一、前言
果蔬飲品是以果汁、蔬菜汁為原料，經過調配加工，製成各種口味的飲料。隨著生活的提高，人們對飲料的要求（包括營養、美味和健康等方麵的要求）也(ye)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)。因(yin)此(ci)，越(yue)來(lai)月(yue)的(de)越(yue)多(duo)的(de)手(shou)工(gong)調(tiao)配(pei)罐(guan)被(bei)全(quan)自(zi)動(dong)的(de)機(ji)械(xie)調(tiao)配(pei)裝(zhuang)置(zhi)所(suo)替(ti)代(dai)。為(wei)了(le)提(ti)高(gao)生(sheng)產(chan)效(xiao)率(lv)，降(jiang)低(di)生(sheng)產(chan)成(cheng)本(ben)，適(shi)應(ying)市(shi)場(chang)的(de)需(xu)求(qiu)，對(dui)調(tiao)配(pei)設(she)備(bei)的(de)自(zi)動(dong)化(hua)要(yao)求(qiu)也(ye)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)。本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)一(yi)個(ge)以(yi)軟(ruan)PLC 為主站、S7-200 係列的PLC 為從站的全自動果蔬飲品控製係統，是西門子WinAC（視窗自動化中心）和Profibus-DP（分散外圍設備的過程現場總線）在食品飲料加工設備領域中的應用。
二、係統簡介
1、控製對象
該係統由三部分組成：調配係統、原料係統和CIP 清洗係統。
（1）調配係統：為飲料成品的調配係統，共有三組組成，即1#調配係統、2#調配係統、3#調配係統。三組調配係統具有同樣的配置和功能。對於每組調配係統，都由兩個輔料罐、兩個調配罐和各種進出物料管道及清洗管道組成。主要控製對象在輔料罐上有二個進水閥、二個輔料出口閥、一個輔料水泵和二個清洗回流閥。在調配罐上有四個進料閥（分別為進果汁、糖漿、輔料和水）、二個出料閥、一個出料泵和一個清洗回流閥。主要檢測點有輔料出料的流量信號、四個罐的溫度及液位信號以及故障信號等。
（2）原料係統：為原料的調配係統。由一個熱水係統、二個糖水混合罐、一個糖漿攪拌罐、一個果汁加料罐和二個果汁攪拌罐及其進出物料管道和清洗管道組成。主要控製對象有二個進水閥、一個熱水調節閥、一個熱水泵。在二個糖水混合罐上各有一個進水閥、一個出料泵。在糖漿攪拌罐上有一個出料閥和出料泵、一個清洗回流閥和回流泵。在果汁加料罐上有一個吸料泵、一個出料泵和一個兩位三通閥。
在二個果汁攪拌罐上有各有一個進料/出料閥和出料泵，還有一個清洗回流閥。主要
檢測點有流量信號、罐的溫度及液位信號以及故障信號等。
（3）CIP 清洗係統：為調配係統中所有罐和管道的清洗和消毒係統。由堿水 罐、酸水罐、消毒水罐、濃堿儲罐、濃酸儲罐和兩個加熱器及其相關管道組成。主要控製對象在堿水罐、酸水罐和消毒水罐上各有二個出水閥和二個回流閥（對應於 兩條清洗回路），還(hai)各(ge)有(you)一(yi)個(ge)進(jin)水(shui)閥(fa)。在(zai)堿(jian)水(shui)罐(guan)和(he)酸(suan)水(shui)罐(guan)上(shang)各(ge)有(you)一(yi)個(ge)循(xun)環(huan)泵(beng)。在(zai)濃(nong)堿(jian)儲(chu)罐(guan)和(he)濃(nong)酸(suan)儲(chu)罐(guan)上(shang)各(ge)有(you)一(yi)個(ge)加(jia)藥(yao)泵(beng)。在(zai)兩(liang)條(tiao)清(qing)洗(xi)管(guan)路(lu)上(shang)各(ge)有(you)一(yi)個(ge)進(jin)水(shui)閥(fa)和(he)出(chu)水(shui)閥(fa)，還(hai)各(ge)有(you)一(yi)個(ge)循(xun)環(huan)泵(beng)和(he)加(jia)熱(re)器(qi)調(tiao)節(jie)閥(fa)。係(xi)統(tong)中(zhong)還(hai)有(you)三(san)個(ge)回(hui)流(liu)泵(beng)。主(zhu)要(yao)檢(jian)測(ce)點(dian)有(you)酸(suan)堿(jian)的(de)電(dian)導(dao)率(lv)、流量信號、管路的溫度信號以及故障信號等。
2、控製流程
係統有三組功能相同調配裝置，可獨立運行，但公用一個原料係統和CIP 清qing洗xi係xi統tong。在zai管guan路lu不bu衝chong突tu的de情qing況kuang下xia，調tiao配pei和he清qing洗xi可ke同tong時shi進jin行xing。調tiao配pei進jin行xing時shi，係xi統tong根gen據ju配pei方fang，分fen別bie進jin糖tang漿jiang和he果guo汁zhi，再zai進jin輔fu料liao和he純chun水shui，然ran後hou進jin行xing定ding時shi攪jiao拌ban，需xu要yao時shi通tong過guo出chu料liao泵beng輸shu送song去qu罐guan裝zhuang或huo包bao裝zhuang。當dang某mou一yi套tao或huo二er套tao調tiao配pei裝zhuang置zhi正zheng在zai進jin輔fu料liao、純水或攪拌或出料時，另一套調配裝置可以從原料係統進糖漿和果汁。同時，
原yuan料liao係xi統tong中zhong的de二er個ge糖tang水shui混hun合he罐guan根gen據ju糖tang漿jiang攪jiao拌ban罐guan的de液ye位wei情qing況kuang交jiao替ti工gong作zuo，保bao證zheng糖tang漿jiang的de供gong應ying。二er個ge果guo汁zhi攪jiao拌ban罐guan也ye根gen據ju需xu要yao交jiao替ti工gong作zuo，以yi保bao證zheng果guo汁zhi的de供gong應ying不bu間jian斷duan。同tong時shi也ye保bao證zheng了le整zheng個ge調tiao配pei係xi統tong可ke以yi不bu間jian斷duan地di供gong應ying成cheng品pin飲yin料liao。
qingxijinxingshi，xitonggenjucaozuorenyuanzhishideqingxifangshiheqingxixuanze，fenbiehuotongshiduitiaopeixitongdefuliaoguanhetiaopeiguan，yuanliaoxitongdetangguanheguozhiguanjiqixiangguanguandaohewuliaoguandaojinxingqingxi。qingxifangshiyou“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，以保證每個料罐、每條管道都能根據需要清洗到位。
三、控製係統的構成
1、係統配置框圖
控製係統由一台西門子工控機（IL40）配以CP5611 通訊卡和WinAC 軟PLC為主站，以S7-200 係列的PLC 配以EM277 為從站,以西門子WinCC（視窗控製中心）為主站的人機界麵，從站現場配TP27-10 觸摸屏為人機界麵。圖1 為該係統的配置框圖
係統配置設計的技術特點
根據果蔬飲品調配係統設備的分布和工藝情況，調配和CIP 清洗是兩個獨立的工藝流程，本裝置的調配中共有三套設備（稱1#調配係統、2#調配係統和3#調配係統），它們工藝流程相同，設備和管道閥門都一樣，但它們公用一套原料加工設備（亦稱公用係統）。為此控製係統采用Profibus-DP 現場總線方式，現場三套調配係統、一套CIP 清洗係統和一套原料係統的實時控製分別一套使用S7-200 係列PLC（CPU226），通過EM277 模塊，作為Profibus-DP 總線上的獨立從站。上位采用西門子工控機配WinAC 軟PLC 作主站[1]，以WinCC 為係統總控的人機界麵，而現場有一台TP27-10 彩色觸摸屏可以監控三套調配係統，CIP 清洗係統和原料係統各有有一台TP27-10 彩色觸摸屏可以監控，這樣的配置具有以下特點：
１、配置成本較低
２、從站可以不依賴於主站獨立運行
３、可靠性高
４、易維護性
５、通訊速度快，實時性強
６、擴展靈活
四、控製係統的主要技術環節與自動化的實現
總線通訊
PROFIBUS-DP 是主從結構的工業現場總線，其最大站點可達126 個，最大通訊速率12M。WinAC 與S7-200 從站之間的通信是通過開辟通信緩衝區進行的。在WinAC 軟PLC 中，定義一塊I/O 區域為與從站交換數據的緩衝區，而在S7-200PLC中，則定義V 區域為與主站交換數據的緩衝區。數據緩衝區的大小可以選擇，但每個從站的數據緩衝區最大為32 個字節的輸入和32 個字節的輸出。
需交換的數據量超過可定義緩衝區的最大限製
係統中每個從站PLC 與主站PLC 之間有許多數據交換，而5 個從站之間的交換數據也是通過主站進行的，因此，各32 個字節的輸入/輸出緩衝區遠遠不能滿足整個係統的需求。為了解決這個問題，我們對係統的通訊數據進行了研究和分類，一類是溫度、液位等模擬量數據共有54 個之多，每個數據需兩個字節，共需108個字節，但這類數據的實時性要求不高。另一類是泵閥的狀態和驅動信號、中間位等，這類信號的實時性要求高，數量也不少，但由於是開關量，因此其所占的字節數並不多。對前一類數據，采用循環發送、定時讀取刷新的方式，輸入/輸出緩衝區隻用了4 個字節。而對於後一類字節所占不多的數據，采用數據緩衝區直接傳輸的
方式，以保證信號刷新的實時性。
WinLC 組態及編程
用STEP 編程軟件組態軟PLC 主站和EM277 從站配置，並對主機編程。該程序主要是處理主站上的人機界麵WinCC 與實時控製的從站PLC 之間的數據信息交換、報警事件的處理、三個調配係統從站之間的協調運行與互鎖、原料係統從站與調配係統從站之間的運行協調、CIP 清洗係統從站與另外四個從站之間的協調運行和一些數據及狀態的共享等等，圖2 為WinLC 主機配置組態。
圖2 WinLC 主機配置組態
Fig.2 Configuration on WinLC master station
上位機WinCC 組態
用WinCC 組態軟件設計友好的用戶界麵和監控畫麵，通過WinLC 主機，向Profibus-DP 上的EM277 從站(S7-200PLC)發送命令，同時讀取從站PLC 的設備的運行狀態、模擬量采樣數據和報警信息等。根據這些實時數據，係統在屏幕上動態顯示整個調配係統裝置的運行情況，包括流量、罐內液位、溫度、酸堿的電導和泵閥的開/關狀態等。一旦發現故障報警信息，係統即顯示明顯的警示畫麵，通過WinLC主機向各從站PLC 發出停機命令，保存並記錄下故障發生的時間、方位和原因等原始數據。程序還可以根據用戶要求保存所需要的曆史數據，定時、實時（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 組態軟件設計的果蔬飲品調配係統的用戶監控畫麵。
圖3 用戶監控界麵
Fig.3 Monitoring interface
從站PLC 程序
用STEP7 Micro/WIN 軟件設計從站PLC（S7-200 係列）程序。5 個從站中3個調配係統從站程序相同。由於采用Profibus-DP 總線結構，因此從站PLC 程序無須考慮與主站的通信問題，隻需在已指定的輸入/輸出緩衝區中交換數據即可。同時，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運行程序、調配罐自動運行程序、手動操作程序、初始化子程序、模擬量處理子程序、總線數據交換子程序和狀態及故障檢測程序等組成。原料係統工作程序：該程序由熱水係統自動運行程序、糖漿罐自動運行程序、果汁罐自動運行程序、手動操作程序、初始化子程序、模擬量處理子程序、總線數
據交換子程序和狀態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、手動操作程序、初始化子程序、模擬量處理子程序、總線數據交換子程序、狀態及故障檢測程序和PID 調節中斷子程序等組成。
係統的靈活性和可靠性
係統的設計使從站PLC 具有較大的獨立性，調配係統和CIP qingxixitongkeyizuoweilianggewanquandulidexitonghubuyilaidiyunxing。sangetiaopeicongzhanzhijianguanxiyeshidulide。yonghukeyigenjuxuyaozaizongxianshangfangbiandizengjiahuojianshaoyigehuoshugetiaopeicongzhan，yekeyijiangCIP 清洗係統用到其他設備的CIP 清洗中去。萬一總線上主站或某個從站發生故障，其他從站 還能工作。
7、係統功能的擴展
係統可以與其他應用程序連接，也可以實現數據共享。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，自動生成產品的配方，實現從配料、進料到調配、出料的全自動運行。
五、結束語
該係統是根據果蔬飲品調配工藝的特點，利用WinAC 可替代硬件作為主站這一特性，使用S7-200 係列的PLC 作為從站，采用Profibus 現場總線，配以功能強大的WinCC 作人機界麵。該係統技術先進、設計合理、靈活靠、性價比高，便於推廣和應用。
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