一、前言
果蔬飲品是以果汁、蔬菜汁為原料，經過調配加工，制成各種口味的飲料。隨著生活的提高，人們對飲料的要求（包括營養、美味和健康等方面的要求）也越來越高。因此，越來月的越多的手工調配罐被全自動的機械調配裝置所替代。為了提高生產效率，降低生產成本，適應市場的需求，對調配設備的自動化要求也越來越高。本文介紹一個以軟PLC 為主站、S7-200 系列的PLC 為從站的全自動果蔬飲品控制系統，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、系統簡介
1、控制對象
該系統由三部分組成：調配系統、原料系統和CIP 清洗系統。
（1）調配系統：為飲料成品的調配系統，共有三組組成，即1#調配系統、2#調配系統、3#調配系統。三組調配系統具有同樣的配置和功能。對于每組調配系統，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。主要控制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）原料系統：為原料的調配系統。由一個熱水系統、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。主要控制對象有二個進水閥、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 清洗系統：為調配系統中所有罐和管道的清洗和消毒系統。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。主要控制對象在堿水罐、酸水罐和消毒水罐上各有二個出水閥和二個回流閥（對應于 兩條清洗回路），還各有一個進水閥。在堿水罐和酸水罐上各有一個循環泵。在濃堿儲罐和濃酸儲罐上各有一個加藥泵。在兩條清洗管路上各有一個進水閥和出水閥，還各有一個循環泵和加熱器調節閥。系統中還有三個回流泵。主要檢測點有酸堿的電導率、流量信號、管路的溫度信號以及故障信號等。
2、控制流程
系統有三組功能相同調配裝置，可獨立運行，但公用一個原料系統和CIP 清洗系統。在管路不沖突的情況下，調配和清洗可同時進行。調配進行時，系統根據配方，分別進糖漿和果汁，再進輔料和純水，然后進行定時攪拌，需要時通過出料泵輸送去罐裝或包裝。當某一套或二套調配裝置正在進輔料、純水或攪拌或出料時，另一套調配裝置可以從原料系統進糖漿和果汁。同時，
原料系統中的二個糖水混合罐根據糖漿攪拌罐的液位情況交替工作，保證糖漿的供應。二個果汁攪拌罐也根據需要交替工作，以保證果汁的供應不間斷。同時也保證了整個調配系統可以不間斷地供應成品飲料。
清洗進行時，系統根據操作人員指示的清洗方式和清洗選擇，分別或同時對調配系統的輔料罐和調配罐，原料系統的糖罐和果汁罐及其相關管道和物料管道進行清洗。清洗方式有“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、控制系統的構成
1、系統配置框圖
控制系統由一臺西門子工控機（IL40）配以CP5611 通訊卡和WinAC 軟PLC為主站，以S7-200 系列的PLC 配以EM277 為從站,以西門子WinCC（視窗控制中心）為主站的人機界面，從站現場配TP27-10 觸摸屏為人機界面。圖1 為該系統的配置框圖
系統配置設計的技術特點
根據果蔬飲品調配系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#調配系統、2#調配系統和3#調配系統），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（亦稱公用系統）。為此控制系統采用Profibus-DP 現場總線方式，現場三套調配系統、一套CIP 清洗系統和一套原料系統的實時控制分別一套使用S7-200 系列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 為系統總控的人機界面，而現場有一臺TP27-10 彩色觸摸屏可以監控三套調配系統，CIP 清洗系統和原料系統各有有一臺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、從站可以不依賴于主站獨立運行
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、控制系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沖區進行的。在WinAC 軟PLC 中，定義一塊I/O 區域為與從站交換數據的緩沖區，而在S7-200PLC中，則定義V 區域為與主站交換數據的緩沖區。數據緩沖區的大小可以選擇，但每個從站的數據緩沖區最大為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沖區的最大限制
系統中每個從站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/輸出緩沖區遠遠不能滿足整個系統的需求。為了解決這個問題，我們對系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，但由于是開關量，因此其所占的字節數并不多。對前一類數據，采用循環發送、定時讀取刷新的方式，輸入/輸出緩沖區只用了4 個字節。而對于后一類字節所占不多的數據，采用數據緩沖區直接傳輸的
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，并對主機編程。該程序主要是處理主站上的人機界面WinCC 與實時控制的從站PLC 之間的數據信息交換、報警事件的處理、三個調配系統從站之間的協調運行與互鎖、原料系統從站與調配系統從站之間的運行協調、CIP 清洗系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面和監控畫面，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，系統在屏幕上動態顯示整個調配系統裝置的運行情況，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，系統即顯示明顯的警示畫面，通過WinLC主機向各從站PLC 發出停機命令，保存并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歷史數據，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系統的用戶監控畫面。
圖3 用戶監控界面
Fig.3 Monitoring interface
從站PLC 程序
用STEP7 Micro/WIN 軟件設計從站PLC（S7-200 系列）程序。5 個從站中3個調配系統從站程序相同。由于采用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，只需在已指定的輸入/輸出緩沖區中交換數據即可。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。原料系統工作程序：該程序由熱水系統自動運行程序、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。
系統的靈活性和可靠性
系統的設計使從站PLC 具有較大的獨立性，調配系統和CIP 清洗系統可以作為兩個完全獨立的系統互不依賴地運行。三個調配從站之間關系也是獨立的。用戶可以根據需要在總線上方便地增加或減少一個或數個調配從站，也可以將CIP 清洗系統用到其他設備的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、系統功能的擴展
系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
該系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 系列的PLC 作為從站，采用Profibus 現場總線，配以功能強大的WinCC 作人機界面。該系統技術先進、設計合理、靈活靠、性價比高，便于推廣和應用。
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