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

張相勝，楊丹丹，汪 謙

(輕工過程先進控制教育部重點實驗室，江南大學(xué)，江蘇無錫 214122)

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

張相勝，楊丹丹，汪 謙

(輕工過程先進控制教育部重點實驗室，江南大學(xué)，江蘇無錫 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、人機界面和上位機設(shè)計了一套監(jiān)控系統(tǒng)。PLC與上位機的通訊使用OPC協(xié)議。為方便現(xiàn)場操作人員快速準確設(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，編寫了配方腳本。應(yīng)用表明，系統(tǒng)清洗效果良好，可減輕勞動強度，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(簡稱乳化鍋)、油相鍋、水相鍋、儲料罐、灌裝機等[1]。生產(chǎn)過程包括設(shè)備清洗、稱重進料、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)作為整個生產(chǎn)過程的第一步，影響產(chǎn)品的衛(wèi)生水平[2]。

傳統(tǒng)的人工清洗方式費時費力，為滿足某化妝品企業(yè)的清洗要求，在CIP[3](Clean in place的縮寫，指系統(tǒng)或較大型設(shè)備在原安裝位置不作拆卸及移動下的清潔工作)裝置基礎(chǔ)上搭建了監(jiān)控系統(tǒng)。下位機采用PLC和人機界面，上位機采用組態(tài)軟件，PLC與上位機的通訊采用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。當某處工藝段的設(shè)備需要清洗時，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程中手動開啟來添加化學(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檢測出液流量。不同的設(shè)備具有不同的清洗管徑，為了確保當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)

一個基本的清洗過程包括以下3步：

(1) 預(yù)清洗(以熱水沖洗，清洗液流向為V4-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)方向為V4-P1-V7-P2-V8-V4)；

(3)最終洗(以熱水沖洗，清洗液流向為V4-P1-V7- P2-V10)。

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

圖2 CIP自動清洗流程圖

在每一次清洗前均有清洗準備工作，如圖3所示。

圖3 清洗準備子程序

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本清洗過程屬典型的時間順序控制，開關(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。閥門采用帶閥位開關(guān)的電磁閥或氣動閥，可實現(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18個輸入，14個輸出，為兼顧一定的裕量，選擇具有24個輸入24個輸出的FX3U-48MR/ES-A PLC；系統(tǒng)的溫度信號1路，模擬量信號3路，因此選擇具有2個通道的FX2N-2AD-PT擴展模塊采集1路溫度信號，具有4個模擬量輸入通道的FX2N-4AD擴展模塊采集1路液位、2路流量信號；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)線中不僅要實現(xiàn)對本套CIP清洗系統(tǒng)進行監(jiān)控，還要對其他多套生產(chǎn)系統(tǒng)進行集中監(jiān)控，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)與清洗數(shù)據(jù)集中處理，實現(xiàn)整個車間的自動化。因此，設(shè)計了如圖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

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括下位機軟件設(shè)計和上位機軟件設(shè)計。下位機軟件主要實現(xiàn)清洗過程控制；上位機主要完成系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理。

3.1 下位機軟件設(shè)計

下位機軟件設(shè)計包括PLC程序的設(shè)計和人機界面的設(shè)計。

系統(tǒng)可實現(xiàn)手動控制、半自動控制和全自動控制3種模式。手動模式用于設(shè)備檢修等情況，相關(guān)設(shè)備的啟?？赏ㄟ^點擊設(shè)備運行狀態(tài)的按鈕來控制；半自動模式是由現(xiàn)場操作人員手動輸入清洗參數(shù)，并確認生產(chǎn)；全自動模式下，操作員可通過在現(xiàn)場控制面板輸入配方編號調(diào)用存儲于上位機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)實現(xiàn)自動生產(chǎn)。

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

在自動清洗過程中，溫度是一個關(guān)鍵的控制對象，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)字量輸出點實現(xiàn)對溫度的自動控制。在保證控制精度達到0.1 ℃的同時，也節(jié)約了蒸汽的消耗量。

人機界面安裝于生產(chǎn)車間，作為工人操控現(xiàn)場設(shè)備的接口，要具備直觀、靈活、操作簡單等特點。由CIP運行畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、報警畫面、趨勢圖畫面、數(shù)據(jù)記錄畫面、用戶信息畫面等組成。具有清洗狀態(tài)監(jiān)視、清洗操作、參數(shù)設(shè)定、故障報警、工藝歷史數(shù)據(jù)記錄與查詢、權(quán)限管理等功能。畫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 上位機軟件設(shè)計

系統(tǒng)主畫面是所有畫面的核心，主要是對清洗過程的模擬顯示。根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的布局并參考清洗工藝設(shè)計了如圖5所示的清洗過程界面。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、配方編號顯示框通過與數(shù)據(jù)詞典中的相應(yīng)變量關(guān)聯(lián)，顯示實時數(shù)據(jù)。為了方便監(jiān)視畫面中各個泵和閥門的狀態(tài)，以顏色和動畫進行區(qū)分(藍色代表啟動，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，點擊相應(yīng)按鈕即可進入相關(guān)操作界面。

圖5 CIP清洗系統(tǒng)運行主界面

3.3 上位機與下位機的通訊

在上位機與多臺PLC的通信連接方式的選擇上，現(xiàn)場總線或以太網(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PLC進行連接，對今后系統(tǒng)的擴充產(chǎn)生了限制，因此采用可擴展256臺下位機的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中進行與PLC的連接設(shè)置：

(1)將PLC的CH2擴展出的RS-485端口與工控機的串口建立物理連接。

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

(3)在設(shè)備下配置組對象。組對象用來包容標簽項。

(4)在組對象下配置標簽項。將各個標簽項與定義在PLC中的過程變量的地址進行關(guān)聯(lián)。

配置完成后點擊運行按鈕啟動服務(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)器的標簽項進行連接；

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

圖6 組態(tài)王與PLC通過OPC協(xié)議通訊成功畫面

4 配方功能的實現(xiàn)

在設(shè)備清洗過程中，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)場操作人員快速準確設(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)計如圖7所示的配方模板并存儲與工程文件夾內(nèi)。一個配方模板內(nèi)可最多創(chuàng)建256個配方，關(guān)聯(lián)999個變量[9]，可滿足本工程對配方容量的要求。

圖7 配方模板文件

圖8 CIP清洗配方畫面

4.2 配方畫面、配方腳本

采用組態(tài)軟件自帶的配方函數(shù)編寫配方腳本，從而實現(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。點擊圖8的“選擇配方”按鈕，彈出“請選擇配方名稱”對話框，選擇所需清洗設(shè)備的配方名并確認即可。

string filename; %定義字符串形式的臨時變量，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行連接后賦值到filename變量中

RecipeSelectRecipe( filename, 配方編號, “請選擇配方” );%選擇配方模板文件中某一配方的名稱，配方編號為預(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。當需要修改或增加配方，點擊“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”。點擊保存配方按鈕彈出“保存配方畫面”，確認即可。

ShowPicture(“保存配方”)%切換到保存配方畫面

string filename;

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

RecipeSave(filename, 配方編號);%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)閉畫面

(3)下載配方。點擊“下載配方”按鈕，可將畫面顯示的當前配方輸入到相應(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);%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。點擊“刪除配方”按鈕，在彈出刪除確認畫面中點擊確認即可刪除當前配方。

ShowPicture(“刪除當前配方”)%切換到刪除配方畫面

string filename;

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

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

ClosePicture(“刪除當前配方”);%確認刪除配方關(guān)閉畫面

(5)上一配方。點擊“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);%在配方模板中選擇當前配方的前一個配方

(6)下一配方。點擊“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); %在配方模板中選擇當前配方的下一個配方

5 結(jié)論

根據(jù)化妝品生產(chǎn)線設(shè)備對CIP清洗系統(tǒng)的要求，采用OPC協(xié)議建立了上位機與下位機的通訊機制[10]，借助配方功能及下位機的自動檢測與邏輯控制功能實現(xiàn)了全自動清洗監(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)線的自動化程度，降低了操作員的工作強度。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.臺達PLC在乳化機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.可編程控制器與工廠自動化，2012(6)：49-51.

[2] 中華人民共和國衛(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.中國乳品工業(yè)，2014，42(1):62-64.

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

[5] 初航，史進波.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接口實現(xiàn)SCADA系統(tǒng)與PLC之間的通訊.青島科技大學(xué)學(xué)報(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，鄧繼娜.基于組態(tài)軟件的飛機氣動附件自動測試系統(tǒng).測控技術(shù)，2013，32(7) :110-113.

[9] 穆亞輝.組態(tài)王軟件實用技術(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)冷電機數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(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

國家自然科學(xué)基金資助項目(61273131)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目，江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(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，研究方向為工業(yè)過程的優(yōu)化、建模與控制。E-mail:zxs@jiangnan.edu.cn 楊丹丹(1989—)，碩士研究生，研究方向為工業(yè)過程優(yōu)化控制。