畢業(yè)設計（論文）-基于PLC的UHT無菌機自動控制系統(tǒng)設計

PAGE題目：基于PLC的UHT無菌機自動控制系統(tǒng)設計院系：信息與控制學院專業(yè)：自動化班級學號：08303114學生姓名：指導教師：成績：年月日PAGEPAGEII摘要隨著社會的發(fā)展，無菌機技術越來越受到廣大工廠作業(yè)者喜愛。本論文為基于PLC的UHT無菌機控制系統(tǒng)程序設計，無菌機在目前工程中應用非常廣泛，結(jié)合其他行業(yè)的應用，提出了基于PLC的UHT無菌機系統(tǒng)制動控制。把無菌機工作流程分為四大部分為進料、滅菌、冷卻灌裝及CIP清洗，在本論文中應用歐姆龍PLC做程序的編寫，用PLC來控制無菌罐的滅菌至清洗，實現(xiàn)了無菌罐系統(tǒng)控制的自動化，更好的進行通過PC機來控制設備的運行。通過使用組態(tài)王來實現(xiàn)對整個工作流程的實時監(jiān)控，使的整個過程一目了然，更好的實現(xiàn)了自動化采用PLC來控制無菌罐的滅菌至清洗，實現(xiàn)了無菌罐系統(tǒng)控制的自動化，不僅對勞動生產(chǎn)率的提高，對無菌化性能穩(wěn)定、自動化程度提高、產(chǎn)量提高都具有深遠的意義，而且對無菌包裝技術的發(fā)展起到了良好的促進作用。關鍵字：可編程控制器；無菌罐；自動控制；世紀星組態(tài)軟件

AbstractWiththedevelopmentofthesociety,sterilemachinetechnologyismoreandmorebytheplantoperators,love.ThispaperbasedonPLCfortheUHTsterilemachinecomputercontrolsystemdesignprogram,sterilemachineintheengineeringprojectiswidelyused,combinedwiththeapplicationofotherindustries,isputforwardbasedonPLCUHTsterilemachinebrakingcontrolsystem.Theworkingprocessisdividedintofoursterilemachineforfeeding,mostofsterilization,coolingfillingandCIPclean,inthisthesisapplicationomronPLCprogramcompiling,andusePLCtocontrolthesteriletanktocleaningsterilization,realizedtheautomationcontrolsystemsterilecans,betterforthroughthePCtocontroltheoperationofequipment.Throughtheuseofconfigurationkingtoachievetheworkingprocessofthereal-timemonitoring,makethewholeprocessofthebeclearataglance,andbetterrealizetheautomationAdoptingPLCtocontrolfromthesterilizationtotheCIPcleaning,enablesthecontroloftanksystemautomatic,notonlyforlaborproductivityincreasing,forasepticperformancestable,thedegreeofautomationandproductionboostingareallfullofprofoundsignificance,butalsoforthedevelopmentofasepticpackagingtechnologyplaysagoodpromotingrole.Keywords:Programmableaseptictank;auto-control;Centurystarconfigurationsoftware

目錄緒論 11研究背景 11UHT無菌機應用現(xiàn)狀 12PLC系統(tǒng)應用現(xiàn)狀 12應用前景 23研究目標 24主要工作 21UHT無菌機工作原理 41.1UHT滅菌概述 41.1.1UHT定義 41.1.2幾種常用滅菌技術比較 41.1.3UHT工藝流程 51.2CIP清洗 72無菌機系統(tǒng)的組成 102.1UHT無菌機裝置的組成 102.2電氣設備的配置 122.3PLC控制系統(tǒng)的組成 162.3.1PLC控制系統(tǒng)硬件的組成 162.3.2主回路控制系統(tǒng)設計 192.3.3控制回路控制系統(tǒng)設計 203控制系統(tǒng)的軟件設計 223.1PLC控制程序的實現(xiàn) 223.2無菌機控制過分析 244組態(tài)畫面功能分析 284.1組態(tài)軟件的介紹 284.2組態(tài)圖形畫面設計 284.3組態(tài)畫面分析 29結(jié)論 32致謝 33參考文獻 34附錄 35沈陽理工大學應用技術學院畢業(yè)論文PAGE16緒論(1)研究背景1)UHT無菌機應用現(xiàn)狀隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展和人們的生活水平的日益提高，人們對于自身的健康和飲食安全的關注越來越高，人們飲食的好壞能夠直接關系著人們的身心身體健康，人們對現(xiàn)在以及未來的飲食衛(wèi)生標準有了一個全新的認識和要求。因此要提高飲食的質(zhì)量和安全程度，全社會對飲食罐裝的技術就有了更加高的要求，而對殺菌和罐裝的過程，及食品的包裝技術越來越精益求精。當前社會在茶飲料生產(chǎn)過程中，就已經(jīng)有了非常多的滅菌方法，比如傳統(tǒng)式的熱滅菌法、UHT滅菌法、超高壓殺菌法等等。其中，多種滅菌方法中，UHT技術的殺菌效果廣受大眾加工生產(chǎn)者的喜愛，幾乎可以達到滅菌的要求，并且殺菌時間比較少，食品中營養(yǎng)物質(zhì)流失比較小，營養(yǎng)成分保存率達91%以上，大大超越了超高壓殺菌法。目前這種殺菌技術已廣泛用于各種飲料、豆制品和牛奶加工等日常食用產(chǎn)品的生產(chǎn)中。2)PLC應用現(xiàn)狀PLC(即可編程邏輯控制器）是一種基于微處理器的用戶廣泛友好的控制器，可以實現(xiàn)很多種控制功能并且適應不同層次的各種復雜性需求。簡單的編程語言使其可以被普遍具有基礎計算機知識背景的人控制和運作。特殊的程序掃描方式以及抗干擾措施使其穩(wěn)定性普遍優(yōu)于其它類型的控制器。其操作簡單，功能強大，穩(wěn)定性好，PLC(即可編程邏輯控制器）被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)，食品加工當中。PLC(即可編程邏輯控制器）的優(yōu)勢，使它成為了現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的中樞[1]。1987年IEC頒布了PLC標準草案。在IEC的定義當中，PLC是一種具有強大通信功能、有可擴展的I/O接口、能在工作環(huán)境下使用的控制器。與一般意思上的個人電腦機相比，PLC具有以下特點[2]：a不僅具有電腦的內(nèi)核，還配置了許多使其適合用于生產(chǎn)過程控制的元件。bPLC(即可編程邏輯控制器)是一次開發(fā)的工業(yè)生產(chǎn)過長當中控制用的計算機，是一種比較通用的機器，但是不經(jīng)過二次開發(fā)，不能在任何具體的工業(yè)生產(chǎn)機器上使用。cPLC本省體積小，重量很輕，工作可靠性比較高，抗干擾能力很強，控制功能非常的完善，適應能力強，安裝方便，容易進行擴展。而如今，美國的PLC生產(chǎn)開發(fā)技術處于世界領先地位。1971年，日本從美國引進了PLC技術，由日立公司研發(fā)制作了日本第一臺PLC，目前為止，PLC的生產(chǎn)廠家已經(jīng)達到40多家。其中為我們提供本次實驗儀器設備的歐姆龍就是其中比較出名的一家。我國PLC的發(fā)展比較晚，在改革開放以后才開始引進此方面相關的技術。早期也曾經(jīng)出過一些自主研制的可編程邏輯控制器，但都沒有形成大型化生產(chǎn)，現(xiàn)在我國自己已經(jīng)可以生產(chǎn)中小型PLC。相信隨著我國經(jīng)濟的不斷飛躍發(fā)展，科學技術的提高，在不久的將來我國定會研制出完善的高性能可編程邏輯控制器。（2）應用前景無菌機是無菌生產(chǎn)中的關鍵儀器之一，其中包括了高溫殺菌罐和接收經(jīng)過超高溫殺菌的物料的緩沖罐和貯存罐。近年來我國不斷的進口國外先進的無菌罐系統(tǒng)，刺激著我國企業(yè)對此類設備的開發(fā)生產(chǎn)使用[3]。兩年來在上海、廣州、深圳等城市都有小型的無菌罐生產(chǎn)，促使著我國無菌包裝技術的不斷發(fā)展。但國產(chǎn)的此類設備還存在無菌時間較短，無菌化性能尚不穩(wěn)定,自動控制程度不高、機器產(chǎn)量低等問題。在無菌機技術研究開發(fā)還與世界領先水平相差比較遠，我國應用PLC還處于初級階段，在未來工業(yè)中無菌機的應用將更加的廣泛。（3）研究目標本畢業(yè)設計以基于PLC無菌機控制系統(tǒng)設計為主要內(nèi)容，以超高溫式殺菌無菌機為研究背景，針對無菌機殺菌過程為設計對象，對殺菌方法運用進行研究，并匯編出無菌機控制程序，設計友好的人機交互界面，最后完成一個完整的UHT殺菌控制系統(tǒng)的設計。（4）主要工作畢業(yè)設計的主要工作為：1)通過閱讀歐姆龍PLC相關書籍，熟練掌握其使用方法和編程方法。2)了解超高溫式殺菌的工藝要求，確定控制方式以及相應的實現(xiàn)方法。3)了解整個無菌機各個硬件的結(jié)構及特點，閱讀相關使用說明，確定正確的使用方法。4)應用編程軟件編寫控制程序。5)通過組態(tài)軟件實現(xiàn)人機界面。本論文一共分為四大部分，第一部分為簡述UHT無菌機的概念及其工作流程，第二主要無菌機的基本構成及其原器件的介紹，第三部分為通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)無菌機的自動控制及其PLC梯形圖介紹，第四部分為組態(tài)部分，用組態(tài)王模擬無菌機工作。

1UHT無菌機工作原理1.1UHT滅菌概述超高溫殺菌(UHT)于1949年出現(xiàn)而問世，從此技術問世于美國之后，其他許多發(fā)達國家陸續(xù)的研究出了多種類型的超高溫殺菌設備。此超高溫處理可分為間接加熱和直接加熱兩大類型。它是使料液快速的無毒提升至130℃以上，然后保持一段時間，從而實現(xiàn)對物料的瞬時間殺菌。1.1.1UHT定義UHT，超高溫瞬時殺菌，它是鮮奶處理中的一種滅菌技術，可無需在10℃以下保存，產(chǎn)品保質(zhì)期可以達到1-6個月。目前市場上的紙包裝的液體牛奶幾乎均采UHT[4]。物料在連續(xù)流動的狀態(tài)下通過套管式熱交換器加熱至130—150℃，并且在這一溫度下保持一定的時間(一般為2到4秒)以達到商業(yè)無菌水平，然后在無菌狀態(tài)下灌裝于無菌包裝器皿中。整個滅菌過程在高溫狀態(tài)下瞬間完成，將能引起物料變質(zhì)的微生物和芽抱徹底殺除[5]，同時，極大的保存了食品自身的味道和營養(yǎng)成分。這種嚴謹?shù)募庸すに嚭驮O備精確的處理方法有效地防止了食品在包裝上的二次污染，大大提高了產(chǎn)品的保質(zhì)時間。UHT技術選采用直列套管式換熱器殺菌系統(tǒng)，因其在較高蒸汽壓力及超高溫狀態(tài)下所具備的可靠工作性能，尤其連續(xù)工作時間可長達十多個小時，從而獲得了比板式殺菌系統(tǒng)更為廣泛的應用，使人們在食用上更加的放心。管式UHT滅菌設備設計用于牛奶、果汁類似產(chǎn)品進行連續(xù)性滅菌工藝。該設備的產(chǎn)量主要由進料系統(tǒng)中的流量控制加以調(diào)節(jié)，在采用全流量平均質(zhì)方式時，利用均質(zhì)機來控制流量。由于對產(chǎn)品的加熱和冷卻均在板式換熱器中熱回收部分進行，因而熱回收率最高可達90%以上。1.1.2幾種滅菌技術的比較當前在牛奶生產(chǎn)過程中，有許許多多種滅菌的方法，比如傳統(tǒng)的加熱蒸汽滅菌法、超高溫瞬時滅菌法、超高壓殺菌法、膜冷除菌法等等[6]。(1)高溫殺菌釜殺菌技術傳統(tǒng)的酒類高溫殺菌釜殺菌溫度一般采用120℃，持續(xù)時間為8到15分鐘。這種滅菌方法的溫度高、持續(xù)時間長。由于酒糟組分的成分復雜不穩(wěn)定性，還原時電位普遍低于其他產(chǎn)品，因此經(jīng)高溫加工發(fā)酵后殺菌處理，其感官品質(zhì)變化很大。(2)超高溫瞬時滅菌法超高溫殺菌于1949年隨著斯托克(stork)裝置的出現(xiàn)而問世，其后世界上許多發(fā)達國家出現(xiàn)了多種類型的超高溫殺菌設備。超高溫處理可分為間接加熱和直接加熱兩大類型。它是使料液迅速升溫至130℃以上，然后保持幾秒鐘，從而實現(xiàn)對料液瞬間的殺菌[7]。UHT技術的殺菌效果非常顯著，可接近滅菌的要求，并且殺菌時間較短，物品中營養(yǎng)成分保存的比較完整，營養(yǎng)成分保存率達92%以上，這種技術遠遠優(yōu)越于上述兩種殺菌法。目前這種殺菌技術已廣泛用于各種飲料、豆乳、酒和牛奶生產(chǎn)等的生產(chǎn)中。(3)超高壓殺菌法近年來，由日本研制出了一種非常新型的食品加工保存技術，就是超高壓殺菌技術，隨著這種技術的問世在食品加工保藏更加的先進基本上滿足我社會要求。所謂高靜壓技術(HighHydrostaticPressure簡稱HHP)就是將食品密封于有彈性的容器，在高靜壓(一般100MPa以上)下進行處理，處理完畢后，以達到良好保存的目的。超高壓殺菌特別適用于牛奶類食品的殺菌。(4)膜冷除菌法隨著材料科學的發(fā)展，各種可用于物料分離的膜相繼出現(xiàn)，膜分離技術己在食品、生物制藥等工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用，例如生化物質(zhì)的提取、純水的制備、果汁的濃縮等。膜分離過程根據(jù)推動力的不同，大體上可分為兩種[8]。一類是以壓力為推動力的膜過程，如超濾;另一類是以電為推動力的膜過程，稱為離子交換，如電滲析。以壓力為推動力的膜過程，根據(jù)膜所用的孔徑和截留能力可以分為微孔過濾、超濾和反滲透等。食品工程中的殺菌技術還很多，如:二氧化氯殺菌技術、氯氣殺菌技術、電子滅菌技術、加熱與加壓并用殺菌技術、加熱與化學藥劑并用殺菌技術、加熱與輻射并用殺菌技術、靜電殺菌技術等。這些技術正在得以研究和應用，而本文中的殺菌技術主要的就是利用的超高溫瞬時滅菌法(UHT)。1.1.3UHT工藝流程按照換熱方式，UHT系統(tǒng)可分為間接加熱和直接加熱系統(tǒng)。間接加熱系統(tǒng)通過管式換熱器或板式換熱器完成換熱。直接加熱方式是將飲料加熱到一定壓力下的蒸汽室內(nèi)或?qū)⒄羝⑷腼嬃现校谡羝查g冷凝的同時加熱飲料到135℃的滅菌溫度，保持55后，然后冷卻。它的特點是加熱時間和冷卻時間非常的段幾乎不超過1秒。對飲料中對人體有益的物質(zhì)的影響比較小。但是，直接加熱法的溫度跳動初始很慢，使他在生產(chǎn)成本要比其他技術消耗的；物料中的營養(yǎng)成分流失的比較嚴重，這一點尤其不利于飲牛奶的生產(chǎn)，同時也破壞了牛奶中一些營養(yǎng)成分的穩(wěn)定。目前，在我許多超高溫瞬時殺菌飲料生產(chǎn)加工使用間接加熱的UHT系統(tǒng)[9]，采用板式或管式換熱器，這種間接加熱法中板式換熱器板間流道較窄，容易在其流管中產(chǎn)生沉淀物質(zhì)堵塞住了流管的通常，引起系統(tǒng)內(nèi)部壓力飛速的上升，它的工作時間比管式換熱器短得多，增大了生產(chǎn)成本。管式換熱器他可以承受內(nèi)部更大的壓強，生產(chǎn)轉(zhuǎn)的時間要比板基于模糊自適應PID算法的飲料灌裝溫度與液位控制式系統(tǒng)的時間長，并且處理產(chǎn)品范圍較大，如有些不適合板式系統(tǒng)的粘性產(chǎn)品可用管式系統(tǒng)加工，另外管式系統(tǒng)拆卸以及觀察內(nèi)的清潔情況明顯易于板式系統(tǒng)及盤管式系統(tǒng)。管式UHT滅菌機廣泛用于液態(tài)食品“無菌”和“非無菌”熱處理的全自動系統(tǒng)，產(chǎn)品的粘度范圍很大，并能適應纖維和顆粒。該滅菌機設計為高精度的產(chǎn)品，精確的控制水溫。產(chǎn)品從平衡泵入，預熱到均質(zhì)溫度，在預熱到90一95℃，進行如蛋白質(zhì)的穩(wěn)定，然后超高溫滅菌，最后冷卻到灌裝溫度。系統(tǒng)用熱水與殺菌是在循環(huán)回路中，節(jié)省能源。管子的直徑、形狀(平直或波紋的)和管束的選擇有產(chǎn)品的需要決定。每年只需檢查一次。可以選擇熱灌裝，如90℃；附加冷卻段也可用于低溫灌裝產(chǎn)品。在飲料加工過程中，茶品從加工車間到滅菌設備前的溫度是46℃，進入滅菌設備內(nèi)加熱，保持到68℃保持20min。進入UHT的物料從70℃上升到135℃，且在135℃的環(huán)境下保持55，蒸汽在UHT中按照逆流方式進行傳熱，蒸汽釋放出氣化潛熱。在UHT的預熱和高溫殺菌過程中，對物料的溫度的控制，主要是通過控制高壓熱蒸汽的流量，以達到改變單位時間內(nèi)的熱蒸汽的能量，從而達到控制物料的預熱溫度和UHT高溫殺菌的溫度，達到精確控制飲料的殺菌溫度的特性。茶飲料罐裝一般分為熱罐裝和無菌冷灌裝。(1)熱灌裝技術熱灌裝技術要以耐熱性能好器皿的商品化為前提，采用85℃到95℃的溫度進行裝罐，然后倒瓶305~455進行器皿蓋殺菌以達到保鮮。(2)無菌冷灌裝無菌冷灌裝是指在無菌條件下對飲料產(chǎn)品進行冷(常溫)灌裝[10]，這是相對于通常采用在一般條件下進行的高溫熱灌裝方式而言的。在無菌條件下灌裝時，設備上可能會引起飲料發(fā)生微生物污染的部位均保持無菌狀態(tài)，所以不必在飲料內(nèi)添加防腐劑，也不必在飲料灌裝封口后再進行后期殺菌，就可以滿足長貨架期的要求，同時可保持飲料的口，但目前國內(nèi)還沒有相關技術。在飲料灌裝機設備方面，美國、德國、日本、意大利和英國的制造水平相對較高。主要體現(xiàn)在多功能、高速度、高可靠性等優(yōu)點。由此可知在飲料灌裝機的發(fā)展過程中，對其智能性要求越來越高，因此在對控制中對飲料的溫度液位及充填過程都提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。1.2CIP清洗CIP清洗即原位清洗，是奶制品、果汁、啤酒和飲料等食品加工業(yè)的重要設備組成部分，CIP清洗是保證食品加工質(zhì)量和食品衛(wèi)生不可缺少的工藝過程。食品加工過程中有各種流體，包括產(chǎn)品流體、輔助流體如蒸汽、水或二氧化碳氣體，流體的載體容易被微生物和細菌污染，CIP系統(tǒng)是為了防止產(chǎn)品流體和輔助流體被微生物和細菌污染而附加的工藝設備。CIP清洗即不分解生產(chǎn)設備，又可用簡單操作方法安全自動的清洗系統(tǒng)，幾乎被引進到所有的食品，飲料及制藥等工廠。CIP清洗不僅能清洗機器，而且還能控制微生物。CIP清洗技術已經(jīng)很廣泛的應用在先進的食品行業(yè)，比如酵母行業(yè)的龍頭企業(yè)安琪酵母，就是采用的全套CIP清洗程序進行管道和罐子的清洗的。食品加工過程中，包裝設備運行前及運行一段時間后，必須對貯料罐、管道、設備上接觸產(chǎn)品流體的關鍵部位進行物理和化學清洗，清除可導致產(chǎn)品污染、變質(zhì)的微生物和其它雜質(zhì)，如礦物質(zhì)結(jié)垢、奶垢等，使包裝后的食品有一定的保質(zhì)期和貨架壽命。CIP清洗裝置其有以下的優(yōu)點：(1)能使生產(chǎn)合理化及提高生產(chǎn)效率。(2)與手洗相比較，不但沒有因工作者之差異而影響清洗效果，還能提高其產(chǎn)品質(zhì)量。(3)能防止清洗作業(yè)中的危險。(4)可節(jié)能清洗劑、水及生產(chǎn)成本。(5)能增加機器部件的使用年限。CIP系統(tǒng)是隨著食品工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展和完善的，最初對貯罐、管道和設備的清洗是由人工拆開清洗，費時費力效果不佳。CIP系統(tǒng)采用清洗流體循環(huán)清洗貯罐、管道和設備，不拆卸即可達到理想的清洗效果。CIP系統(tǒng)主要由CIP站和可實現(xiàn)CIP清洗功能的包裝（灌裝）設備組成。CIP站主要由物理清洗罐、化學清洗罐、管道、泵、控制系統(tǒng)和附件組成。物理清洗罐、化學清洗罐、泵，通過管道和待清洗設備連接起來，通過CIP控制系統(tǒng)對清洗液進行壓力、流量、溫度的控制。根據(jù)清洗工藝過程，清洗液通過管道輸送到待清洗設備，清洗、回收等對其進行循環(huán)清洗。待清洗的包裝設備必須本身有內(nèi)部的CIP回路，運行CIP后能將其徹底清洗干凈。CIP運行效果主要取決于清洗液的流速、洗滌劑濃度、溫度和清洗時間等參數(shù)的控制。(1)清洗液的流速清洗液必須保持2～3m/s的高流速，使清洗液高速通過管道產(chǎn)生湍流，以沖凈管道內(nèi)壁的污垢（物理清洗）。對容器內(nèi)部采用噴霧器或噴嘴進行清洗。為了獲得好的湍流，必須對清洗液的流量和壓力進行控制，通過對CIP站泵的選擇，達到所需要的流速。(2)清洗液的溫度和洗滌劑的濃度合適的選擇確定清洗液的溫度和洗滌劑濃度，可以達到預期的清洗效果，對于除去管道和容器內(nèi)壁沉積的頑固性污垢，如礦物質(zhì)，奶垢等。在一定的濃度和溫度范圍內(nèi)，清洗液中洗滌劑的濃度和溶液的電導率成線性關系，采用過程儀表或PLC對溶液的電導率的測量控制，達到對洗滌劑濃度的控制。清洗液的溫度控制采用過程儀表或PLC控制，不同的介質(zhì)（洗滌劑）要求溫度不同，如堿液的溫度要求達到60～65℃。(3)清洗的時間為了確保達到有效的清洗，就必須對清洗的時間進行控制，時間的長短根據(jù)清洗工藝決定。預沖洗，用冷水沖洗，去除物料殘留液；堿洗，用堿液（工藝要求的濃度和溫度）清洗，除去管壁和容器內(nèi)壁頑垢；熱沖洗，用熱水沖掉堿液；酸洗，用酸液（工藝要求的濃度和溫度）中和殘留堿液；最后沖洗，用清水最后沖洗掉酸液，直到?jīng)_洗干凈；消毒，若停產(chǎn)，用食品級消毒液對設備進行浸泡消毒，準備下一段生產(chǎn)。清洗的時間由清洗工藝決定，待清洗設備一般都提供CIP清洗工藝。生產(chǎn)廠家可根據(jù)包（灌）裝產(chǎn)品的理化性質(zhì)、當?shù)氐乃|(zhì)、所選洗滌劑的濃度和溫度要求，進一步確定生產(chǎn)過程的清洗工藝。圖1.1CIP工藝流程當無菌罐進行CIP清洗時，無菌罐進行一個先檢測罐內(nèi)的液位，溫度，濃度控制，并堿洗罐內(nèi)。洗完之后判斷罐內(nèi)是否用酸洗有YES和NO，經(jīng)過判斷之后選擇是否酸洗，最后進行罐內(nèi)沖洗，判斷是否消毒。

2無菌機系統(tǒng)的組成2.1UHT無菌機裝置的組成飲料罐裝控制系統(tǒng)的方案的設計主要是針對飲料的罐裝中的UHT殺菌處理、飲料的恒溫無菌儲存、存儲罐液位控制、飲料的罐裝、PET瓶的封蓋、飲料PET瓶容量檢驗、噴淋冷卻及管道的CIP清洗等，其中最關鍵的就是UHT的殺菌處理，因為對殺菌溫度的控制的準確與否，直接關系著產(chǎn)品的衛(wèi)生及飲用安全，所以在控制設計過程中，必須要有一個更合理的算法去實現(xiàn)控制要求。整個控制系統(tǒng)采用PLC與觸摸屏結(jié)合的控制方式，并通過上位機監(jiān)控現(xiàn)場的各個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)狀況，便于實時獲得生產(chǎn)的狀況，及時采取合適的操作，達到更高的控制要求和減少操作人員的操作負擔。2.1.1飲料灌裝工藝流程下圖為飲料灌裝工藝流程，物料進入當殺菌緩沖罐，進行超高溫瞬時殺菌，殺菌完成后進行裝罐，用PEY瓶封蓋再進行罐內(nèi)的液位檢測，打開噴淋閥進行冷卻如下圖2.1。圖2.1飲料灌裝工藝流程2.1.2系統(tǒng)運行條件與控制工藝要求飲料罐裝能否達到飲料生產(chǎn)及衛(wèi)生安全的標準，直接決定著生產(chǎn)成本的高低，生產(chǎn)的是否連續(xù)進行，企業(yè)的經(jīng)濟利益和廣大消費者的健康等。因此必須對飲料罐裝的各個環(huán)節(jié)進行嚴格控制，主要包括殺菌緩沖罐液位溫度控制，UHT高溫殺菌溫度控制，罐裝緩沖罐液位及溫度控制，PET瓶產(chǎn)品容量檢測及高溫產(chǎn)品的冷卻控制等。(l)殺菌緩沖罐液位溫度控制網(wǎng)在UHT高溫殺菌前必須保持產(chǎn)品液的溫度為45℃，減少細菌的滋生和營養(yǎng)物質(zhì)的損失，還要為巴氏殺菌預熱和UHT高溫殺菌提供合適溫度的產(chǎn)品，減少UHT高溫殺菌的時間，保護營養(yǎng)物質(zhì)。并且要保持緩沖罐內(nèi)的液位在一定范圍內(nèi)，便于后續(xù)殺菌的順利進行。(2)UHT高溫殺菌溫度控制在飲料加工過程中，常用巴氏殺菌機進行預殺菌，飲料從調(diào)配車間進入到殺菌機前的溫度為45℃，進入殺菌機加熱到70℃，保持20min。密度為基于模糊自適應PID算法的飲料灌裝溫度與液位控制2.7g/ml，每秒鐘處理的物料是0.6kg/s，局部總傳熱系數(shù)k根據(jù)經(jīng)驗取150w/(m2·℃)。進入設備的物料從70℃上升到135℃，且在135℃的環(huán)境下保持5s，蒸汽在設備中嚴格的按照逆流方式進行傳熱，蒸汽釋放出氣化潛熱。超高溫瞬時滅菌熱交換超高溫瞬時滅菌熱交換。在整個的飲料生產(chǎn)中，UHT高溫殺菌至關重要，溫度的高低，直接影響著殺菌質(zhì)量和對營養(yǎng)物質(zhì)的保護程度。(3)罐裝緩沖罐液位及溫度控制經(jīng)過UHT高溫殺菌以后的飲料，經(jīng)過冷卻水的冷卻以后，溫度降到PET瓶罐裝時能夠承受的溫度，在綠茶的飲料的PET瓶的罐裝需要的罐裝溫度為89℃左右，因此經(jīng)過高溫殺菌及冷卻后的綠茶飲料的溫度應該維持在(89士l)℃，所以在冷卻后進入緩沖罐的待裝飲料的溫度的控制也很重要，過低可能會影響產(chǎn)品的健康指數(shù)，降低衛(wèi)生標準，過高會導致PET瓶的變形，影響正常的充填。因此也需要此時對緩沖罐的產(chǎn)品運用PID進行控制，對于罐內(nèi)液位的控制，由于液位過高可能會導致罐內(nèi)產(chǎn)品被壓力壓出，引起產(chǎn)品液的回流的問題，液位過低會影響正常的灌裝機罐裝，影響產(chǎn)量和PET瓶內(nèi)產(chǎn)品的容量，所以也必須對罐內(nèi)液位有一個比較快速準確的控制。(4)PET瓶產(chǎn)品容量檢測經(jīng)過灌裝機罐裝，PET瓶封蓋機封蓋以后的半成品，并不是完全符合生產(chǎn)的要求，尤其是對產(chǎn)品的重量的要求也是比較嚴格的。某廠家綠茶的PET瓶裝標準容量為50Oml，在生產(chǎn)過程中要維持在(500士10)ml，保持罐裝誤差為2%以內(nèi)，PET瓶罐裝容量的過高，會導致PET在經(jīng)過冷卻塔冷卻以后，PET瓶膨脹，使PET瓶變形，致使后續(xù)的打檢及包裝不能順利進行，嚴重時，會被卡進生產(chǎn)線的軌道內(nèi)，使整個的生產(chǎn)線進入緊急停機狀態(tài)，嚴重影響產(chǎn)品的產(chǎn)量;PET瓶罐裝容量的過低，會使產(chǎn)品瓶裝重量不能達標，被次品處理手給推出生產(chǎn)線，然后處理掉，這樣也增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本，因此對罐裝PET內(nèi)產(chǎn)品容量的檢測及處理也是飲料罐裝過程中很重要的一個環(huán)節(jié)。這樣可以讓操作人員及時調(diào)整灌裝機轉(zhuǎn)速或更改其他參數(shù)，以達到調(diào)整精確的飲料罐裝的效果和目標。(5)高溫產(chǎn)品的冷卻控制PET瓶罐裝產(chǎn)品經(jīng)過液位檢測及處理后的正品不能馬上進行打檢和包裝，因為PET瓶本身容易受到熱膨脹的影響，使PET瓶嚴重變形，所以必須要經(jīng)過冷卻塔的冷卻處理，處理時間大概為30min使冷卻后的PET瓶的溫度降到常溫(20℃)以下，因此必須對冷卻塔德冷卻水的溫度進行控制，使PET瓶罐裝飲料在經(jīng)過冷卻塔后能夠順利達到20℃以下，便于飲料生產(chǎn)的打檢、套標和包裝。所以必須對控制冷卻水的控制閥門，調(diào)節(jié)冷卻水的流量，維持正常的生產(chǎn)需要。2.2電氣設備的配置傳感器與執(zhí)行器的設計、選型是控制系統(tǒng)成敗的關鍵。其中傳感器是自動控制系統(tǒng)獲取所有被測對象信息的輸入端口，是信號檢測與信號轉(zhuǎn)換的中心組成部分。本系統(tǒng)的檢測儀表由在線溫度傳感器，液位檢測儀，熱電偶，流量計，基于模糊自適應PID算法的飲料灌裝溫度與液位控制液位傳感器等傳感器組成。(l)溫度傳感器溫度傳感器有多種多樣，在工業(yè)生產(chǎn)上的，尤其是一些特殊行業(yè)，對傳感器的要求比較苛刻，在本系統(tǒng)中，由于是食品行業(yè)，所以對傳感器的要求比較高，本文采用WZP一Pt100熱電阻一愷裝式傳感器，直接測量生產(chǎn)過程中的一200℃~500℃范圍內(nèi)液體、蒸汽和汽體介質(zhì)以及固體表面溫度，壓簧式或固定式感溫元件、即插即用，抗震性好，經(jīng)久耐用進口薄膜電阻元件，測量精度高，性能穩(wěn)定可靠。(2)液位檢測儀對于罐裝以后的PET瓶內(nèi)的產(chǎn)品液位的測試，由于罐裝自動化生產(chǎn)線是在高速運轉(zhuǎn)的情況下，對PET瓶進行液位檢測的，所以要求液位檢測儀必須能夠快速檢測出液位不達標的次品，并進行處理。本系統(tǒng)使用DMS100型灌裝液位檢測儀非接觸式在線檢測，速度快，精度高自動剔除不合格的瓶，其檢測速率:毛500瓶/分鐘或300瓶/分鐘，有瓶和無瓶的最小時間寬度為10ms。使用環(huán)境:溫度O℃~40℃，相對濕度不大于95%，供電電源:220V士20V，50Hz。溫度誤差:在0℃~40℃范圍內(nèi)，相對于20℃的測量值溫度誤差毛0.25mm。(3)熱電偶熱電偶為工業(yè)應用中最普遍的測量器件，特點是溫度測量量超大，性能穩(wěn)定，測量精度，能滿足工業(yè)生產(chǎn)制造過程中溫度測量的需要，結(jié)構簡單，它輸出的是電信號，可以遠傳，有利于集中檢測。本系統(tǒng)循環(huán)水溫度檢測采用K型熱電偶，測量范圍O~1300℃，輸出為電壓信號，可以與選用的熱電偶直接相連。(4)流量計對于UTH殺菌過程中，對產(chǎn)品液的流量控制采用HQ一LC型橢圓齒輪流量計是一種容積型測量儀表。用于管道中液體流量連續(xù)或間斷測量和控制的儀表。它具有量程范圍大、優(yōu)異的準確度、壓力損失小、粘度適應性強、能測量高溫高粘液體、標定方便、安裝簡易等優(yōu)點。適用于原油、化工、化纖、交通、商貿(mào)、食品、醫(yī)藥衛(wèi)生、科研和軍事工業(yè)中流量的計量。橢圓齒輪流量計可現(xiàn)場指示累積流量、瞬時流量，單次流量等，亦可輸出脈沖信號、4—20mA或1—5V模擬信號、4—20mA+HART、MODBUS、支持232，485通訊等。(5)液位傳感器本文要對高溫的產(chǎn)品液進行液位控制，因此液位傳感器必須要適合至少在100℃以內(nèi)的液體溫度，所以采用導壓式液位變送器，DPSH—A高溫液位變送器，敏感器件安裝在中繼箱下端，投入部件為平衡罩，兩者之間導氣管(導壓)相連，基于模糊自適應P丁D算法的飲料灌裝溫度與液位控制。液柱的壓力通過空氣的傳導間接地由導氣管傳遞給敏感部，這樣就避免敏感部器件與被測介質(zhì)的直接接觸。不僅適用于普通水的測量，還適用于高溫、粘稠、腐蝕等介質(zhì)特殊場合的液位測量。量程:O—lm，0—30m，測量介質(zhì):各類水、重輕油、原油、酸堿等各類腐蝕液;精度0.25%F.S；0.5%F.5(一般為0.5%F.5)；輸出:4—20mA(O—10mA亦可)；溫度:環(huán)境溫度O一60℃，介質(zhì)溫度O一400℃，電源:24VDC；因此其參數(shù)很好的滿足了環(huán)境也工藝要求。控制設備則選用相應的水泵、電機、電磁閥和變頻器等。(l)電磁閥電磁閥是用電磁的效應進行控制，主要的控制方式由繼電器控制。電磁閥可以配合不同的電路來實現(xiàn)預期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠保證。電磁閥有很多種，不同的電磁閥在控制系統(tǒng)的不同位置發(fā)揮作用。電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開有通孔，每個孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來擋住或漏出不同的排油的孔，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油缸的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞桿帶動機械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流通斷就控制了機械運動。選用不銹鋼質(zhì)的電磁閥，直流24V電壓控制。本設計系統(tǒng)所選用的電磁閥實圖如圖2.2所示。圖2.2電磁閥實圖比例電動閥調(diào)節(jié)閥，又名控制閥，在工業(yè)自動化過程控制領域中，通過接受調(diào)節(jié)控制單元輸出的控制信號，借助動力操作去改變介質(zhì)流量、壓力、溫度、液位等工藝參數(shù)的最終控制元件。一般由執(zhí)行機構和閥門組成。如果按行程特點，調(diào)節(jié)閥可分為直行程和角行程；按其所配執(zhí)行機構使用的動力，可以分為氣動調(diào)節(jié)閥、電動調(diào)節(jié)閥、液動調(diào)節(jié)閥三種；按其功能和特性分為線性特性，等百分比特性及拋物線特性三種。調(diào)節(jié)閥適用于空氣、水、蒸汽、各種腐蝕性介質(zhì)、泥漿、油品等介質(zhì)。在現(xiàn)代化工廠的自動控制中，調(diào)節(jié)閥起著十分重要的作用，這些工廠的生產(chǎn)取決于流動著的液體和氣體的正確分配和控制。盡管調(diào)節(jié)閥得到廣泛的使用，調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的其它單元大概都沒有像它那樣少的維護工作量。在許多系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥經(jīng)受的工作條件如溫度、壓力、腐蝕和污染都要比其它部件更為嚴重，然而，當它控制工藝流體的流動時，它必須令人滿意地運行及最少的維修量。電動執(zhí)行機構接受4~20mA控制信號，改變閥門的開度，同時將閥門開度的隔離信號反饋給控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對壓力、溫度、流量、液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)。本設計系統(tǒng)所選用的調(diào)節(jié)閥實圖如圖2.3所示。圖2.3調(diào)節(jié)閥(3)電機交流電機是用于實現(xiàn)機械能和交流電能相互轉(zhuǎn)換的機械。由于交流電力系統(tǒng)的巨大發(fā)展，交流電機已成為最常用的電機。交流電機與直流電機相比，由于沒有換向器（見直流電機的換向），因此結(jié)構簡單，制造方便，比較牢固，容易做成高轉(zhuǎn)速、高電壓、大電流、大容量的電機。交流電機功率的覆蓋范圍很大，從幾瓦到幾十萬千瓦、甚至上百萬千瓦。20世紀80年代初，最大的汽輪發(fā)電機已達150萬千瓦。罐裝用電機采用5.SKw大功率電機，轉(zhuǎn)速達到295Or/min，揚程為37.2m。(4)離心水泵離心泵有立式、臥式、單級、多級、單吸、雙吸、自吸式等多種形式。其主要的工作原理有：離心是物體慣性的表現(xiàn)。比如雨傘上的水滴，當雨傘緩慢轉(zhuǎn)動時，水滴會跟隨雨傘轉(zhuǎn)動，這是因為雨傘與水滴的摩擦力做為給水滴的向心力使然。但是如果雨傘轉(zhuǎn)動加快，這個摩擦力不足以使水滴在做圓周運動，那么水滴將脫離雨傘向外緣運動。就象用一根繩子拉著石塊做圓周運動，如果速度太快，繩子將會斷開，石塊將會飛出。這個就是所謂的離心離心泵就是根據(jù)這個原理設計的。高速旋轉(zhuǎn)的葉輪葉片帶動水轉(zhuǎn)動，將水甩出，從而達到輸送的目的。采用耐粘稠的循環(huán)水泵，流量50—110m3/h，揚程10~15m，變頻控制。(5)電加熱器電加熱是將電能轉(zhuǎn)換為熱能的過程。自從發(fā)現(xiàn)電源通過導線可以發(fā)生熱效應之后，世界上就許多發(fā)明家從事于各種電熱電器的研究與制造。流體防爆電加熱器是一種消耗電能轉(zhuǎn)換為熱能，來對需加熱物料進行加熱。在工作中低溫流體介質(zhì)通過管道在壓力作用下進入其輸入口，沿著電加熱容器內(nèi)部特定換熱流道，運用流體熱力學原理設計的路徑，帶走電熱元件工作中所產(chǎn)生的高溫熱能量，使被加熱介質(zhì)溫度升高，電加熱器出口得到工藝要求的高溫介質(zhì)。電加熱器內(nèi)部控制系統(tǒng)依據(jù)輸出口的溫度傳感器信號自動調(diào)節(jié)電加熱器輸出功率，使輸出口的介質(zhì)溫度均勻；當發(fā)熱元件超溫時，發(fā)熱元件的獨立的過熱保護裝置立即切斷加熱電源，避免加熱物料超溫引起結(jié)焦、變質(zhì)、碳化，嚴重時導致發(fā)熱元件燒壞，有效延長電加熱器使用壽命。加熱執(zhí)行器選用電加熱管，PLC輸出0~10V電壓控制信號到雙向晶閘管中，控制電加熱管的加熱功率，指揮電加熱管動作實現(xiàn)對循環(huán)水溫度的控制。(6)變頻器變頻器（Variable-frequencyDrive，VFD）是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。通過改變電源的頻率來達到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。選用西門子MM430變頻器。MM43O變頻器由微處理器控制，采用具有現(xiàn)代先進技術水平的絕緣柵雙極晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運行可靠性和功能多樣性。MM430變頻器具有全面而完善的保護功能，特別適合用于水泵和電機機的驅(qū)動。變頻器常見的頻率給定方式主要有：操作器鍵盤給定、接點信號給定、模擬信號給定、脈沖信號給定和通訊方式給定等。這些頻率給定方式各有優(yōu)缺點，須按照實際所需進行選擇設置，可以根據(jù)功能需要選擇不同頻率給定方式之間的疊加和切換。2.3PLC控制系統(tǒng)的組成 2.3.1PLC控制系統(tǒng)硬件的組成為實現(xiàn)對飲料罐裝生產(chǎn)過程的自動監(jiān)控，根據(jù)生產(chǎn)的安全及高效的要求，設計整個監(jiān)控系統(tǒng)方案如圖2.4所示。圖2.4控制系統(tǒng)結(jié)構圖本系統(tǒng)采用上位機、下位機PLC構成的系統(tǒng)監(jiān)控方案，系統(tǒng)硬件按以下結(jié)構實現(xiàn):(1)現(xiàn)場層；由系統(tǒng)的各種檢測儀表儀器(如溫度傳感器，液位檢測儀，熱電偶，溫度傳感器，流量計)還有控制設備(如加熱器，電磁閥，水泵，電機，變頻器，次品處理手)組成。(2)本地控制層；由PLC和輸入輸出擴展模塊組成。PLC作為下位機根據(jù)現(xiàn)場各測試設備采集的數(shù)據(jù)及系統(tǒng)設備運行邏輯關系，自動控制各站點內(nèi)的電氣設備運行狀態(tài)。選用通用性好、功能強大、可靠性高的歐姆龍CP1L作為主機。(3)遠程監(jiān)控層；上位機選用性能穩(wěn)定、抗干擾性能好的工控機，采用組態(tài)王組態(tài)軟件對上位機監(jiān)控功能進行組態(tài)，實現(xiàn)對整個工藝流程現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時記錄和監(jiān)控，將工藝流程以直觀的畫面顯示出來，一記錄在線檢測的參數(shù)和設備運行狀態(tài)，分析參數(shù)的變化趨勢，及時發(fā)布和預報運行情況，實施診斷和報警。由于由工控機構成的上位機監(jiān)控系統(tǒng)配置在離現(xiàn)場較遠的監(jiān)控室內(nèi)，故采用現(xiàn)場總線基于模糊自適應PID算法的飲料灌裝溫度與液位控制實現(xiàn)上位機與下位機PLC之間的通訊。上位機是專門為工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)的特點和要求設計的計算機，又稱工業(yè)控制計算機，與普通計算機相比具有以下特點；(1)實時性好，可靠性高，平均無故障工作時間達幾萬小時；(2)具有防塵、防輻射、防振動沖擊、較好的電磁兼容性和高抗干擾能力；(3)系統(tǒng)擴展性好，后備措施齊全，通信功能強，通信網(wǎng)絡速度高；(4)具有冗余性，在可靠性要求高的場合，具有雙機切換功能、雙機監(jiān)視軟件，確保系統(tǒng)長期不間斷地運行；(5)主板一般均設計看門狗功能，支持遠程喚醒，自動復位。可編程控制器(Programmablecontroner)是為工業(yè)控制應用而設計制造的專用計算機控制裝置，它采用可編制程序的存貯器，在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入輸出控制各類型的機械和生產(chǎn)過程，通常稱之為可編程邏輯控制器PLC。PLC具有以下特點：(1)可靠性高，抗干擾能力強，適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境；(2)編程簡單，設計安裝容易，維護工作量少，使用方便；(3)體積小，重量輕，功耗低，性能價格比高，功能完善，通用性強。PLC種類繁多，但結(jié)構和工作原理基本相同。PLC主要由中央處理器(CPU)、存儲器、輸入/輸出接口、電源及外部設備組成，其基本結(jié)構如圖2.5所示。圖2.5PLC硬件系統(tǒng)結(jié)構框圖(1)CPU:是PLC的控制核心部分，主要完成邏輯運算、數(shù)學運算、協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部各部分工作等任務。(2)存儲器；是PLC存放系統(tǒng)程序、用戶程序及運算數(shù)據(jù)的單元。(3)輸入/輸出(工/0)接口:是PLC和工業(yè)過程控制現(xiàn)場各類信號連接的部件。通過輸入接口，PLC得到生產(chǎn)過程的各種參數(shù);通過輸出接口，PLC把運算結(jié)果送至工業(yè)過程現(xiàn)場的執(zhí)行機構實現(xiàn)控制。(4)電源:通常采用開關電源，與普通電源相比，穩(wěn)定性好、抗干擾能力強。(5)外部設備:PLC的外部設備主要是編程器、彩色圖形顯示器、打印機等。2.3.2主回路控制系統(tǒng)設計在電氣控制系統(tǒng)中，主回路通常包括以下部分：(1)電機主回路，包括用于電機通斷控制的接觸器、電機保護的斷路器等；(2)各種動力驅(qū)動裝置的電源回路與動力回路，如驅(qū)動器的電源輸入回路及其通斷控制的接觸器、保護斷路器等；(3)各種控制變壓器的原邊輸入回路，包括通斷控制的接觸器、保護斷路器等；(4)用于供給控制系統(tǒng)各部分主電源的電源輸入與控制回路，包括用于電源變壓器、穩(wěn)壓器件以及用于電源回路控制的接觸器、保護斷路器等。本系統(tǒng)主回路包括原液離心泵，殺菌輸送離心泵，罐裝輸送離心泵，冷卻水離心泵，充填離心泵5個交流電機和一個UHT殺菌機及主回路與PLC電源、PLC輸入/輸出、Ac220v控制的電源主回路等。系統(tǒng)總電源安裝有獨立的斷路器QFI，用于分斷整個控制系統(tǒng)電源與電網(wǎng)的連接。原液離心泵，殺菌輸送離心泵，罐裝輸送離心泵，冷卻水離心泵，充填離心泵，UHT殺菌機分別受(過載、短路、過電流、缺相、過電壓等)保護，變頻器又受空氣斷路器(短路、過電流)保護。電機分別通過接觸器KMI、KMZ、KM3、KM4、KMS、KM6控制啟動和停止。由于控制系統(tǒng)結(jié)構簡單，輸出負載容量小，PLC的輸入與輸出采用一個開關穩(wěn)壓電源進行集中供電。PLC的輸入、指示燈的電源與PLC閥輸出的電源采用獨立的斷路器，進行分別保護，這樣即使閥輸出回路保護動作也不會影響到PLC的輸入與指示燈的電源提供，系統(tǒng)仍然能夠通過操作面板進行操作與監(jiān)控。2.3.3控制回路控制系統(tǒng)設計PLC控制系統(tǒng)中的控制回路，是指由繼電器、接觸器等低壓電器構成的強電控制回路，控制回路一般包括以下線路：(l)電氣控制裝置、電機、設備的啟動/停止控制線路；(2)主回路中的AC220V接觸器的通/斷控制電路；(3)DC24V輔助繼電器/接觸器接點控制回路；(4)DC24V電磁閥等執(zhí)行元線路件的驅(qū)動、控制線路。控制回路的設計原則是在保證安全、可靠的前提下，控制回路的動作設計盡可能簡潔、明了，方便操作與維修。本系統(tǒng)控制回路包括系統(tǒng)的啟動與緊急分斷回路、PLC的AC22OV接觸器輸出回路與DC24V電磁閥輸出回路三部分。采用獨立的接觸器KMO進行控制，通過系統(tǒng)的緊急停止開關，可以立即、直接切斷PLC的AC220V接觸器輸出回路與DC24V閥輸出回路的電源，迅速停止執(zhí)行元件的動作，同時，KMO的觸點作為PLC的輸入進入PLC，使得PLC程序進行相應的處理，在強電、軟件兩方面保證了緊急分斷的執(zhí)行。緊急分斷不但可以通過操作面板的緊急停止按鈕進行，當電機主回路基于模糊自適應PID算法的飲料灌裝溫度與液位控制的保護斷路器QFZ一QF7動作時，同樣可以進行緊急分斷。PLC的輸出執(zhí)行元件為感性負載，所以在AC負載兩側(cè)增加了用于過電壓抑制的RC吸收器，在DC負加了直流二極管與穩(wěn)壓管串聯(lián)的過電壓抑制器。AC22OV接觸器輸出回路包括原液離心泵，殺菌輸送離心泵，罐裝輸送離心泵，冷卻水離心泵，充填離心泵，UHT殺菌機的控制回路。DC24V閥輸出回路包括系統(tǒng)所以8個電磁閥的控制回路。下圖2.6為PLC連線圖。圖2.6PLC連線圖

3控制系統(tǒng)的軟件設計無菌機監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計由下位機PLC控制程序設計和上位機監(jiān)控組態(tài)軟件設計兩部分組成。采用歐姆龍CX-programmer編程軟件開發(fā)PLC現(xiàn)場控制程序，實現(xiàn)對系統(tǒng)現(xiàn)場工藝流程的自動控制;采用組態(tài)王組態(tài)軟件開發(fā)上位機監(jiān)控界面，實現(xiàn)對系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時記錄和遠程監(jiān)控;通過RS-485實現(xiàn)上位機與下位機PLC之間的通訊。3.1PLC控制程序的實現(xiàn)可編程控制器控制功能是通過執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)的，不同型號的PLC采用編程語言的表達方式也不同，所以采用的軟件也就不盡相同。傳統(tǒng)的方式下，為了搭建一個PLC的系統(tǒng)，必須根據(jù)使用的不同的單元去購買不同的支持軟件，若干軟件單獨啟用，單獨去連接不同的硬件，而歐姆龍公司使用了CX-ONE軟件后，只需要一個連接點和一次連接即可完成相關設備的配置，這樣通信變得更加的安全可靠，并且有助提高工作效率。OMRON的CX-ONE是一款集成了歐姆龍PLC和元器件的組合軟件，主要包括用于歐姆龍組網(wǎng)和串口通信調(diào)試的網(wǎng)絡通信配置軟件、針對歐姆龍PLC的單機系統(tǒng)調(diào)試軟件、元器件軟件、變頻驅(qū)動配置軟件、HMI配置軟件、過程控制配置類軟件。其特點如下：(1)CX-ONE是一款組合軟件，這樣我們只需要在一臺電腦中安裝一次軟件即可以對歐姆龍主要產(chǎn)品進行處理，這樣也方便在上位機集合管理各種軟件。(2)與CPU總線單元和特殊I/O單元對應的支持軟件可以通過I/O表啟動。(3)通過CPS文件可以實現(xiàn)對應CPU總線單元和特殊I/O單元的直接設定，可以在參數(shù)頁面確認其設置和讀取到對應的轉(zhuǎn)換數(shù)值等功能。(4)綜合模擬仿真功能，不僅PLC可以通過配套軟件CX-Simulator實現(xiàn)模擬仿真功能來調(diào)試程序，還可以配套觸摸屏一起仿真調(diào)試。我們這里主要用到的有針對歐姆龍PLC的單機系統(tǒng)調(diào)試軟件CX-Programmer軟件、用于HMI配置的CX-Designer軟件和用于組網(wǎng)和串口通信調(diào)試的網(wǎng)絡通信軟件CX-Integrator。其中CX-Integrator配置網(wǎng)絡過程已在前面提過這里不再贅述。我們主要介紹CX-Programmer和CX-Designer以及他們在只有壓裂液混配自動控制系統(tǒng)中的應用。CX-Programmer主要完成的內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)的監(jiān)控和設定、編輯、調(diào)試和監(jiān)控PLC的程序，并能完成繼承、設定、啟動其他相關軟件。CX-Designer主要是制作、編輯傳送歐姆龍NS系列觸摸屏的畫面數(shù)據(jù)。表3.1I/O分配表輸入輸出啟動停止復位溫度傳感器CIP急停UHT來的信號灌裝機信號00000000010000200003000040000500006啟動準備空壓機運行運行燈進料電磁閥滅菌狀態(tài)燈冷卻狀態(tài)燈010070100201004010001010010101UHT/CIP狀態(tài)非UHT/CIP非UHT/非CIP報警燈10102101031010410106本控制中共有六種狀態(tài)，其關系及順序如圖3.l。圖3.1控制順序圖其中UHT灌裝、非UHT灌裝、非UHT非灌裝為三種并列關系。按照以上的關系以及控制需求，采用順序控制。對功能圖進行說明：首先對SD，QD，T進行初始化，在啟動非急停的情況下，通過中問繼電器M0.0，進入狀態(tài)1：滅菌狀態(tài)的閥相應打開，T37延時接通。當罐體外的溫度達到115.C時，溫度傳感器10.3接收到信號，通過中間繼電器M0.1，有蜂鳴器Q1．6和報警燈Q2.O輸出。同時T38延時接通，通過中間繼電器MO.2，進入狀態(tài)2：冷卻狀態(tài)的閥相應打開，T41延時接通。當T41接通后，UHT有信號10．5，灌裝機有信號10．6，進入狀態(tài)3：T42延時接通后，UHT/FILL的閥相應打開，液位低傳感器10．2接收到信號后，攪拌器Ql，7開始攪拌；液位高傳感器10．1接收到信號后，T45延時接通，通過中間接電器M0．7，就有QO．1，QO．0，QO．2，Q1．0，Q1．5相應打開。當T41接通后，灌裝機有信號10．6，進入狀態(tài)4：T46延時接通后，UHT/FILL的閥相應打開，液位低傳感器10．2接收到信號后，T48延時接通后，攪拌器Q1．7開始攪拌。當T41接通后，灌裝機沒有信號10．6，UHT沒有信號10．5，進入狀態(tài)5：T47延時接通后，非UHT/非FILL的閥相應打開。經(jīng)過狀態(tài)3、4、5后，T37延時通或按下tip按鈕，通過中間繼電器M1．2，就進入狀態(tài)6：CIP的閥相應打開，T49延時通后，返回初始化下一個狀態(tài)。4.2滅菌機控制程序分析(1)當按下通入物料開關0.00按鈕時，開始進料，使得W0.00通電，之后使W0.00的繼電器帶電，開光W0.00閉合通電，啟動燈100.07亮，為啟動準備狀態(tài)。如圖3.2。圖3.2啟動準備（2）W0.00繼電器帶電，常開開光W0.00帶點，開始開始滅菌，延時20秒，同時物料進入滅菌罐內(nèi)，進行滅菌，物料進料時間為20秒，20秒之后顯示高液位，空壓機運行，Q100.02通電，使其常開開光常通電，關閉進料電磁閥，光比電磁閥延時為2秒。如下圖3.3所示。圖3.3進料完畢溫度檢測(3)空壓機運行，開始進行罐內(nèi)溫度檢測，進行檢測延時10秒，10秒以后TIM0001繼電器通電，燈0.02亮表示開始檢測溫度，由于0.01通電狀態(tài)，機器檢測溫度中機器停止，檢測溫度時間為30秒。如下圖3.4所示。圖3.4進行溫度檢測延時（4）運行狀態(tài)燈亮，進料電磁閥關閉狀態(tài)，滅菌罐內(nèi)液體顯示高液位，啟動開關復位，無菌罐處于滅菌狀態(tài)，延時為40秒，滅菌完畢后10001帶點閉合，進行殺菌溫度檢測，檢測完畢后溫讀檢測復位，滅菌罐輸出電磁閥打開。此時滅菌罐冷卻開始。如下圖3.5所示。圖3.5溫度檢測(5)輸出線圈10105帶電閉合，滅菌機開始判斷屬于哪一種狀態(tài)，線圈00004為UHT信號，00005為CIP的信號。當0.04帶電常開開關閉合0.05帶電閉合時為UHT/CIP狀態(tài)，當0.04常閉開關帶電斷開0.05帶電閉合時為非UHT/CIP狀態(tài)，當0.04常閉開關帶電斷開0.05常閉開關帶電斷開時為非UHT/非CIP狀態(tài)。此時并就行輸出延時，延時時間為30秒，如下圖3.6。圖3.6無菌機判斷狀態(tài)(6)溫度檢測線圈帶電閉合，開始檢測滅菌灌內(nèi)的壓力，當壓力過高時報警，同時檢測滅菌罐內(nèi)的液位液位過高或者過低時都都報警，在運行狀態(tài)下對滅菌罐內(nèi)進行檢測并且延時，當滅菌時間過長，罐內(nèi)溫度過高，壓力太強時自動進行報警。此時按下緊急停止按鈕滅菌罐緊急停止，如下圖3.7。圖3.7滅菌罐進行多項檢測(7)全部檢測完之后按下復位開關0.02，無菌機各項報警全是復位此時無菌機停止工作，此時滅菌全部完成，如下圖3.8。圖3.8一個循環(huán)結(jié)束復位

4組態(tài)畫面功能分析4.1組態(tài)軟件的介紹組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)軟件，是現(xiàn)代新型的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，以標準的工業(yè)用PC機軟、硬件平臺構成的系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的系統(tǒng)。此軟件具有適應能力強、開放性能好、易于進行本省擴展、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通?？梢园阉到y(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的開發(fā)分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)設計。軟件也為試驗者提供了可視化監(jiān)控界面，有利于作業(yè)者實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設備驅(qū)動程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。使用組態(tài)王軟件開發(fā)具有以下幾個特點：(1)實驗全部用軟件來實現(xiàn),只需利用現(xiàn)有的計算機就可完成自動控制系統(tǒng)課程的實驗,從而大大減少購置儀器的經(jīng)費。(2)該系統(tǒng)是中文界面,具有人機界面友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點。對用戶而言，操作簡單易學且編程簡單，參數(shù)輸入與修改靈活，具有多次或重復仿真運行的控制能力，可以實時地顯示參數(shù)變化前后系統(tǒng)的特性曲線，能很直觀地顯示控制系統(tǒng)的實時趨勢曲線,這些很強的交互能力使其在自動控制系統(tǒng)的實驗中可以發(fā)揮理想的效果。在采用組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)編制應用程序過程中要考慮以下兩個方面：圖形，是用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現(xiàn)場和相應的工控設備。數(shù)據(jù)，就是創(chuàng)建一個具體的數(shù)據(jù)庫,并用此數(shù)據(jù)庫中的變量描述工控對象的各種屬性，比如水位、流量等。連接,就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現(xiàn)場設備的運行，以及怎樣讓操作者輸入控制設備的指令。4.2組態(tài)圖形界面的設計本設計圖形界面為抽象的圖形畫面來模擬出在實際應用的無菌罐系統(tǒng)工作過程和所涉及的相應的設備。構造