某乳品制造公司生产线的自动化改造 2011-04-24
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装备进行扩建和改造。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。
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装备进行扩建和改造。此次自动化系统改造的工作包括：扩建两条原奶收奶消费线系统，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，以提高整个标准化消费车间的能力，相应增加CIP清洗的线路。
此次改造的基本指导思想：既要采用目前较为风行的自动化控制技术，又要充分利用现在运用的PLC-5可编程序控制器，同时又不能影响消费的正常进行，完成无扰切换。
根据国内、外同类系统的结构和想象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）完成系统数据交换；中间为控制层（ControlNet、DH+）负责系统通讯；底层是装备层，网络联结就地装备，如阀箱、变频器等。为提高消费效率，工艺过程优化，降低成本，分析各种操作，安全消费打下基础。
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，标准化消费管线和中转存贮罐（CIP HOT ，CIP COLD）的清洗，为干区的奶粉消费作准备。
工程师站可以通过网络对网络就任一台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，完成对消费过程的监控功能。由于两个操作员站联结在EtherNet，可以完成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，可以完成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：整个系统功能完成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。程序想象采用顺序控制技术，程序严格按工艺想象的步骤执行，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。
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.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，作为标准化消费的原料。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、消费、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，排渣工夫设置和控制输出及平衡罐的调节控制。
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，选择管线搭配进行等量传送。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。
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。
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，这四个罐作为五组搭配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搭配而成，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。
控制系统的特点
1.ControlNet
ControlNet网络是新一代自动化控制网络，满意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子系统之间完成高速的，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，它可以联结总线型、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、对等通讯等功能。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装备共享。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，同季节约电缆，便于维护。PLC通过ControlNet联结主控装备 ControlLogix、PLC5等。
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，便于消费调度，可进一步完成一体化。
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+网络的每一个链路最多可以联结64个装备。可用于湿区联结区域内现场监控装备PanelView、PLC-5和ControlLogix PLC。
4.DeviceNet
DeviceNet网络是一个开放的、进行低层通讯的一种联结，它用于联结简朴的、工业用的装备与高级装备之间的联结。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。联结远程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明白的结构和功能分级，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消费部门。
想象完成
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。在装备层，采用具有DeviceNet接口的装备，降低了成本，减少布线，安装方便；在控制层，系统完成实时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，联结至企业的信息系统。
1.人机交互界面
乳品消费的特点是装备较多，控制距离远，电磁环境较差，因此对控制装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，具备消费管理功能，对湿区各主要消费环节及辅助环节的消费过程实时数据采集、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。
2.通讯网络
由于PLC网络中采用了以太网网络技术，因此很多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、消费管理、装备维护、消费流程及物料配比等，同时，TCP/IP协议可以使计算机访问运用结构化语言（SQL）的开放型数据库，便于存贮和查询和报表形成。
3.无扰切换投入
鲜奶不易保存，为了不影响消费的正常连续进行，我们在项目的施行过程中，采用“无扰切换投入”方式。CIP COLD PLC在原来消费中，只有A、B、C、D四组主干管线，此次扩为五组，每组线搭配方式与原来也不同，并且每组的所包含的分支搭配也有所增加，给扩建控制站投入带来很大困难。
根据其管线和工艺特点，可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；用新的管线搭配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”装备，完成I/O转换；伴着工艺管线增加，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，完成逻辑切换。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，完成新控制站投入。
结束语：经过本次扩建和改造，整个湿区的自动化控制系统完成较为全方位自动化，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。
自动化在吹瓶机上的创新应用
在自动化消费日渐普及的今天，包装机械的自动化程度直接影响到产品的质量和消费效率。以下是西门子全集成自动化解决方案在吹瓶机上的应用。
食品和饮料的包装过程是整个工厂消费的最终阶段，也是触及到各行各业的关键一环。在自动化消费日渐普及的今天，包装机械的自动化程度直接影响到产品的质量和消费效率。
针对日益增长的市场需求，西门子提供从控制器到电机、执行器或传感器等全系列产品和完善的解决方案，并提供从售前到售后的全套服务和培训。
西门子的产品和方案基于如下理念: 1.用模块化、标准化和高效的工程工具(engineering)来降低开发、消费和安装成本；用简明、易于运用的系统来降低操作成本。2.利用成熟的技术、遍布世界各地的备件库和售后支持来保证装备的长寿命和低维护成本。3.采用高性能的控制系统以增加消费厂的能力。4.尽可能用电子方案取代机械方案，以增加用户投资的安全性。
最近，西门子自动化和驱动集团及其合作伙伴与达意隆集团吹瓶机事业部通力合作，成功地将西门子全集成自动化解决方案应用在其新开发的RJM高速全自动吹瓶机上，该机器应用了西门子新一代电气控制技术和产品，如S7-300系列PLC，MicroMaster 440 标准变频器，Profibus高速现场总线，TP270高性能彩色触摸屏。尤其值得一提的是，在RJM高速全自动吹瓶机上，西门子最先进的SCALANCE W无线以太网技术取代了传统的机械滑环，从而保证了整机的高速可靠运行。
全系统包括主机柜的PLC主站S7315-2DP，旋转机架上的PLC从站S7314C-2DP，主站和从站通过无线以太网链接鳰icroMaster 440 标准变频器直接控制主传动系统和输送传动系统。所有传动系统都通过现场总线PROFIBUS-DP链接至PLC。
统一的系统组态工具STEP7的应用，使所有数据、参数和系统都保存在一个项目文件中，可以节约大量组态、启动和维护费用；显示界面采用TP270高性能彩色触摸屏，该触摸屏具有丰富的图形和文本显示功能，同时还设有丰富的故障诊断及处理画面；利用PROFIBUS，可以直接访问驱动系统，监控系统状态；故障追踪系统，及时显示所有故障信息，大大方便了用户的装备维护工作。
主机柜里的PLC主站和旋转机架上的PLC从站通过无线以太网高速、安全地传递数据，解决了以往数据传输的瓶颈，极大的加强了机器的可拓展性。采用无线通讯，直接取代滑动触点和拖缆，节省空间，施行高度灵活，通讯网络安装工作量减少，项目周期缩短，旋转及移动装备或工厂部件无磨损。
主机柜内的S7315-2DP用来控制瓶胚的加热、上胚、出瓶等控制，可以更精确地控制瓶胚温度; 旋转机架上的S7314C-2DP控制吹瓶（如封口、拉伸、一吹、二吹和保压等）。这样做的好处是可以更精确地控制吹瓶的时序,提高成瓶质量。通过提高CPU的性能（如更换S7-317）可以安装更多的吹瓶模腔提高吹瓶速度。通过无线以太网可以完成主机柜和旋转机柜的两个CPU高速通信，可提高信号的实时性，简化程序并提高效率。
此外，在2005年9月12日至17日在德国慕尼黑新国际展览中心举行的2005年世界饮料和液体食物技术博览会上(Drinktec)上，西得乐展示了其新一代直线型吹瓶机SBO Compact。该机采取了线性结构，有2到4个模腔，以满意市场对高性价比的小型装备的需求。
该机装备了西门子的新一代运动控制产品SIMOTION D，机器每秒种内可完成1000次的运动，精度可达到0.1毫米，具有高度灵活的虚拟凸轮功能。
视觉传感器迎来快速发展
本文将比较各类传感选项的功能，并证明为什么视觉传感成为工业传感器市场中增长最快的领域。
在不久之前，想象质量控制系统的工程师还不得不在若干种检验选项中做出选择，没有一种完全令人满意。这些选项包括昂贵的单用途视觉系统，多阵列低功能光电传感器，以及易受疲劳和精力不集中影响的人眼检验。然而，如今最先进的视觉传感器正将传统方法的最佳性能与史无前例的速度、精确度、尺寸及成本优势相结合。
本文将比较各类传感选项的功能，并证明为什么视觉传感成为工业传感器市场中增长最快的领域。
视觉传感的基本原理
光电传感器包含一个光传感元件，而视觉传感器具有从一整幅图像捕获光芒的数以千计的像素。图像的明白和细腻程度通常用分辨率来衡量，以像素数量表示。Banner 工程公司提供的部分视觉传感器能够捕获 130 万像素。因此，无论距离目标数米或数厘米远，传感器都能“看到”特别细腻的目标图像。
在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。例如，若视觉传感器被设定为分辨准确地插有八颗螺栓的机器部件，则传感器明白应当拒收只有七颗螺栓的部件，或者螺栓未对准的部件。此外，无论该机器部件位于视场中的哪个位置，无论该部件是否在 360 度范围内旋转，视觉传感器都能做出判断。
视觉传感器的优势
在可用的检验备选方案中，即视觉系统、光电传感器、人工检验，以及视觉传感器，视觉传感器通常因其精确性、易用性、丰富功能及合理成本而成为最佳选择。
伴着各行业竞争越来越激烈，利润率逐渐变小，制造商无法承受因瑕疵产品造成的高废品率。因此，为在产生高昂成本之前检测出问题，制造商正将检验工作融入整个制造过程。
◆ 视觉系统与视觉传感器之比较
复杂的视觉系统是一项成熟的技术，可执行细致的自动检验。但是，复杂性和高成本妨碍了其在很多行业中的应用，其价格通常从 5000 美元至 50000 美元以上。这些复杂的视觉系统需要一个或多个摄像头、定制软件以及一台计算机。它们往往需要聘请外部视觉顾问来想象、集成和安装系统。
此外，鉴于此类系统的专用性，无法将它们轻松地改作它用。这些复杂的系统通常要求持续的专业支持。
尽管对复杂视觉系统的需求仍旧存在，但是更廉价、更轻易运用的视觉传感器的推出，为一些工业应用提供了性价比更佳的解决方案。此外，由于视觉传感器更小、更易运用，制造商会更频繁地在检验和校验应用中采用视觉解决方案。视觉传感器在工厂自动化的品质提高及消费效率改进方面功不可没。
◆ 光电传感器与视觉传感器之比较
与光电传感器相比，视觉传感器赋予机器想象者更大的灵活性。以往需要多个光电传感器的应用，现在可以用一个视觉传感器来检验多项特征。视觉传感器能够检验大得多的面积，并完成了更佳的目标位置和方向灵活性。这使视觉传感器在某些原先只有依赖光电传感器才能解决的应用中受到广泛欢迎。在传统上，这些应用还需要昂贵的配件，以及能够确保目标物体一直以同一位置和姿态出现的精确运动控制。
此外，由于一个基本视觉传感器的成本仅相当于数个具有较贵配件的光电传感器，因此价格已不再是问题。
视觉传感器为应用的切换提供了无与伦比的灵活性。例如，消费工序的切换（从单份装酸奶切换成冰淇淋桶）可能仅需数秒钟，并且可遥控完成。附加的检验条件可轻松地添加到此应用中。
◆ 人工检验和视觉传感器之比较
无论工厂自动化有何进步，很多检验仍用肉眼来完成。但是，在大多数应用中，视觉传感器的很多优势非手动检验流程所能及。视觉传感器能够以高得多的速度工作；以低得多的成本执行重复、多次、一致的检验。
不断扩展的应用范围
视觉传感器的低成本和易用性已吸引机器想象师和工艺工程师将其集成入各类曾经依赖人工、多个光电传感器，或根本不检验的应用。视觉传感器的工业应用包括检验、计量、测量、定向、瑕疵检测和分捡。以下只是一些应用范例：
◆ 在汽车组装厂，检验由机器人涂抹到车门边框的胶珠是否连续，是否有准确的宽度。
◆ 在瓶装厂，校验瓶盖是否准确密封、装灌液位是否准确，以及在封盖之前没有异物掉入瓶中
◆ 在包装消费线，确保在准确的位置粘贴准确的包装标签
◆ 在药品包装消费线，检验阿斯匹林药片的泡罩式包装中是否有破损或缺失的药片。
◆ 在金属冲压公司，以每分钟逾150片的速度检验冲压部件，比人工检验快13倍以上。
结论：对于视觉传感器而言，这是一个感动人心的时辰。曾经需要大量专业知识的技术，现在变得经济、易用。采用该技术的未来产品开发将连续此趋势。现在的挑战是如何让各个行业意识到视觉传感器在所有制造领域的潜力，其中包括质量控制、测量和检验流程。
机器视觉提高质控效率
对于工厂自动化和过程自动化，机器视觉是完成真正意义的自动的基础和一种重要的质量控制的手段。以下是欧姆龙对国内机器视觉市场的一些看法。
机器视觉，顾名思义就是运用机器的自动化方法，完成类似人类视觉(眼睛+视觉神经中枢+视觉神经细胞)的功能。对于工厂自动化和过程自动化，机器视觉是完成真正意义的自动的基础和一种重要的质量控制的手段。
如果用最简朴的一句话概括机器视觉系统的构成，就是由镜头，像机和控制器构成的机器视觉替代人工，根据物体在肯定环境下得到的画面进行尺寸，缺陷，种类，匹配，文字等各种参数的测量和判别。帮助客户提高消费效率，减少人工这一自动化领域的不确定因素对产品品质的影响。
对于机器视觉的整个产业链来说，目前国内的情况有些特别。在供应商方面，因为绝大多数是国外厂家，存在一个对国内市场，国内文化了解的问题。大家都看到了国内经济的高速发展，但可能这个发展的促进因素和国外的情况不同，这也是他们短工夫内没方法完全理解的。相信目前国内的销售现状离大多数供应商的希望还有一段距离，即使像OMRON这样，进入中国市场二十多年，近些年的机器视觉都在高速增长，但目前的市场销售额还是远远没法和日本相比。
至于用户这一端，最大的问题在于对机器视觉的不了解，当然这也有国内特别情况的原因，就是国内的劳动力成本和机器视觉初期投资的对比情况。或者是对于新的产品或解决问题的方法不了解，或者是对这个新方法和传统人工的对比不太明白。这需要供应商多做推动。
对于用户和供应商之间的桥梁——集成商，同样也是对机器视觉缺乏了解，不明白除了机械，普通传感器以外还有一个方法就是通过画面/图像来做一些判断。国内系统集成商也特别缺乏，而国内厂家的自制装备比例太低，这也是一个短工夫内无法解决的问题。
机器视觉的初期投资在国内劳动力成本较低的大背景下无疑是每一个准备购买的人需要考虑的问题，这也给机器视觉系统提出了更高的要求，无论是价格还是性能。基于以上的认识，业内人士建议，在这一新产品的成长阶段，早期的市场培育，客户培育，或者说系统集成商的培育是特别重要的。所以我们花了很多工夫在机器视觉基础知识的培训上，希望第一步做到让更多的人明白机器视觉，明白它的基本原理。
机器视觉的未来是特别乐观，也是布满信心的。相信在不断提高自己的前提下，伴着国内自动化程度的提高，整个社会对产品质量要求的提升，制造业对消费效率要求的提升，机器视觉这个新产品，新概念也会深化人心。
就像现在的自动化强国当初经历过的这些阶段一样，在更大的市场上也会有更大的成绩。所以说OMRON相信机器视觉的未来是光明的，道路也是漫长的。至于到详细的工夫，可能要5年，也可能只要3年，或者更短，因为国内的发展一旦起步，速度将是惊人的。
编后记：当前中国的食品和包装机械的一个突出问题是新产品开发周期长，模拟多，新的创意少，这不仅与想象人员的知识水平有关，也和相关行业的发展有关。
国际先进的作法是将各种机器元素以数据库形式存入计算机，再把图纸数字化后输入计算机，由计算机自动合成三维模型，接着将过去曾经发生过的消费线故障输入计算机，计算机即可演示实际工况，在用户面前根据需要进行修改。计算机合成速度快，修改工作飞快方便，如果用户的某些要求达不到，计算机也会告诉你，以免除以后的纠纷。这种由计算机完成的仿真技术，大大缩短了包装机械（消费线）的想象周期，客户的满意度也大大提高。
当然，这种仿真技术的应用亦提醒包装机械的制造按照部件的功能要先进行模块化，各部件有统一接口，各模块之间可以自由搭配。这样可以变包装机械的单件小批消费为各种模块的批量消费，以降低消费成本。即使不是消费线而是单个机器，模块式搭配也可以缩短想象及制造周期，降低消费成本。而模块化又可以使非标准零件走向标准化，运用户排除故障方便快捷，也就降低了用户的运行成本。
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