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    一、引言

　　為了在激烈的乳品市場競爭中占據(jù)領(lǐng)先地位，某乳品制造公司決定對其現(xiàn)有運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)建和改造。此次自動化系統(tǒng)改造的工作包括：擴(kuò)建兩條原奶收奶生產(chǎn)線系統(tǒng)，改造和增加標(biāo)準(zhǔn)化車間的輸奶工藝管線，增加兩臺凈乳機(jī)（分離機(jī)），添加調(diào)配和存貯罐，以提高整個標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)車間的能力，相應(yīng)增加CIP清洗的線路。此次改造的基本指導(dǎo)思想：既要采用目前較為流行的自動化控制技術(shù)，又要充分利用現(xiàn)在使用的PLC-5可編程序控制器，同時又不能影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)無擾切換。

　　根據(jù)國內(nèi)、外同類系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際的工藝控制要求，控制系統(tǒng)采用美國羅克韋爾自動化公司ControlLogix5550 DCS系統(tǒng)。包括槽車收奶—凈乳和分離—成品奶傳送配制—服務(wù)系統(tǒng)（制冷和CIP）工藝參數(shù)的檢測、設(shè)置、指示報警和調(diào)節(jié)控制功能均由系統(tǒng)完成。系統(tǒng)采用羅克韋爾自動化的三級網(wǎng)絡(luò)，信息層采用以太網(wǎng)（EtherNet）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換；中間為控制層（ControlNet、DH+）負(fù)責(zé)系統(tǒng)通訊；底層是設(shè)備層，網(wǎng)絡(luò)連接就地設(shè)備，如閥箱、變頻器等。為提高生產(chǎn)效率，工藝過程優(yōu)化，降低成本，分析各種操作，安全生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。

　　二、過程控制計算機(jī)組成

　　本系統(tǒng)由4套ControlLogix和2套PLC5、2個計算機(jī)操作站和1個工程師站和一臺服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)組成。主要完成鮮奶的收儲、運(yùn)奶槽車的清洗（CIP TANKER）、凈乳和分離及各種奶產(chǎn)品在濕區(qū)原料罐的配比等控制，標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)管線和中轉(zhuǎn)存貯罐（CIP HOT ，CIP COLD）的清洗，為干區(qū)的奶粉生產(chǎn)作準(zhǔn)備。

　　工程師站可以通過網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)上任一臺PLC控制站上進(jìn)行軟件編程、組態(tài)、下載和在線調(diào)試。

　　操作員站通過EtherNet網(wǎng)絡(luò)與PLC系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)控功能。由于兩個操作員站連接在EtherNet，可以實(shí)現(xiàn)分工控制并且在故障發(fā)生時，另一臺可代其操作。

　　服務(wù)器安裝RSSQL和MSSQL 軟件，可采集各個操作站數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行處理后，可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的快速大量的數(shù)據(jù)交換，以供下一步操作。

　　系統(tǒng)功能：整個系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)乳品廠濕區(qū)從收奶開始，直到奶粉原料配比結(jié)束的工藝流程控制。其中包括：收奶、凈乳、標(biāo)準(zhǔn)化和CIP清洗。程序設(shè)計采用順序控制技術(shù)，程序嚴(yán)格按工藝設(shè)計的步驟執(zhí)行，并實(shí)時檢測每個閥門和泵的狀態(tài)，如有故障發(fā)生，程序會產(chǎn)生報警信號，同時連鎖相關(guān)的閥門和泵動作，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

　　2．1 收奶PLC

　　對五條收奶線運(yùn)奶槽車鮮奶進(jìn)行收入計量，每條收奶管線現(xiàn)場均有終端顯示操作器PanelView ，通過PanelView進(jìn)行收奶每一步操作的設(shè)置，其中包括：槽車號、合同號等，通過DeviceNet網(wǎng)送到 PLC備檔，鮮奶經(jīng)過冷換器后，儲存在鮮奶罐中。

　　2．2 凈乳機(jī)PLC

　　根據(jù)不同的產(chǎn)品要求，對原奶進(jìn)行凈乳、分離和滅菌控制，作為標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的原料。凈乳機(jī)的工藝過程設(shè)置，主要由五個部分組成：啟動、預(yù)熱、循環(huán)、生產(chǎn)、CIP(cleaning in place)等組成。凈乳機(jī)PLC完成四臺凈乳機(jī)（分離機(jī)）的工藝控制，在這五種狀態(tài)下，包括進(jìn)料和出料閥門的控制，排渣時間設(shè)置和控制輸出及平衡罐的調(diào)節(jié)控制。

　　2．3 標(biāo)準(zhǔn)化PLC

　　根據(jù)奶粉產(chǎn)品配方要求，在標(biāo)準(zhǔn)化車間進(jìn)行不同原料的計量配置設(shè)定，選擇管線組合進(jìn)行等量傳送。并按照工藝的要求配合CIP COLD（HOT）進(jìn)行相關(guān)管道閥門和泵的開啟，完成管線清洗。

　　2．4 CIP TANKER PLC

　　完成對送奶槽車的清洗，工藝包括清洗藥液堿罐、清水罐、循環(huán)水罐及相應(yīng)管線上閥門和電機(jī)，這三個罐作為五條管線上的槽車清洗動力源泉。每條收奶管線現(xiàn)場均有PanelView，通過終端顯示操作器PanelView進(jìn)行CIP TANKER每一步操作的設(shè)置，通過DeviceNet送到 PLC，完成每一步清洗操作相關(guān)閥和泵的控制。主要控制5條收奶線運(yùn)奶槽車的清洗，罐自動補(bǔ)液控制及液位檢測告警。對閥和的泵的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時的故障檢測，并根據(jù)故障的類型，在CIP過程中采取對閥和泵不同的控制操作。

　　2．5 CIP COLD (HOT) STATION

　　鮮奶、脫脂奶罐和管線用CIP COLD進(jìn)行清洗；奶油罐和管線的清洗需要更高溫度的水和清洗劑,采用CIP HOT，工藝情況與CIP TANKER PLC基本相同，清洗藥液酸罐、堿罐、清水罐、循環(huán)水罐，這四個罐作為五組組合管線的清洗動力源泉，但需要清洗的管線數(shù)比較多。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化傳輸和收奶管線的不同，每組又由多條管線不同組合而成，由CIP COLD (HOT) STATION與收奶PLC、標(biāo)準(zhǔn)化PLC之間進(jìn)行通訊來完成管線和罐的清洗，進(jìn)行相關(guān)管道閥門和泵的開關(guān)，PLC采用PLC5-/40、PLC5-/60。

　　三、控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　3.1 ControlNet

　　ControlNet網(wǎng)絡(luò)是新一代自動化控制網(wǎng)絡(luò)，滿足IEC61158 國際工業(yè)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，它提供了一種在PLC之間，PLC與MMI操作站及I/O子系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)高速的，可冗余的通訊方式，它可以支持多達(dá)99個節(jié)點(diǎn)，最大網(wǎng)絡(luò)距離20KM，它可以連接總線型、樹型、星型及混合型等不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過ControlNet可以在單一網(wǎng)絡(luò)上完成關(guān)鍵性數(shù)據(jù)傳輸、I/O更新、處理器互鎖、對等通訊等功。Producer/Consumer 通訊模式可以使不同的處理器之間，進(jìn)行信號交換，I/O數(shù)據(jù)可以同時被多個設(shè)備共享。擴(kuò)展模塊及遠(yuǎn)程I/O模塊可直接掛在ControlNet上，使控制模塊最可能接近現(xiàn)場檢測元件，減少檢測、控制信號的衰減、干擾，同時節(jié)約電纜，便于維護(hù)。PLC通過ControlNet連接主控設(shè)備 ControlLogix、PLC5等。

　　3.2 EtherNet

　　EtherNet網(wǎng)絡(luò)是在操作站與服務(wù)器之間通過TCP/IP組成的Windows NT網(wǎng)絡(luò)，具有數(shù)據(jù)、文件共享的能力，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫接口（ODBC）使各操作站的歷史、實(shí)時數(shù)據(jù)和文件集中管理，便于生產(chǎn)調(diào)度。可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)一體化

　　3.3 DH+

　　是一種局域網(wǎng)，用于支持工廠應(yīng)用工程的遠(yuǎn)程編程，也可以通過DH+在可編程序控制器、計算機(jī)、人機(jī)界面等之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。所有的增強(qiáng)型PLC-5等都具有內(nèi)置的DH+通訊接口。DH+網(wǎng)絡(luò)的每一個鏈路路最多可以連接64個設(shè)備。可用于濕區(qū)連接區(qū)域內(nèi)現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備PanelView、PLC-5和ControlLogix PLC。

　　3.4 DeviceNet

　　DeviceNet網(wǎng)絡(luò)是一個開放的、進(jìn)行低層通訊的一種連接，它用于連接簡單的、工業(yè)用的設(shè)備與高級設(shè)備之間的連接。DeviceNet具有互用性、公共網(wǎng)絡(luò)、低廉的維護(hù)費(fèi)用、節(jié)省的網(wǎng)絡(luò)布線等特點(diǎn)。連接遠(yuǎn)程FLEX I/O ，控制現(xiàn)場閥箱和變頻器。

　　從DeviceNet到DH+、ControlNet再到EtherNet改造后的自動化系統(tǒng)具備清晰的結(jié)構(gòu)和功能分級，提高了通訊速度。濕區(qū)的控制數(shù)據(jù)和信息都通過三級網(wǎng)絡(luò)及各級網(wǎng)絡(luò)接口集成，并傳送到各級管理和生產(chǎn)部門。

　　四、設(shè)計實(shí)現(xiàn)

　　羅克韋爾自動化的三層化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使改造與新增的自動化功能構(gòu)成統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)。在設(shè)備層，采用具有DeviceNet接口的設(shè)備，降低了成本，減少布線，安裝方便；在控制層，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時I/O控制、聯(lián)鎖和狀態(tài)傳送，從而保證了控制數(shù)據(jù)和信息的實(shí)時性和穩(wěn)定性；在信息層，將控制數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)，連接至企業(yè)的信息系統(tǒng)。

　　4．1 人機(jī)交互界面

　　乳品生產(chǎn)的特點(diǎn)是設(shè)備較多，控制距離遠(yuǎn)，電磁環(huán)境較差，因此對控制設(shè)備的聯(lián)接通訊和操作員界面要求苛刻。本次改造中標(biāo)準(zhǔn)化控制中心調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)的改造采用InTouch7。1監(jiān)控軟件與ControlNet 通訊模式，實(shí)時監(jiān)控的系統(tǒng)，具備生產(chǎn)管理功能，對濕區(qū)各主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)及輔助環(huán)節(jié)的生產(chǎn)過程實(shí)時數(shù)據(jù)采集、選擇、操作、傳輸、配料、清洗、顯示、打印；上位機(jī)采用DELL計算機(jī)，提供友好的人機(jī)界面和方便的操作方式。畫面包括：凈乳機(jī)、各CIP站、收奶、標(biāo)準(zhǔn)化流程畫面、操作畫面、調(diào)節(jié)畫面、趨勢畫面、報警畫面、分組畫面、報表畫面。

　　4．2 通訊網(wǎng)絡(luò)

　　由于PLC網(wǎng)絡(luò)中采用了以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因此許多PLC產(chǎn)品都支持以太網(wǎng)的TCP/IP通訊協(xié)議，它們能將控制系統(tǒng)與信息管理系統(tǒng)集成起來，通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，用于監(jiān)視可編程序控制器內(nèi)存儲的各種數(shù)據(jù)，這樣的數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、生產(chǎn)管理、設(shè)備維護(hù)、生產(chǎn)流程及物料配比等，同時，TCP/IP協(xié)議可以使計算機(jī)訪問使用結(jié)構(gòu)化語言（SQL）的開放型數(shù)據(jù)庫，便于存貯和查詢和報表形成。

　　4．3 無擾切換投

　　鮮奶不易保存，為了不影響生產(chǎn)的正常連續(xù)進(jìn)行，我們在項目的實(shí)施過程中，采用“無擾切換投入”方式。CIP COLD PLC 在原來生產(chǎn)中，只有A、B、C、D四組主干管線，此次擴(kuò)為五組，每組線組合方式與原來也不同，并且每組的所包含的分支組合也有所增加，給擴(kuò)建控制站投入帶來很大困難。

　　根據(jù)其管線和工藝特點(diǎn)，我們充分利用通訊網(wǎng)絡(luò)資源。在通訊DH+網(wǎng)絡(luò)接點(diǎn)上，建立一個新的PLC-5站；用新的管線組合選擇來進(jìn)行軟件編程和上位機(jī)、其他控制器之間的通訊，在此PLC上進(jìn)行程序邏輯控制，將程序輸出的自動控制位上臨時屏蔽，通過網(wǎng)絡(luò)通訊，軟件用 MSG指令進(jìn)行通訊，將自動控制位傳輸?shù)皆瓉淼腜LC站上，而此PLC只執(zhí)行輸出動作，沒有邏輯控制，只相當(dāng)于一個“I/O”設(shè)備，實(shí)現(xiàn)I/O轉(zhuǎn)換；隨著工藝管線增加，程序的I/O控制點(diǎn)逐步與實(shí)際新的I/O相對應(yīng)，原有PLC的功能被新的PLC代替，實(shí)現(xiàn)邏輯切換。完成無擾切換后，將舊的PLC的程序部分修改，改造成為CIP HOT STATION控制站，實(shí)現(xiàn)新控制站投入。

　　五、結(jié)束語

　　經(jīng)過本次擴(kuò)建和改造，整個濕區(qū)的自動化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為全方位自動化，數(shù)據(jù)集中監(jiān)控和管理的信息化。此自動化系統(tǒng)改造的成功使它成為亞洲乃至世界上的現(xiàn)代化乳品企業(yè)。同時，增強(qiáng)了企業(yè)的市場競爭能力，并在世界乳品市場的激烈競爭中獲得成功。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 可編程序控制器系統(tǒng). 浙江大學(xué)羅克韋爾自動化技術(shù)中心. 浙江大學(xué)出版社, 2000.3

　　[2] 可編程序控制器系統(tǒng)編程. 應(yīng)用和維修. 清華大學(xué)出版社, 1995

　　作者簡介：

　　趙群（1966-），男，高級工程師，主要從事過程項目的設(shè)計和研發(fā)工作。