基于PLC及觸摸屏技術(shù)的CIP清洗控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉文芳

（天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300131）

0 引言

CIP ，是英文Clean-In-Place的縮寫，即就地清洗或稱為原位清洗, 其定義為不拆卸設(shè)備或元件,在密閉的條件下, 用一定溫度和濃度的清洗液對清洗裝置加以強(qiáng)力作用, 使與食品接觸的表面洗凈和殺菌的方法。CIP清洗設(shè)備廣泛應(yīng)用于食品加工業(yè)，尤其是奶制品、果汁、啤酒和飲料工業(yè)。在食品加工的過程中，清洗與衛(wèi)生是第一位，必須采取措施防止任何對食品的污染，因此CIP清洗設(shè)備就顯得非常重要。如今CIP 系統(tǒng)與自動控制技術(shù)相結(jié)合，對CIP清洗設(shè)備采用PLC及觸摸屏進(jìn)行控制，提高了設(shè)備的自動化程度和可靠性。使其在食品工業(yè)的領(lǐng)域得以普及應(yīng)用。

1 CIP清洗系統(tǒng)工藝流程

CIP 清洗系統(tǒng)。分有全自動和手動調(diào)整方式可供選擇。 全自動方式中分為準(zhǔn)備程序、調(diào)配程序、水清洗程序、堿清洗程序、CIP全程序。 CIP中心站除能設(shè)定各階段的清洗時(shí)間外，還能設(shè)定清洗溫度，清洗液濃度及在清洗液濃度不足時(shí)自動進(jìn)行添加的功能。能通過觸摸屏選擇適應(yīng)的運(yùn)行程序，設(shè)備采用 PLC 對 CIP 步驟進(jìn)行自動控制。同時(shí)能自動控制 CIP 的清洗液種類、清洗液濃度、清洗時(shí)間、清洗溫度清洗流量等要素。

以CIP全程序?yàn)槔悍譃榈谝宦稢IP清洗和第二路CIP清洗可分別采用兩路清洗，也可兩路同時(shí)清洗，現(xiàn)以第一路CIP清洗為例，說明其工藝流程。

按下觸摸屏上 ：(0501出料泵1、0101電磁閥一直運(yùn)行)

1）水清洗，0401電磁閥、0105電磁閥開，(水洗時(shí)間T130)；

2）堿清洗， T130時(shí)間到，0401電磁閥關(guān)，0201電磁閥開，(0105電磁閥繼續(xù)開，堿趕水)，在經(jīng)過延時(shí)時(shí)間T131后，0105電磁閥關(guān)，0204電磁閥開。(開始堿循環(huán)，堿循環(huán)時(shí)間T132)；

3）水清洗，T132時(shí)間到，0201電磁閥關(guān)，0401電磁閥電磁閥開，(0204電磁閥繼續(xù)開，水趕堿)，在經(jīng)過延時(shí)時(shí)間T133后，0204電磁閥關(guān)，0105電磁閥開(水清洗)，(水清洗時(shí)間T134)；

4）酸清洗，T134時(shí)間到，0401電磁閥關(guān)，0301電磁閥開，(0105電磁閥繼續(xù)開，酸趕水)，在經(jīng)過延時(shí)時(shí)間T135后，0105電磁閥關(guān)，0304電磁閥開，0301電磁閥電磁閥繼續(xù)開(開始酸循環(huán)，酸循環(huán)時(shí)間T136)；

5）水清洗，T136時(shí)間到，0301電磁閥關(guān)，0401電磁閥開，(0304電磁閥繼續(xù)開，水趕酸)，在經(jīng)過延時(shí)時(shí)間T137后，0304電磁閥關(guān)，0105電磁閥開(水清洗)，(水清洗時(shí)間T138)，T138到時(shí)，所有閥和泵關(guān)閉，清洗完畢。工藝流程圖如圖1所示。

2 CIP清洗系統(tǒng)控制方案

在CIP 清洗系統(tǒng)中，共有被控對象28個(gè)。其中出料泵2臺、回流泵2臺、酸堿泵各1臺（隔膜泵用壓縮空氣控制）、濃堿攪拌泵1臺、電磁閥19個(gè)，比例調(diào)節(jié)閥2個(gè)。需要輸入點(diǎn)13個(gè)。系統(tǒng)采用PLC和觸摸屏控制。PLC采用西門子S7-200 CPU226,加2個(gè)EM222輸出擴(kuò)展模塊和1個(gè)EM231熱電阻輸入模塊、1個(gè)EM232模擬量輸出模塊。觸摸屏采用西門子TP270。

圖1 CIP 清洗系統(tǒng)工藝流程圖

I/O表分配如下：

I0.0急停按鈕、I0.1堿罐高液位、I0.2堿罐低液位、I0.3酸罐高液位、I0.4酸罐低液位、 I0.5熱水罐高液位、I0.6熱水罐低液位、I0.7堿罐濃度計(jì)上限、I1.0堿罐濃度計(jì)下限、I1.1酸罐濃度計(jì)上限、I1.2酸罐濃度計(jì)下限、AIW0熱電阻1、AIW2熱電阻2。

Q0.0出料泵1（0501）、Q0.1出料泵2（0502）、Q0.2濃堿攪拌泵（0503）、Q0.3酸泵（電磁閥）0504、 Q0.4堿泵（電磁閥）0505、Q0.5（電磁閥）0101、 Q0.6（電磁閥）0102 、Q0.7（電磁閥）0103、 Q1.0（電磁閥）0104、Q1.1（電磁閥）0105 、Q1.2（電磁閥）0106、Q1.3（電磁閥）0201、 Q1.4（電磁閥）0202、Q1.5（電磁閥）0203、 Q1.6（電磁閥）0204 、Q1.7（電磁閥）0205、 Q2.0（電磁閥）0301、Q2.1（電磁閥）0302、 Q2.2（電磁閥）0303、Q2.3（電磁閥）0304、 Q2.4（電磁閥）0305、Q2.5（電磁閥）0401、 Q2.6（電磁閥）0402、Q2.7（電磁閥）0403、Q3.0運(yùn)行燈（綠色）、Q3.1報(bào)警燈（紅色）、Q3.2回流泵1、 Q3.3回流泵2、AQW0調(diào)節(jié)閥1、AQW2調(diào)節(jié)閥2。

3 CIP清洗系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

3.1 觸摸屏程序設(shè)計(jì)

觸摸屏采用組態(tài)軟件WinCC fiexbie編程，觸摸屏主菜單如圖2所示，從主菜單按下不同的按鈕，可分別進(jìn)入不同的子程序。

如按下手動調(diào)整，進(jìn)入手動調(diào)整畫面。（和工藝流程圖畫面相同）按畫面上的綠色按鈕，可接通所對應(yīng)的閥和泵，接通以后，按鈕變?yōu)榧t色，再按下紅色按鈕，斷開所對應(yīng)的閥和泵。按右下角的返回按鈕，返回主菜單。

圖2 觸摸屏主菜單

若按下準(zhǔn)備程序、調(diào)配程序、CIP全程序等按鈕，則分別進(jìn)入不同的程序。自動控制28個(gè)被控對象按照PLC程序自動運(yùn)行。觸摸屏上則顯示監(jiān)控畫面，哪個(gè)設(shè)備得電，哪個(gè)設(shè)備的綠色按鈕變成紅色。

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

在PLC程序中，主要分為2部分，一是實(shí)現(xiàn)工藝流程的順序控制功能，二是實(shí)現(xiàn)溫度控制的PID運(yùn)算功能。

PID運(yùn)算的任務(wù)就是根據(jù)反饋與給定的相對差值（給定溫度和檢測溫度差值），按照PID運(yùn)算規(guī)律計(jì)算出結(jié)果，輸出模擬量信號給到在蒸汽管道上安裝的比例閥的執(zhí)行器，以達(dá)到自動調(diào)節(jié)比例閥開啟的大小，跟隨給定溫度變化的目的。

PID控制具有在時(shí)間上連續(xù)的線性PID控制規(guī)律。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中第一項(xiàng)為比例(P)部分, 第二項(xiàng)為幾分（I）部分, 第三項(xiàng)為微分（D）部分,Kp為比例增益；Ti為積分時(shí)間；Td為微分時(shí)間。將各種PID控制算法應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)時(shí)，必須先確定控制器中各參數(shù)的具體值，如放大系數(shù)Kp，積分時(shí)間常數(shù)Ti，微分時(shí)間常數(shù)Td，以使系統(tǒng)性能 滿足一定要求。關(guān)于PID參數(shù)的工程整定方法，常用的有臨界比例度法、衰減曲線法、經(jīng)驗(yàn)試湊法等。但由于實(shí)際中很難獲得被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，所以通常PID參數(shù)的整定都采用實(shí)驗(yàn)法，調(diào)試的過程非常繁瑣。

圖3 PID調(diào)節(jié)控制面板

新版本的S7-200 PLC支持PID自整定功能，STEP7-Micro/WIN也添加了PID自整定控制面板。PID自整定的目的在于為用戶的過程控制回路提供一套最優(yōu)化的整定參數(shù)，使用這些整定值可以使系統(tǒng)達(dá)到最佳的控制效果真正優(yōu)化控制過程。根據(jù)控制過程的檢測值和用戶所選擇的響應(yīng)速度模式，PID自整定算法自動推薦增益值、積分時(shí)間和微分時(shí)間值，并可自動確定滯后值和過程變量峰值偏移。在同一時(shí)間8個(gè)PID回路可以同時(shí)進(jìn)行自整定。用戶可以使用觸摸屏的程序或PID整定控制面板啟動或取消自整定過程，以及在圖表中監(jiān)視結(jié)果。控制面板會顯示所有可能發(fā)生的錯(cuò)誤和警告信息，也允許將自整定后得到的參數(shù)應(yīng)用到實(shí)際控制中去。圖3是PID調(diào)節(jié)控制面板。

4 結(jié)論

CIP 系統(tǒng)與自動控制技術(shù)相結(jié)合，對CIP清洗設(shè)備采用PLC及觸摸屏進(jìn)行控制，提高了設(shè)備的自動化程度和可靠性。使其在食品工業(yè)的領(lǐng)域得以普及應(yīng)用。

[1] S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊.西門子(中國)有限公司自動化與驅(qū)動集團(tuán),2004.

[2] 深入淺出西門子S7-200 PLC(第3版) 西門子(中國)有限公司自動化與驅(qū)動集團(tuán),2007,7.