奶粉干混生產過程控制及追溯系統研制

任婷婷，楊興旺，時獻江

（1.哈爾濱理工大學 機械動力工程學院，哈爾濱 150080；2.秦皇島燕大源達機電科技股份有限公司，秦皇島066000）

干法或干濕法生產奶粉工藝過程是利用特殊的混合機械——干混機，將濕法預生產的乳粉基粉與微量添加成分進行混合[1]，經攪拌、包裝等工序制成嬰兒配方乳粉[2]。與純濕法生產工藝相比，干法（或干濕法）生產可以使產品的理化指標得到合理控制、節省能耗、降低成本、縮短生產周期、減少微量元素的損失，可以有效保證配方奶粉的穩定性。但是，由于是小批量混合，微量元素的添加過程若控制不當會引起質量事故，且不易追溯。因此需要建立一套完善的質量控制系統來對其加工過程中的工序和質量進行監控。本文在干混輸送PLC控制系統的基礎上，配備條碼掃描器、觸摸屏計算機等設備，利用在制造業應用相對較成熟的MES系統，以配方（BOM）控制與管理為核心，實現了從殺菌、干混、輸送、儲存及包裝過程的MES子系統[3]。該系統具有全廠MES系統接口，已在國內某大型乳品企業應用，取得了較好的效果。

1 奶粉干混生產線工藝流程

奶粉干混生產線如圖1所示，主要包括小料（微量元素等添加成分）入庫及分裝、小料預混、產品干混、粉倉緩沖和包裝環節四大部分。小料預混是為了提高干混效率進行的一次預放大操作，來自立體庫的25 kg大包基粉，經殺菌機殺菌后，在小料干混投料站和經過預先分裝后（圖1中的小料入庫與分裝工位）的小料依次投入振動篩，然后由負壓氣力供粉系統提升至小料干混機，干混后包裝成預混料；預混料與另一路殺菌機進來基粉混合后，依品種或批次送至各個粉倉，然后由包裝機完成最后的包裝過程。

圖1 奶粉干混生產線流程Fig.1 Process of dry mixed powder production line

為了提高生產率，小料入庫與分裝，以及小料預混都是預先完成的，而干混和輸送過程則都是在密閉空間中全自動化的。為了適應小批量生產的需要，干混系統的粉倉容量較小，且所有的原料都要人工投放到各個投料點的振動篩中，投料工作量大，且連貫性要求高，工人在投料過程中易出差錯，因此，迫切需要一種糾錯及防錯措施，為此，參照制造業流行的MES系統，研制了僅限于奶粉干混系統的小型干混MES系統。

2 奶粉干混生產線MES系統構成

與一般的PLC控制系統不同，設計時需要充分考慮MES信息的輸入及輸出設備，在易出現差錯或關鍵控制節點處，配備PLC、觸摸屏計算機和條碼掃描器等；對于有條碼打印要求的環節，如預混包裝和小料入庫及分裝環節，配備條碼打印機，同時配備電子秤進行稱重計量[4]。針對奶粉干混生產線設計的MES系統配置如圖2所示。

圖2 奶粉干混生產線MES系統配置Fig.2 MES system configuration of dry powder mixed production line

中控室安置2臺主機，一臺負責PLC自動控制系統；一臺運行MES系統數據庫及MES主程序，其中自動控制上位軟件采用WinCC 7.0組態軟件。2臺主機均與主PLC（西門子S7-300）采用以太網連接，后者采用OPC通訊方式連接。

各個子站由無風扇嵌入式觸摸屏計算機+S7-200 PLC構成，以適應清潔生產現場的要求。MES主機通過以太網連接各個子站觸屏計算機，子站計算機除完成條碼掃描、打印等MES功能之外，還通過串口和就地PLC進行常規控制信息交換[5]。

3 奶粉干混MES系統控制流程

3.1 小料入庫與分裝

多數小料包裝重量不符合配方要求，需要預先按配方要求分裝適合的小包裝，這一步稱為小料入庫與分裝。入庫前需要掃描或輸入小料原料的條碼、批次等數據進入原料數據庫，并產生新的帶有序列號的新條碼。然后，以此條碼進行稱重分裝，分裝時根據配方要求確定一次分裝重量，重量達到后按電子秤的打印按鈕，打印記有原料信息和重量信息的條碼，貼到新小料包裝袋上以備小料預混使用。

3.2 小料預混

將2袋基粉條碼掃描后投入2#殺菌機，殺菌完成后掃描條碼，投入小料投料站。根據配方要求和順序掃描小料條碼，確認配料品種和重量符合配方要求后投入小料投料站，在全部條碼掃描正確、投料完成和輸粉過程完成后，才能夠啟動小料干混機，進行攪拌混合。

小料干混完成后會形成2～3袋預混料；經電子秤秤量后，由條碼打印機打印出條碼，貼合到預混料袋上以備正式干混時使用。

3.3 干混和輸送

由于干混時基粉投入量較大，此時僅對一組中投入的基粉的第一個袋子的條形碼進行掃描，并與配方數據庫表單進行比較，品種和重量正確后，提示掃描OK，表示該產品進入殺菌工序，當PLC計數器達到目標值后自動停止殺菌機，人工確認后，開始下一輪投料。殺菌機出口的人工投料站，也對第一袋粉的條碼進行掃描，掃描成功表示該組基粉已經過殺菌工序。

從人工、PLC以及條碼3個方面保證每種投放基粉數量的準確性。a）人工保存每個基粉的空袋，每次投料完成后清點數量；b）每隔1組投粉數量，人工貼1個條碼；c）每個投粉循環，PLC計數清零1次。

干混投料站處也配置一臺掃描槍，除了掃描殺菌隧道出來的基粉外，還對配方規定的小料預混料進行掃描，確保品種、數量和重量符合配方要求，當所有配料投料完成后，才可以開啟緩沖倉的出口閥，將料投入1樓的大干混機。

干混完成后，計算機將氣力送粉目標和起止時間記錄到數據庫中，至此完成干混配料和輸送過程。系統自動生成相應的條碼記錄到數據庫中，以備追溯和包裝機關聯或供廠級MES系統追溯使用。

3.4 包裝

包裝系統是一個相對獨立的系統，有罐裝和袋裝2種包裝機。條碼打印時，僅條碼信息、時間，進入數據庫，MES系統根據生產線、時間關聯每個產品與原料及干混過程追溯信息。由于包裝和干混之間配備一定容量的緩沖倉，所以在2次干混間存在一定的不確定性。

4 MES數據庫設計

系統開發環境采用Windows XP操作系統，后臺數據庫軟件選用的是Microsoft SQL Server 2000。前臺開發工具選用Visual Basic 6.0，系統采用先進的客戶/服務器（Client/Server）架構?？蛻魴C/服務器模式具有良好的交互性、擴展性、較快的傳輸速度等特點，能提高系統的安全性和處理能力[6]。在數據庫結構設計方面，優化了數據庫結構及組成，采用少字段，多表單關聯的方式，有效地解決實時生產數據存取速度和追溯之間的矛盾。

根據奶粉干混線的實際要求，設計的數據庫主要含基礎產品、配方信息和產品生產數據三大類表單，如圖3所示。

圖3 奶粉干混生產線數據庫結構Fig.3 Schematic diagram of database structure of dry mixed production line

基礎產品和配方信息類包括PC代碼、操作者代碼、產品基本信息、產品生產順序和BOM表單等，BOM表單包括設定生產順序及各節點配方信息。成品數據表單主要存儲產品及生產過程信息，如生產順序表記錄某個產品 （按一次干混量區分）在生產線上的移動過程，用于工序間的防錯和追溯，配料表單記錄每次掃描的配料或基粉的條碼，用于判斷該配料是否用過，或者作為流水碼，用來判斷該工位工序是否合理。對于某個產品的成品數據表單族，各表單之間是通過由計算機自動形成的唯一關鍵字“產品ID”進行關聯的。

5 MES生產過程控制的實現

5.1 配方控制

實現工序內部的配方控制相對來說比較容易，主要依靠各道工序配置的條碼掃描器來保證。每個條碼信息除了配料品種類型等信息外，還包含重量信息，工位計算機掃描條碼信息后，與數據庫內的BOM設定信息對比，當品種正確、重量在規定范圍內時，條碼掃描才能合格[7]。

5.2 工序順序控制

工序間的控制也必須依靠條形碼。條碼系統對加工過程中每次新增配料進行條碼掃描，而且至少要保證有一種配料（基粉）的條碼在兩道工序進行掃描，以形成工序順序標記，完成所有工序操作之后，系統將自動按照該產品的條碼規則生成并打印總條碼，由最后的包裝工序自動打印、包裝。配料工序內和工序間的質量控制流程如圖4所示。

6 結語

奶粉作為嬰幼兒營養的重要來源，其生產加工過程的質量監控是非常重要的。在這種情況下，提出了一種由計算機、條形碼掃描儀、PLC和電子秤組成的MES控制系統，該系統具有良好的人機界面，數據庫操作響應快。通過本系統對各工位的合理選擇、組態，還可實現柔性化，能適合多種產品類型，大大提高了奶粉生產企業的售后服務水平、產品質量追溯水平乃至整個企業的信息化管理水平，給乳制品生產企業帶來巨大的管理效益和經濟效益。和一般制造業的MES系統不同，由于在配料環節和包裝環節之間存在緩沖倉，使得包裝環節與配料環節在兩組配料之間存在一定的不確定性，這是本項目待解決的缺陷之一。

圖4 配料工序內及工序間MES控制系統流程Fig.4 Flow chart of MES control system in batch process and between the process

[1]陳輝，霍貴成.干法生產嬰兒配方乳粉[J].中國乳品工業，2002，30（5）：103-105.

[2]熊華，湯惠民，熊小青，等.仿母乳奶油粉的營養功能特性和嬰兒配方奶粉干法生產[J].中國乳品工業，2004，32（8）：15-18.

[3]喬順國.基于MES的可追溯性系統的研究與實現[D].浙江：浙江大學，2007.

[4]李方濤.安全氣囊柔性生產線條碼追溯系統研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2012.

[5]姚軍.自動化生產數據采集在MES系統中的運用[J].江西化工，2008（4）：69-72.

[6]楊斌.MES集成框架研究與開發[D].南京：南京航空航天大學，2007.

[7]楊展，孫樹棟，牛剛剛，等.條碼技術在MES信息采集系統中的應用研究[J].企業管理與信息化，2008，37（9）：1-5.