果凍生產(chǎn)過程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究

周立雄

（廣州奧科自動(dòng)控制設(shè)備有限公司，廣東廣州510650）

果凍生產(chǎn)過程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究

周立雄

（廣州奧科自動(dòng)控制設(shè)備有限公司，廣東廣州510650）

針對(duì)果凍生產(chǎn)過程的自動(dòng)化水平不高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，通過研究果凍生產(chǎn)裝備、工藝流程，對(duì)果凍生產(chǎn)過程中物料計(jì)量、煮料、調(diào)配、儲(chǔ)存和充填等主要工序進(jìn)行合理的單元?jiǎng)澐郑O(shè)計(jì)出由上位管理計(jì)算機(jī)、西門子可編程控制器、現(xiàn)場觸摸屏、現(xiàn)場測控設(shè)備等4部分構(gòu)成的自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)各單元操作中的工藝參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場檢測、計(jì)量和控制，實(shí)現(xiàn)了果凍生產(chǎn)管控一體化。

果凍，工藝參數(shù)，可編程控制器，自動(dòng)控制系統(tǒng)

果凍，又名啫喱（英文Jelly的音譯）。應(yīng)用果凍粉制作清涼的冷凍果凍，早已在歐、美等國家、地區(qū)的餐廳和家庭流行。改革開放后，隨著我國家庭電冰箱擁有量不斷增多，果凍粉進(jìn)入普通家庭用于自制果凍[1]，果凍粉的生產(chǎn)、銷售迅速增長。1981年廣東省一些生產(chǎn)果凍粉的企業(yè)開始同時(shí)生產(chǎn)果凍，果凍產(chǎn)品迅速擠占果凍粉的市場并發(fā)展成工業(yè)化市場的休閑食品[2]。1985年我國引進(jìn)了第一條果凍生產(chǎn)線，之后通過不斷的消化吸收再創(chuàng)新，生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝水平逐年提升。目前我國果凍的生產(chǎn)裝備、包裝器材、生產(chǎn)原料已實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，成為世界上花色品種最多、產(chǎn)量最大的果凍生產(chǎn)國。

我國的果凍生產(chǎn)裝備、技術(shù)雖然取得了顯著的進(jìn)步，但依然存在生產(chǎn)過程的自動(dòng)化水平不高、用工多且勞動(dòng)強(qiáng)度大、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。提高果凍生產(chǎn)的自動(dòng)化水平已成為進(jìn)一步促進(jìn)我國果凍產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要課題。

本研究在承擔(dān)多家果凍制造企業(yè)的生產(chǎn)過程自動(dòng)控制系統(tǒng)建設(shè)工程技術(shù)項(xiàng)目中，通過對(duì)果凍生產(chǎn)裝備、工藝流程的研究，在對(duì)主要工序進(jìn)行操作單元?jiǎng)澐值幕A(chǔ)上，采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)對(duì)生產(chǎn)單元進(jìn)行管理，大幅度提高了果凍生產(chǎn)自動(dòng)化控制水平，最大限度地實(shí)現(xiàn)了果凍生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)化、管理信息化、操作自動(dòng)化。

1 果凍生產(chǎn)的工藝流程與生產(chǎn)設(shè)備

工業(yè)化果凍的生產(chǎn)過程分為原輔材料計(jì)量、煮料、調(diào)配、儲(chǔ)料、充填等幾個(gè)工序，其工藝流程如圖1所示[3]。

圖1 果凍生產(chǎn)過程工藝流程圖Fig.1 Production flow chart of jelly

年產(chǎn)1萬噸的果凍生產(chǎn)線的主要裝備為：制水裝置1套，純水儲(chǔ)罐1臺(tái)，熱水罐1臺(tái)，溶糖罐2臺(tái)，糖水儲(chǔ)罐1臺(tái)，糖漿儲(chǔ)罐2臺(tái)，煮料罐30臺(tái)，調(diào)配罐5臺(tái)，儲(chǔ)料罐15臺(tái)，CIP酸罐1臺(tái)，CIP堿罐1臺(tái)，CIP清水罐1臺(tái)，充填機(jī)15臺(tái)，膠體磨5臺(tái)，板式熱交換機(jī)1臺(tái)，糖料提升機(jī)2臺(tái)，雙聯(lián)袋式過濾器16臺(tái)，泵40臺(tái)，電機(jī)60臺(tái)。生產(chǎn)規(guī)模不同的果凍生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)量配制不相同，但皆應(yīng)用上述裝備。

2 果凍生產(chǎn)過程自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

果凍生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)為：

a.對(duì)液位、溫度、壓力和流量等物理量參數(shù)集中監(jiān)控；

b.現(xiàn)場檢測設(shè)備的精度要求在0.5%以下；

c.設(shè)置靈活的控制方案，實(shí)現(xiàn)調(diào)配、煮料過程的全自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)遙測控制；

d.設(shè)計(jì)合理的連鎖報(bào)警機(jī)制，確保設(shè)備、人員、操作的安全；

e.對(duì)各種物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、顯示以及歷史數(shù)據(jù)的查詢；

f.采用全中文操作系統(tǒng)和監(jiān)控畫面，界面直觀、操作簡單；

g.具有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和商業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸接口，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息化的集成。

為達(dá)到上述目標(biāo)，根據(jù)果凍生產(chǎn)過程，對(duì)物料計(jì)量、煮料、調(diào)配、儲(chǔ)存和充填等主要工序劃分為5個(gè)獨(dú)立單元操作。檢測和控制的參數(shù)主要包括液位、溫度、壓力、流量、物料傳送泵和各類電機(jī)及閥門，形成熱阻信號(hào)輸入點(diǎn)86個(gè)，4～20mA模擬量輸入點(diǎn)30個(gè)，開關(guān)量輸入點(diǎn)80個(gè)、開關(guān)量輸出點(diǎn)80個(gè)。

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將控制系統(tǒng)進(jìn)行分散處理，5個(gè)獨(dú)立單元之間利用現(xiàn)場觸摸屏（HMI）相互切換。這樣，一個(gè)單元出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)影響其他單元的正常操作，而各個(gè)單元之間又能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了操作分散、管理集中的目的。

本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由中央控制計(jì)算機(jī)、可編程控制器（PLC）、觸摸屏、通訊網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure graph of the control system

圖2下層需監(jiān)控的設(shè)備包括制水裝置，原料處理設(shè)備，煮料裝置，調(diào)配裝置，儲(chǔ)料裝置，充填裝置，CIP清洗裝置等。需實(shí)時(shí)顯示的參數(shù)有：溫度、壓力、流量、液位、蒸汽角座閥控制、氣動(dòng)蝶閥控制、輸液泵控制、提升電機(jī)及攪拌電機(jī)控制等，以上參數(shù)由相對(duì)應(yīng)的傳感器及執(zhí)行裝置反饋提供。

中央控制計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，完成系統(tǒng)運(yùn)行狀況的監(jiān)測、下位機(jī)工作參數(shù)的設(shè)定與修改、配方管理、系統(tǒng)自動(dòng)控制等功能。PLC（下位機(jī)）在中央控制計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)下協(xié)同工作，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、控制下層各設(shè)備工作，從而使果凍生產(chǎn)按既定生產(chǎn)工藝規(guī)程完成。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 人機(jī)界面 上位機(jī)人機(jī)界面是利用組態(tài)王提供的豐富的繪圖工具以及圖庫提供的模型，加上程序設(shè)計(jì)的配合，可以使監(jiān)控畫面很好的模擬現(xiàn)場實(shí)際，同時(shí)把需要監(jiān)控的變量顯示在畫面上。主要制作的畫面有主畫面、系統(tǒng)總畫面、參數(shù)設(shè)定畫面、配方管理畫面、歷史趨勢記錄畫面、報(bào)警匯總記錄畫面。主畫面是系統(tǒng)啟動(dòng)后自動(dòng)彈出的畫面，主要用于用戶登錄后切換至其他畫面；系統(tǒng)總畫面為操作者提供現(xiàn)場各設(shè)備的狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)，以判斷系統(tǒng)運(yùn)行是否正常，并為操作者的操作提供依據(jù)；參數(shù)設(shè)定畫面是為系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行前設(shè)置合適的參數(shù)，為操作者提供一個(gè)遠(yuǎn)程設(shè)定參數(shù)的接口；配方管理畫面為工藝工程師提供配方的編輯、修改與保存[4]；歷史趨勢記錄畫面可以觀察運(yùn)行參數(shù)的變化趨勢、當(dāng)前值、歷史記錄等，為進(jìn)一步的事故分析提供依據(jù)；報(bào)警匯總記錄畫面提供系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障及報(bào)警情況[5]。

現(xiàn)場HMI觸摸屏畫面由西門子公司W(wǎng)inCC flexible 2008軟件編輯，具備過程可視、現(xiàn)場操控、顯示報(bào)警、過程值歸檔和報(bào)警記錄及參數(shù)管理功能。在本系統(tǒng)中，配方調(diào)用、手/自動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)場操作均在現(xiàn)場觸摸屏上完成[6]。

2.3.2 PLC程序設(shè)計(jì) PLC控制器（下位機(jī)）采用西門子公司S7-200系列，由STEP-Micro/WIN軟件進(jìn)行組態(tài)和編程，具備為功能模塊和通訊處理器賦值參數(shù)、邏輯運(yùn)算、全局?jǐn)?shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)傳送、組態(tài)連接等功能，現(xiàn)場所有測控設(shè)備的運(yùn)行均直接由此調(diào)配和指揮[7]。

2.3.3 通訊 在設(shè)備連接上，現(xiàn)場測控設(shè)備直接通過DI、DO、AI、AO與西門子公司S7-200系列PLC相連，完成對(duì)現(xiàn)場的測控，同時(shí)PLC在與“組態(tài)王”通過Profibus通訊時(shí)并與HMI通過PPI通訊，這樣便實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的全防偽有效交換。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)量系統(tǒng)

計(jì)量系統(tǒng)由衛(wèi)生級(jí)電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)及相應(yīng)的衛(wèi)生級(jí)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥等構(gòu)成，完成果凍生產(chǎn)所需的各種原輔材料的準(zhǔn)確計(jì)量。

3.2 煮料系統(tǒng)

果凍生產(chǎn)的煮料系統(tǒng)包括依據(jù)生產(chǎn)品種調(diào)用工藝配方、加糖、加膠、煮料、排料等步驟，可按客戶需要采用全自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)操作，全自動(dòng)狀態(tài)下，現(xiàn)場觸摸屏煮料操作界面如圖3所示。

在圖3畫面中，輕觸右上框中的“加膠”按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)打開加水工藝相應(yīng)的閥門對(duì)該煮料罐進(jìn)行加膠，這時(shí)畫面底部的標(biāo)簽顯示“1#線1#罐正在加膠體溶液”以提示操作員，加膠完成后自動(dòng)關(guān)閉相應(yīng)閥門；輕觸“加糖”按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)打開加糖漿工藝相應(yīng)的閥門與攪拌電機(jī)對(duì)該煮料罐進(jìn)行加糖漿，這時(shí)畫面底部的標(biāo)簽變?yōu)椤?#線1#罐正在加糖漿”，該操作完成后自動(dòng)關(guān)閉相應(yīng)閥門；輕觸“煮料”按鈕，系統(tǒng)在配方設(shè)定的溫度下，自動(dòng)煮料和攪拌；煮料完成后，輕觸“排料”按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)打開排料工藝相應(yīng)的閥門、抽料泵等將該煮料罐內(nèi)的料液打入調(diào)配罐，同時(shí)畫面底部的標(biāo)簽也會(huì)隨之改變，完成后相應(yīng)閥門、泵自動(dòng)關(guān)閉。

Study on the automatic control system of jelly manufacturing process

ZHOU Li-xiong
（Guangzhou AOKE Automaic Contral Equipment Co.，Ltd.，Guangzhou 510650，China）

The purpose of this research was to solve the existing problems in jelly manufacturing process，such as low automation，high labour irtensity，unstable quality and so on.The production equipments and technological processes of jelly were studied.We classified the main procedures reasonably，including materials measured，cooking，blending，storage and filling，and designed an automatic control system consisting of upper management computer，Siemens programmable controller，on-site touch screen and on-site monitoring equipment，which could test，measure and control on site the parameters in each unit operation，integrating production and control.

jelly；technical parameter；programmable controller；automatic control system

TS206.5

A

1002-0306（2014）04-0285-03

2013－08－16

周立雄（1964-），男，工程師，研究方向：生產(chǎn)過程自動(dòng)化。