一、前言

　　果蔬飲品是以果汁、蔬菜汁為原料，經(jīng)過(guò)調配加工，制成各種口味的飲料。隨著(zhù)生活的提高，人們對飲料的要求（包括營(yíng)養、美味和健康等方面的要求）也越來(lái)越高。因此，越來(lái)月的越多的手工調配罐被全自動(dòng)的機械調配裝置所替代。為了提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，適應市場(chǎng)的需求，對調配設備的自動(dòng)化要求也越來(lái)越高。本文介紹一個(gè)以軟PLC 為主站、S7-200 系列的PLC 為從站的全自動(dòng)果蔬飲品控制系統，是西門(mén)子WinAC（視窗自動(dòng)化中心）和Profibus-DP（分散外圍設備的過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)）在食品飲料加工設備領(lǐng)域中的應用。

    二、系統簡(jiǎn)介

　　1、控制對象

　　該系統由三部分組成：調配系統、原料系統和CIP 清洗系統。

　?。?）調配系統：為飲料成品的調配系統，共有三組組成，即1#調配系統、2#調配系統、3#調配系統。三組調配系統具有同樣的配置和功能。對于每組調配系統，都由兩個(gè)輔料罐、兩個(gè)調配罐和各種進(jìn)出物料管道及清洗管道組成。主要控制對象在輔料罐上有二個(gè)進(jìn)水閥、二個(gè)輔料出口閥、一個(gè)輔料水泵和二個(gè)清洗回流閥。在調配罐上有四個(gè)進(jìn)料閥（分別為進(jìn)果汁、糖漿、輔料和水）、二個(gè)出料閥、一個(gè)出料泵和一個(gè)清洗回流閥。主要檢測點(diǎn)有輔料出料的流量信號、四個(gè)罐的溫度及液位信號以及故障信號等。

　?。?）原料系統：為原料的調配系統。由一個(gè)熱水系統、二個(gè)糖水混合罐、一個(gè)糖漿攪拌罐、一個(gè)果汁加料罐和二個(gè)果汁攪拌罐及其進(jìn)出物料管道和清洗管道組成。主要控制對象有二個(gè)進(jìn)水閥、一個(gè)熱水調節閥、一個(gè)熱水泵。在二個(gè)糖水混合罐上各有一個(gè)進(jìn)水閥、一個(gè)出料泵。在糖漿攪拌罐上有一個(gè)出料閥和出料泵、一個(gè)清洗回流閥和回流泵。在果汁加料罐上有一個(gè)吸料泵、一個(gè)出料泵和一個(gè)兩位三通閥。

    在二個(gè)果汁攪拌罐上有各有一個(gè)進(jìn)料/出料閥和出料泵，還有一個(gè)清洗回流閥。主要檢測點(diǎn)有流量信號、罐的溫度及液位信號以及故障信號等。

　?。?）CIP 清洗系統：為調配系統中所有罐和管道的清洗和消毒系統。由堿水 罐、酸水罐、消毒水罐、濃堿儲罐、濃酸儲罐和兩個(gè)加熱器及其相關(guān)管道組成。主要控制對象在堿水罐、酸水罐和消毒水罐上各有二個(gè)出水閥和二個(gè)回流閥（對應于 兩條清洗回路），還各有一個(gè)進(jìn)水閥。在堿水罐和酸水罐上各有一個(gè)循環(huán)泵。在濃堿儲罐和濃酸儲罐上各有一個(gè)加藥泵。在兩條清洗管路上各有一個(gè)進(jìn)水閥和出水閥，還各有一個(gè)循環(huán)泵和加熱器調節閥。系統中還有三個(gè)回流泵。主要檢測點(diǎn)有酸堿的電導率、流量信號、管路的溫度信號以及故障信號等。

　　2、控制流程

　　系統有三組功能相同調配裝置，可獨立運行，但公用一個(gè)原料系統和CIP 清洗系統。在管路不沖突的情況下，調配和清洗可同時(shí)進(jìn)行。調配進(jìn)行時(shí)，系統根據配方，分別進(jìn)糖漿和果汁，再進(jìn)輔料和純水，然后進(jìn)行定時(shí)攪拌，需要時(shí)通過(guò)出料泵輸送去罐裝或包裝。當某一套或二套調配裝置正在進(jìn)輔料、純水或攪拌或出料時(shí)，另一套調配裝置可以從原料系統進(jìn)糖漿和果汁。同時(shí)，原料系統中的二個(gè)糖水混合罐根據糖漿攪拌罐的液位情況交替工作，保證糖漿的供應。二個(gè)果汁攪拌罐也根據需要交替工作，以保證果汁的供應不間斷。同時(shí)也保證了整個(gè)調配系統可以不間斷地供應成品飲料。

　　清洗進(jìn)行時(shí)，系統根據操作人員指示的清洗方式和清洗選擇，分別或同時(shí)對調配系統的輔料罐和調配罐，原料系統的糖罐和果汁罐及其相關(guān)管道和物料管道進(jìn)行清洗。清洗方式有“堿洗=>消毒水洗”、“酸洗=>消毒水洗”、“堿洗=>酸洗=>消毒水洗”和“消毒水洗”四種，清洗選擇則有多達35 種，以保證每個(gè)料罐、每條管道都能根據需要清洗到位。

　　三、控制系統的構成

　　1、系統配置框圖

　　控制系統由一臺西門(mén)子工控機（IL40）配以CP5611 通訊卡和WinAC 軟PLC為主站，以S7-200 系列的PLC 配以EM277 為從站,以西門(mén)子WinCC（視窗控制中心）為主站的人機界面，從站現場(chǎng)配TP27-10 觸摸屏為人機界面。圖1 為該系統的配置框圖

    系統配置設計的技術(shù)特點(diǎn)

　　根據果蔬飲品調配系統設備的分布和工藝情況，調配和CIP 清洗是兩個(gè)獨立的工藝流程，本裝置的調配中共有三套設備（稱(chēng)1#調配系統、2#調配系統和3#調配系統），它們工藝流程相同，設備和管道閥門(mén)都一樣，但它們公用一套原料加工設備（亦稱(chēng)公用系統）。為此控制系統采用Profibus-DP 現場(chǎng)總線(xiàn)方式，現場(chǎng)三套調配系統、一套CIP 清洗系統和一套原料系統的實(shí)時(shí)控制分別一套使用S7-200 系列PLC（CPU226），通過(guò)EM277 模塊，作為Profibus-DP 總線(xiàn)上的獨立從站。上位采用西門(mén)子工控機配WinAC 軟PLC 作主站[1]，以WinCC 為系統總控的人機界面，而現場(chǎng)有一臺TP27-10 彩色觸摸屏可以監控三套調配系統，CIP 清洗系統和原料系統各有有一臺TP27-10 彩色觸摸屏可以監控，這樣的配置具有以下特點(diǎn)：

　?。?、配置成本較低

　?。?、從站可以不依賴(lài)于主站獨立運行

　?。?、可靠性高

　?。?、易維護性

　?。?、通訊速度快，實(shí)時(shí)性強

　?。?、擴展靈活

　　四、控制系統的主要技術(shù)環(huán)節與自動(dòng)化的實(shí)現

　　總線(xiàn)通訊

　　PROFIBUS-DP 是主從結構的工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)，其最大站點(diǎn)可達126 個(gè)，最大通訊速率12M。WinAC 與S7-200 從站之間的通信是通過(guò)開(kāi)辟通信緩沖區進(jìn)行的。在WinAC 軟PLC 中，定義一塊I/O 區域為與從站交換數據的緩沖區，而在S7-200PLC中，則定義V 區域為與主站交換數據的緩沖區。數據緩沖區的大小可以選擇，但每個(gè)從站的數據緩沖區最大為32 個(gè)字節的輸入和32 個(gè)字節的輸出。

　　需交換的數據量超過(guò)可定義緩沖區的最大限制

　　系統中每個(gè)從站PLC 與主站PLC 之間有許多數據交換，而5 個(gè)從站之間的交換數據也是通過(guò)主站進(jìn)行的，因此，各32 個(gè)字節的輸入/輸出緩沖區遠遠不能滿(mǎn)足整個(gè)系統的需求。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們對系統的通訊數據進(jìn)行了研究和分類(lèi)，一類(lèi)是溫度、液位等模擬量數據共有54 個(gè)之多，每個(gè)數據需兩個(gè)字節，共需108個(gè)字節，但這類(lèi)數據的實(shí)時(shí)性要求不高。另一類(lèi)是泵閥的狀態(tài)和驅動(dòng)信號、中間位等，這類(lèi)信號的實(shí)時(shí)性要求高，數量也不少，但由于是開(kāi)關(guān)量，因此其所占的字節數并不多。對前一類(lèi)數據，采用循環(huán)發(fā)送、定時(shí)讀取刷新的方式，輸入/輸出緩沖區只用了4 個(gè)字節。而對于后一類(lèi)字節所占不多的數據，采用數據緩沖區直接傳輸的方式，以保證信號刷新的實(shí)時(shí)性。

　　WinLC 組態(tài)及編程

　　用STEP 編程軟件組態(tài)軟PLC 主站和EM277 從站配置，并對主機編程。該程序主要是處理主站上的人機界面WinCC 與實(shí)時(shí)控制的從站PLC 之間的數據信息交換、報警事件的處理、三個(gè)調配系統從站之間的協(xié)調運行與互鎖、原料系統從站與調配系統從站之間的運行協(xié)調、CIP 清洗系統從站與另外四個(gè)從站之間的協(xié)調運行和一些數據及狀態(tài)的共享等等，圖2 為WinLC 主機配置組態(tài)。

圖2 WinLC 主機配置組態(tài)
Fig.2 Configuration on WinLC master station

　　上位機WinCC 組態(tài)

　　用WinCC 組態(tài)軟件設計友好的用戶(hù)界面和監控畫(huà)面，通過(guò)WinLC 主機，向Profibus-DP 上的EM277 從站(S7-200PLC)發(fā)送命令，同時(shí)讀取從站PLC 的設備的運行狀態(tài)、模擬量采樣數據和報警信息等。根據這些實(shí)時(shí)數據，系統在屏幕上動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)調配系統裝置的運行情況，包括流量、罐內液位、溫度、酸堿的電導和泵閥的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)等。一旦發(fā)現故障報警信息，系統即顯示明顯的警示畫(huà)面，通過(guò)WinLC主機向各從站PLC 發(fā)出停機命令，保存并記錄下故障發(fā)生的時(shí)間、方位和原因等原始數據。程序還可以根據用戶(hù)要求保存所需要的歷史數據，定時(shí)、實(shí)時(shí)（如故障信息）或按操作鍵打印所需的數據和信息。圖3 是用WinCC 組態(tài)軟件設計的果蔬飲品調配系統的用戶(hù)監控畫(huà)面。

圖3 用戶(hù)監控界面
Fig.3 Monitoring interface

　　從站PLC 程序

　　用STEP7 Micro/WIN 軟件設計從站PLC（S7-200 系列）程序。5 個(gè)從站中3個(gè)調配系統從站程序相同。由于采用Profibus-DP 總線(xiàn)結構，因此從站PLC 程序無(wú)須考慮與主站的通信問(wèn)題，只需在已指定的輸入/輸出緩沖區中交換數據即可。同時(shí)，該從站PLC 還可以脫離主站而單獨運行。因此從站有下列單獨編程的程序：調配工作程序：該程序由輔料罐自動(dòng)運行程序、調配罐自動(dòng)運行程序、手動(dòng)操作程序、初始化子程序、模擬量處理子程序、總線(xiàn)數據交換子程序和狀態(tài)及故障檢測程序等組成。原料系統工作程序：該程序由熱水系統自動(dòng)運行程序、糖漿罐自動(dòng)運行程序、果汁罐自動(dòng)運行程序、手動(dòng)操作程序、初始化子程序、模擬量處理子程序、總線(xiàn)數據交換子程序和狀態(tài)及故障檢測程序等組成。

　　CIP 清洗工作程序：該程序由清洗準備程序、“堿洗=>消毒水洗”程序、“酸洗=>消毒水洗”程序、“堿洗=>酸洗=>消毒水洗”程序、“消毒水洗”程序、手動(dòng)操作程序、初始化子程序、模擬量處理子程序、總線(xiàn)數據交換子程序、狀態(tài)及故障檢測程序和PID 調節中斷子程序等組成。

　　系統的靈活性和可靠性

　　系統的設計使從站PLC 具有較大的獨立性，調配系統和CIP 清洗系統可以作為兩個(gè)完全獨立的系統互不依賴(lài)地運行。三個(gè)調配從站之間關(guān)系也是獨立的。用戶(hù)可以根據需要在總線(xiàn)上方便地增加或減少一個(gè)或數個(gè)調配從站，也可以將CIP 清洗系統用到其他設備的CIP 清洗中去。萬(wàn)一總線(xiàn)上主站或某個(gè)從站發(fā)生故障，其他從站 還能工作。

　　7、系統功能的擴展

　　系統可以與其他應用程序連接，也可以實(shí)現數據共享。從站數量可以擴展，從站PLC 的模塊亦可以根據要求擴展。甚至還可以擴展一些新的功能：如設計配方的功能，自動(dòng)生成產(chǎn)品的配方，實(shí)現從配料、進(jìn)料到調配、出料的全自動(dòng)運行。

　　五、結束語(yǔ)

　　該系統是根據果蔬飲品調配工藝的特點(diǎn)，利用WinAC 可替代硬件作為主站這一特性，使用S7-200 系列的PLC 作為從站，采用Profibus 現場(chǎng)總線(xiàn)，配以功能強大的WinCC 作人機界面。該系統技術(shù)先進(jìn)、設計合理、靈活靠、性?xún)r(jià)比高，便于推廣和應用。