基于PLC及觸摸屏技術的CIP清洗控制系統的設計

劉文芳

（天津機電職業技術學院，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力作用, 使與食品接觸的表面洗凈和殺菌的方法。CIP清洗設備廣泛應用于食品加工業，尤其是奶制品、果汁、啤酒和飲料工業。在食品加工的過程中，清洗與衛生是第一位，必須采取措施防止任何對食品的污染，因此CIP清洗設備就顯得非常重要。如今CIP 系統與自動控制技術相結合，對CIP清洗設備采用PLC及觸摸屏進行控制，提高了設備的自動化程度和可靠性。使其在食品工業的領域得以普及應用。

1 CIP清洗系統工藝流程

CIP 清洗系統。分有全自動和手動調整方式可供選擇。 全自動方式中分為準備程序、調配程序、水清洗程序、堿清洗程序、CIP全程序。 CIP中心站除能設定各階段的清洗時間外，還能設定清洗溫度，清洗液濃度及在清洗液濃度不足時自動進行添加的功能。能通過觸摸屏選擇適應的運行程序，設備采用 PLC 對 CIP 步驟進行自動控制。同時能自動控制 CIP 的清洗液種類、清洗液濃度、清洗時間、清洗溫度清洗流量等要素。

以CIP全程序為例：分為第一路CIP清洗和第二路CIP清洗可分別采用兩路清洗，也可兩路同時清洗，現以第一路CIP清洗為例，說明其工藝流程。

按下觸摸屏上 ：(0501出料泵1、0101電磁閥一直運行)

1）水清洗，0401電磁閥、0105電磁閥開，(水洗時間T130)；

2）堿清洗， T130時間到，0401電磁閥關，0201電磁閥開，(0105電磁閥繼續開，堿趕水)，在經過延時時間T131后，0105電磁閥關，0204電磁閥開。(開始堿循環，堿循環時間T132)；

3）水清洗，T132時間到，0201電磁閥關，0401電磁閥電磁閥開，(0204電磁閥繼續開，水趕堿)，在經過延時時間T133后，0204電磁閥關，0105電磁閥開(水清洗)，(水清洗時間T134)；

4）酸清洗，T134時間到，0401電磁閥關，0301電磁閥開，(0105電磁閥繼續開，酸趕水)，在經過延時時間T135后，0105電磁閥關，0304電磁閥開，0301電磁閥電磁閥繼續開(開始酸循環，酸循環時間T136)；

5）水清洗，T136時間到，0301電磁閥關，0401電磁閥開，(0304電磁閥繼續開，水趕酸)，在經過延時時間T137后，0304電磁閥關，0105電磁閥開(水清洗)，(水清洗時間T138)，T138到時，所有閥和泵關閉，清洗完畢。工藝流程圖如圖1所示。

2 CIP清洗系統控制方案

在CIP 清洗系統中，共有被控對象28個。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，比例調節閥2個。需要輸入點13個。系統采用PLC和觸摸屏控制。PLC采用西門子S7-200 CPU226,加2個EM222輸出擴展模塊和1個EM231熱電阻輸入模塊、1個EM232模擬量輸出模塊。觸摸屏采用西門子TP270。

圖1 CIP 清洗系統工藝流程圖

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堿罐濃度計上限、I1.0堿罐濃度計下限、I1.1酸罐濃度計上限、I1.2酸罐濃度計下限、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運行燈（綠色）、Q3.1報警燈（紅色）、Q3.2回流泵1、 Q3.3回流泵2、AQW0調節閥1、AQW2調節閥2。

3 CIP清洗系統控制軟件設計

3.1 觸摸屏程序設計

觸摸屏采用組態軟件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，可分別進入不同的子程序。

如按下手動調整，進入手動調整畫面。（和工藝流程圖畫面相同）按畫面上的綠色按鈕，可接通所對應的閥和泵，接通以后，按鈕變為紅色，再按下紅色按鈕，斷開所對應的閥和泵。按右下角的返回按鈕，返回主菜單。

圖2 觸摸屏主菜單

若按下準備程序、調配程序、CIP全程序等按鈕，則分別進入不同的程序。自動控制28個被控對象按照PLC程序自動運行。觸摸屏上則顯示監控畫面，哪個設備得電，哪個設備的綠色按鈕變成紅色。

3.2 PLC程序設計

在PLC程序中，主要分為2部分，一是實現工藝流程的順序控制功能，二是實現溫度控制的PID運算功能。

PID運算的任務就是根據反饋與給定的相對差值（給定溫度和檢測溫度差值），按照PID運算規律計算出結果，輸出模擬量信號給到在蒸汽管道上安裝的比例閥的執行器，以達到自動調節比例閥開啟的大小，跟隨給定溫度變化的目的。

PID控制具有在時間上連續的線性PID控制規律。其數學表達式為：

式中第一項為比例(P)部分, 第二項為幾分（I）部分, 第三項為微分（D）部分,Kp為比例增益；Ti為積分時間；Td為微分時間。將各種PID控制算法應用于實際系統時，必須先確定控制器中各參數的具體值，如放大系數Kp，積分時間常數Ti，微分時間常數Td，以使系統性能 滿足一定要求。關于PID參數的工程整定方法，常用的有臨界比例度法、衰減曲線法、經驗試湊法等。但由于實際中很難獲得被控對象精確的數學模型，所以通常PID參數的整定都采用實驗法，調試的過程非常繁瑣。

圖3 PID調節控制面板

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化的整定參數，使用這些整定值可以使系統達到最佳的控制效果真正優化控制過程。根據控制過程的檢測值和用戶所選擇的響應速度模式，PID自整定算法自動推薦增益值、積分時間和微分時間值，并可自動確定滯后值和過程變量峰值偏移。在同一時間8個PID回路可以同時進行自整定。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，以及在圖表中監視結果。控制面板會顯示所有可能發生的錯誤和警告信息，也允許將自整定后得到的參數應用到實際控制中去。圖3是PID調節控制面板。

4 結論

CIP 系統與自動控制技術相結合，對CIP清洗設備采用PLC及觸摸屏進行控制，提高了設備的自動化程度和可靠性。使其在食品工業的領域得以普及應用。

[1] S7-200可編程序控制器系統手冊.西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團,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動集團,2007,7.