趙群1、劉彤軍1、畢鑫2（1黑龍江省自動(dòng)化系統(tǒng)工程公司， 150090，2哈爾濱海威電子工程有限公司，150090）
摘要： 本工程應(yīng)用于某國(guó)際知名乳品公司干燥塔擴(kuò)建項(xiàng)目，濕區(qū)部分自動(dòng)化設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)。該項(xiàng)目采用目前較為先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)，充分發(fā)揮羅克韋爾自動(dòng)化公司自動(dòng)化技術(shù)的特點(diǎn)，利用其三級(jí)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、穩(wěn)定的控制。
關(guān)鍵詞： 三級(jí)網(wǎng)絡(luò) 自動(dòng)控制 無(wú)擾切換
一、引言
為了在激烈的乳品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)領(lǐng)先地位，某乳品制造公司決定對(duì)其現(xiàn)有運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)建和改造。此次自動(dòng)化系統(tǒng)改造的工作包括：擴(kuò)建兩條原奶收奶生產(chǎn)線系統(tǒng)，改造和增加標(biāo)準(zhǔn)化車間的輸奶工藝管線，增加兩臺(tái)凈乳機(jī)（分離機(jī)），添加調(diào)配和存貯罐，以提高整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)車間的能力，相應(yīng)增加CIP清洗的線路。此次改造的基本指導(dǎo)思想：既要采用目前較為流行的自動(dòng)化控制技術(shù)，又要充分利用現(xiàn)在使用的PLC-5可編程序控制器，同時(shí)又不能影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換。
根據(jù)國(guó)內(nèi)、外同類系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際的工藝控制要求，控制系統(tǒng)采用美國(guó)羅克韋爾自動(dòng)化公司ControlLogix5550 DCS系統(tǒng)。包括槽車收奶—凈乳和分離—成品奶傳送配制—服務(wù)系統(tǒng)（制冷和CIP）工藝參數(shù)的檢測(cè)、設(shè)置、指示報(bào)警和調(diào)節(jié)控制功能均由系統(tǒng)完成。系統(tǒng)采用羅克韋爾自動(dòng)化的三級(jí)網(wǎng)絡(luò)，信息層采用以太網(wǎng)（EtherNet）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換；中間為控制層（ControlNet、DH+）負(fù)責(zé)系統(tǒng)通訊；底層是設(shè)備層，網(wǎng)絡(luò)連接就地設(shè)備，如閥箱、變頻器等。為提高生產(chǎn)效率，工藝過(guò)程優(yōu)化，降低成本，分析各種操作，安全生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。
二、過(guò)程控制計(jì)算機(jī)組成
本系統(tǒng)由4套ControlLogix和2套PLC5、2個(gè)計(jì)算機(jī)操作站和1個(gè)工程師站和一臺(tái)服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)組成。主要完成鮮奶的收儲(chǔ)、運(yùn)奶槽車的清洗（CIP TANKER）、凈乳和分離及各種奶產(chǎn)品在濕區(qū)原料罐的配比等控制，標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)管線和中轉(zhuǎn)存貯罐（CIP HOT ，CIP COLD）的清洗，為干區(qū)的奶粉生產(chǎn)作準(zhǔn)備。
工程師站可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)上任一臺(tái)PLC控制站上進(jìn)行軟件編程、組態(tài)、下載和在線調(diào)試。
操作員站通過(guò)EtherNet網(wǎng)絡(luò)與PLC系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控功能。由于兩個(gè)操作員站連接在EtherNet，可以實(shí)現(xiàn)分工控制并且在故障發(fā)生時(shí)，另一臺(tái)可代其操作。
服務(wù)器安裝RSSQL和MSSQL 軟件，可采集各個(gè)操作站數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行處理后，可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的快速大量的數(shù)據(jù)交換，以供下一步操作。
系統(tǒng)功能：整個(gè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)乳品廠濕區(qū)從收奶開始，直到奶粉原料配比結(jié)束的工藝流程控制。其中包括：收奶、凈乳、標(biāo)準(zhǔn)化和CIP清洗。程序設(shè)計(jì)采用順序控制技術(shù)，程序嚴(yán)格按工藝設(shè)計(jì)的步驟執(zhí)行，并實(shí)時(shí)檢測(cè)每個(gè)閥門和泵的狀態(tài)，如有故障發(fā)生，程序會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，同時(shí)連鎖相關(guān)的閥門和泵動(dòng)作，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
2．1 收奶PLC
對(duì)五條收奶線運(yùn)奶槽車鮮奶進(jìn)行收入計(jì)量，每條收奶管線現(xiàn)場(chǎng)均有終端顯示操作器PanelView ，通過(guò)PanelView進(jìn)行收奶每一步操作的設(shè)置，其中包括：槽車號(hào)、合同號(hào)等，通過(guò)DeviceNet網(wǎng)送到 PLC備檔，鮮奶經(jīng)過(guò)冷換器后，儲(chǔ)存在鮮奶罐中。
2．2 凈乳機(jī)PLC
根據(jù)不同的產(chǎn)品要求，對(duì)原奶進(jìn)行凈乳、分離和滅菌控制，作為標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的原料。凈乳機(jī)的工藝過(guò)程設(shè)置，主要由五個(gè)部分組成：?jiǎn)?dòng)、預(yù)熱、循環(huán)、生產(chǎn)、CIP(cleaning in place)等組成。凈乳機(jī)PLC完成四臺(tái)凈乳機(jī)（分離機(jī)）的工藝控制，在這五種狀態(tài)下，包括進(jìn)料和出料閥門的控制，排渣時(shí)間設(shè)置和控制輸出及平衡罐的調(diào)節(jié)控制。
2．3 標(biāo)準(zhǔn)化PLC
根據(jù)奶粉產(chǎn)品配方要求，在標(biāo)準(zhǔn)化車間進(jìn)行不同原料的計(jì)量配置設(shè)定，選擇管線組合進(jìn)行等量傳送。并按照工藝的要求配合CIP COLD（HOT）進(jìn)行相關(guān)管道閥門和泵的開啟，完成管線清洗。
2．4 CIP TANKER PLC
完成對(duì)送奶槽車的清洗，工藝包括清洗藥液堿罐、清水罐、循環(huán)水罐及相應(yīng)管線上閥門和電機(jī)，這三個(gè)罐作為五條管線上的槽車清洗動(dòng)力源泉。每條收奶管線現(xiàn)場(chǎng)均有PanelView，通過(guò)終端顯示操作器PanelView進(jìn)行CIP TANKER每一步操作的設(shè)置，通過(guò)DeviceNet送到 PLC，完成每一步清洗操作相關(guān)閥和泵的控制。主要控制5條收奶線運(yùn)奶槽車的清洗，罐自動(dòng)補(bǔ)液控制及液位檢測(cè)告警。對(duì)閥和的泵的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的故障檢測(cè)，并根據(jù)故障的類型，在CIP過(guò)程中采取對(duì)閥和泵不同的控制操作。
2．5 CIP COLD (HOT) STATION
鮮奶、脫脂奶罐和管線用CIP COLD進(jìn)行清洗；奶油罐和管線的清洗需要更高溫度的水和清洗劑,采用CIP HOT，工藝情況與CIP TANKER PLC基本相同，清洗藥液酸罐、堿罐、清水罐、循環(huán)水罐，這四個(gè)罐作為五組組合管線的清洗動(dòng)力源泉，但需要清洗的管線數(shù)比較多。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化傳輸和收奶管線的不同，每組又由多條管線不同組合而成，由CIP COLD (HOT) STATION與收奶PLC、標(biāo)準(zhǔn)化PLC之間進(jìn)行通訊來(lái)完成管線和罐的清洗，進(jìn)行相關(guān)管道閥門和泵的開關(guān)，PLC采用PLC5-/40、PLC5-/60。
三、控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
3.1 ControlNet
ControlNet網(wǎng)絡(luò)是新一代自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)，滿足IEC61158 國(guó)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，它提供了一種在PLC之間，PLC與MMI操作站及I/O子系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)高速的，可冗余的通訊方式，它可以支持多達(dá)99個(gè)節(jié)點(diǎn)，最大網(wǎng)絡(luò)距離20KM，它可以連接總線型、樹型、星型及混合型等不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過(guò)ControlNet可以在單一網(wǎng)絡(luò)上完成關(guān)鍵性數(shù)據(jù)傳輸、I/O更新、處理器互鎖、對(duì)等通訊等功。Producer/Consumer 通訊模式可以使不同的處理器之間，進(jìn)行信號(hào)交換，I/O數(shù)據(jù)可以同時(shí)被多個(gè)設(shè)備共享。擴(kuò)展模塊及遠(yuǎn)程I/O模塊可直接掛在ControlNet上，使控制模塊最可能接近現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件，減少檢測(cè)、控制信號(hào)的衰減、干擾，同時(shí)節(jié)約電纜，便于維護(hù)。PLC通過(guò)ControlNet連接主控設(shè)備 ControlLogix、PLC5等。
3.2 EtherNet
EtherNet網(wǎng)絡(luò)是在操作站與服務(wù)器之間通過(guò)TCP/IP組成的Windows NT網(wǎng)絡(luò)，具有數(shù)據(jù)、文件共享的能力，通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)接口（ODBC）使各操作站的歷史、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和文件集中管理，便于生產(chǎn)調(diào)度�？蛇M(jìn)一步實(shí)現(xiàn)一體化
3.3 DH+
是一種局域網(wǎng)，用于支持工廠應(yīng)用工程的遠(yuǎn)程編程，也可以通過(guò)DH+在可編程序控制器、計(jì)算機(jī)、人機(jī)界面等之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。所有的增強(qiáng)型PLC-5等都具有內(nèi)置的DH+通訊接口。DH+網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)鏈路路最多可以連接64個(gè)設(shè)備�？捎糜跐駞^(qū)連接區(qū)域內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備PanelView、PLC-5和ControlLogix PLC。
3.4 DeviceNet
DeviceNet網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)開放的、進(jìn)行低層通訊的一種連接，它用于連接簡(jiǎn)單的、工業(yè)用的設(shè)備與高級(jí)設(shè)備之間的連接。DeviceNet具有互用性、公共網(wǎng)絡(luò)、低廉的維護(hù)費(fèi)用、節(jié)省的網(wǎng)絡(luò)布線等特點(diǎn)。連接遠(yuǎn)程FLEX I/O ，控制現(xiàn)場(chǎng)閥箱和變頻器。
從DeviceNet到DH+、ControlNet再到EtherNet改造后的自動(dòng)化系統(tǒng)具備清晰的結(jié)構(gòu)和功能分級(jí)，提高了通訊速度。濕區(qū)的控制數(shù)據(jù)和信息都通過(guò)三級(jí)網(wǎng)絡(luò)及各級(jí)網(wǎng)絡(luò)接口集成，并傳送到各級(jí)管理和生產(chǎn)部門。
四、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
羅克韋爾自動(dòng)化的三層化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使改造與新增的自動(dòng)化功能構(gòu)成統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)。在設(shè)備層，采用具有DeviceNet接口的設(shè)備，降低了成本，減少布線，安裝方便；在控制層，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)I/O控制、聯(lián)鎖和狀態(tài)傳送，從而保證了控制數(shù)據(jù)和信息的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性；在信息層，將控制數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)，連接至企業(yè)的信息系統(tǒng)。
4．1 人機(jī)交互界面
乳品生產(chǎn)的特點(diǎn)是設(shè)備較多，控制距離遠(yuǎn)，電磁環(huán)境較差，因此對(duì)控制設(shè)備的聯(lián)接通訊和操作員界面要求苛刻。本次改造中標(biāo)準(zhǔn)化控制中心調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)的改造采用InTouch7。1監(jiān)控軟件與ControlNet 通訊模式，實(shí)時(shí)監(jiān)控的系統(tǒng)，具備生產(chǎn)管理功能，對(duì)濕區(qū)各主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)及輔助環(huán)節(jié)的生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、選擇、操作、傳輸、配料、清洗、顯示、打�。簧衔粰C(jī)采用DELL計(jì)算機(jī)，提供友好的人機(jī)界面和方便的操作方式。畫面包括：凈乳機(jī)、各CIP站、收奶、標(biāo)準(zhǔn)化流程畫面、操作畫面、調(diào)節(jié)畫面、趨勢(shì)畫面、報(bào)警畫面、分組畫面、報(bào)表畫面。
4．2 通訊網(wǎng)絡(luò)
由于PLC網(wǎng)絡(luò)中采用了以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因此許多PLC產(chǎn)品都支持以太網(wǎng)的TCP/IP通訊協(xié)議，它們能將控制系統(tǒng)與信息管理系統(tǒng)集成起來(lái)，通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，用于監(jiān)視可編程序控制器內(nèi)存儲(chǔ)的各種數(shù)據(jù)，這樣的數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、生產(chǎn)管理、設(shè)備維護(hù)、生產(chǎn)流程及物料配比等，同時(shí)，TCP/IP協(xié)議可以使計(jì)算機(jī)訪問(wèn)使用結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言（SQL）的開放型數(shù)據(jù)庫(kù)，便于存貯和查詢和報(bào)表形成。
4．3 無(wú)擾切換投入
鮮奶不易保存，為了不影響生產(chǎn)的正常連續(xù)進(jìn)行，我們?cè)陧?xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，采用“無(wú)擾切換投入”方式。CIP COLD PLC 在原來(lái)生產(chǎn)中，只有A、B、C、D四組主干管線，此次擴(kuò)為五組，每組線組合方式與原來(lái)也不同，并且每組的所包含的分支組合也有所增加，給擴(kuò)建控制站投入帶來(lái)很大困難。
根據(jù)其管線和工藝特點(diǎn)，我們充分利用通訊網(wǎng)絡(luò)資源。在通訊DH+網(wǎng)絡(luò)接點(diǎn)上，建立一個(gè)新的PLC-5站；用新的管線組合選擇來(lái)進(jìn)行軟件編程和上位機(jī)、其他控制器之間的通訊，在此PLC上進(jìn)行程序邏輯控制，將程序輸出的自動(dòng)控制位上臨時(shí)屏蔽，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊，軟件用 MSG指令進(jìn)行通訊，將自動(dòng)控制位傳輸?shù)皆瓉?lái)的PLC站上，而此PLC只執(zhí)行輸出動(dòng)作，沒有邏輯控制，只相當(dāng)于一個(gè)“I/O”設(shè)備，實(shí)現(xiàn)I/O轉(zhuǎn)換；隨著工藝管線增加，程序的I/O控制點(diǎn)逐步與實(shí)際新的I/O相對(duì)應(yīng)，原有PLC的功能被新的PLC代替，實(shí)現(xiàn)邏輯切換。完成無(wú)擾切換后，將舊的PLC的程序部分修改，改造成為CIP HOT STATION控制站，實(shí)現(xiàn)新控制站投入。
五、結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)本次擴(kuò)建和改造，整個(gè)濕區(qū)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為全方位自動(dòng)化，數(shù)據(jù)集中監(jiān)控和管理的信息化。此自動(dòng)化系統(tǒng)改造的成功使它成為亞洲乃至世界上的現(xiàn)代化乳品企業(yè)。同時(shí)，增強(qiáng)了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，并在世界乳品市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)中獲得成功。
參考文獻(xiàn)：
[1] 可編程序控制器系統(tǒng). 浙江大學(xué)羅克韋爾自動(dòng)化技術(shù)中心. 浙江大學(xué)出版社, 2000.3
作者簡(jiǎn)介：
趙群（1966-），男，高級(jí)工程師，主要從事過(guò)程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和研發(fā)工作�！ �
