張相勝，楊丹丹，汪 謙

(輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江南大學(xué)，江蘇無(wú)錫 214122)

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化妝品生產(chǎn)CIP清洗監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張相勝，楊丹丹，汪 謙

(輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江南大學(xué)，江蘇無(wú)錫 214122)

為了提高化妝品生產(chǎn)設(shè)備的清洗效率和質(zhì)量，采用PLC、人機(jī)界面和上位機(jī)設(shè)計(jì)了一套監(jiān)控系統(tǒng)。PLC與上位機(jī)的通訊使用OPC協(xié)議。為方便現(xiàn)場(chǎng)操作人員快速準(zhǔn)確設(shè)置清洗參數(shù)，根據(jù)清洗工藝，并結(jié)合用戶所需的配方功能，編寫(xiě)了配方腳本。應(yīng)用表明，系統(tǒng)清洗效果良好，可減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高清洗效率。

CIP清洗; 監(jiān)控系統(tǒng); 配方管理; OPC協(xié)議

0 引言

化妝品生產(chǎn)線的主要設(shè)備包括真空均質(zhì)乳化鍋(簡(jiǎn)稱乳化鍋)、油相鍋、水相鍋、儲(chǔ)料罐、灌裝機(jī)等[1]。生產(chǎn)過(guò)程包括設(shè)備清洗、稱重進(jìn)料、物料蒸汽加熱并均質(zhì)乳化、真空脫氣和冷卻出料等環(huán)節(jié)。其中，清洗環(huán)節(jié)作為整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的第一步，影響產(chǎn)品的衛(wèi)生水平[2]。

傳統(tǒng)的人工清洗方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，為滿足某化妝品企業(yè)的清洗要求，在CIP[3](Clean in place的縮寫(xiě)，指系統(tǒng)或較大型設(shè)備在原安裝位置不作拆卸及移動(dòng)下的清潔工作)裝置基礎(chǔ)上搭建了監(jiān)控系統(tǒng)。下位機(jī)采用PLC和人機(jī)界面，上位機(jī)采用組態(tài)軟件，PLC與上位機(jī)的通訊采用OPC(OLE for process control)協(xié)議[4]。結(jié)合具體的清洗工藝，實(shí)現(xiàn)了清洗參數(shù)的編輯與下載功能。

1 CIP清洗工藝介紹

圖1為CIP清洗裝置結(jié)構(gòu)。該裝置的主體設(shè)備為一臺(tái)工作容積1 000 L、內(nèi)壁拋光的不銹鋼清洗罐，安裝在待清洗設(shè)備附近。當(dāng)某處工藝段的設(shè)備需要清洗時(shí)，操作人員把搖臂切換到相應(yīng)的管道，清洗罐按設(shè)定程序?qū)υO(shè)備進(jìn)行清洗。清洗罐配有液位、溫度和流量變送器。隔膜泵可以在清洗過(guò)程中手動(dòng)開(kāi)啟來(lái)添加化學(xué)清洗劑或消毒劑。被清洗的設(shè)備罐頂部配有3個(gè)高效噴淋球以提高清洗液的噴射壓力，底部配有流量變送器用來(lái)檢測(cè)出液流量。不同的設(shè)備具有不同的清洗管徑，為了確保當(dāng)清洗液在不同管路的流量及流經(jīng)噴淋球的壓力合適(一般要求流量大于45 m3/h，壓力在3 bar(1 bar=100 kPa))，以保證清洗效果，采用變頻器調(diào)節(jié)供給泵的轉(zhuǎn)速，從而控制清洗液的流量和壓力。

圖1 CIP清洗裝置結(jié)構(gòu)

一個(gè)基本的清洗過(guò)程包括以下3步：

(1) 預(yù)清洗(以熱水沖洗，清洗液流向?yàn)閂4-P1-V7- V9)；

(2)循環(huán)洗(以熱水/化學(xué)清洗劑/消毒劑沖洗，清洗液循環(huán)方向?yàn)閂4-P1-V7-P2-V8-V4)；

(3)最終洗(以熱水沖洗，清洗液流向?yàn)閂4-P1-V7- P2-V10)。

以上每步均包括預(yù)熱、噴淋和排空(或回收)3個(gè)小步，且清洗液加熱的溫度，清洗時(shí)間和清洗液流量等均可設(shè)置。以乳化鍋清洗對(duì)象為例，全自動(dòng)清洗流程如圖2所示。其中，T1和T2為泵的延時(shí)保護(hù)時(shí)間，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，T1設(shè)為5 ms，T2設(shè)為100 ms比較合適。

圖2 CIP自動(dòng)清洗流程圖

在每一次清洗前均有清洗準(zhǔn)備工作，如圖3所示。

圖3 清洗準(zhǔn)備子程序

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本清洗過(guò)程屬典型的時(shí)間順序控制，開(kāi)關(guān)量控制較多，模擬量控制較少，因此采用PLC帶中間繼電器的控制方式。閥門采用帶閥位開(kāi)關(guān)的電磁閥或氣動(dòng)閥，可實(shí)現(xiàn)閥位狀態(tài)的反饋。表1為系統(tǒng)的輸入輸出地址分配，總計(jì)18個(gè)輸入，14個(gè)輸出，為兼顧一定的裕量，選擇具有24個(gè)輸入24個(gè)輸出的FX3U-48MR/ES-A PLC；系統(tǒng)的溫度信號(hào)1路，模擬量信號(hào)3路，因此選擇具有2個(gè)通道的FX2N-2AD-PT擴(kuò)展模塊采集1路溫度信號(hào)，具有4個(gè)模擬量輸入通道的FX2N-4AD擴(kuò)展模塊采集1路液位、2路流量信號(hào)；為了控制供給泵的轉(zhuǎn)速，選擇FR-F740-1.5K-CHT變頻器。

表1 輸入輸出分配表

化妝品生產(chǎn)線中不僅要實(shí)現(xiàn)對(duì)本套CIP清洗系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，還要對(duì)其他多套生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與清洗數(shù)據(jù)集中處理，實(shí)現(xiàn)整個(gè)車間的自動(dòng)化。因此，設(shè)計(jì)了如圖4所示的監(jiān)控系統(tǒng)。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。下位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)清洗過(guò)程控制；上位機(jī)主要完成系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括PLC程序的設(shè)計(jì)和人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制、半自動(dòng)控制和全自動(dòng)控制3種模式。手動(dòng)模式用于設(shè)備檢修等情況，相關(guān)設(shè)備的啟?？赏ㄟ^(guò)點(diǎn)擊設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的按鈕來(lái)控制；半自動(dòng)模式是由現(xiàn)場(chǎng)操作人員手動(dòng)輸入清洗參數(shù)，并確認(rèn)生產(chǎn)；全自動(dòng)模式下，操作員可通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)控制面板輸入配方編號(hào)調(diào)用存儲(chǔ)于上位機(jī)工程文件夾中的配方文件，并將清洗特定設(shè)備所需的參數(shù)傳輸?shù)絇LC的相關(guān)寄存器中，下位控制系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，在控制程序的編寫(xiě)過(guò)程中設(shè)置了一系列的安全連鎖，連鎖功能在圖2、圖3有顯示。

在自動(dòng)清洗過(guò)程中，溫度是一個(gè)關(guān)鍵的控制對(duì)象，合理控制溫度能加速污物的溶解和脫離。采用PLC集成的PID控制指令[5]，并結(jié)合溫度采集模塊FX2N-2AD-PT和PLC的數(shù)字量輸出點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的自動(dòng)控制。在保證控制精度達(dá)到0.1 ℃的同時(shí)，也節(jié)約了蒸汽的消耗量。

人機(jī)界面安裝于生產(chǎn)車間，作為工人操控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接口，要具備直觀、靈活、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。由CIP運(yùn)行畫(huà)面、參數(shù)設(shè)置畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面、趨勢(shì)圖畫(huà)面、數(shù)據(jù)記錄畫(huà)面、用戶信息畫(huà)面等組成。具有清洗狀態(tài)監(jiān)視、清洗操作、參數(shù)設(shè)定、故障報(bào)警、工藝歷史數(shù)據(jù)記錄與查詢、權(quán)限管理等功能。畫(huà)面中的輸入域按鈕設(shè)置了輸入范圍，防止因誤輸入控制參數(shù)導(dǎo)致故障或事故發(fā)生。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主畫(huà)面是所有畫(huà)面的核心，主要是對(duì)清洗過(guò)程的模擬顯示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的布局并參考清洗工藝設(shè)計(jì)了如圖5所示的清洗過(guò)程界面。其中，清洗罐的液位和供給泵轉(zhuǎn)速百分比、清洗液溫度、工作模式、配方編號(hào)顯示框通過(guò)與數(shù)據(jù)詞典中的相應(yīng)變量關(guān)聯(lián)，顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。為了方便監(jiān)視畫(huà)面中各個(gè)泵和閥門的狀態(tài)，以顏色和動(dòng)畫(huà)進(jìn)行區(qū)分(藍(lán)色代表啟動(dòng)，紅色代表停止，閃爍代表故障)。系統(tǒng)菜單在圖5的最下面一排列出，點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕即可進(jìn)入相關(guān)操作界面。

圖5 CIP清洗系統(tǒng)運(yùn)行主界面

3.3 上位機(jī)與下位機(jī)的通訊

在上位機(jī)與多臺(tái)PLC的通信連接方式的選擇上，現(xiàn)場(chǎng)總線或以太網(wǎng)通訊成本較高，故采用串行通信。但是串行通信下，PLC最多只能與16臺(tái)PLC進(jìn)行連接，對(duì)今后系統(tǒng)的擴(kuò)充產(chǎn)生了限制，因此采用可擴(kuò)展256臺(tái)下位機(jī)的OPC通訊協(xié)議[6]。

MX OPC Server是OPC服務(wù)器軟件，支持多種硬件連接方式，采用客戶端/服務(wù)器模式[7]。在MX OPC Server中進(jìn)行與PLC的連接設(shè)置：

(1)將PLC的CH2擴(kuò)展出的RS-485端口與工控機(jī)的串口建立物理連接。

(2)配置通訊通道。在Address Space配置窗口中，新建一個(gè)設(shè)備，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

(3)在設(shè)備下配置組對(duì)象。組對(duì)象用來(lái)包容標(biāo)簽項(xiàng)。

(4)在組對(duì)象下配置標(biāo)簽項(xiàng)。將各個(gè)標(biāo)簽項(xiàng)與定義在PLC中的過(guò)程變量的地址進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

配置完成后點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕啟動(dòng)服務(wù)器。至此，OPC服務(wù)器與PLC的連接已建立。

在組態(tài)軟件中進(jìn)行與OPC服務(wù)器的連接設(shè)置：

(1)在工程瀏覽器的“設(shè)備設(shè)置向?qū)А苯M態(tài)OPC設(shè)備。這一步實(shí)際上是把OPC服務(wù)器作為與組態(tài)王客戶端通訊的設(shè)備；

(2)將數(shù)據(jù)詞典中的變量與前面所定義的服務(wù)器的標(biāo)簽項(xiàng)進(jìn)行連接；

進(jìn)行正確連接設(shè)置后，在組態(tài)軟件的信息窗口會(huì)顯示如圖6所示信息。

圖6 組態(tài)王與PLC通過(guò)OPC協(xié)議通訊成功畫(huà)面

4 配方功能的實(shí)現(xiàn)

在設(shè)備清洗過(guò)程中，每種被清洗的設(shè)備結(jié)構(gòu)不一樣，同類設(shè)備大小也不一樣，所以清洗液要有不同的溫度、流量；每道清洗步驟的時(shí)間、清洗液所需量也要根據(jù)設(shè)備和清洗要求而調(diào)整。為了方便現(xiàn)場(chǎng)操作人員快速準(zhǔn)確設(shè)置參數(shù)，利用配方管理功能，可迅速將配方下載到PLC中，使系統(tǒng)按配方參數(shù)全自動(dòng)清洗[8]。

4.1 配方模板

根據(jù)清洗工藝，在組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典中定義好相關(guān)配方參數(shù)地址后，設(shè)計(jì)如圖7所示的配方模板并存儲(chǔ)與工程文件夾內(nèi)。一個(gè)配方模板內(nèi)可最多創(chuàng)建256個(gè)配方，關(guān)聯(lián)999個(gè)變量[9]，可滿足本工程對(duì)配方容量的要求。

圖7 配方模板文件

圖8 CIP清洗配方畫(huà)面

4.2 配方畫(huà)面、配方腳本

采用組態(tài)軟件自帶的配方函數(shù)編寫(xiě)配方腳本，從而實(shí)現(xiàn)配方的選擇、修改、創(chuàng)建、刪除等操作。代碼如下：

(1)選擇配方。點(diǎn)擊圖8的“選擇配方”按鈕，彈出“請(qǐng)選擇配方名稱”對(duì)話框，選擇所需清洗設(shè)備的配方名并確認(rèn)即可。

string filename; %定義字符串形式的臨時(shí)變量，作為配方文件路徑

filename=InfoAppDir()+“清洗參數(shù).csv”;%把工程路徑作為InfoAppDir函數(shù)的返回值，與配方文件名稱字符串進(jìn)行連接后賦值到filename變量中

RecipeSelectRecipe( filename, 配方編號(hào), “請(qǐng)選擇配方” );%選擇配方模板文件中某一配方的名稱，配方編號(hào)為預(yù)先在數(shù)據(jù)詞典中預(yù)先定義的字符串變量，用來(lái)關(guān)聯(lián)配方模板中的不同配方名稱

(2)添加并保存配方。當(dāng)需要修改或增加配方，點(diǎn)擊“配方名稱”右側(cè)的字符串可直接在線修改，并輸入相應(yīng)“參數(shù)設(shè)定值”。點(diǎn)擊保存配方按鈕彈出“保存配方畫(huà)面”，確認(rèn)即可。

ShowPicture(“保存配方”)%切換到保存配方畫(huà)面

string filename;

filename =InfoAppDir()+“清洗參數(shù).csv”;%配方文件保存路徑

RecipeSave(filename, 配方編號(hào));%將新配方或修改后的配方保存至配方模板文件中

ClosePicture(“保存配方”);%保存配方結(jié)束后關(guān)閉畫(huà)面

(3)下載配方。點(diǎn)擊“下載配方”按鈕，可將畫(huà)面顯示的當(dāng)前配方輸入到相應(yīng)變量中。

string filename;

filename =InfoAppDir()+“清洗參數(shù).csv”;%配方文件保存路徑

RecipeLoad(filename, 配方編號(hào));%將指定配方保存至配方模板文件中的數(shù)據(jù)變量中

(4)刪除配方。點(diǎn)擊“刪除配方”按鈕，在彈出刪除確認(rèn)畫(huà)面中點(diǎn)擊確認(rèn)即可刪除當(dāng)前配方。

ShowPicture(“刪除當(dāng)前配方”)%切換到刪除配方畫(huà)面

string filename;

filename =InfoAppDir()+“清洗參數(shù).csv”;%配方文件保存路徑

RecipeDelete(filename, 配方編號(hào));%刪除當(dāng)前指定的配方

ClosePicture(“刪除當(dāng)前配方”);%確認(rèn)刪除配方關(guān)閉畫(huà)面

(5)上一配方。點(diǎn)擊“上一配方”按鈕，可顯示上一配方。

string filename;

filename =InfoAppDir()+“清洗參數(shù).csv”;%配方文件保存路徑

RecipeSelectPreviousRecipe(filename, 配方編號(hào));%在配方模板中選擇當(dāng)前配方的前一個(gè)配方

(6)下一配方。點(diǎn)擊“下一配方”按鈕，可顯示下一配方。

string filename;

filename =InfoAppDir()+“清洗參數(shù).csv”;%配方文件保存路徑

RecipeSelectNextRecipe(filename, 配方編號(hào)); %在配方模板中選擇當(dāng)前配方的下一個(gè)配方

5 結(jié)論

根據(jù)化妝品生產(chǎn)線設(shè)備對(duì)CIP清洗系統(tǒng)的要求，采用OPC協(xié)議建立了上位機(jī)與下位機(jī)的通訊機(jī)制[10]，借助配方功能及下位機(jī)的自動(dòng)檢測(cè)與邏輯控制功能實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)清洗監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)已應(yīng)用于某化妝品企業(yè)的生產(chǎn)線上，效果顯著。提高了生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度，降低了操作員的工作強(qiáng)度。清洗和消毒效果也有了改善，蒸汽和工藝水的消耗量比原先的方法有了顯著的減少。

[1] 張相勝，李艷坡.臺(tái)達(dá)PLC在乳化機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2012(6)：49-51.

[2] 中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部.化妝品生產(chǎn)企業(yè)衛(wèi)生規(guī)范(2007年版).日用化學(xué)品科學(xué)，2008(2)：28-32.

[3] 丁彩梅.奶粉工廠CIP系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì).中國(guó)乳品工業(yè)，2014，42(1):62-64.

[4] 唐磊，周倫，唐波，等.WinCC與自定義設(shè)備通信的研究與實(shí)現(xiàn).儀表技術(shù)與傳感器，2014(5):32-34.

[5] 初航，史進(jìn)波.三菱FX系列PLC編程及應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[6] 高德欣，楊清，劉軍，等.利用OPC接口實(shí)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)與PLC之間的通訊.青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006(1)：66-69.

[7] Mitsubishi Electric. MX OPC Server 5.0 Help Documentation.[EB/OL].[2014-10-01]. http://www. doc88.com/p-978358991831.html.

[8] 臧小杰，鄧?yán)^娜.基于組態(tài)軟件的飛機(jī)氣動(dòng)附件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng).測(cè)控技術(shù)，2013，32(7) :110-113.

[9] 穆亞輝.組態(tài)王軟件實(shí)用技術(shù).鄭州：黃河水利出版社， 2012.

[10] 閆靜，袁佳毅，郭卉，等.基于LabVIEW和OPC技術(shù)的蒸發(fā)冷卻內(nèi)冷電機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng).儀表技術(shù)與傳感器，2012(11) :37-39.

Design of CIP Supervisory Control System of Cosmetics Production

ZHANG Xiang-sheng, YANG Dan-dan, WANG Qian

(Key Laboratory of Advanced Process Control for Light Industry (Ministry of Education), Jiangnan University, Wuxi 214122,China)

In order to improve the cleaning efficiency and quality of cosmetics equipment, a set of supervisory control system using PLC, HMI and industrial personal computer was designed in this paper. In the field of communication, OPC and PLC communicated with OPC protocol. According to the cleaning process and the functions required by the user, making site operation staff quickly set cleaning parameters accurately，the formula script was written and the recipe screen was designed. Applications show that the system has a good cleaning effect, and can reduce the labor intensity to improve cleaning efficiency.

cleaning in place;supervisory control system; recipe management; OPC protocol

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61273131)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目，江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(SJLX_0522)

2014-11-03 收修改稿日期：2015-03-24

TP273

A

1002-1841(2015)08-0076-04

張相勝(1977—)，講師，在讀博士研究生，研究方向?yàn)楣I(yè)過(guò)程的優(yōu)化、建模與控制。E-mail:zxs@jiangnan.edu.cn 楊丹丹(1989—)，碩士研究生，研究方向?yàn)楣I(yè)過(guò)程優(yōu)化控制。