果冻生产过程中自动控制系统的研究

周立雄

（广州奥科自动控制设备有限公司，广东广州510650）

果冻生产过程中自动控制系统的研究

周立雄

（广州奥科自动控制设备有限公司，广东广州510650）

针对果冻生产过程的自动化水平不高，劳动强度大，产品质量不稳定等问题，通过研究果冻生产装备、工艺流程，对果冻生产过程中物料计量、煮料、调配、储存和充填等主要工序进行合理的单元划分，设计出由上位管理计算机、西门子可编程控制器、现场触摸屏、现场测控设备等4部分构成的自动控制系统，对各单元操作中的工艺参数进行现场检测、计量和控制，实现了果冻生产管控一体化。

果冻，工艺参数，可编程控制器，自动控制系统

果冻，又名啫喱（英文Jelly的音译）。应用果冻粉制作清凉的冷冻果冻，早已在欧、美等国家、地区的餐厅和家庭流行。改革开放后，随着我国家庭电冰箱拥有量不断增多，果冻粉进入普通家庭用于自制果冻[1]，果冻粉的生产、销售迅速增长。1981年广东省一些生产果冻粉的企业开始同时生产果冻，果冻产品迅速挤占果冻粉的市场并发展成工业化市场的休闲食品[2]。1985年我国引进了第一条果冻生产线，之后通过不断的消化吸收再创新，生产设备、生产工艺水平逐年提升。目前我国果冻的生产装备、包装器材、生产原料已实现了国产化，成为世界上花色品种最多、产量最大的果冻生产国。

我国的果冻生产装备、技术虽然取得了显著的进步，但依然存在生产过程的自动化水平不高、用工多且劳动强度大、产品质量不稳定等问题。提高果冻生产的自动化水平已成为进一步促进我国果冻产业发展的重要课题。

本研究在承担多家果冻制造企业的生产过程自动控制系统建设工程技术项目中，通过对果冻生产装备、工艺流程的研究，在对主要工序进行操作单元划分的基础上，采用计算机控制系统和网络通讯技术对生产单元进行管理，大幅度提高了果冻生产自动化控制水平，最大限度地实现了果冻生产过程数据化、管理信息化、操作自动化。

1 果冻生产的工艺流程与生产设备

工业化果冻的生产过程分为原辅材料计量、煮料、调配、储料、充填等几个工序，其工艺流程如图1所示[3]。

图1 果冻生产过程工艺流程图Fig.1 Production flow chart of jelly

年产1万吨的果冻生产线的主要装备为：制水装置1套，纯水储罐1台，热水罐1台，溶糖罐2台，糖水储罐1台，糖浆储罐2台，煮料罐30台，调配罐5台，储料罐15台，CIP酸罐1台，CIP碱罐1台，CIP清水罐1台，充填机15台，胶体磨5台，板式热交换机1台，糖料提升机2台，双联袋式过滤器16台，泵40台，电机60台。生产规模不同的果冻生产线设备数量配制不相同，但皆应用上述装备。

2 果冻生产过程自动控制系统的设计

2.1 设计目标

果冻生产自动控制系统设计的目标为：

a.对液位、温度、压力和流量等物理量参数集中监控；

b.现场检测设备的精度要求在0.5%以下；

c.设置灵活的控制方案，实现调配、煮料过程的全自动控制和计算机遥测控制；

d.设计合理的连锁报警机制，确保设备、人员、操作的安全；

e.对各种物理量进行实时数据采集、显示以及历史数据的查询；

f.采用全中文操作系统和监控画面，界面直观、操作简单；

g.具有工业网络和商业网络数据传输接口，实现生产信息化的集成。

为达到上述目标，根据果冻生产过程，对物料计量、煮料、调配、储存和充填等主要工序划分为5个独立单元操作。检测和控制的参数主要包括液位、温度、压力、流量、物料传送泵和各类电机及阀门，形成热阻信号输入点86个，4～20mA模拟量输入点30个，开关量输入点80个、开关量输出点80个。

2.2 系统硬件结构

根据设计要求，将控制系统进行分散处理，5个独立单元之间利用现场触摸屏（HMI）相互切换。这样，一个单元出现故障时不会影响其他单元的正常操作，而各个单元之间又能进行数据交换，实现了操作分散、管理集中的目的。

本设计的控制系统结构如图2所示。采用集散控制系统结构，由中央控制计算机、可编程控制器（PLC）、触摸屏、通讯网络等构成。

图2 控制系统结构图Fig.2 Structure graph of the control system

图2下层需监控的设备包括制水装置，原料处理设备，煮料装置，调配装置，储料装置，充填装置，CIP清洗装置等。需实时显示的参数有：温度、压力、流量、液位、蒸汽角座阀控制、气动蝶阀控制、输液泵控制、提升电机及搅拌电机控制等，以上参数由相对应的传感器及执行装置反馈提供。

中央控制计算机（上位机）协调整个系统正常运转，完成系统运行状况的监测、下位机工作参数的设定与修改、配方管理、系统自动控制等功能。PLC（下位机）在中央控制计算机的协调下协同工作，实时采集数据、控制下层各设备工作，从而使果冻生产按既定生产工艺规程完成。

2.3 系统软件设计

2.3.1 人机界面 上位机人机界面是利用组态王提供的丰富的绘图工具以及图库提供的模型，加上程序设计的配合，可以使监控画面很好的模拟现场实际，同时把需要监控的变量显示在画面上。主要制作的画面有主画面、系统总画面、参数设定画面、配方管理画面、历史趋势记录画面、报警汇总记录画面。主画面是系统启动后自动弹出的画面，主要用于用户登录后切换至其他画面；系统总画面为操作者提供现场各设备的状态及运行参数，以判断系统运行是否正常，并为操作者的操作提供依据；参数设定画面是为系统自动运行前设置合适的参数，为操作者提供一个远程设定参数的接口；配方管理画面为工艺工程师提供配方的编辑、修改与保存[4]；历史趋势记录画面可以观察运行参数的变化趋势、当前值、历史记录等，为进一步的事故分析提供依据；报警汇总记录画面提供系统在运行过程中出现的故障及报警情况[5]。

现场HMI触摸屏画面由西门子公司WinCC flexible 2008软件编辑，具备过程可视、现场操控、显示报警、过程值归档和报警记录及参数管理功能。在本系统中，配方调用、手/自动系统的现场操作均在现场触摸屏上完成[6]。

2.3.2 PLC程序设计 PLC控制器（下位机）采用西门子公司S7-200系列，由STEP-Micro/WIN软件进行组态和编程，具备为功能模块和通讯处理器赋值参数、逻辑运算、全局数据通讯、数据传送、组态连接等功能，现场所有测控设备的运行均直接由此调配和指挥[7]。

2.3.3 通讯 在设备连接上，现场测控设备直接通过DI、DO、AI、AO与西门子公司S7-200系列PLC相连，完成对现场的测控，同时PLC在与“组态王”通过Profibus通讯时并与HMI通过PPI通讯，这样便实现了系统间数据的全防伪有效交换。

3 系统功能设计

3.1 计量系统

计量系统由卫生级电磁流量计、涡街流量计及相应的卫生级气动调节阀等构成，完成果冻生产所需的各种原辅材料的准确计量。

3.2 煮料系统

果冻生产的煮料系统包括依据生产品种调用工艺配方、加糖、加胶、煮料、排料等步骤，可按客户需要采用全自动、半自动和手动操作，全自动状态下，现场触摸屏煮料操作界面如图3所示。

在图3画面中，轻触右上框中的“加胶”按钮，系统自动打开加水工艺相应的阀门对该煮料罐进行加胶，这时画面底部的标签显示“1#线1#罐正在加胶体溶液”以提示操作员，加胶完成后自动关闭相应阀门；轻触“加糖”按钮，系统自动打开加糖浆工艺相应的阀门与搅拌电机对该煮料罐进行加糖浆，这时画面底部的标签变为“1#线1#罐正在加糖浆”，该操作完成后自动关闭相应阀门；轻触“煮料”按钮，系统在配方设定的温度下，自动煮料和搅拌；煮料完成后，轻触“排料”按钮，系统自动打开排料工艺相应的阀门、抽料泵等将该煮料罐内的料液打入调配罐，同时画面底部的标签也会随之改变，完成后相应阀门、泵自动关闭。

Study on the automatic control system of jelly manufacturing process

ZHOU Li-xiong
（Guangzhou AOKE Automaic Contral Equipment Co.，Ltd.，Guangzhou 510650，China）

The purpose of this research was to solve the existing problems in jelly manufacturing process，such as low automation，high labour irtensity，unstable quality and so on.The production equipments and technological processes of jelly were studied.We classified the main procedures reasonably，including materials measured，cooking，blending，storage and filling，and designed an automatic control system consisting of upper management computer，Siemens programmable controller，on-site touch screen and on-site monitoring equipment，which could test，measure and control on site the parameters in each unit operation，integrating production and control.

jelly；technical parameter；programmable controller；automatic control system

TS206.5

A

1002-0306（2014）04-0285-03

2013－08－16

周立雄（1964-），男，工程师，研究方向：生产过程自动化。