乳品生產線的自動化改造

為了在激烈的乳品市場競爭中占據(jù)領先地位，某乳品制造公司決定對其現(xiàn)有運行的設備進行擴建和改造。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)。

為了在激烈的乳品市場競爭中占據(jù)領先地位，某乳品制造公司決定對其現(xiàn)有運行的設備進行擴建和改造。此次自動化系統(tǒng)改造的工作包括：擴建兩條原奶收奶生產線系統(tǒng)，改造和增加標準化車間的輸奶工藝管線，增加兩臺凈乳機（分離機），添加調配和存貯罐，以提高整個標準化生產車間的能力，相應增加CIP清洗的線路。

此次改造的基本指導思想：既要采用目前較為流行的自動化控制技術，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的正常進行，實現(xiàn)無擾切換。

根據(jù)國內、外同類系統(tǒng)的結構和設計經驗及實際的工藝控制要求，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—服務系統(tǒng)（制冷和CIP）工藝參數(shù)的檢測、設置、指示報警和調節(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，信息層采用以太網(wǎng)（EtherNet）實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換；中間為控制層（ControlNet、DH+）負責系統(tǒng)通訊；底層是設備層，網(wǎng)絡連接就地設備，如閥箱、變頻器等。為提高生產效率，工藝過程優(yōu)化，降低成本，分析各種操作，安全生產打下基礎。

過程控制計算機組成

本系統(tǒng)由4套ControlLogix和2套PLC5、2個計算機操作站和1個工程師站和一臺服務器通過網(wǎng)絡組成。主要完成鮮奶的收儲、運奶槽車的清洗（CIP TANKER）、凈乳和分離及各種奶產品在濕區(qū)原料罐的配比等控制，標準化生產管線和中轉存貯罐（CIP HOT ，CIP COLD）的清洗，為干區(qū)的奶粉生產作準備。

工程師站可以通過網(wǎng)絡對網(wǎng)絡上任一臺PLC控制站上進行軟件編程、組態(tài)、下載和在線調試。

操作員站通過EtherNet網(wǎng)絡與PLC系統(tǒng)通訊，實現(xiàn)對生產過程的監(jiān)控功能。由于兩個操作員站連接在EtherNet，可以實現(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)按要求進行處理后，可以實現(xiàn)與上位機的快速大量的數(shù)據(jù)交換，以供下一步操作。

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

1.收奶PLC

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

2.凈乳機PLC

根據(jù)不同的產品要求，對原奶進行凈乳、分離和滅菌控制，作為標準化生產的原料。凈乳機的工藝過程設置，主要由五個部分組成：啟動、預熱、循環(huán)、生產、CIP(cleaning in place)等組成。凈乳機PLC完成四臺凈乳機（分離機）的工藝控制，在這五種狀態(tài)下，包括進料和出料閥門的控制，排渣時間設置和控制輸出及平衡罐的調節(jié)控制。

3.標準化PLC

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

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)水罐及相應管線上閥門和電機，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進行CIP TANKER每一步操作的設置，通過DeviceNet送到 PLC，完成每一步清洗操作相關閥和泵的控制。主要控制5條收奶線運奶槽車的清洗，罐自動補液控制及液位檢測告警。對閥和泵的狀態(tài)進行實時的故障檢測，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。

5.CIP COLD (HOT) STATION

鮮奶、脫脂奶罐和管線用CIP COLD進行清洗；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)標準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、標準化PLC之間進行通訊來完成管線和罐的清洗，進行相關管道閥門和泵的開關，PLC采用PLC5-/40、PLC5-/60。

控制系統(tǒng)的特點

1.ControlNet

ControlNet網(wǎng)絡是新一代自動化控制網(wǎng)絡，滿足IEC61158 國際工業(yè)現(xiàn)場總線標準，它提供了一種在PLC之間，PLC與MMI操作站及I/O子系統(tǒng)之間實現(xiàn)高速的，可冗余的通訊方式，它可以支持多達99個節(jié)點，最大網(wǎng)絡距離20KM，它可以連接總線型、樹型、星型及混合型等不同的網(wǎng)絡拓撲結構。通過ControlNet可以在單一網(wǎng)絡上完成關鍵性數(shù)據(jù)傳輸、I/O更新、處理器互鎖、對等通訊等功能。Producer/Consumer 通訊模式可以使不同的處理器之間，進行信號交換，I/O數(shù)據(jù)可以同時被多個設備共享。擴展模塊及遠程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。PLC通過ControlNet連接主控設備 ControlLogix、PLC5等。

2.EtherNet

EtherNet網(wǎng)絡是在操作站與服務器之間通過TCP/IP組成的Windows NT網(wǎng)絡，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、實時數(shù)據(jù)和文件集中管理，便于生產調度，可進一步實現(xiàn)一體化。

3.DH+

是一種局域網(wǎng)，用于支持工廠應用工程的遠程編程，也可以通過DH+在可編程序控制器、計算機、人機界面等之間進行數(shù)據(jù)傳遞。所有的增強型PLC-5等都具有內置的DH+通訊接口。DH+網(wǎng)絡的每一個鏈路最多可以連接64個設備?？捎糜跐駞^(qū)連接區(qū)域內現(xiàn)場監(jiān)控設備PanelView、PLC-5和ControlLogix PLC。

4.DeviceNet

DeviceNet網(wǎng)絡是一個開放的、進行低層通訊的一種連接，它用于連接簡單的、工業(yè)用的設備與高級設備之間的連接。DeviceNet具有互用性、公共網(wǎng)絡、低廉的維護費用、節(jié)省的網(wǎng)絡布線等特點。連接遠程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)具備清晰的結構和功能分級，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)絡及各級網(wǎng)絡接口集成，并傳送到各級管理和生產部門。

設計實現(xiàn)

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

1.人機交互界面

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

2.通訊網(wǎng)絡

由于PLC網(wǎng)絡中采用了以太網(wǎng)網(wǎng)絡技術，因此許多PLC產品都支持以太網(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，用于監(jiān)視可編程序控制器內存儲的各種數(shù)據(jù)，這樣的數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、生產管理、設備維護、生產流程及物料配比等，同時，TCP/IP協(xié)議可以使計算機訪問使用結構化語言（SQL）的開放型數(shù)據(jù)庫，便于存貯和查詢和報表形成。

3.無擾切換投入

鮮奶不易保存，為了不影響生產的正常連續(xù)進行，我們在項目的實施過程中，采用“無擾切換投入”方式。CIP COLD PLC在原來生產中，只有A、B、C、D四組主干管線，此次擴為五組，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，給擴建控制站投入帶來很大困難。

根據(jù)其管線和工藝特點，可充分利用通訊網(wǎng)絡資源。在通訊DH+網(wǎng)絡接點上，建立一個新的PLC-5站；用新的管線組合選擇來進行軟件編程和上位機、其他控制器之間的通訊，在此PLC上進行程序邏輯控制，將程序輸出的自動控制位上臨時屏蔽，通過網(wǎng)絡通訊，軟件用MSG指令進行通訊，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，只相當于一個“I/O”設備，實現(xiàn)I/O轉換；隨著工藝管線增加，程序的I/O控制點逐步與實際新的I/O相對應，原有PLC的功能被新的PLC代替，實現(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，實現(xiàn)新控制站投入。

結束語：經過本次擴建和改造，整個濕區(qū)的自動化控制系統(tǒng)實現(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。