WinAC 在果蔬饮品调配系统中的应用

一、前言
　　果蔬饮品是以果汁、蔬菜汁为原料，经过调配加工，制成各种口味的饮料。随着生活的提高，人们对饮料的要求（包括营养、美味和健康等方面的要求）也越来越高。因此，越来月的越多的手工调配罐被全自动的机械调配装置所替代。为了提高生产效率，降低生产成本，适应市场的需求，对调配设备的自动化要求也越来越高。本文介绍一个以软PLC 为主站、S7-200 系列的PLC 为从站的全自动果蔬饮品控制系统，是西门子WinAC（视窗自动化中心）和Profibus-DP（分散外围设备的过程现场总线）在食品饮料加工设备领域中的应用。

二、系统简介

　　1、控制对象

　　该系统由三部分组成：调配系统、原料系统和CIP 清洗系统。
　　（1）调配系统：为饮料成品的调配系统，共有三组组成，即1#调配系统、2#调配系统、3#调配系统。三组调配系统具有同样的配置和功能。对于每组调配系统，都由两个辅料罐、两个调配罐和各种进出物料管道及清洗管道组成。主要控制对象在辅料罐上有二个进水阀、二个辅料出口阀、一个辅料水泵和二个清洗回流阀。在调配罐上有四个进料阀（分别为进果汁、糖浆、辅料和水）、二个出料阀、一个出料泵和一个清洗回流阀。主要检测点有辅料出料的流量信号、四个罐的温度及液位信号以及故障信号等。
　　（2）原料系统：为原料的调配系统。由一个热水系统、二个糖水混合罐、一个糖浆搅拌罐、一个果汁加料罐和二个果汁搅拌罐及其进出物料管道和清洗管道组成。主要控制对象有二个进水阀、一个热水调节阀、一个热水泵。在二个糖水混合罐上各有一个进水阀、一个出料泵。在糖浆搅拌罐上有一个出料阀和出料泵、一个清洗回流阀和回流泵。在果汁加料罐上有一个吸料泵、一个出料泵和一个两位三通阀。
在二个果汁搅拌罐上有各有一个进料/出料阀和出料泵，还有一个清洗回流阀。主要
检测点有流量信号、罐的温度及液位信号以及故障信号等。
　　（3）CIP 清洗系统：为调配系统中所有罐和管道的清洗和消毒系统。由碱水 罐、酸水罐、消毒水罐、浓碱储罐、浓酸储罐和两个加热器及其相关管道组成。主要控制对象在碱水罐、酸水罐和消毒水罐上各有二个出水阀和二个回流阀（对应于 两条清洗回路），还各有一个进水阀。在碱水罐和酸水罐上各有一个循环泵。在浓碱储罐和浓酸储罐上各有一个加药泵。在两条清洗管路上各有一个进水阀和出水阀，还各有一个循环泵和加热器调节阀。系统中还有三个回流泵。主要检测点有酸碱的电导率、流量信号、管路的温度信号以及故障信号等。
　　2、控制流程
　　系统有三组功能相同调配装置，可独立运行，但公用一个原料系统和CIP 清洗系统。在管路不冲突的情况下，调配和清洗可同时进行。调配进行时，系统根据配方，分别进糖浆和果汁，再进辅料和纯水，然后进行定时搅拌，需要时通过出料泵输送去罐装或包装。当某一套或二套调配装置正在进辅料、纯水或搅拌或出料时，另一套调配装置可以从原料系统进糖浆和果汁。同时，
原料系统中的二个糖水混合罐根据糖浆搅拌罐的液位情况交替工作，保证糖浆的供应。二个果汁搅拌罐也根据需要交替工作，以保证果汁的供应不间断。同时也保证了整个调配系统可以不间断地供应成品饮料。
　　清洗进行时，系统根据操作人员指示的清洗方式和清洗选择，分别或同时对调配系统的辅料罐和调配罐，原料系统的糖罐和果汁罐及其相关管道和物料管道进行清洗。清洗方式有“碱洗=>消毒水洗”、“酸洗=>消毒水洗”、“碱洗=>酸洗=>消毒水洗”和“消毒水洗”四种，清洗选择则有多达35 种，以保证每个料罐、每条管道都能根据需要清洗到位。
　　三、控制系统的构成
　　1、系统配置框图
　　控制系统由一台西门子工控机（IL40）配以CP5611 通讯卡和WinAC 软PLC为主站，以S7-200 系列的PLC 配以EM277 为从站,以西门子WinCC（视窗控制中心）为主站的人机界面，从站现场配TP27-10 触摸屏为人机界面。图1 为该系统的配置框图



系统配置设计的技术特点
　　根据果蔬饮品调配系统设备的分布和工艺情况，调配和CIP 清洗是两个独立的工艺流程，本装置的调配中共有三套设备（称1#调配系统、2#调配系统和3#调配系统），它们工艺流程相同，设备和管道阀门都一样，但它们公用一套原料加工设备（亦称公用系统）。为此控制系统采用Profibus-DP 现场总线方式，现场三套调配系统、一套CIP 清洗系统和一套原料系统的实时控制分别一套使用S7-200 系列PLC（CPU226），通过EM277 模块，作为Profibus-DP 总线上的独立从站。上位采用西门子工控机配WinAC 软PLC 作主站[1]，以WinCC 为系统总控的人机界面，而现场有一台TP27-10 彩色触摸屏可以监控三套调配系统，CIP 清洗系统和原料系统各有有一台TP27-10 彩色触摸屏可以监控，这样的配置具有以下特点：
　　１、配置成本较低
　　２、从站可以不依赖于主站独立运行
　　３、可靠性高
　　４、易维护性
　　５、通讯速度快，实时性强
　　６、扩展灵活
　　四、控制系统的主要技术环节与自动化的实现
　　总线通讯
　　PROFIBUS-DP 是主从结构的工业现场总线，其最大站点可达126 个，最大通讯速率12M。WinAC 与S7-200 从站之间的通信是通过开辟通信缓冲区进行的。在WinAC 软PLC 中，定义一块I/O 区域为与从站交换数据的缓冲区，而在S7-200PLC中，则定义V 区域为与主站交换数据的缓冲区。数据缓冲区的大小可以选择，但每个从站的数据缓冲区最大为32 个字节的输入和32 个字节的输出。
　　需交换的数据量超过可定义缓冲区的最大限制

　　系统中每个从站PLC 与主站PLC 之间有许多数据交换，而5 个从站之间的交换数据也是通过主站进行的，因此，各32 个字节的输入/输出缓冲区远远不能满足整个系统的需求。为了解决这个问题，我们对系统的通讯数据进行了研究和分类，一类是温度、液位等模拟量数据共有54 个之多，每个数据需两个字节，共需108个字节，但这类数据的实时性要求不高。另一类是泵阀的状态和驱动信号、中间位等，这类信号的实时性要求高，数量也不少，但由于是开关量，因此其所占的字节数并不多。对前一类数据，采用循环发送、定时读取刷新的方式，输入/输出缓冲区只用了4 个字节。而对于后一类字节所占不多的数据，采用数据缓冲区直接传输的
方式，以保证信号刷新的实时性。

　　WinLC 组态及编程

　　用STEP 编程软件组态软PLC 主站和EM277 从站配置，并对主机编程。该程序主要是处理主站上的人机界面WinCC 与实时控制的从站PLC 之间的数据信息交换、报警事件的处理、三个调配系统从站之间的协调运行与互锁、原料系统从站与调配系统从站之间的运行协调、CIP 清洗系统从站与另外四个从站之间的协调运行和一些数据及状态的共享等等，图2 为WinLC 主机配置组态。


图2 WinLC 主机配置组态
Fig.2 Configuration on WinLC master station

　　上位机WinCC 组态

　　用WinCC 组态软件设计友好的用户界面和监控画面，通过WinLC 主机，向Profibus-DP 上的EM277 从站(S7-200PLC)发送命令，同时读取从站PLC 的设备的运行状态、模拟量采样数据和报警信息等。根据这些实时数据，系统在屏幕上动态显示整个调配系统装置的运行情况，包括流量、罐内液位、温度、酸碱的电导和泵阀的开/关状态等。一旦发现故障报警信息，系统即显示明显的警示画面，通过WinLC主机向各从站PLC 发出停机命令，保存并记录下故障发生的时间、方位和原因等原始数据。程序还可以根据用户要求保存所需要的历史数据，定时、实时（如故障信息）或按操作键打印所需的数据和信息。图3 是用WinCC 组态软件设计的果蔬饮品调配系统的用户监控画面。


图3 用户监控界面
Fig.3 Monitoring interface

　　从站PLC 程序

　　用STEP7 Micro/WIN 软件设计从站PLC（S7-200 系列）程序。5 个从站中3个调配系统从站程序相同。由于采用Profibus-DP 总线结构，因此从站PLC 程序无须考虑与主站的通信问题，只需在已指定的输入/输出缓冲区中交换数据即可。同时，该从站PLC 还可以脱离主站而单独运行。因此从站有下列单独编程的程序：调配工作程序：该程序由辅料罐自动运行程序、调配罐自动运行程序、手动操作程序、初始化子程序、模拟量处理子程序、总线数据交换子程序和状态及故障检测程序等组成。原料系统工作程序：该程序由热水系统自动运行程序、糖浆罐自动运行程序、果汁罐自动运行程序、手动操作程序、初始化子程序、模拟量处理子程序、总线数
据交换子程序和状态及故障检测程序等组成。
　　CIP 清洗工作程序：该程序由清洗准备程序、“碱洗=>消毒水洗”程序、“酸洗=>消毒水洗”程序、“碱洗=>酸洗=>消毒水洗”程序、“消毒水洗”程序、手动操作程序、初始化子程序、模拟量处理子程序、总线数据交换子程序、状态及故障检测程序和PID 调节中断子程序等组成。

　　系统的灵活性和可靠性

　　系统的设计使从站PLC 具有较大的独立性，调配系统和CIP 清洗系统可以作为两个完全独立的系统互不依赖地运行。三个调配从站之间关系也是独立的。用户可以根据需要在总线上方便地增加或减少一个或数个调配从站，也可以将CIP 清洗系统用到其他设备的CIP 清洗中去。万一总线上主站或某个从站发生故障，其他从站 还能工作。

　　7、系统功能的扩展

　　系统可以与其他应用程序连接，也可以实现数据共享。从站数量可以扩展，从站PLC 的模块亦可以根据要求扩展。甚至还可以扩展一些新的功能：如设计配方的功能，自动生成产品的配方，实现从配料、进料到调配、出料的全自动运行。

　　五、结束语

　　该系统是根据果蔬饮品调配工艺的特点，利用WinAC 可替代硬件作为主站这一特性，使用S7-200 系列的PLC 作为从站，采用Profibus 现场总线，配以功能强大的WinCC 作人机界面。该系统技术先进、设计合理、灵活靠、性价比高，便于推广和应用。