关键词：三级网络 自动控制 无扰切换

一、引言

为了在激烈的乳品市场竞争中占据领先地位，某乳品制造公司决定对其现有运行的设备进行扩建和改造。此 次自动化系统改造的工作包括：扩建两条原奶收奶生产线系统，改造和增加标准化车间的输奶工艺管线，增加两台净乳机（分离机），添加调配和存贮罐，以提高整 个标准化生产车间的能力，相应增加CIP清洗的线路。此次改造的基本指导思想：既要采用目前较为流行的自动化控制技术，又要充分利用现在使用的PLC-5 可编程序控制器，同时又不能影响生产的正常进行，实现无扰切换。

根据国内、外同类系统的结构和设计经验及实际的工艺控制要求，控制系统采用美国罗克韦尔自动化公司 ControlLogix5550 DCS系统。包括槽车收奶—净乳和分离—成品奶传送配制—服务系统（制冷和CIP）工艺参数的检测、设置、指示报警和调节控制功能均由系统完成。系统采用 罗克韦尔自动化的三级网络，信息层采用以太网（EtherNet）实现系统数据交换；中间为控制层（ControlNet、DH+）负责系统通讯；底层是 设备层，网络连接就地设备，如阀箱、变频器等。为提高生产效率，工艺过程优化，降低成本，分析各种操作，安全生产打下基础。

二、过程控制计算机组成

本系统由4套ControlLogix和2套PLC5、2个计算机操作站和1个工程师站和一台服务器 通过网络组成。主要完成鲜奶的收储、运奶槽车的清洗（CIP TANKER）、净乳和分离及各种奶产品在湿区原料罐的配比等控制，标准化生产管线和中转存贮罐（CIP HOT ，CIP COLD）的清洗，为干区的奶粉生产作准备。

工程师站可以通过网络对网络上任一台PLC控制站上进行软件编程、组态、下载和在线调试。操作员站通过EtherNet网络与PLC系统通讯，实现对生产过程的监控功能。由于两个操作员站连接在EtherNet，可以实现分工控制并且在故障发生时，另一台可代其操作。

服务器安装RSSQL和MSSQL 软件，可采集各个操作站数据，对数据按要求进行处理后，可以实现与上位机的快速大量的数据交换，以供下一步操作。

系统功能：整个系统功能实现乳品厂湿区从收奶开始，直到奶粉原料配比结束的工艺流程控制。其中包括： 收奶、净乳、标准化和CIP清洗。程序设计采用顺序控制技术，程序严格按工艺设计的步骤执行，并实时检测每个阀门和泵的状态，如有故障发生，程序会产生报 警信号，同时连锁相关的阀门和泵动作，保证系统的安全运行。

2．1 收奶PLC

对五条收奶线运奶槽车鲜奶进行收入计量，每条收奶管线现场均有终端显示操作器PanelView ，通过PanelView进行收奶每一步操作的设置，其中包括：槽车号、合同号等，通过DeviceNet网送到 PLC备档，鲜奶经过冷换器后，储存在鲜奶罐中。

2．2 净乳机PLC

根据不同的产品要求，对原奶进行净乳、分离和灭菌控制，作为标准化生产的原料。净乳机的工艺过程设 置，主要由五个部分组成：启动、预热、循环、生产、CIP(cleaning in place)等组成。净乳机PLC完成四台净乳机（分离机）的工艺控制，在这五种状态下，包括进料和出料阀门的控制，排渣时间设置和控制输出及平衡罐的调 节控制。

2．3 标准化PLC

根据奶粉产品配方要求，在标准化车间进行不同原料的计量配置设定，选择管线组合进行等量传送。并按照工艺的要求配合CIP COLD（HOT）进行相关管道阀门和泵的开启，完成管线清洗。

2．4 CIP TANKER PLC

完成对送奶槽车的清洗，工艺包括清洗药液碱罐、清水罐、循环水罐及相应管线上阀门和电机，这三个罐作 为五条管线上的槽车清洗动力源泉。每条收奶管线现场均有PanelView，通过终端显示操作器PanelView进行CIP TANKER每一步操作的设置，通过DeviceNet送到 PLC，完成每一步清洗操作相关阀和泵的控制。主要控制5条收奶线运奶槽车的清洗，罐自动补液控制及液位检测告警。对阀和的泵的状态进行实时的故障检测， 并根据故障的类型，在CIP过程中采取对阀和泵不同的控制操作。

2．5 CIP COLD (HOT) STATION

鲜奶、脱脂奶罐和管线用CIP COLD进行清洗；奶油罐和管线的清洗需要更高温度的水和清洗剂,采用CIP HOT，工艺情况与CIP TANKER PLC基本相同，清洗药液酸罐、碱罐、清水罐、循环水罐，这四个罐作为五组组合管线的清洗动力源泉，但需要清洗的管线数比较多。根据标准化传输和收奶管线 的不同，每组又由多条管线不同组合而成，由CIP COLD (HOT) STATION与收奶PLC、标准化PLC之间进行通讯来完成管线和罐的清洗，进行相关管道阀门和泵的开关，PLC采用PLC5-/40、PLC5- /60。

三、控制系统的特点

3.1 ControlNet

ControlNet网络是新一代自动化控制网络，满足IEC61158 国际工业现场总线标准，它提供了一种在PLC之间，PLC与MMI操作站及I/O子系统之间实现高速的，可冗余的通讯方式，它可以支持多达99个节点，最 大网络距离20KM，它可以连接总线型、树型、星型及混合型等不同的网络拓扑结构。通过ControlNet可以在单一网络上完成关键性数据传输、I/O 更新、处理器互锁、对等通讯等功。Producer/Consumer 通讯模式可以使不同的处理器之间，进行信号交换，I/O数据可以同时被多个设备共享。扩展模块及远程I/O模块可直接挂在ControlNet上，使控制 模块最可能接近现场检测元件，减少检测、控制信号的衰减、干扰，同时节约电缆，便于维护。PLC通过ControlNet连接主控设备 ControlLogix、PLC5等。

3.2 EtherNet

EtherNet网络是在操作站与服务器之间通过TCP/IP组成的Windows NT网络，具有数据、文件共享的能力，通过统一的数据库接口（ODBC）使各操作站的历史、实时数据和文件集中管理，便于生产调度。可进一步实现一体化

3.3 DH+

是一种局域网，用于支持工厂应用工程的远程编程，也可以通过DH+在可编程序控制器、计算机、人机界 面等之间进行数据传递。所有的增强型PLC-5等都具有内置的DH+通讯接口。DH+网络的每一个链路路最多可以连接64个设备。可用于湿区连接区域内现 场监控设备PanelView、PLC-5和ControlLogix PLC。

3.4 DeviceNet

DeviceNet网络是一个开放的、进行低层通讯的一种连接，它用于连接简单的、工业用的设备与高级设备之间的连接。DeviceNet具有互用性、公共网络、低廉的维护费用、节省的网络布线等特点。连接远程FLEX I/O ，控制现场阀箱和变频器。

从DeviceNet到DH+、ControlNet再到EtherNet改造后的自动化系统具备清晰的结构和功能分级，提高了通讯速度。湿区的控制数据和信息都通过三级网络及各级网络接口集成，并传送到各级管理和生产部门。

四、设计实现

罗克韦尔自动化的三层化网络结构使改造与新增的自动化功能构成统一的结构。在设备层，采用具有 DeviceNet接口的设备，降低了成本，减少布线，安装方便；在控制层，系统实现实时I/O控制、联锁和状态传送，从而保证了控制数据和信息的实时性 和稳定性；在信息层，将控制数据通过网关，连接至企业的信息系统。

4．1 人机交互界面

乳品生产的特点是设备较多，控制距离远，电磁环境较差，因此对控制设备的联接通讯和操作员界面要求苛 刻。本次改造中标准化控制中心调度监控系统的改造采用InTouch7。1监控软件与ControlNet 通讯模式，实时监控的系统，具备生产管理功能，对湿区各主要生产环节及辅助环节的生产过程实时数据采集、选择、操作、传输、配料、清洗、显示、打印；上位 机采用DELL计算机，提供友好的人机界面和方便的操作方式。画面包括：净乳机、各CIP站、收奶、标准化流程画面、操作画面、调节画面、趋势画面、报警 画面、分组画面、报表画面。

4．2 通讯网络

由于PLC网络中采用了以太网网络技术，因此许多PLC产品都支持以太网的TCP/IP通讯协议，它 们能将控制系统与信息管理系统集成起来，通过以太网网络，用于监视可编程序控制器内存储的各种数据，这样的数据用于数据采集、监控、生产管理、设备维护、 生产流程及物料配比等，同时，TCP/IP协议可以使计算机访问使用结构化语言（SQL）的开放型数据库，便于存贮和查询和报表形成。

4．3 无扰切换投入

鲜奶不易保存，为了不影响生产的正常连续进行，我们在项目的实施过程中，采用“无扰切换投入”方式。 CIP COLD PLC 在原来生产中，只有A、B、C、D四组主干管线，此次扩为五组，每组线组合方式与原来也不同，并且每组的所包含的分支组合也有所增加，给扩建控制站投入带 来很大困难。

根据其管线和工艺特点，我们充分利用通讯网络资源。在通讯DH+网络接点上，建立一个新的PLC-5 站；用新的管线组合选择来进行软件编程和上位机、其他控制器之间的通讯，在此PLC上进行程序逻辑控制，将程序输出的自动控制位上临时屏蔽，通过网络通 讯，软件用 MSG指令进行通讯，将自动控制位传输到原来的PLC站上，而此PLC只执行输出动作，没有逻辑控制，只相当于一个“I/O”设备，实现I/O转换；随着 工艺管线增加，程序的I/O控制点逐步与实际新的I/O相对应，原有PLC的功能被新的PLC代替，实现逻辑切换。完成无扰切换后，将旧的PLC的程序部 分修改，改造成为CIP HOT STATION控制站，实现新控制站投入。

五、结束语

经过本次扩建和改造，整个湿区的自动化控制系统实现较为全方位自动化，数据集中监控和管理的信息化。此自动化系统改造的成功使它成为亚洲乃至世界上的现代化乳品企业。同时，增强了企业的市场竞争能力，并在世界乳品市场的激烈竞争中获得成功。

参考文献：

1. 可编程序控制器系统. 浙江大学罗克韦尔自动化技术中心. 浙江大学出版社, 2000.3
2. 可编程序控制器系统编程. 应用和维修. 清华大学出版社, 1995

作者简介

赵群（1966-），男，高级工程师，主要从事过程项目的设计和研发工作。