趙群1、劉彤軍1、畢鑫2（1黑龍江省自動化系統工程公司， 150090，2哈爾濱海威電子工程有限公司，150090）
摘要： 本工程應用于某國際知名乳品公司干燥塔擴建項目，濕區部分自動化設計及功能實現。該項目采用目前較為先進的自動化控制技術，充分發揮羅克韋爾自動化公司自動化技術的特點，利用其三級網絡，實現準確、穩定的控制。
關鍵詞： 三級網絡 自動控制 無擾切換
一、引言
為了在激烈的乳品市場競爭中占據領先地位，某乳品制造公司決定對其現有運行的設備進行擴建和改造。此次自動化系統改造的工作包括：擴建兩條原奶收奶生產線系統，改造和增加標準化車間的輸奶工藝管線，增加兩臺凈乳機（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制技術，又要充分利用現在使用的PLC-5可編程序控制器，同時又不能影響生產的正常進行，實現無擾切換。
根據國內、外同類系統的結構和設計經驗及實際的工藝控制要求，控制系統采用美國羅克韋爾自動化公司ControlLogix5550 DCS系統。包括槽車收奶—凈乳和分離—成品奶傳送配制—服務系統（制冷和CIP）工藝參數的檢測、設置、指示報警和調節控制功能均由系統完成。系統采用羅克韋爾自動化的三級網絡，信息層采用以太網（EtherNet）實現系統數據交換；中間為控制層（ControlNet、DH+）負責系統通訊；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、過程控制計算機組成
本系統由4套ControlLogix和2套PLC5、2個計算機操作站和1個工程師站和一臺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）、凈乳和分離及各種奶產品在濕區原料罐的配比等控制，標準化生產管線和中轉存貯罐（CIP HOT ，CIP COLD）的清洗，為干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臺PLC控制站上進行軟件編程、組態、下載和在線調試。
操作員站通過EtherNet網絡與PLC系統通訊，實現對生產過程的監控功能。由于兩個操作員站連接在EtherNet，可以實現分工控制并且在故障發生時，另一臺可代其操作。
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后，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。
系統功能：整個系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制。其中包括：收奶、凈乳、標準化和CIP清洗。程序設計采用順序控制技術，程序嚴格按工藝設計的步驟執行，并實時檢測每個閥門和泵的狀態，如有故障發生，程序會產生報警信號，同時連鎖相關的閥門和泵動作，保證系統的安全運行。
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，鮮奶經過冷換器后，儲存在鮮奶罐中。
2．2 凈乳機PLC
根據不同的產品要求，對原奶進行凈乳、分離和滅菌控制，作為標準化生產的原料。凈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。凈乳機PLC完成四臺凈乳機（分離機）的工藝控制，在這五種狀態下，包括進料和出料閥門的控制，排渣時間設置和控制輸出及平衡罐的調節控制。
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。并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制。主要控制5條收奶線運奶槽車的清洗，罐自動補液控制及液位檢測告警。對閥和的泵的狀態進行實時的故障檢測，并根據故障的類型，在CIP過程中采取對閥和泵不同的控制操作。
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、循環水罐，這四個罐作為五組組合管線的清洗動力源泉，但需要清洗的管線數比較多。根據標準化傳輸和收奶管線的不同，每組又由多條管線不同組合而成，由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、控制系統的特點
3.1 ControlNet
ControlNet網絡是新一代自動化控制網絡，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子系統之間實現高速的，可冗余的通訊方式，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，使控制模塊最可能接近現場檢測元件，減少檢測、控制信號的衰減、干擾，同時節約電纜，便于維護。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）使各操作站的歷史、實時數據和文件集中管理，便于生產調度。可進一步實現一體化
3.3 DH+
是一種局域網，用于支持工廠應用工程的遠程編程，也可以通過DH+在可編程序控制器、計算機、人機界面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。可用于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，它用于連接簡單的、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 ，控制現場閥箱和變頻器。
從DeviceNet到DH+、ControlNet再到EtherNet改造后的自動化系統具備清晰的結構和功能分級，提高了通訊速度。濕區的控制數據和信息都通過三級網絡及各級網絡接口集成，并傳送到各級管理和生產部門。
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；在控制層，系統實現實時I/O控制、聯鎖和狀態傳送，從而保證了控制數據和信息的實時性和穩定性；在信息層，將控制數據通過網關，連接至企業的信息系統。
4．1 人機交互界面
乳品生產的特點是設備較多，控制距離遠，電磁環境較差，因此對控制設備的聯接通訊和操作員界面要求苛刻。本次改造中標準化控制中心調度監控系統的改造采用InTouch7。1監控軟件與ControlNet 通訊模式，實時監控的系統，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，提供友好的人機界面和方便的操作方式。畫面包括：凈乳機、各CIP站、收奶、標準化流程畫面、操作畫面、調節畫面、趨勢畫面、報警畫面、分組畫面、報表畫面。
4．2 通訊網絡
由于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/IP通訊協議，它們能將控制系統與信息管理系統集成起來，通過以太網網絡，用于監視可編程序控制器內存儲的各種數據，這樣的數據用于數據采集、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，便于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，只有A、B、C、D四組主干管線，此次擴為五組，每組線組合方式與原來也不同，并且每組的所包含的分支組合也有所增加，給擴建控制站投入帶來很大困難。
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、其他控制器之間的通訊，在此PLC上進行程序邏輯控制，將程序輸出的自動控制位上臨時屏蔽，通過網絡通訊，軟件用 MSG指令進行通訊，將自動控制位傳輸到原來的PLC站上，而此PLC只執行輸出動作，沒有邏輯控制，只相當于一個“I/O”設備，實現I/O轉換；隨著工藝管線增加，程序的I/O控制點逐步與實際新的I/O相對應，原有PLC的功能被新的PLC代替，實現邏輯切換。完成無擾切換后，將舊的PLC的程序部分修改，改造成為CIP HOT STATION控制站，實現新控制站投入。
五、結束語
經過本次擴建和改造，整個濕區的自動化控制系統實現較為全方位自動化，數據集中監控和管理的信息化。此自動化系統改造的成功使它成為亞洲乃至世界上的現代化乳品企業。同時，增強了企業的市場競爭能力，并在世界乳品市場的激烈競爭中獲得成功。
參考文獻：
[1] 可編程序控制器系統. 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。
