PLC在食用油加工的应用.doc

PLC在食用油加工的应用及关键信息导出杨延迅1（西南大学 食品科学学院 重庆 北碚400715）摘要：就可编程控制系统（Programmable Logic Controller，PLC）在食用油生产加工领域的应用做以探究，就其系统的基本组成、控制方式、配置和功能做了详细的阐述。目的在于从PLC实现液位和温度的参数设置、实时动画显示、趋势曲线、数据库查询输出，将其数据作为食品可追溯参数指标，便于我们粮油加工业的同行们使用二维码或其他方式推广使用。关键词：PLC；食用油加工；自动监控；数据输出；可追溯体系中图分类号：TS20 献标识码：AThe application of PLC in edible oil processing and its key information outputtingYANG Yan-xun(College of Food Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, China)Abstract: This article is to study the application of Programmable Logic Controller (PLC) in the field of edible oil production and specifically describes in details the basic components of the system, the controlling mode, configuration and functions. The Aim is by using the PLC to set the liquid level and temperature parameters, display real-time animation and trend curves; querying database and outputting the data you want can be accomplished. These data used as parameter index in food traceability can facilitate our grain and oil processing industry companies to use the two-dimensional code or promote other means.Keywords: PLC; edible oil processing; automatically monitoring; data output; traceability system引言随着工业技术的不断提升，工业生产过程控制系统己从过程的热工量控制发展到产品质量的在线监控、设备运行的动态检测，生产状态的监控以及设备间的协调控制。新型工业控制系统更多是从大系统角度，针对冶金、炼油、电力、石油、化工，建筑材料等连续生产过程设计的。伴随着高温、高压、高速的工艺要求，自动化系统成为确保安全、保护环境、节能降耗、提高质量和效率的重要装备。很多生产环节非人力能胜任，非自动化不足以保证安全和确保质量，所处理的已不仅是单参数系统，有些是非线性问题，时变参数问题以及随机过程控制问题。经典控制理论，以模拟量为主的调节系统已不能满足生产需要，代之以状态空间方法的近代控制理论，较多的采用数模结合的数字系统，比如集散系统、分散系统、新一代可编程控制系统、工业控制计算机组成的系统，以及近年来实现的双向多变量数字通信1。并将控制回路下载到基层的现场总线技术。就目前粮油加工业而言，基于监控计算机（supervisory control computer）、可编程控制器（PLC）、人机界面（Human Machine Interaction，HMI）、智能仪表、工业通信网络DCS（distributed control systems, DCS）和现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）的自动化已成为现代工厂的技术支柱。据统计：全球近年发运的PLC中按最终用户分：汽车占23、粮食加工占164、化工占146、金属矿山占115、造纸占113、其他占232，可见粮食加工业PLC 系统的应用仅次于汽车行业居第二领域2。目前我国在石化、冶金、电力、化肥等行业已完成了原有继电器控制系统的自动化升级，相比之下相对落后的粮油加工（大米加工、面粉加工、油脂加工、饲料加工）行业是在20世纪90年代初从国1作者简介：杨延迅（1986-），男，硕士研究生，食品加工与安全，E-mail：coriander_外成套引进加工生产线后，以PLC、工控机（Industrial Personal Computer，IPC）为核心的自动控制和管理系统才逐步为业界所了解和推崇。科技的迅猛发展有力促进了粮油加工业的技术改造，粮油加工企业在重组改制中逐步向规模化、现代化发展，粮油加工向精加工、深加工发展。特引人注目的是PLC可编程控制技术在粮油加工业的技改和新建项目中广泛应用。PLC控制取代了继电器控制；计算机键盘取代了按钮开关；工艺流程的计算机终端动态显示取代了模拟屏显示； IPC与集散控制网络使整个生产线处于计算机控制和管理下，彻底改变了传统粮食加工的落后面貌，成为行业发展趋势和方向3。PLC可编程控制技术在食用油加工业的应用，它在保证产品质量和出品率的稳定，保证设备的效能和工艺效果的稳定，提高生产运行安全可靠性，降低操作管理人员的劳动强度，减少生产人员提高劳动价值，实现生产管理的现代化发挥了积极作用4。很值得同行们研究和借鉴，更值得在食用油加工业推广使用。这一技术在我们重庆市红蜻蜓集团的油加工厂已使用多年，效果很好。但将其数据导出，用于二维码生成，以作为建立食品可追溯体系的重要参数，还有待开发和研究。1 食用油生产线的工艺过程食用油油生产线一般采用压榨法或浸出法生产工艺。以大豆为例，进入车间的原料大豆经过清理和比重去石先除去杂质、并肩石，然后利用大豆分级筛对清理后的大豆进行分级，将不饱满、破损或霉变的大豆分离出去，分离后的高质量大豆作为加工大豆油的原料。压榨：在各个环节对大豆处理的程度对后续工序起着至关重要的意义，主要是对加热温度、湿度的控制以及对压胚质量的控制，在此过程中用到了大量的PID算法，以及其他对模拟量处理的算法，所以对PLC的浮点运算能力要求很高。浸出：首先，由预榨车间过来的白豆片浸入出器，用浸出溶剂正乙二氨将大豆中的油脂浸出，由浸出器出来的物质分成两种形态，一种是液体，一种是固体。其中液体是正乙二氨和油的混合物，这些混合物进入蒸发塔进行三次蒸发，这样便把正乙二氨从油脂中分离出来了5。而固体则是混有正乙二氨的大豆蛋白，这些大豆蛋白经过低温脱融或是高温脱融后便成了蛋白含量大约50%的食用蛋白。这则是根据客户的要求来进行处理，如果需要更高含量的蛋白，则需要到大豆浓缩蛋白（soy protein concentrate，SPC）车间进一步加工。用一个直观的图表（见表1）来描述浸出车间的概况。表1 大豆油浸出工艺流程 2 食用油生产线控制系统的体系结构和总体设计食用油生产的连续性强，工序多、工艺复杂。因为现场设备、IO点多、分布广，通讯数据量大，所以在最底层的设备层中采用了现场总线的技术方案。这样就可以充分发挥现场总线技术的优势和特点，减少大量隔离器、端子柜、IO模块、电缆和电缆桥架，提高信号的测量、传送和控制精度，增强控制系统运行的可靠性、稳定性和安全性。对于数量众多的各种类型电动机采用马达电动控制中心MCC（MOTOR CONTROL CENTER，MCC）控制，它采用交流低压配电柜GGD结构，具有上、下进出线功能，通过内隔离结构的电缆桥架完成电力电缆与控制电缆的隔离、敷设，使用MCC柜可实现电动机的运行监测、自动顺序启停及其综合保护等。自动监控及管理系统由计算机、可编程控制器（PLC）、检测传感器、电机控制中心（MCC）组成。系统采用RS485远程测控系统结合传统的分布测控系统特点，个人电脑（personal computer，PC）作上位机，PLC、电子流量计、称重模块作下位机。主机的RS232串口经外插式RS232RS485转换器变成RS485数字信号总线，上位机和下位机通过RS485数字信号总线进行串行通信，通过PLC扩展以太网通讯处理器CP4431可与上位机相连上位机选用嵌入式一体化工控机，使用传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）TCP正确性证明（Correctness Proofs，CP）CP通讯协议通过以太网交换机实现车间级与厂级、公司级的上层网络连接2，6。将工业以太网作为控制层的主干网，它作为企业局域网的组成部分接入企业的Intranet。可见，整条大豆油自动化生产线是一个比较典型的PLCPC现场智能仪表MCC的全分布式控制系统，可以实现整个大豆油自动化生产的管控一体化。这样，就可以将粮油加工企业的现场设备层、控制层、管理层集成起来，进行分散控制、集中控制和信息的综合处理7。大豆油生产线控制系统的网络拓扑结构如图1所示。图1 食用油生产控制系统的网络拓扑结构21 现场控制每台设备设置机旁开关，该开关有3档位置：手动控制档：当置于手动位置时，集控中心交出该设备控制权，操作者可在机旁直接启动该设备，它主要用来单机设备调试用；停止档：当置于停止位置时，该设备即不受集控中心控制，也不能手动启动，它主要在设备检修时用；自动控制档：当置于自控档时，设备由集控中心自动控制8。22 集控中心自动控制该功能为系统的主流控制方式，生产过程的控制由操作员站和PLC控制系统自动完成。23 手自/动转换系统的自动手动转换按钮在计算机界面上设置有系统的自动手动转换按钮，当其在手动状态时，只要点击某台设备，即可启动该设备，该功能主要用来系统的调试8。3 操作界面现场生产操作界面采用工控机（IPC）17吋显示屏，它负责处理现场与运行操作有关的人机界面，使操作员通过显示屏实时了解现场运行状态，各种生产数据的当前值以及是否有故障报警发生，并可对工艺生产过程进行控制和调节。监控计算机显示屏的主要功能9：能动态模拟显示各段工艺流程、生产报表、生产数据； 每幅画面都设置有操作按钮，如画面切换按钮，生产过程启停控制按钮，报警按钮，紧急按钮等；事件报警：生产过程中出现异常情况，自动报警并用文字显示故障类型，画面同时自切换至故障所在的流程画面；设备由静态到运行，画面模拟动画显示；权限管理：操作员只有在开机时输入正确的登陆密码后，才能进入运行状态；打印输出班报表、月报表；查询历史数据。监控计算机通过R232R485适配器通过双绞线连结到SZ4m的第一通信口，通信距离为1400m以内，工控组态软件采用北京亚控科技公司的组态王6.01。监控计算机的功能还兼有工程师站的作用，它能对下位机PLC的程序进行修改、配置。为了管理的需要，充分发挥电脑的资源优势，该系统在监控计算机建立了两个数据库： 生产数据库：（产量、出品率、电量、吨谷电耗、流量）。设备故障数据库：（设备过载、溢流、失速、仓空、仓满、故障恢复）。下位机PLC的生产数据和设备故障都实时记录并保存在监控计算机的数据库中，通过监控计算机可以很方便查询某年某月某时某秒的生产数据和故障发生的时间及恢复时间，并能生成各种生产报表打印输出。监控计算机既可远程监控，也可作为现场触摸屏设计来使用10。监控计算机可与单位的局域网相连，实现数据共享。图2 食用油浸出工艺工艺阶段监控图4 控制功能41 工艺流程启动工艺流程启动分工段进行，各工段可单独按工艺流程自动联锁启动，也可按工段由后向前自动联锁启动。各工段内工艺流程自动联锁启动，先启动相应的空压机，通风除尘系统，然后按物流逆向延时逐台启动各工艺设备3。42 工艺流程停止（1）正常停止。首先关闭所有放料气动门，然后按工艺顺物流方向逐台延时自动联锁停车， 最后停止除尘设备。（2）故障停止。当前端控制单元检测到设备故障时，如过载、失速，该段的放料气动门立即关闭防止堵塞，如果在3min内不能恢复故障，则自动停止该工段的其他设备。（3）紧急停止。系统出现紧急情况时，可通过操作界面的紧急按钮，立即停止所有运行中的设备，以保证系统和人员的安全11。43 料位器与流程联锁比重去石机、砻谷机、重力筛设备正常工作状态需要适合的物流量配合，用料位器及气动门的开度实现这一目标。当这些设备的进料斗下料位器动作时，这些设备即停运转，其他工艺设备保持工作状态，当物料达到要求高度后，重新启动这些设备运行10。在一个局部工段中，某一料仓的料满时（或者某一设备过载）该工段的放料门立即关闭，工艺流程仍保持工作状态，如果在3min内仍保持这种状态，将停止该工段设备的运行。如果在3min内，料仓料满信号取消（或者过载设备恢复正常）则放料门重新打开，设备正常运行生产12。由于工艺各工段基本是串联关系，所以以上这种控制思路，在整个流程中都结合具体情况巧妙应用。44 数据的采集该系统通过二台HMP22W流量计和二块DTM8642脉冲电度表，将信号分别送到PLC的AD模块和输入模块。然后通过编程将实时模拟量和脉冲量变为实时的数字量，通过累加积分运算得到如下的生产数据：物料流量（kgh）、出品率、班产量（t）、月产量（t）、班电量（kWh）、吨电耗（kWht）、月电量（kWh）13。45 强电控制强电控制由4块MCC柜、机旁开关、电缆、电缆桥架组成。低压电器多数采用法国施耐德产品，对15kWh以上设备均采用Y降压启动14。5 PLC导出食用油加工数据在食品可追溯体系中的应用5.1食品安全追溯体系的建立：公司建立从原料种植到生产加工包装，使用编码进行追溯，即对种植、生产、包装各个环节给予一个独立的追溯编码，共分为3级编码15，以便于对产品的每个环节所存档的信息进行调查追溯。由一个独立的追溯编码，查找出与其对应的相关信息记录，以此来完成产品追溯体系的建立。（1）基地原料的追溯信息1级编码：首先农产品基地建立完善的良好农业操作规范，基地管理人员以地块为单位建立农产品种植记录卡，记录农产品种植的所有信息，如：对原料的名称、地块进行编号，育苗记录、种植记录、施药记录、施肥记录，以及原料进厂的对以上信息进行记录存档。建立追溯体系的一级编码，也就是原料编码：例如：大豆代码为DD，地块号码为A1，以原料进厂的日期所在全年的天数为原料代号，12年第一天即为001，完整的一级编码为：DD-A1-121作为原料的一级编码，也就是农田追溯编码。将原材料的原始生产数据种植日期、制造日起、食用期限、原产地、生产者、遗传基因组合的有无使用的药剂等信息录入到一级编码中并打印带有一级编码的标签，粘贴在包装箱上后交与食品厂家。在食品厂家原材料入库时，使用数据采集器读取一级编码，取得到货原材料的原始生产数据。从该数据就可以马上确认交货的产品是否符合厂家的采购标准。然后将原材料入库。（2）生产加工环节追溯信息2级编码：在生产加工环节中，根据一级编码中所提供的信息，生产车间接收合格的原材料，严格按照HACCP所建立的关键控制点，对整个加工过程实施控制，所控制的数据和信息，使用记录表格给予记录，如：原料进厂前的农残、生产加工环节温度记录、重金属检测报告，微生物以及感官检测报告，以及生产加工过程中的微生物控制措施数据，所使用的代码为产品追溯的二级编码，以当天加工日期的天数为其唯一的追溯编码，作为生产加工环节的追溯编码。所有信息记录上均应标明其二级代码号，以便于追溯。（3）包装环节的的追溯信息3级编码:根据生产计划单，员工从仓库中提取必要的半成品材料，按各个批次要求使用各种原材料的重量进行称重、分包，实施金属检测，对整个包装环节中的所有相关信息给予记录，例如：包装室的温度、人员的卫生状况、金属检测器的检测记录，产品的称重包装记录、计量器具的校正记录、包装重量的抽查记录等。以上信息作为3级代码所涵盖的内容，三级代码追溯以当天加工日期的天数为其唯一的追溯编码。5.2、导出数据在食品追溯体系的应用原料供货商提供的原料上带有一级码标签，标签中记录有原料生产厂家，使用期限等信息，一级编码标签中包括原料号码、原料名称、入库日期、供货商等信息。食品生产厂在原料入库时将原料生产信息录入数据库。制定生产计划时，计划中包括生产加工日期，生产产品名称、调制容器号码、使用原料、重量、投入顺序、原料编号等作为二级编码的信息。将生产计划的内容录入半成品的二级编码，将带有一级编码和二级编码的标签贴在半成品的口袋上。半成品在进入生产包装工序中，生产包装结束后在封装时，在包装上打上封装时间及封装设备的号码。此时生产制造数据为：产品名称、调整制容器号码、制造日期、制造开始时间、制造结束时间、封装设备号码等作为三级编码的信息，将带有一级编码、二级编码、三级编码的标签贴在产品包装袋上16。根据PLC在之前对原料加工过程中，输入的原料的名称、种植地块号码、原料进厂号码、以及在加工中工艺代码、辅料添加代码、加工温度代码、原料出油率、包装工艺代码等全部导出，最后数据进入二维码生成系统，和其他产品信息生成二维码标识在包装上，从而起到产品追溯的简洁效果，并根据相关的一级编码、二级编码、三级编码查找每级编码中涵盖的相关信息。6 结束语由于在食用油生产线电气控制系统采用了现场总线和工业以太网技术，相对于原有的集中控制方式本系统主要有以下优点：现场信号电缆、接线端子排大量减少，减轻了接线、查线的负担，方便了线路的维护；由于所有的测控信息通过总线通讯来实现，全数字通讯取代了模拟信号的传输，提高了系统的控制精度；现场层的部分设备具有自我控制功能，PLC只需要协调从站设备之间的工作，减轻了主控制器PLC的运行负担；增强了系统的开放性和可维护性17。应用本系统对食用油产品进行追溯，每个产品使用的原材料原始数据都有记录，可以随时确认。快速对消费者户的索赔，可以快速回答消费者对产品原材料提出的质疑；对工厂基地原材料管理、检验。防止基地外材料的进入，确保原料的品质；生产加工环节以及包装环节相关数据的采集，均以文字形式给予记录，一旦食用油发生质量问题，马上可以确认食用油的生产过程，分析事故原因，查找事故出现的环节。及时召回问题产品，保证消费者安全，将企业的经济损失，信誉损失降低到最小范围。参考文献：1 凤珊.电器控制及可编程序控制器(第2版).北京:中国轻工业出版社,20032 张还. 西门子PLC 和自动化网络在大豆油生产线中的应用A.油脂工程技术.2010,02:37-393 郁汉琪.电气控制与可编程序控制器应用技术.南京:东南大学出版社,20034 GRANEY,GLENN.Batching with SP88-Compliant Software and PLCJ.Instrumentation and Control SyStems.1994,67, (10)51-54.5 胡绍明.GE Fanuc系列90-70PLC在粮油工业中的应用. 益海集团报，2009,106 杨才广，张丹.MCGS在PLC实验系统中的应用