S88標準在冰淇淋工廠的應用

概要：冰淇淋這一快速消費品行業在手動工廠飽受衛生問題困擾的壓力下，自動化改造的需求越來越迫切。其工程項目的時間以及安全要求并重。文章中簡要論述了冰淇淋工廠的自動化程序使用S88這一標準后帶來的編程時間短，安全可靠。

關鍵詞：S88標準；冰淇淋；自動化

1.國內冰淇淋工廠對于自動化提出的要求

冰淇淋工廠的生產要求，對于以上三種流程來說。顯然是批次流程。工廠要根據市場的導向，來排布自己的生產計劃。按批次實行生產。

對于冰淇淋工廠來說其不同于其他快速消費品（乳品，飲料）的生產，其具有本身的特殊性：

季節性強，一般對于在國內的冰淇淋廠從2，3月開始生產，到5月全產能生產，再到8，9月進入小規模生產，最后到10月左右淡季放假。第二年2，3月再開始。

生產品項多，國內消費者對于冰淇淋的消費偏好新奇的品種。導致市場上的冰淇淋品種眾多。

作為食品，目前越來越多的食品安全問題事件。迫使全社會對于食品安全問題的重視程度越來越高。對于新投建或是改建的食品生產線，食品安全的考量是重中之重。

對于冰淇淋廠中的自動化程序提出編程時間短，運行可靠性強。為此我們需要一個可靠的程序結構來保證短時間內編制出可靠性強，且符合冰淇淋工廠的生產需求。如此的生產要求正是符合批次流程的要求。批次處理的特點之一就是用同一種設備可以生產出不同的最終產品。這就對生產設備提出了柔性度很高的要求了。而S88標準正是為了批處理提供了柔性的方法。

2.什么是S88標準

S88系統的特點可歸結為以下幾點：

2.1.在一條生產線上可以生產多種配方的產品

2.2.配方上的修改和添加只需要在計算機上由工藝工程師來修改

2.3.配方和工藝設備相分離，修改配方不需要再請軟件工程師來修改

2.4.有助于追蹤產品和過程數據的記錄

2.5.指導如何從異常事件中恢復正常

2.6.提高了產品的一致性

2.7.提高生產效率和過程質量

2.8.減少了操作費用

2.9.設計理念使項目容易通過審核與驗收

2.10.縮短了產品進入市場的時間

2.11.模塊化使得全球范圍內的推廣變得更容易，擴大了投資收益

S88對制造過程和產品需求提供了一個更清晰的定義，使用通用的術語和制造模型簡化了消費者，供應商和集成商之間的溝通

S88的標準中定義了工藝模型，物理模型和程序模型。這三個模型的結構在此不再詳述。重要的是我們需要理清楚這3個模型之間的關系。如何利用這三個模型去完全滿足工藝的需求。

通過上圖可以清晰的看到在工藝層面上，各工藝單元與程序結合就得到了完整的工藝。工藝階段層面上，具體某個單元與單元程序結合就得到具體的某一個工藝階段。工藝操作為在具體某一個單元上的操作。工藝動作則可以分為具體單元或是設備上的具體的某一個階段。

世界各大自動化系統供應商也都提供了相應的S88的應用產品。Rockwell的PhaseManager，西門子的SIMATIC BATCH等等。下面我們介紹是如果通過自己的編寫子程序塊，達到同樣實現S88標準的控制模式。

3.S88標準在實際工程中的應用

列舉冰淇淋生產工藝中最重要的老化工藝如何通過S88的結構來實現編程。冰淇淋的老化是在冰淇淋漿料通過殺菌工藝，進入老化罐后在2-4℃存放一定的時間。根據工藝的要求時間不同，不同的冰淇淋漿料的老化時間也不同。期間冰淇淋的漿料會發生乳蛋白質的水合作用；穩定劑的完全水合作用；液體脂肪的結晶作用；蛋白質的解析作用。處在老化罐中的冰淇淋漿料需要低速的間隙攪拌并由冰水夾套提供一個恒定的老化溫度。在此期間，老化罐的人孔不可打開，不可進料，不可出料。

這里以西門子S7系統為例。可以對于具體的某一個老化罐的老化工藝建立一個FB。

從上圖可以方便看出我們需要建立標準的老化工藝功能塊。其中主要分階段邏輯和控制邏輯兩部分

階段邏輯的目的是明晰在執行老化工藝的各個步驟間的執行順序以及跳轉條件。從接受到啟動指令，給老化罐夾套通冰水。冰淇淋漿料進入后啟動攪拌。并啟動人孔鎖，將老化罐鎖住。在罐內溫度傳感器測量溫度達到工藝參數要求后，開始計時。當計時達到工藝參數要求時，自動完成老化這個工藝階段。要強調的是，一個工藝階段會涉及到多個控制對象，攪拌電機、閥門以及各傳感器。同時同一個控制對象也會在不同的工藝階段中被調用。完全不用擔心控制對象的重復調用。

控制邏輯則是明晰在工藝的各個狀態下限制外部因素對該工藝的干擾，以及發生互鎖不讓該工藝階段啟動；或是發生運行錯誤時及時中斷該工藝階段。例如說該老化罐正在填充冰淇淋漿料，則不能進行老化工藝。又例如老化工藝進行中攪拌電機報警，驅使老化工藝進入暫停狀態。

對于該老化罐的程序來說就只要考慮這個老化罐的互鎖，運行錯誤的條件，并且多重背景調用標準的老化工藝階段邏輯的功能塊以及控制邏輯的功能塊就可以了。這樣在寫程序的時候，大量的程序都可以通過西門子的source文件來生成了。大大縮短程序編寫的時間。并且在考慮互鎖及運行錯誤的條件時，僅考慮這一個老化罐在老化工藝的條件就可以了。通過單元及工藝階段的劃分，使得互鎖和運行錯誤的條件的范圍縮小到很小的范圍內，不容易遺漏。大大提高程序的可靠性。

不僅如此，程序結構上工藝參數部分可以由外部系統寫入。就為MES系統提供了一個接口。老化的工藝參數，例如攪拌速度，老化的時間，老化的溫度都可以根據MES系統輸出的工藝要求來執行。實現上層的ERP系統的大訂單，到MES的小批次信息，再到S88的配方管理。形成一套完整的自動生產體系，從而滿足現今冰淇淋生產客戶的需求。

對于一個中等規模的冰淇淋廠來說，產能250噸/天。老化罐數量36個。一個自動原地清洗站。兩套混料系統，兩套殺菌系統。硬線IO點數在3千點的項目。應用S88的系統結構后，編程的時間在一個月左右。現場的運行效果很穩定。

隨著國內的生產商對于工廠的自動化要求越來越高，許多的自動化要求早就已經不再是簡單的開閥開泵。而是與上層的企業管理軟件接口，方便的監管每一個生產的批次。這就使得S88的批次標準越來越重要，勢必會在實際的使用中越來越普遍。不再是一個簡單掛在嘴邊的簡單標準。

參考文獻：

[1]《基于S88標準的批量控制的階段控制策略研究與實現》化工自動化及儀表，2010，37（9）；

[2]《Applying S88： Batch Control from a User’s Perspective》；

[3]《冰淇淋混合料的老化》內蒙古科技與經濟，2002，10；

指導老師：閻威武企業導師：冷忠民