在线清洗

1基于PLC在线清洗（CIP）系统的设计

摘 要：在乳制品加工过程中，传统的清洗消毒方法是手工清洗及消毒剂浸泡，在卫生及控制系统的操作方面都不能达到高标准的要求。从而提出了基于PLC的在线清洗【1】（CIP）控制系统设计想法。在线清洗指的是无需拆卸任何工艺设备，对现场清洗液的温度、流量、压力及浓度进行精确的控制。基于PLC的在线清洗控制系统已应用在天津伊利股份有限责任公司奶站管道清洗的生产线上，提高了生产线的自动化程度，清洗效果和清洗效率得到了明显改善。

关键词：在线清洗; PLC; 温度；

中图分类号：TD76 文献标志码：A

On-line cleaning control system

Abstract: In the process of dairy products processing, the cleaning and disinfection of traditional way is to

manually cleaning and disinfectant soaking, in the health and operation of the control system can meet the required standards. So as to put forward the on-line cleaning (CIP) control system based on PLC design ideas. On-line cleaning control system based on PLC has been applied in TianJin Yili milk shares limited liability company stand pipe cleaning production line, enhance the automation of the production line, the cleaning effect and the efficiency has been improved significantly.

Key words: online cleaning; PLC; Temperature

0 引 言

众所周知，中国庞大的奶粉市场一直为国外品牌所垄断，特别是在高端市场，洋品牌占据绝对的优势。同时，国外知名奶粉品牌在发达城市明显领先，占有绝对的领导地位。2008年，由于三聚氰胺事件，使得国产奶粉受到了严峻的考验。“三鹿”婴幼儿奶粉事件发生之后，国家迅速出台了一系列的政策法规

【2】

，包括《奶业整

顿和振兴规划纲要》、《食品安全法》、《乳品质量安全监管条例》、《乳制品工业产业政策》等，对整个行业进行整改，为中国奶业的发展指明了方向。作为一个奶业生产大国，我国的奶业机械化程度却是一个小国。近年来，奶站的自动化挤奶设备得到了迅速发展，但挤奶设备清洗控制系统的发展却远远落后于其它奶业生产大国。奶站全自动清洗控制系统的研究是一个新领域，也迫在眉睫。

1 在线清洗系统的工艺设计

奶站挤奶设备每次在挤奶前和挤奶后必须清洗干净。挤奶设备的清洗有预清洗、碱洗、清水冲洗、酸洗、清水冲洗五个过程。如下图所示：

预清洗碱洗预清洗清水冲洗酸洗清水冲洗图1.1 清洗过程

Figure 1.1 Cleaning process

奶站设备工艺流程如下：

收稿日期：2014–02–10

2 黑 龙 江 科 技 学 院 学 报 第19卷

去排污地 B1 Q真空泵挤奶机A2A1P2P1H2碱R酸L到液位Z2清洗泵EZ1B2到液位F清洗槽集乳罐G1 制冷储奶罐到液位吸乳泵循环泵排污地图1.2 奶站设备清洗工艺流程图

Figure 1.2 Cleaning process diagram of milk station equipment

2 在线清洗系统温度和压力的控制

在线清洗技术是利用水的溶解及冲刷作用、 热的作用以及清洗剂和灭菌剂的化学作用来清除设备上的附着物的。故清洗液的各项参数的变化会直接影响到清洗效果，影响这一过程的因素主要有温度和压力。 2.1 压力的PID控制

在一定范围内，清洗液的压力越大，其冲击力越大，清洗作用越强，如果清洗压力太大了，清洗液的喷射呈现雾状，对被清洗设备表面的冲击效果不是很明显。喷射压力可分为高压（1.0Mpa）,中压（0.5-1.0 Mpa），低压（0.5 Mpa）。CIP 装置清洗工作压力是 0.15-0.3Mpa，属于低压范围。在此压力下，化学清洗其主要作用，喷射清洗为辅助作用。

在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。PID控制具有以下优点：

1、 原理简单，使用方便。

2、 适用性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种生产部门。

3、 鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。

基于此本系统地压力控制采用PID控制。

PID控制是一种负反馈控制。在负反馈控制中，自动调节器和被控对象构成一个闭合回路。在连接成闭合回路时，可能出现两种情况：正反馈和负反馈。正反馈作用加剧被控对象流入量流出量的不平衡，从而导致控制系统不稳定；负反馈作用则是缓解对象中的不平衡，这样才能正确地达到自动控制的目的。

DGd(s)yr-eGc(s)uGp(s)第1期 作者姓名：题名 3

图 2.1生产过程简单控制系统方框图

Figure 2.1 production process simple control system block diagram

图 2.1是一个生产过程的简单控制系统方框图，其中 Gp(s)是包括调节阀、被控对象和测量变送元件在内的广义被控对象的传递函数； 虚线框内部分是调节器Gc(s)。注意，按仪表制造业的规定，进入调节器运算部分的偏差信号 e定义为

e=y-r 2-1

式中 r 为设定值，y 为被调量的实测值。

为了适应不同被控对象实现负反馈控制的需要，工业调节器都设置有正、反作用开关，以便根据需要将调节器置于正作用或者反作用方式。所谓正作用方式是指调节器的输出信号 u 随着被调量 y 的增大而增大，此时称整个调节器的增益为“+” 。处于反作用方式下，u随着被调量 y 的增大而减小，调节器的增益为“-” 。这样，负反馈控制就可以通过正确选定调节器的作用方式来实现。 对于一个具体给定的广义被控对象，这个选定的方式只是一个常识问题。假定被控对象是一个加热过程，即利用蒸汽加热水使之自动保持在某一设定温度上。 如果蒸汽调节阀的开度随着控制信号 u的加大而加大， 那么就广义被控对象看， 显然介质温度 y 将会随着信号 u的加大而升高。如果介质温度 y 降低了， 自动调节器就应加大其输出信号 u才能正确地起负反馈控制作用，因此调节器应置于反作用方式之下。

反之，如果被控对象是一个冷却过程，并假定冷却剂调节阀的开度随着 u信号的加大而加大，那么被冷气质温度将随着信号 u的加大而降低。在这个应用中，调节器应置于正作用方式下。

此外，调节器的正，反作用也可以借助于控制系统方框图加以确定。当控制系统中包含很多串联环节时， 这个方法更为简便。在方框图中，各个环节的增益有正有负，负反馈要求闭合回路上所有环节（包括调节器的运算部分在内）的增益之乘积是正数。图2.2中画出了上述压力控制系统方框图，其中 K，Kv 和 Km分别代表被控过程，调节阀和测量变送装置的增益，Kc 代表调节器运算部分的增益，u为调节阀的开度，ym 为被调y的测量值。注意，调节器置于正作用方式时，Kc为负，反之Kc为正。在该例子中，K，Kv和Km 都是正数，因此负反馈要求Kc为正，即要求调节器置于反作用方式。

图2.2压力控制系统方框图

Figure 2.2 Pressure control system block diagram

2.2 在线清洗控制系统 PID控制器

在线清洗控制系统压力控制系统中，我们希望将输出压力保持在某一恒定值上。系统的扰动量是输入的流量变化，在系统中包含时间延迟，所以流量变化的影响不能在输出端上立刻感受到。

r-eGc(s)uGp(s)uGd(s)ynGd(s)

2 黑 龙 江 科 技 学 院 学 报 第19卷

在误差信号产生之前，温度控制器不产生控制作用。如果系统包含大的时间延迟，则任何校正作用只能在某段时间以后方能发生。事实上，只有在一定的延迟时间以后，误差信号出现时，校正作用发生，这时输出温度也延迟一段时间，方能保持在希望的范围内。

采用了 Siemens S7 的 PID 控制器 FB “CONT_C”功能块，基本达到的对温度的控制要求，图2.3为从监控界面取得的温度控制设定值、过程值和输出调节值的趋势图。

图 2.3 PID控制器设定值、过程值和输出调节值趋势图

Fig 2.3 PID Controler Setpoint, Process Value & Manip. Variable Diagram

2.3 温度的模糊PID控制 2．3．1 PID控制系统结构设计

现场许多工业过程的内在变化机理都非常复杂,往往并不完全清楚,这就难以用数学推理方法建立过程的数学模型，而本控制系统的温度是存在着不确定性、高度非线性性等特点确、方便采用模糊控制。

自适应模糊PID控制器以误差e和误差变化率

作为输入可以满足不同时刻的e和

对PID参数自整定的

要求。利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改,便构成了自适应模糊控制器,其机构如图2所示

图2.4模糊控制结构图

Figure 2.4 The chart of fuzzy control

【3】

，很难确定其工作模型，为了控制准

模糊推理+-ede/dteckpkikdPID控制器对象