基于物聯(lián)網(wǎng)技術的乳品生產線CIP清洗控制系統(tǒng)設計

鄧 成，王錦謨，張 萍

(1.安徽糧食工程職業(yè)學院，安徽 合肥 230011；2.安徽水利水電職業(yè)技術學院，安徽 合肥 231603)

國家市場監(jiān)管總局于2020年12月30日印發(fā)《乳品質量安全提升行動方案》，明確要求加大乳品質量安全監(jiān)管力度，確保乳品抽檢合格率達到99%以上[1]。CIP(cleaning in place, in-place cleaning)清洗系統(tǒng)作為廣泛應用于食品、藥品行業(yè)生產過程中的基礎配套設施，是產品質量安全保證的重要設備。文獻顯示，國內目前乳品廠使用的CIP清洗控制系統(tǒng)多為本地化控制，系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存在本地數(shù)據(jù)庫中，不利于監(jiān)管部門的過程性監(jiān)管，因此，有必要基于物聯(lián)網(wǎng)技術設計一種實現(xiàn)在線監(jiān)控功能的乳品生產線CIP清洗控制系統(tǒng)。

1 CIP系統(tǒng)結構及原理

CIP清洗又稱原位洗滌或者定位洗滌，國內也叫就地洗滌[2]。CIP清洗在洗滌過程中不需要拆卸原有裝置，通過控制清洗液的濃度、溫度、清洗時間、清洗時的壓力和流速等條件，即可對裝置加以清潔。配合自動控制技術，這種清潔方式降低了勞動強度，縮短停機清洗時間，提升了生產效率，因此該系統(tǒng)被廣泛運用于食品工業(yè)中的乳品、飲料、果汁及酒類的生產。

1.1 乳品加工過程污垢特性

乳品加工過程主要包括原料乳驗收、凈化、標準化、殺菌和罐裝等環(huán)節(jié)。未經處理的生鮮乳(原料乳)經過微生物檢測、感官檢測和理化指標檢測后方可進行凈化處理，原料乳中大部分雜質被濾除后還存在一定數(shù)量的微生物、白血球、紅血球等需要通過離心分離凈化處理才能去除，凈化處理后的原料奶需要冷藏運輸或保存[3]。原料奶按照乳品品質要求進行標準化處理，調整產品中各類營養(yǎng)物質的比例后進行均質處理，處理后的乳品經巴氏殺菌后即可進行冷卻和罐裝處理。乳品生產過程中的主要污垢是蛋白質、脂肪、糖和各類礦物質，其理化清潔特性見表1[4]。

表1 乳品生產過程污垢特性

1.2 乳品生產線CIP系統(tǒng)配置

CIP系統(tǒng)的結構見圖1，系統(tǒng)主要設備有用于沖洗、消毒和回收的罐體6個，換熱裝置1套，出液泵和回流泵各1臺，配套傳感器及儀表1套，配套管路1套，配套閥門1套。

圖1 CIP系統(tǒng)配置示意圖

在設備選型和施工過程中，按照使用頻率和污染程度確定罐體與清洗目標之間的排序，使用頻率越高，清洗過程污染越嚴重的設備應距離清洗目標越近，這樣可以最大程度地避免清洗過程中的交叉污染。為保證回收液體的清潔度可增加回收液過濾罐，通常在乳品生產過程中回收堿液的雜質較多，建議增加過濾罐。清洗過程中，管路中可能會有空氣進入，出液泵和回液泵不能選擇同一類型，建議出液泵選擇普通的離心泵，回液泵選擇自吸式離心泵，并且回液泵的流量稍大于出液泵。管路施工過程中，應盡量避免造成清洗死角，嚴格按照管路施工工藝規(guī)范和要求進行施工，保證沖洗液在管道中形成湍流，確保沖洗效果。管體內沖洗噴頭的選擇應按照罐體尺寸和結構進行選擇，確保沖洗過程中不形成積液，沖洗罐體表面的壓力和表面覆蓋率達到設計標準[5-8]。

2 控制系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)設計的原則是，在保證乳品生產廠家正常使用CIP系統(tǒng)的前提下，方便監(jiān)管部門對生產過程進行過程性監(jiān)管，數(shù)據(jù)具有可追溯性。

2.1 系統(tǒng)功能架構

CIP系統(tǒng)設計了3個功能模塊，分別為CIP清洗本地控制系統(tǒng)、CIP通訊數(shù)據(jù)服務器、CIP監(jiān)管終端系統(tǒng)(圖2)。CIP清洗本地控制系統(tǒng)采用經典工業(yè)控制技術進行設計實現(xiàn)，可以保證系統(tǒng)具有獨立清洗功能，不會因網(wǎng)絡原因影響正常生產。此外，本地系統(tǒng)帶有數(shù)據(jù)管理模塊，可按照監(jiān)管要求進行數(shù)據(jù)上傳和管理數(shù)據(jù)下發(fā)。CIP通訊服務器具有數(shù)據(jù)通訊服務、數(shù)據(jù)存儲、權限管理、報警管理、報表管理功能。CIP監(jiān)管終端采用B/S結構，不需要安裝專用軟件，方便用戶使用。

圖2 CIP系統(tǒng)功能架構圖

2.2 系統(tǒng)硬件選型

2.2.1 CIP本地控制器

本地控制系統(tǒng)的功能是完成CIP系統(tǒng)工作流程和監(jiān)管數(shù)據(jù)上報。考慮到乳品生產線工業(yè)環(huán)境的復雜性和系統(tǒng)運行的高穩(wěn)定性要求，主控制器選擇PLC進行控制系統(tǒng)控制，此種控制方式技術成熟，性能穩(wěn)定。

本系統(tǒng)被控對象中共有數(shù)字量輸出信號32路、模擬量輸入信號21路、模擬量輸出信號3路，具體信號功能及類型統(tǒng)計信息見表2。兼顧后期系統(tǒng)功能的擴展性，硬件設備選型時預留20%余量，控制器數(shù)字量輸出信號配置40路、模擬量輸入信號配置28路、模擬量輸出配置6路。根據(jù)信號點數(shù)和控制工藝流程要求，兼顧系統(tǒng)性價比，選擇西門子公司生產的S7-200SMART系列中的SR60(AC/DC/Relay)PLC作下位系統(tǒng)控制器。本PLC支持TCP/IP通訊和串行通訊，功能擴展方便，數(shù)據(jù)處理能力強。

表2 控制對象統(tǒng)計表

數(shù)據(jù)管理模塊和控制器之間采用TCP/IP通訊，本地配置觸摸屏，觸摸屏與主控制器之間也采用TCP/IP通訊方式，選擇深圳昆侖通態(tài)科技有限公司生產的TPC1071Gt型號觸摸屏。為提高系統(tǒng)集成度，數(shù)據(jù)管理模塊集成4G通信模組和數(shù)據(jù)交換功能，不再需要交換機和獨立通信模組，減少了系統(tǒng)故障點。綜合分析國內外數(shù)據(jù)管理模塊性能，選擇上海速控智能科技有限公司生產的SuK-BOX-4G智能數(shù)據(jù)管理終端，該終端擁有1個RS 232接口、1個RS 485接口、2個網(wǎng)絡接口，可以和主流的PLC通訊，支持直接通過4G網(wǎng)絡接入服務器。項目本地控制器硬件架構設計見圖3。

圖3 CIP本地硬件終端配置

2.2.2 數(shù)據(jù)服務器及監(jiān)管終端

服務器的選擇：(1) 考慮終端并發(fā)接入數(shù)量，包括接入的設備終端和管理終端數(shù)量之和；(2) 服務器的服務處理能力，主要是指服務器硬件配置的情況；(3) 考慮網(wǎng)絡接入的帶寬，帶寬越大支持訪問的實時性就越好；(4)服務器的操作系統(tǒng)，不同的操作系統(tǒng)對不同框架支持性能不同，如Windows系統(tǒng)對asp程序支持較好，而Linux系統(tǒng)對php程序支持較好。服務器可以是私有服務器，也可以架設專用服務器，這里建議使用阿里云服務器或騰訊云服務器，因為其服務商可提供7×24 h的服務，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。系統(tǒng)采用B/S結構，只要監(jiān)管終端可滿足目前IE瀏覽器的正常運行即可。按照300個智能終端和50個管理終端的接入功能能力計算，推薦的服務器和監(jiān)管終端的硬件配置情況見表3。

表3 硬件配置推薦表

2.3 系統(tǒng)軟件設計

2.3.1 CIP本地終端程序設計

PLC的編程軟件使用STEP7-Micro/WIN SMART V2.5，系統(tǒng)有手動與自動兩種模式，程序具體流程見圖4。本地清洗包含清水沖洗，使用清水沖洗容器表面多余的奶液和糖；堿頂水，為堿洗做準備，排掉管道和待清洗容器中的水；堿循環(huán)，通過堿液循環(huán)溶解容器表面的蛋白質和脂肪；水頂堿，排掉管道和待清洗容器中的堿液；酸頂水，排掉管道和待清洗容器中的水；酸循環(huán)，通過酸液循環(huán)溶解容器表面的礦物質；水頂酸，排掉管道和待清洗容器中的酸液；熱水頂冷水，排掉管道和待清洗容器中的冷水；熱消毒，使用熱水對管道和待清洗容器進行消毒等9個階段。自動循環(huán)過程中，按照沖洗罐中的液位、循環(huán)溫度和循環(huán)壓力進行動態(tài)調節(jié)，因熱交換器換熱能力有限，需對系統(tǒng)進行預熱處理，循環(huán)過程中熱交換器通過PID調節(jié)控制循環(huán)管路溫度[9-12]。

圖4 PLC程序流程圖

為保證清洗效果，應按照乳品生產的不同工段合理設置清洗參數(shù)，參數(shù)設置通過觸摸屏實現(xiàn)，觸摸屏運行主界面見圖5。觸摸屏除具有清洗過程圖形化顯示功能之外，還具有手動操作、故障記錄、參數(shù)設置、系統(tǒng)管理等功能。PLC與觸摸屏之間可通過交換機進行數(shù)據(jù)交換，也可直接進行數(shù)據(jù)交換，只要PLC和觸摸屏工作正常就可保證本地CIP清洗系統(tǒng)功能正常。

圖5 觸摸屏主界面

2.3.2 CIP數(shù)據(jù)模塊軟件設計

CIP數(shù)據(jù)模塊部分，軟件設計是重點環(huán)節(jié)，項目使用上海速控智能科技有限公司提供的SuKConfig V4.0.4配置軟件對數(shù)據(jù)模塊進行設計。軟件設計包含3點：(1) 重點監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集與下發(fā)設計，根據(jù)監(jiān)管需要對系統(tǒng)中的重點數(shù)據(jù)進行傳輸配置，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定；(2) SuK-BOX-4G智能數(shù)據(jù)管理終端配置設計，根據(jù)系統(tǒng)連接方式對連接信息進行配置；(3) 安全報警與終端防拆卸設計，可根據(jù)監(jiān)管要求對系統(tǒng)報警信息和終端模塊防拆卸功能進行配置，通過軟件配置確保硬件運行的穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)模塊的軟件設計見圖6。

圖6 數(shù)據(jù)模塊軟件設計

2.3.3 CIP管理后臺軟件設計

CIP管理后臺的設計使用上海速控智能科技有限公司提供的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺進行二次開發(fā)，此平臺支持云端部署與私有部署，用戶可根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和安全要求進行配置，平臺配置靈活方便，安全性高。

管理后臺軟件設計包括以下3方面：(1) 監(jiān)管界面設計。監(jiān)管界面設計采用組態(tài)技術進行開發(fā)，只需要對數(shù)據(jù)終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行組態(tài)配置即可實現(xiàn)生產過程的圖形化監(jiān)控。(2) 權限管理設計。系統(tǒng)采用用戶角色授予操作權限的方式進行權限管理，系統(tǒng)設置管理員、工程師、操作員、訪客4類權限，操作權限依次遞減。(3) 報表與報警功能設計。報表及報警功能是監(jiān)管系統(tǒng)重要的基礎功能，報表可為監(jiān)管提供決策的基礎數(shù)據(jù)，報警可通過系統(tǒng)自動完成異常信息的推送，減輕監(jiān)管人員的工作強度。監(jiān)管后臺的運行界面見圖7。

圖7 CIP管理后臺界面

3 功能測試

第1步，通過STEP7-Micro/WIN SMART V2.5軟件把清洗控制程序下載至PLC中，將PLC置于運行模式，等待觸摸屏和數(shù)據(jù)傳輸模塊連接。第2步，通過McgsPro 3.3.1.4軟件將組態(tài)配置好的CIP終端觸摸屏程序下載至觸摸屏，運行觸摸屏連接PLC控制器。第3步，通過SuKConfig V4.0.4軟件將數(shù)據(jù)模塊項目下載至硬件數(shù)據(jù)模塊，重啟終端后自動通過4G數(shù)據(jù)網(wǎng)絡建立清洗終端和服務器之間的通訊連接。第4步，通過Windows系統(tǒng)的PING功能對服務器連通情況進行測試，檢查服務器服務是否正常。第5步，通過瀏覽器打開監(jiān)管客戶端進行軟件測試，具體測試結果見表4。

表4 功能測試情況表

4 結 論

本系統(tǒng)基于主流物聯(lián)網(wǎng)技術和工業(yè)控制技術設計實現(xiàn)，能夠滿足乳品生產不同工段的清洗要求，清洗效果好。系統(tǒng)采用4G通訊技術，數(shù)據(jù)吞吐量大，傳輸穩(wěn)定，國家乳品質量安全監(jiān)管部門對企業(yè)的清洗過程可進行監(jiān)管，對提升產品品質具有重要的現(xiàn)實意義。此外，系統(tǒng)的觸摸屏、數(shù)據(jù)模塊、后臺服務部分的軟件設計都采用了組態(tài)技術，具有開發(fā)周期短、效率高、成本低的優(yōu)勢，有明顯的經濟效益和社會效益，該設計方法對于同類系統(tǒng)設計具有參考價值。