水閥。在堿水罐和酸水罐上各有一個(gè)循環(huán)泵。在濃堿儲罐和濃酸儲罐上各有一個(gè)加藥泵。在兩條清洗管路上各有一個(gè)進(jìn)水閥和出水閥,還各有一個(gè)循環(huán)泵和加熱器調(diào)節(jié)閥。系統(tǒng)中還有三個(gè)回流泵。主要檢測點(diǎn)有酸堿的電導(dǎo)率、流量信號、管路的溫度信號以及故障信號等。

  2、控制流程

  系統(tǒng)有三組功能相同調(diào)配裝置,可獨(dú)立運(yùn)行,但公用一個(gè)原料系統(tǒng)和CIP 清洗系統(tǒng)。在管路不沖突的情況下,調(diào)配和清洗可同時(shí)進(jìn)行。調(diào)配進(jìn)行時(shí),系統(tǒng)根據(jù)配方,分別進(jìn)糖漿和果汁,再進(jìn)輔料和純水,然后進(jìn)行定時(shí)攪拌,需要時(shí)通過出料泵輸送去罐裝或包裝。當(dāng)某一套或二套調(diào)配裝置正在進(jìn)輔料、純水或攪拌或出料時(shí),另一套調(diào)配裝置可以從原料系統(tǒng)進(jìn)糖漿和果汁。同時(shí),原料系統(tǒng)中的二個(gè)糖水混合罐根據(jù)糖漿攪拌罐的液位情況交替工作,保證糖漿的供應(yīng)。二個(gè)果汁攪拌罐也根據(jù)需要交替工作,以保證果汁的供應(yīng)不間斷。同時(shí)也保證了整個(gè)調(diào)配系統(tǒng)可以不間斷地供應(yīng)成品飲料。

  清洗進(jìn)行時(shí),系統(tǒng)根據(jù)操作人員指示的清洗方式和清洗選擇,分別或同時(shí)對調(diào)配系統(tǒng)的輔料罐和調(diào)配罐,原料系統(tǒng)的糖罐和果汁罐及其相關(guān)管道和物料管道進(jìn)行清洗。清洗方式有“堿洗=>消毒水洗”、“酸洗=>消毒水洗”、“堿洗=>酸洗=>消毒水洗”和“消毒水洗”四種,清洗選擇則有多達(dá)35 種,以保證每個(gè)料罐、每條管道都能根據(jù)需要清洗到位。

  三、控制系統(tǒng)的構(gòu)成

  1、系統(tǒng)配置框圖

  控制系統(tǒng)由一臺西門子工控機(jī)(IL40)配以CP5611 通訊卡和WinAC 軟PLC為主站,以S7-200 系列的PLC 配以EM277 為從站,以西門子WinCC(視窗控制中心)為主站的人機(jī)界面,從站現(xiàn)場配TP27-10 觸摸屏為人機(jī)界面。圖1 為該系統(tǒng)的配置框圖

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    系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)

  根據(jù)果蔬飲品調(diào)配系統(tǒng)設(shè)備的分布和工藝情況,調(diào)配和CIP 清洗是兩個(gè)獨(dú)立的工藝流程,本裝置的調(diào)配中共有三套設(shè)備(稱1#調(diào)配系統(tǒng)、2#調(diào)配系統(tǒng)和3#調(diào)配系統(tǒng)),它們工藝流程相同,設(shè)備和管道閥門都一樣,但它們公用一套原料加工設(shè)備(亦稱公用系統(tǒng))。為此控制系統(tǒng)采用Profibus-DP 現(xiàn)場總線方式,現(xiàn)場三套調(diào)配系統(tǒng)、一套CIP 清洗系統(tǒng)和一套原料系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制分別一套使用S7-200 系列PLC(CPU226),通過EM277 模塊,作為Profibus-DP 總線上的獨(dú)立從站。上位采用西門子工控機(jī)配WinAC 軟PLC 作主站[1],以WinCC 為系統(tǒng)總控的人機(jī)界面,而現(xiàn)場有一臺TP27-10 彩色觸摸屏可以監(jiān)控三套調(diào)配系統(tǒng),CIP 清洗系統(tǒng)和原料系統(tǒng)各有有一臺TP27-10 彩色觸摸屏可以監(jiān)控,這樣的配置具有以下特點(diǎn):

  1、配置成本較低

  2、從站可以不依賴于主站獨(dú)立運(yùn)行

  3、可靠性高

  4、易維護(hù)性

  5、通訊速度快,實(shí)時(shí)性強(qiáng)

  6、擴(kuò)展靈活

  四、控制系統(tǒng)的主要技術(shù)環(huán)節(jié)與自動化的實(shí)現(xiàn)

  總線通訊

  PROFIBUS-DP 是主從結(jié)構(gòu)的工業(yè)現(xiàn)場總線,其最大站點(diǎn)可達(dá)126 個(gè),最大通訊速率12M。WinAC 與S7-200 從站之間的通信是通過開辟通信緩沖區(qū)進(jìn)行的。在WinAC 軟PLC 中,定義一塊I/O 區(qū)域?yàn)榕c從站交換數(shù)據(jù)的緩沖區(qū),而在S7-200PLC中,則定義V 區(qū)域?yàn)榕c主站交換數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的大小可以選擇,但每個(gè)從站的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)最大為32 個(gè)字節(jié)的輸入和32 個(gè)字節(jié)的輸出。

  需交換的數(shù)據(jù)量超過可定義緩沖區(qū)的最大限制

  系統(tǒng)中每個(gè)從站PLC 與主站PLC 之間有許多數(shù)據(jù)交換,而5 個(gè)從站之間的交換數(shù)據(jù)也是通過主站進(jìn)行的,因此,各32 個(gè)字節(jié)的輸入/輸出緩沖區(qū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足整個(gè)系統(tǒng)的需求。為了解決這個(gè)問題,我們對系統(tǒng)的通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究和分類,一類是溫度、液位等模擬量數(shù)據(jù)共有54 個(gè)之多,每個(gè)數(shù)據(jù)需兩個(gè)字節(jié),共需108個(gè)字節(jié),但這類數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求不高。另一類是泵閥的狀態(tài)和驅(qū)動信號、中間位等,這類信號的實(shí)時(shí)性要求高,數(shù)量也不少,但由于是開關(guān)量,因此其所占的字節(jié)數(shù)并不多。對前一類數(shù)據(jù),采用循環(huán)發(fā)送、定時(shí)讀取刷新的方式,輸入/輸出緩沖區(qū)只用了4 個(gè)字節(jié)。而對于后一類字節(jié)所占不多的數(shù)據(jù),采用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)直接傳輸?shù)姆绞剑员WC信號刷新的實(shí)時(shí)性。

  WinLC 組態(tài)及編程

  用STEP 編程軟件組態(tài)軟PLC 主站和EM277 從站配置,并對主機(jī)編程。該程序主要是處理主站上的人機(jī)界面WinCC 與實(shí)時(shí)控制的從站PLC 之間的數(shù)據(jù)信息交換、報(bào)警事件的處理、三個(gè)調(diào)配系統(tǒng)從站之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行與互鎖、原料系統(tǒng)從站與調(diào)配系統(tǒng)從站之間的運(yùn)行協(xié)調(diào)、CIP 清洗系統(tǒng)從站與另外四個(gè)從站之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行和一些數(shù)據(jù)及狀態(tài)的共享等等,圖2 為WinLC 主機(jī)配置組態(tài)。

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圖2 WinLC 主機(jī)配置組態(tài)
Fig.2 Configuration on WinLC master station

  上位機(jī)WinCC 組態(tài)

  用WinCC 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)友好的用戶界面和監(jiān)控畫面,通過WinLC 主機(jī),向Profibus-DP 上的EM277 從站(S7-200PLC)發(fā)送命令,同時(shí)讀取從站PLC 的設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、模擬量采樣數(shù)據(jù)和報(bào)警信息等。根據(jù)這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),系統(tǒng)在屏幕上動態(tài)顯示整個(gè)調(diào)配系統(tǒng)裝置的運(yùn)行情況,包括流量、罐內(nèi)液位、溫度、酸堿的電導(dǎo)和泵閥的開/關(guān)狀態(tài)等。一旦發(fā)現(xiàn)故障報(bào)警信息,系統(tǒng)即顯示明顯的警示畫面,通過WinLC主機(jī)向各從站PLC 發(fā)出停機(jī)命令,保存并記錄下故障發(fā)生的時(shí)間、方位和原因等原始數(shù)據(jù)。程序還可以根據(jù)用戶要求保存所需要的歷史數(shù)據(jù),定時(shí)、實(shí)時(shí)(如故障信息)或按操作鍵打印所需的數(shù)據(jù)和信息。圖3 是用WinCC 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的果蔬飲品調(diào)配系統(tǒng)的用戶監(jiān)控畫面。

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圖3 用戶監(jiān)控界面
Fig.3 Monitoring interface

  從站PLC 程序

  用STEP7 Micro/WIN 軟件設(shè)計(jì)從站PLC(S7-200 系列)程序。5 個(gè)從站中3個(gè)調(diào)配系統(tǒng)從站程序相同。由于采用Profibus-DP 總線結(jié)構(gòu),因此從站PLC 程序無須考慮與主站的通信問題,只需在已指定的輸入/輸出緩沖區(qū)中交換數(shù)據(jù)即可。同時(shí),該從站PLC 還可以脫離主站而單獨(dú)運(yùn)行。因此從站有下列單獨(dú)編程的程序:調(diào)配工作程序:該程序由輔料罐自動運(yùn)行程序、調(diào)配罐自動運(yùn)行程序、手動操作程序、初始化子程序、模擬量處理子程序、總線數(shù)據(jù)交換子程序和狀態(tài)及故障檢測程序等組成。原料系統(tǒng)工作程序:該程序由熱水系統(tǒng)自動運(yùn)行程序、糖漿罐自動運(yùn)行程序、果汁罐自動運(yùn)行程序、手動操作程序、初始化子程序、模擬量處理子程序、總線數(shù)據(jù)交換子程序和狀態(tài)及故障檢測程序等組成。

  CIP 清洗工作程序:該程序由清洗準(zhǔn)備程序、“堿洗=>消毒水洗”程序、“酸洗=>消毒水洗”程序、“堿洗=>酸洗=>消毒水洗”程序、“消毒水洗”程序、手動操作程序、初始化子程序、模擬量處理子程序、總線數(shù)據(jù)交換子程序、狀態(tài)及故障檢測程序和PID 調(diào)節(jié)中斷子程序等組成。

  系統(tǒng)的靈活性和可靠性

  系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使從站PLC 具有較大的獨(dú)立性,調(diào)配系統(tǒng)和CIP 清洗系統(tǒng)可以作為兩個(gè)完全獨(dú)立的系統(tǒng)互不依賴地運(yùn)行。三個(gè)調(diào)配從站之間關(guān)系也是獨(dú)立的。用戶可以根據(jù)需要在總線上方便地增加或減少一個(gè)或數(shù)個(gè)調(diào)配從站,也可以將CIP 清洗系統(tǒng)用到其他設(shè)備的CIP 清洗中去。萬一總線上主站或某個(gè)從站發(fā)生故障,其他從站 還能工作。

  7、系統(tǒng)功能的擴(kuò)展

  系統(tǒng)可以與其他應(yīng)用程序連接,也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。從站數(shù)量可以擴(kuò)展,從站PLC 的模塊亦可以根據(jù)要求擴(kuò)展。甚至還可以擴(kuò)展一些新的功能:如設(shè)計(jì)配方的功能,自動生成產(chǎn)品的配方,實(shí)現(xiàn)從配料、進(jìn)料到調(diào)配、出料的全自動運(yùn)行。

  五、結(jié)束語

  該系統(tǒng)是根據(jù)果蔬飲品調(diào)配工藝的特點(diǎn),利用WinAC 可替代硬件作為主站這一特性,使用S7-200 系列的PLC 作為從站,采用Profibus 現(xiàn)場總線,配以功能強(qiáng)大的WinCC 作人機(jī)界面。該系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、設(shè)計(jì)合理、靈活靠、性價(jià)比高,便于推廣和應(yīng)用。

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