趙群1、劉彤軍1、畢鑫2（1黑龍江省自動化係統工程公司， 150090，2哈爾濱海威電子工程有限公司，150090）
摘要： bengongchengyingyongyumouguojizhimingrupingongsiganzaotakuojianxiangmu，shiqubufenzidonghuashejijigongnengshixian。gaixiangmucaiyongmuqianjiaoweixianjindezidonghuakongzhijishu，chongfenfahuiluokeweierzidonghuagongsizidonghuajishudetedian，liyongqisanjiwangluo，shixianzhunque、穩定的控製。
關鍵詞： 三級網絡 自動控製 無擾切換
一、引言
為(wei)了(le)在(zai)激(ji)烈(lie)的(de)乳(ru)品(pin)市(shi)場(chang)競(jing)爭(zheng)中(zhong)占(zhan)據(ju)領(ling)先(xian)地(di)位(wei)，某(mou)乳(ru)品(pin)製(zhi)造(zao)公(gong)司(si)決(jue)定(ding)對(dui)其(qi)現(xian)有(you)運(yun)行(xing)的(de)設(she)備(bei)進(jin)行(xing)擴(kuo)建(jian)和(he)改(gai)造(zao)。此(ci)次(ci)自(zi)動(dong)化(hua)係(xi)統(tong)改(gai)造(zao)的(de)工(gong)作(zuo)包(bao)括(kuo)：擴建兩條原奶收奶生產線係統，改造和增加標準化車間的輸奶工藝管線，增加兩台淨乳機（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製技術，又要充分利用現在使用的PLC-5可編程序控製器，同時又不能影響生產的正常進行，實現無擾切換。
根據國內、外同類係統的結構和設計經驗及實際的工藝控製要求，控製係統采用美國羅克韋爾自動化公司ControlLogix5550 DCS係統。包括槽車收奶―淨乳和分離―成品奶傳送配製―服務係統（製冷和CIP）工藝參數的檢測、設置、指示報警和調節控製功能均由係統完成。係統采用羅克韋爾自動化的三級網絡，信息層采用以太網（EtherNet）實現係統數據交換；中間為控製層（ControlNet、DH+）負責係統通訊；底層是設備層，網絡連接就地設備，如閥箱、變頻器等。為提高生產效率，工藝過程優化，降低成本，分析各種操作，安全生產打下基礎。
二、過程控製計算機組成
本係統由4套ControlLogix和2套PLC5、2個計算機操作站和1個工程師站和一台服務器通過網絡組成。主要完成鮮奶的收儲、運奶槽車的清洗（CIP TANKER）、淨乳和分離及各種奶產品在濕區原料罐的配比等控製，標準化生產管線和中轉存貯罐（CIP HOT ，CIP COLD）的清洗，為幹區的奶粉生產作準備。
工程師站可以通過網絡對網絡上任一台PLC控製站上進行軟件編程、組態、下載和在線調試。
操作員站通過EtherNet網絡與PLC係統通訊，實現對生產過程的監控功能。由於兩個操作員站連接在EtherNet，可以實現分工控製並且在故障發生時，另一台可代其操作。
服務器安裝RSSQL和MSSQL 軟件，可采集各個操作站數據，對數據按要求進行處理後，可以實現與上位機的快速大量的數據交換，以供下一步操作。
係統功能：整個係統功能實現乳品廠濕區從收奶開始，直到奶粉原料配比結束的工藝流程控製。其中包括：收奶、淨乳、標準化和CIP清(qing)洗(xi)。程(cheng)序(xu)設(she)計(ji)采(cai)用(yong)順(shun)序(xu)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)，程(cheng)序(xu)嚴(yan)格(ge)按(an)工(gong)藝(yi)設(she)計(ji)的(de)步(bu)驟(zhou)執(zhi)行(xing)，並(bing)實(shi)時(shi)檢(jian)測(ce)每(mei)個(ge)閥(fa)門(men)和(he)泵(beng)的(de)狀(zhuang)態(tai)，如(ru)有(you)故(gu)障(zhang)發(fa)生(sheng)，程(cheng)序(xu)會(hui)產(chan)生(sheng)報(bao)警(jing)信(xin)號(hao)，同(tong)時(shi)連(lian)鎖(suo)相(xiang)關(guan)的(de)閥(fa)門(men)和(he)泵(beng)動(dong)作(zuo)，保(bao)證(zheng)係(xi)統(tong)的(de)安(an)全(quan)運(yun)行(xing)。
2．1 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網送到 PLC備檔，鮮奶經過冷換器後，儲存在鮮奶罐中。
2．2 淨乳機PLC
根據不同的產品要求，對原奶進行淨乳、分離和滅菌控製，作為標準化生產的原料。淨乳機的工藝過程設置，主要由五個部分組成：啟動、預熱、循環、生產、CIP(cleaning in place)等組成。淨乳機PLC完成四台淨乳機（分離機）的工藝控製，在這五種狀態下，包括進料和出料閥門的控製，排渣時間設置和控製輸出及平衡罐的調節控製。
2．3 標準化PLC
根據奶粉產品配方要求，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。並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。
2．4 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製。主要控製5條收奶線運奶槽車的清洗，罐自動補液控製及液位檢測告警。對閥和的泵的狀態進行實時的故障檢測，並根據故障的類型，在CIP過程中采取對閥和泵不同的控製操作。
2．5 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(xun)環(huan)水(shui)罐(guan)，這(zhe)四(si)個(ge)罐(guan)作(zuo)為(wei)五(wu)組(zu)組(zu)合(he)管(guan)線(xian)的(de)清(qing)洗(xi)動(dong)力(li)源(yuan)泉(quan)，但(dan)需(xu)要(yao)清(qing)洗(xi)的(de)管(guan)線(xian)數(shu)比(bi)較(jiao)多(duo)。根(gen)據(ju)標(biao)準(zhun)化(hua)傳(chuan)輸(shu)和(he)收(shou)奶(nai)管(guan)線(xian)的(de)不(bu)同(tong)，每(mei)組(zu)又(you)由(you)多(duo)條(tiao)管(guan)線(xian)不(bu)同(tong)組(zu)合(he)而(er)成(cheng)，由(you)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。
三、控製係統的特點
3.1 ControlNet
ControlNet網絡是新一代自動化控製網絡，滿足IEC61158 國際工業現場總線標準，它提供了一種在PLC之間，PLC與MMI操作站及I/O子係統之間實現高速的，可冗餘的通訊方式，它可以支持多達99個節點，最大網絡距離20KM，它可以連接總線型、樹型、星型及混合型等不同的網絡拓撲結構。通過ControlNet可以在單一網絡上完成關鍵性數據傳輸、I/O更新、處理器互鎖、對等通訊等功。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數據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，使控製模塊最可能接近現場檢測元件，減少檢測、控製信號的衰減、幹擾，同時節約電纜，便於維護。PLC通過ControlNet連接主控設備 ControlLogix、PLC5等。
3.2 EtherNet
EtherNet網絡是在操作站與服務器之間通過TCP/IP組成的Windows NT網絡，具有數據、文件共享的能力，通過統一的數據庫接口（ODBC）使各操作站的曆史、實時數據和文件集中管理，便於生產調度。可進一步實現一體化
3.3 DH+
是一種局域網，用於支持工廠應用工程的遠程編程，也可以通過DH+在可編程序控製器、計算機、人機界麵等之間進行數據傳遞。所有的增強型PLC-5等都具有內置的DH+通訊接口。DH+網絡的每一個鏈路路最多可以連接64個設備。可用於濕區連接區域內現場監控設備PanelView、PLC-5和ControlLogix PLC。
3.4 DeviceNet
DeviceNet網絡是一個開放的、進行低層通訊的一種連接，它用於連接簡單的、工業用的設備與高級設備之間的連接。DeviceNet具有互用性、公共網絡、低廉的維護費用、節省的網絡布線等特點。連接遠程FLEX I/O ，控製現場閥箱和變頻器。
從DeviceNet到DH+、ControlNet再到EtherNet改(gai)造(zao)後(hou)的(de)自(zi)動(dong)化(hua)係(xi)統(tong)具(ju)備(bei)清(qing)晰(xi)的(de)結(jie)構(gou)和(he)功(gong)能(neng)分(fen)級(ji)，提(ti)高(gao)了(le)通(tong)訊(xun)速(su)度(du)。濕(shi)區(qu)的(de)控(kong)製(zhi)數(shu)據(ju)和(he)信(xin)息(xi)都(dou)通(tong)過(guo)三(san)級(ji)網(wang)絡(luo)及(ji)各(ge)級(ji)網(wang)絡(luo)接(jie)口(kou)集(ji)成(cheng)，並(bing)傳(chuan)送(song)到(dao)各(ge)級(ji)管(guan)理(li)和(he)生(sheng)產(chan)部(bu)門(men)。
四、設計實現
羅克韋爾自動化的三層化網絡結構使改造與新增的自動化功能構成統一的結構。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；在控製層，係統實現實時I/O控製、聯鎖和狀態傳送，從而保證了控製數據和信息的實時性和穩定性；在信息層，將控製數據通過網關，連接至企業的信息係統。
4．1 人機交互界麵
rupinshengchandetedianshishebeijiaoduo，kongzhijuliyuan，diancihuanjingjiaocha，yinciduikongzhishebeidelianjietongxunhecaozuoyuanjiemianyaoqiukeke。bencigaizaozhongbiaozhunhuakongzhizhongxintiaodujiankongxitongdegaizaocaiyongInTouch7。1監控軟件與ControlNet 通訊模式，實時監控的係統，具備生產管理功能，對濕區各主要生產環節及輔助環節的生產過程實時數據采集、選擇、操作、傳輸、配料、清洗、顯示、打印；上位機采用DELL計算機，提供友好的人機界麵和方便的操作方式。畫麵包括：淨乳機、各CIP站、收奶、標準化流程畫麵、操作畫麵、調節畫麵、趨勢畫麵、報警畫麵、分組畫麵、報表畫麵。
4．2 通訊網絡
由於PLC網絡中采用了以太網網絡技術，因此許多PLC產品都支持以太網的TCP/IPtongxunxieyi，tamennengjiangkongzhixitongyuxinxiguanlixitongjichengqilai，tongguoyitaiwangwangluo，yongyujianshikebianchengxukongzhiqineicunchudegezhongshuju，zheyangdeshujuyongyushujucaiji、監控、生產管理、設備維護、生產流程及物料配比等，同時，TCP/IP協議可以使計算機訪問使用結構化語言（SQL）的開放型數據庫，便於存貯和查詢和報表形成。
4．3 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，隻有A、B、C、D四(si)組(zu)主(zhu)幹(gan)管(guan)線(xian)，此(ci)次(ci)擴(kuo)為(wei)五(wu)組(zu)，每(mei)組(zu)線(xian)組(zu)合(he)方(fang)式(shi)與(yu)原(yuan)來(lai)也(ye)不(bu)同(tong)，並(bing)且(qie)每(mei)組(zu)的(de)所(suo)包(bao)含(han)的(de)分(fen)支(zhi)組(zu)合(he)也(ye)有(you)所(suo)增(zeng)加(jia)，給(gei)擴(kuo)建(jian)控(kong)製(zhi)站(zhan)投(tou)入(ru)帶(dai)來(lai)很(hen)大(da)困(kun)難(nan)。
根據其管線和工藝特點，我們充分利用通訊網絡資源。在通訊DH+網絡接點上，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、其他控製器之間的通訊，在此PLC上進行程序邏輯控製，將程序輸出的自動控製位上臨時屏蔽，通過網絡通訊，軟件用 MSG指令進行通訊，將自動控製位傳輸到原來的PLC站上，而此PLC隻執行輸出動作，沒有邏輯控製，隻相當於一個“I/O”設備，實現I/O轉換；隨著工藝管線增加，程序的I/O控製點逐步與實際新的I/O相對應，原有PLC的功能被新的PLC代替，實現邏輯切換。完成無擾切換後，將舊的PLC的程序部分修改，改造成為CIP HOT STATION控製站，實現新控製站投入。
五、結束語
經jing過guo本ben次ci擴kuo建jian和he改gai造zao，整zheng個ge濕shi區qu的de自zi動dong化hua控kong製zhi係xi統tong實shi現xian較jiao為wei全quan方fang位wei自zi動dong化hua，數shu據ju集ji中zhong監jian控kong和he管guan理li的de信xin息xi化hua。此ci自zi動dong化hua係xi統tong改gai造zao的de成cheng功gong使shi它ta成cheng為wei亞ya洲zhou乃nai至zhi世shi界jie上shang的de現xian代dai化hua乳ru品pin企qi業ye。同tong時shi，增zeng強qiang了le企qi業ye的de市shi場chang競jing爭zheng能neng力li，並bing在zai世shi界jie乳ru品pin市shi場chang的de激ji烈lie競jing爭zheng中zhong獲huo得de成cheng功gong。
參考文獻：
[1] 可編程序控製器係統. 浙江大學羅克韋爾自動化技術中心. 浙江大學出版社, 2000.3
作者簡介：
趙群（1966-），男，高級工程師，主要從事過程項目的設計和研發工作。
