ＣＩＰ系統的ＰＬＣ控制系統設計

摘 要：介紹了乳品飲料行業全自動CIP系統的設計，控制系統由PLC控制器、觸摸屏、及各種自動化儀表構成，可以完成對設備管道清洗的自動控制、工藝參數的修改和工藝過程的監控。

關鍵詞：CIP系統；PLC；控制；觸摸屏

就地清洗（Clean In Place），簡稱CIP，是用水和清洗液對設備管道在原位進行循環沖洗，而無需拆開設備的一種清洗技術。隨著近幾年乳品飲料行業的高速發展，生產線自動化程度不斷提高，對設備的要求越來越高，相對于傳統的手動、半自動CIP系統相比，基于PLC控制的全自動CIP系統以其高效、清洗質量可靠等特點逐漸被越來越多的廠家所認識和接受，大有取代舊式手動CIP系統之勢。本文對基于PLC控制的全自動CIP系統的基本設計進行了闡述。

1 CIP系統介紹

該系統由水缸、酸缸、堿缸、平衡管、板式換熱器、清洗泵及控制系統等組成。為了簡便起見，現以單路清洗系統為例進行介紹，每個缸內都裝有浮球液位開關，用于罐體液位的在線自控；平衡管內裝有液位開關，用于控制運行過程的補充用水；回流管路上裝有濃度傳感器，用于酸堿清洗液的自動調配、在線檢測以及控制酸堿液的回收；換熱器出口及回流管路上裝有溫度傳感器用于在線檢測溫度，然后通過蒸汽調節閥V110控制清洗溫度達到設定要求；在換向板上裝有接近開關，用于防止設備被誤操作清洗。

該系統可以完成堿清洗、酸清洗、酸堿清洗、消毒四項清洗工藝。典型的酸堿清洗流程一般包括：沖水、堿循環、堿回收、沖水、酸循環、酸回收、最后沖洗。在上述自動流程中，每一步驟又有不同的時間、溫度要求，用戶可以根據自身清洗要求進行設定。其他三項清洗工藝流程也基本大同小異，只是為滿足清洗的特定要求，簡化了某些步驟。

2 控制系統硬件構成

根據系統控制要求，考慮系統先進性、可靠性以及以后擴展系統的要求，選用SIEMENS S7-300系列PLC，該系列控制器功能強大，性能穩定。硬件配置如下：（1）電源模塊：PS307/5A； （2）中央處理模塊：CPU315-2DP（可滿足以后利用PROFIBUS-DP總線遠程監控要求）；（3）數字量輸入模塊：SM321 DI 32×24V；（4）數字量輸入模塊：SM321 DI 16×24V；（5）數字量輸出模塊：SM322 DO 32×24V/0.5A；（6）模擬量輸入模塊：SM331 AI8×12BIT；（7）模擬量輸出模塊：SM332 AO 2×12BIT；（8）觸摸屏： TP270-10

3 系統軟件設計

（1）系統通訊。S7-300 PLC自帶MPI接口，MPI 允許主-主通訊，主-從通訊，無需其他通訊模板，本系統觸摸屏（HMI）與PLC之間要求相互之間有信息交流，所以采用MPI協議通訊，通訊速率為187.5kbps。

（2）PLC程序設計。采用基于WINDOWS環境的SIMATIC Manager-STEP7 V5.2+SP1編程軟件進編程。系統操作分手動、自動兩種方式。手動方式主要為了系統調試和檢修時使用，或者有自動化儀表失靈時應急使用。自動方式則根據輸入要求自動完成整個清洗過程。自動操作連聯鎖條件多，控制參數包括溫度、液位、濃度、流量等都需要根據加工順序段不斷改變，控制程序為典型的時間順序控制程序。

根據系統控制特點采用模塊化結構編程，這種編程方法結構簡單、清晰、可讀性強，便于程序編程和調試。整個CIP程序由主程序和七個子程序組成。主程序主要完成系統初始化，執行各事件中斷處理程序及根據系統功能調用子程序。對子程序的調用在各控制段調用相應的控制參數，控制子程序的運行。

子程序：①清洗液調配程序，根據輸入請求自動啟動氣動隔膜泵及相關閥門，抽取適量濃酸、濃堿配置酸堿溶液達到要求濃度；②堿清洗程序，根據堿清洗的工藝流程，結合時間、溫度、濃度、流量等參數要求，按時序控制相關電磁閥、繼電器的動作，控制系統按步驟自動運行。子程序；③完全清洗程序，根據酸堿清洗的工藝流程，結合時間、溫度、濃度、流量等參數要求，控制系統按步驟自動運行。子程序；④消毒程序，根據消毒的工藝流程，結合時間、溫度、流量等參數要求，控制系統自動運行。子程序；⑤溫度控制程序，溫度控制是系統控制的重點，對溫度的控制采用控制蒸汽調節閥開度的方法來實現，溫度信號為4-20mA的電流信號，通過A/D、D/A轉換，采用PID控制。在S7-300中集成了PID功能，通過設置PID算法的回路參數表，很容易實現過程量的閉環控制。子程序；⑥參數設定程序，對溫度、濃度、時間等參數，通過編程使其可以根據工藝的需要在觸摸屏上進行修改，使用方便靈活，PID參數同樣也可在觸摸屏上設定，以方便調試。子程序；⑦故障報警程序，對檢測到的超出設定范圍的參數，或者馬達過載、壓縮空氣低壓等異常現象，通過觸摸屏提示和閃光燈報警，對比較嚴重的報警，會暫停程序運行，直到故障排除方可繼續運行。

（3）觸摸屏畫面設計。采用 SIMATIC ProTool/Pr0 V6.0 SP2軟件進行組態，畫面由主菜單、子菜單、下一級菜單組成，各子畫面可由“主菜單”畫面切入。通過觸摸屏組態設計可以達到以下功能：系統操作、系統運行狀態監控、工藝參數適時顯示，故障報警信息及故障診斷記錄顯示、工藝參數歷史數據查詢、工藝參數設定，參數設定采用口令保護，只有持有口令的相關人員才能進入此畫面。CIP系統的控制，由于PLC和HMI的引入，其自動化程度顯著提高，系統性能更加穩定、操作更加簡單。全自動CIP清洗系統的投入使用可以降低生產過程中的清洗成本，保證清洗的徹底和安全，現已得到越

來越多乳品飲料廠家的青睞，經濟效益顯而易見。

參考文獻

［1］SIMATIC HMI Pro Tool/pro Course ST-BPROPRS SIMENS AG 2002.

［2］郭成宇.現代乳品工程技術［M］.北京：化學工業出版社，2004.