奶粉干混生產(chǎn)過(guò)程控制及追溯系統(tǒng)研制

任婷婷，楊興旺，時(shí)獻(xiàn)江

（1.哈爾濱理工大學(xué) 機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院，哈爾濱 150080；2.秦皇島燕大源達(dá)機(jī)電科技股份有限公司，秦皇島066000）

干法或干濕法生產(chǎn)奶粉工藝過(guò)程是利用特殊的混合機(jī)械——干混機(jī)，將濕法預(yù)生產(chǎn)的乳粉基粉與微量添加成分進(jìn)行混合[1]，經(jīng)攪拌、包裝等工序制成嬰兒配方乳粉[2]。與純濕法生產(chǎn)工藝相比，干法（或干濕法）生產(chǎn)可以使產(chǎn)品的理化指標(biāo)得到合理控制、節(jié)省能耗、降低成本、縮短生產(chǎn)周期、減少微量元素的損失，可以有效保證配方奶粉的穩(wěn)定性。但是，由于是小批量混合，微量元素的添加過(guò)程若控制不當(dāng)會(huì)引起質(zhì)量事故，且不易追溯。因此需要建立一套完善的質(zhì)量控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)其加工過(guò)程中的工序和質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。本文在干混輸送PLC控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，配備條碼掃描器、觸摸屏計(jì)算機(jī)等設(shè)備，利用在制造業(yè)應(yīng)用相對(duì)較成熟的MES系統(tǒng)，以配方（BOM）控制與管理為核心，實(shí)現(xiàn)了從殺菌、干混、輸送、儲(chǔ)存及包裝過(guò)程的MES子系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)具有全廠MES系統(tǒng)接口，已在國(guó)內(nèi)某大型乳品企業(yè)應(yīng)用，取得了較好的效果。

1 奶粉干混生產(chǎn)線工藝流程

奶粉干混生產(chǎn)線如圖1所示，主要包括小料（微量元素等添加成分）入庫(kù)及分裝、小料預(yù)混、產(chǎn)品干混、粉倉(cāng)緩沖和包裝環(huán)節(jié)四大部分。小料預(yù)混是為了提高干混效率進(jìn)行的一次預(yù)放大操作，來(lái)自立體庫(kù)的25 kg大包基粉，經(jīng)殺菌機(jī)殺菌后，在小料干混投料站和經(jīng)過(guò)預(yù)先分裝后（圖1中的小料入庫(kù)與分裝工位）的小料依次投入振動(dòng)篩，然后由負(fù)壓氣力供粉系統(tǒng)提升至小料干混機(jī)，干混后包裝成預(yù)混料；預(yù)混料與另一路殺菌機(jī)進(jìn)來(lái)基粉混合后，依品種或批次送至各個(gè)粉倉(cāng)，然后由包裝機(jī)完成最后的包裝過(guò)程。

圖1 奶粉干混生產(chǎn)線流程Fig.1 Process of dry mixed powder production line

為了提高生產(chǎn)率，小料入庫(kù)與分裝，以及小料預(yù)混都是預(yù)先完成的，而干混和輸送過(guò)程則都是在密閉空間中全自動(dòng)化的。為了適應(yīng)小批量生產(chǎn)的需要，干混系統(tǒng)的粉倉(cāng)容量較小，且所有的原料都要人工投放到各個(gè)投料點(diǎn)的振動(dòng)篩中，投料工作量大，且連貫性要求高，工人在投料過(guò)程中易出差錯(cuò)，因此，迫切需要一種糾錯(cuò)及防錯(cuò)措施，為此，參照制造業(yè)流行的MES系統(tǒng)，研制了僅限于奶粉干混系統(tǒng)的小型干混MES系統(tǒng)。

2 奶粉干混生產(chǎn)線MES系統(tǒng)構(gòu)成

與一般的PLC控制系統(tǒng)不同，設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮MES信息的輸入及輸出設(shè)備，在易出現(xiàn)差錯(cuò)或關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)處，配備PLC、觸摸屏計(jì)算機(jī)和條碼掃描器等；對(duì)于有條碼打印要求的環(huán)節(jié)，如預(yù)混包裝和小料入庫(kù)及分裝環(huán)節(jié)，配備條碼打印機(jī)，同時(shí)配備電子秤進(jìn)行稱重計(jì)量[4]。針對(duì)奶粉干混生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的MES系統(tǒng)配置如圖2所示。

圖2 奶粉干混生產(chǎn)線MES系統(tǒng)配置Fig.2 MES system configuration of dry powder mixed production line

中控室安置2臺(tái)主機(jī)，一臺(tái)負(fù)責(zé)PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)；一臺(tái)運(yùn)行MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)及MES主程序，其中自動(dòng)控制上位軟件采用WinCC 7.0組態(tài)軟件。2臺(tái)主機(jī)均與主PLC（西門(mén)子S7-300）采用以太網(wǎng)連接，后者采用OPC通訊方式連接。

各個(gè)子站由無(wú)風(fēng)扇嵌入式觸摸屏計(jì)算機(jī)+S7-200 PLC構(gòu)成，以適應(yīng)清潔生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的要求。MES主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)連接各個(gè)子站觸屏計(jì)算機(jī)，子站計(jì)算機(jī)除完成條碼掃描、打印等MES功能之外，還通過(guò)串口和就地PLC進(jìn)行常規(guī)控制信息交換[5]。

3 奶粉干混MES系統(tǒng)控制流程

3.1 小料入庫(kù)與分裝

多數(shù)小料包裝重量不符合配方要求，需要預(yù)先按配方要求分裝適合的小包裝，這一步稱為小料入庫(kù)與分裝。入庫(kù)前需要掃描或輸入小料原料的條碼、批次等數(shù)據(jù)進(jìn)入原料數(shù)據(jù)庫(kù)，并產(chǎn)生新的帶有序列號(hào)的新條碼。然后，以此條碼進(jìn)行稱重分裝，分裝時(shí)根據(jù)配方要求確定一次分裝重量，重量達(dá)到后按電子秤的打印按鈕，打印記有原料信息和重量信息的條碼，貼到新小料包裝袋上以備小料預(yù)混使用。

3.2 小料預(yù)混

將2袋基粉條碼掃描后投入2#殺菌機(jī)，殺菌完成后掃描條碼，投入小料投料站。根據(jù)配方要求和順序掃描小料條碼，確認(rèn)配料品種和重量符合配方要求后投入小料投料站，在全部條碼掃描正確、投料完成和輸粉過(guò)程完成后，才能夠啟動(dòng)小料干混機(jī)，進(jìn)行攪拌混合。

小料干混完成后會(huì)形成2～3袋預(yù)混料；經(jīng)電子秤秤量后，由條碼打印機(jī)打印出條碼，貼合到預(yù)混料袋上以備正式干混時(shí)使用。

3.3 干混和輸送

由于干混時(shí)基粉投入量較大，此時(shí)僅對(duì)一組中投入的基粉的第一個(gè)袋子的條形碼進(jìn)行掃描，并與配方數(shù)據(jù)庫(kù)表單進(jìn)行比較，品種和重量正確后，提示掃描OK，表示該產(chǎn)品進(jìn)入殺菌工序，當(dāng)PLC計(jì)數(shù)器達(dá)到目標(biāo)值后自動(dòng)停止殺菌機(jī)，人工確認(rèn)后，開(kāi)始下一輪投料。殺菌機(jī)出口的人工投料站，也對(duì)第一袋粉的條碼進(jìn)行掃描，掃描成功表示該組基粉已經(jīng)過(guò)殺菌工序。

從人工、PLC以及條碼3個(gè)方面保證每種投放基粉數(shù)量的準(zhǔn)確性。a）人工保存每個(gè)基粉的空袋，每次投料完成后清點(diǎn)數(shù)量；b）每隔1組投粉數(shù)量，人工貼1個(gè)條碼；c）每個(gè)投粉循環(huán)，PLC計(jì)數(shù)清零1次。

干混投料站處也配置一臺(tái)掃描槍?zhuān)藪呙铓⒕淼莱鰜?lái)的基粉外，還對(duì)配方規(guī)定的小料預(yù)混料進(jìn)行掃描，確保品種、數(shù)量和重量符合配方要求，當(dāng)所有配料投料完成后，才可以開(kāi)啟緩沖倉(cāng)的出口閥，將料投入1樓的大干混機(jī)。

干混完成后，計(jì)算機(jī)將氣力送粉目標(biāo)和起止時(shí)間記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中，至此完成干混配料和輸送過(guò)程。系統(tǒng)自動(dòng)生成相應(yīng)的條碼記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以備追溯和包裝機(jī)關(guān)聯(lián)或供廠級(jí)MES系統(tǒng)追溯使用。

3.4 包裝

包裝系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，有罐裝和袋裝2種包裝機(jī)。條碼打印時(shí)，僅條碼信息、時(shí)間，進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)，MES系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)線、時(shí)間關(guān)聯(lián)每個(gè)產(chǎn)品與原料及干混過(guò)程追溯信息。由于包裝和干混之間配備一定容量的緩沖倉(cāng)，所以在2次干混間存在一定的不確定性。

4 MES數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Windows XP操作系統(tǒng)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件選用的是Microsoft SQL Server 2000。前臺(tái)開(kāi)發(fā)工具選用Visual Basic 6.0，系統(tǒng)采用先進(jìn)的客戶/服務(wù)器（Client/Server）架構(gòu)?？蛻魴C(jī)/服務(wù)器模式具有良好的交互性、擴(kuò)展性、較快的傳輸速度等特點(diǎn)，能提高系統(tǒng)的安全性和處理能力[6]。在數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，優(yōu)化了數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)及組成，采用少字段，多表單關(guān)聯(lián)的方式，有效地解決實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)存取速度和追溯之間的矛盾。

根據(jù)奶粉干混線的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)主要含基礎(chǔ)產(chǎn)品、配方信息和產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)三大類(lèi)表單，如圖3所示。

圖3 奶粉干混生產(chǎn)線數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic diagram of database structure of dry mixed production line

基礎(chǔ)產(chǎn)品和配方信息類(lèi)包括PC代碼、操作者代碼、產(chǎn)品基本信息、產(chǎn)品生產(chǎn)順序和BOM表單等，BOM表單包括設(shè)定生產(chǎn)順序及各節(jié)點(diǎn)配方信息。成品數(shù)據(jù)表單主要存儲(chǔ)產(chǎn)品及生產(chǎn)過(guò)程信息，如生產(chǎn)順序表記錄某個(gè)產(chǎn)品 （按一次干混量區(qū)分）在生產(chǎn)線上的移動(dòng)過(guò)程，用于工序間的防錯(cuò)和追溯，配料表單記錄每次掃描的配料或基粉的條碼，用于判斷該配料是否用過(guò)，或者作為流水碼，用來(lái)判斷該工位工序是否合理。對(duì)于某個(gè)產(chǎn)品的成品數(shù)據(jù)表單族，各表單之間是通過(guò)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)形成的唯一關(guān)鍵字“產(chǎn)品ID”進(jìn)行關(guān)聯(lián)的。

5 MES生產(chǎn)過(guò)程控制的實(shí)現(xiàn)

5.1 配方控制

實(shí)現(xiàn)工序內(nèi)部的配方控制相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易，主要依靠各道工序配置的條碼掃描器來(lái)保證。每個(gè)條碼信息除了配料品種類(lèi)型等信息外，還包含重量信息，工位計(jì)算機(jī)掃描條碼信息后，與數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的BOM設(shè)定信息對(duì)比，當(dāng)品種正確、重量在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，條碼掃描才能合格[7]。

5.2 工序順序控制

工序間的控制也必須依靠條形碼。條碼系統(tǒng)對(duì)加工過(guò)程中每次新增配料進(jìn)行條碼掃描，而且至少要保證有一種配料（基粉）的條碼在兩道工序進(jìn)行掃描，以形成工序順序標(biāo)記，完成所有工序操作之后，系統(tǒng)將自動(dòng)按照該產(chǎn)品的條碼規(guī)則生成并打印總條碼，由最后的包裝工序自動(dòng)打印、包裝。配料工序內(nèi)和工序間的質(zhì)量控制流程如圖4所示。

6 結(jié)語(yǔ)

奶粉作為嬰幼兒營(yíng)養(yǎng)的重要來(lái)源，其生產(chǎn)加工過(guò)程的質(zhì)量監(jiān)控是非常重要的。在這種情況下，提出了一種由計(jì)算機(jī)、條形碼掃描儀、PLC和電子秤組成的MES控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，數(shù)據(jù)庫(kù)操作響應(yīng)快。通過(guò)本系統(tǒng)對(duì)各工位的合理選擇、組態(tài)，還可實(shí)現(xiàn)柔性化，能適合多種產(chǎn)品類(lèi)型，大大提高了奶粉生產(chǎn)企業(yè)的售后服務(wù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量追溯水平乃至整個(gè)企業(yè)的信息化管理水平，給乳制品生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)巨大的管理效益和經(jīng)濟(jì)效益。和一般制造業(yè)的MES系統(tǒng)不同，由于在配料環(huán)節(jié)和包裝環(huán)節(jié)之間存在緩沖倉(cāng)，使得包裝環(huán)節(jié)與配料環(huán)節(jié)在兩組配料之間存在一定的不確定性，這是本項(xiàng)目待解決的缺陷之一。

圖4 配料工序內(nèi)及工序間MES控制系統(tǒng)流程Fig.4 Flow chart of MES control system in batch process and between the process

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