劉月蘭，楊小雨，陳 禹，劉玉喜

(1.哈爾濱師范大學(xué);2.黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院;3.黑龍江勞力乳品機(jī)械公司)

0 引言

在以往的乳品生產(chǎn)過(guò)程中存在著工藝管線及設(shè)備清洗質(zhì)量難保證、清洗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等實(shí)際情況.乳品工廠的清洗程序是:1.將所有的設(shè)備全部拆開(kāi);2.手工清洗:清水沖洗、刷子刷洗、清水沖洗;3.組裝設(shè)備.清洗過(guò)程非常耗時(shí)及耗人力，而CIP(Clean In Place)是一種原位清洗方法，無(wú)需拆卸及打開(kāi)設(shè)備，且?guī)缀趸蛲耆恍枰僮鲉T參與，對(duì)工廠所有設(shè)備或管道進(jìn)行清潔.在一定流量/壓力的條件下，將清潔劑溶液噴射或噴灑到設(shè)備表面或在設(shè)備中循環(huán).這種方法應(yīng)用在乳品生產(chǎn)過(guò)程中可極大地提高產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)效率.筆者已為多家乳品企業(yè)設(shè)計(jì)了CIP自動(dòng)控制系統(tǒng).

1 CIP控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由人機(jī)界面、可編程控制器、工藝泵及閥組控制、液位開(kāi)關(guān)、氣動(dòng)角座閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、運(yùn)行參數(shù)采集、用戶管理等功能構(gòu)成.

主要控制硬件由觸摸屏、可編程控制器、變頻泵、流量計(jì)、電導(dǎo)率儀、溫度變送器、液位開(kāi)關(guān)、氣動(dòng)角座閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥等部分構(gòu)成.

系統(tǒng)人機(jī)界面由觸摸屏作為上位機(jī)提供，PLC依據(jù)事先編好的程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模擬量的參數(shù)采集、泵和閥門(mén)狀態(tài)的采集及控制、調(diào)節(jié)閥控制及用戶管理.

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1.2 CIP清洗過(guò)程

該系統(tǒng)由酸罐、堿罐、熱水罐、清水罐以及出液泵和各種閥門(mén)、清洗噴頭、清洗管路組成.

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，按照預(yù)先設(shè)定的程序用輸送泵把清洗液輸送到被清洗的管道和設(shè)備中，再用自吸泵把清洗后的洗液吸回到清洗液儲(chǔ)罐.在清洗過(guò)程中，清洗液的濃度被稀釋?zhuān)赏ㄟ^(guò)清洗液補(bǔ)給裝置添加相應(yīng)的高濃度介質(zhì)，調(diào)節(jié)清洗液的濃度.CIP系統(tǒng)均采用全自動(dòng)控制，具有自動(dòng)配液(濃度控制)及加熱 (溫度控制)的功能.

該系統(tǒng)的特點(diǎn)是可進(jìn)行多路分別清洗，同時(shí)具有回流管道裝置，洗液可循環(huán)使用，既節(jié)省洗液，又有利環(huán)境衛(wèi)生.如圖2所示，圖2為完成的紅星乳業(yè)CIP工藝圖.

在清洗前CIP站內(nèi)首先進(jìn)行預(yù)處理:

(1)自動(dòng)調(diào)整各個(gè)罐的液位;

(2)自動(dòng)配好堿酸液濃度;

(3)通過(guò)外循環(huán)加熱自動(dòng)把堿、酸、熱水罐的溫度調(diào)整好.

預(yù)處理完成后進(jìn)行CIP清洗:

(1)清洗過(guò)程中通過(guò)CIP罐高、中、低液位開(kāi)關(guān)來(lái)控制罐的液位;

(2)裝在罐上的電導(dǎo)實(shí)時(shí)檢測(cè)，低于下線時(shí)自動(dòng)補(bǔ)濃酸堿液，保證清洗液濃度;

(3)出液管線裝有溫度變送器及蒸汽調(diào)節(jié)閥，通過(guò)蒸汽調(diào)節(jié)閥控制出液溫度;

(4)出液管裝有流量計(jì)，泵配變頻器，通過(guò)調(diào)整泵的頻率，達(dá)到適宜的清洗流量;

(5)回流管路裝有溫度變送器，當(dāng)回流溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，清洗時(shí)間保持，達(dá)到溫度清洗時(shí)間繼續(xù).

可同時(shí)多路清洗管路，每路在回流管的末端安裝有電導(dǎo)率儀、流量開(kāi)關(guān)控制酸堿液體的回收;CIP出液泵配有變頻器、管路裝有流量計(jì)，根據(jù)工藝的清洗要求通過(guò)變頻器來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)清洗流量.清洗步驟之間用流量開(kāi)關(guān)確認(rèn)清洗步驟結(jié)束和下一步驟的開(kāi)始，防止相互接觸稀釋清洗液，達(dá)到清洗質(zhì)量好，回收完全效果，閥門(mén)均采用氣動(dòng)閥，可由PLC或PC控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)以實(shí)現(xiàn)各清洗程序.

要實(shí)現(xiàn)CIP清洗過(guò)程，一般需要注意以下幾點(diǎn):CIP是較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，獨(dú)立于生產(chǎn)控制系統(tǒng).在清洗過(guò)程中，主要利用閥門(mén)控制清洗液的流動(dòng)模式;必須考慮所有接觸過(guò)產(chǎn)品的設(shè)備都需要同時(shí)經(jīng)常被清洗，而且要保證清洗液有一定的流速，從而確保徹底清洗.所有需要接觸產(chǎn)品和清洗液的設(shè)備，必須以抗腐蝕材料制造.清洗過(guò)程通常需要形成循環(huán).

清洗過(guò)程以同一個(gè)可編程的控制單元來(lái)操控每個(gè)獨(dú)立的清洗.利用安裝在清洗容器上的電導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)控制清洗液的濃度，是實(shí)現(xiàn)CIP控制的最主要參數(shù)之一，即保證了清洗液的質(zhì)量，也使清洗液可以回收再用.

1.3 定位清洗(CIP)的程序

如圖3所示，首先給出清洗命令，屏幕顯示清洗運(yùn)行，系統(tǒng)判斷工作的水、蒸汽、壓縮空氣外圍環(huán)境條件，如不滿足條件，系統(tǒng)在屏幕顯示不滿足條件的因素并報(bào)警，停止往下運(yùn)行，滿足條件則進(jìn)行系統(tǒng)清洗步驟的選擇.

圖2 系統(tǒng)工藝流程圖

由于清洗工藝的特殊性，有自動(dòng)和手動(dòng)清洗的雙重要求.清洗過(guò)程為典型的時(shí)間順序控制過(guò)度，一般的清洗流程如下:清水→堿水→清水→酸水→清水→熱水→結(jié)束.

選擇清洗步驟后自動(dòng)打開(kāi)相應(yīng)閥門(mén)，根據(jù)本步驟清洗液出口溫度的設(shè)定，來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽閥，清洗時(shí)間到，要停止清洗出液泵，停泵的目的首先是為了防止工藝管線及設(shè)備里的冷水液與下一步的堿水液混合，降低了堿液濃度，達(dá)不到堿液步驟;其次是防止回收稀釋了的堿液.圖4為堿罐循環(huán)加熱程序部分截圖.

在整個(gè)清洗過(guò)程中，系統(tǒng)始終控制清洗中心4個(gè)罐液位和堿酸罐濃度是否達(dá)標(biāo)，如不滿足條件，立刻通過(guò)注水和濃堿酸液進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)測(cè)清洗中心回流液的溫度和流量，若溫度和流量不夠，則這個(gè)步驟的清洗時(shí)間順延，以保證清洗質(zhì)量.

圖3 程序流程圖

圖4 堿罐循環(huán)加熱程序

2 系統(tǒng)的軟硬件組成

圖5 系統(tǒng)人機(jī)界面圖

該系統(tǒng)PLC選用西門(mén)子S7-315，編程軟件采用STEP 7.觸摸屏采用Beijer PWS6A00T，人機(jī)界面采用HITECH-ADP編程.圖5為我們?yōu)槟橙槠窂S開(kāi)發(fā)的CIP系統(tǒng)觸摸屏控制界面.為用戶提供了簡(jiǎn)單、方便、自然的人機(jī)交互方式.它可以用來(lái)設(shè)置參數(shù)，顯示數(shù)據(jù)，監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，以曲線/動(dòng)畫(huà)等形式描繪自動(dòng)化控制過(guò)程.

3 結(jié)束語(yǔ)

該CIP控制系統(tǒng)已在乳品行業(yè)得到實(shí)際應(yīng)用，大大提高了CIP的工藝質(zhì)量，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，避免了由于操作人員因操作失誤而造成的質(zhì)量事故及設(shè)備事故，改善了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的勞動(dòng)條件，合理控制生產(chǎn)成本，人力開(kāi)支減少，水、能源、清潔劑、消毒劑等輔助資源控制得到提高，具有良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益.

該系統(tǒng)可推廣到其他食品行業(yè)如啤酒飲料及制藥行業(yè)，推動(dòng)我國(guó)老工業(yè)基地改造和現(xiàn)代化工業(yè)建設(shè)，提高企業(yè)的全球競(jìng)爭(zhēng)力.

［1］ 紀(jì)彬，張建平.PLC和觸摸屏在乳品行業(yè)的CIP清洗系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2011，30(7):109-111.

［2］ 姚智宇，潘文彪，時(shí)獻(xiàn)江.PLC控制系統(tǒng)在原地清洗(CIP)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)乳品工業(yè)，2001，29(4):32-34.

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［4］ 高鴻斌，孫美靜，赫孟合.西門(mén)子 PLC與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.