刘月兰，杨小雨，陈 禹，刘玉喜

(1.哈尔滨师范大学;2.黑龙江工商职业技术学院;3.黑龙江劳力乳品机械公司)

0 引言

在以往的乳品生产过程中存在着工艺管线及设备清洗质量难保证、清洗时间过长等实际情况.乳品工厂的清洗程序是:1.将所有的设备全部拆开;2.手工清洗:清水冲洗、刷子刷洗、清水冲洗;3.组装设备.清洗过程非常耗时及耗人力，而CIP(Clean In Place)是一种原位清洗方法，无需拆卸及打开设备，且几乎或完全不需要操作员参与，对工厂所有设备或管道进行清洁.在一定流量/压力的条件下，将清洁剂溶液喷射或喷洒到设备表面或在设备中循环.这种方法应用在乳品生产过程中可极大地提高产品的质量及生产效率.笔者已为多家乳品企业设计了CIP自动控制系统.

1 CIP控制系统设计

1.1 总体设计

该系统由人机界面、可编程控制器、工艺泵及阀组控制、液位开关、气动角座阀、气动调节阀、运行参数采集、用户管理等功能构成.

主要控制硬件由触摸屏、可编程控制器、变频泵、流量计、电导率仪、温度变送器、液位开关、气动角座阀、气动调节阀等部分构成.

系统人机界面由触摸屏作为上位机提供，PLC依据事先编好的程序，实现系统模拟量的参数采集、泵和阀门状态的采集及控制、调节阀控制及用户管理.

图1 系统的总体结构

1.2 CIP清洗过程

该系统由酸罐、碱罐、热水罐、清水罐以及出液泵和各种阀门、清洗喷头、清洗管路组成.

系统运行时，按照预先设定的程序用输送泵把清洗液输送到被清洗的管道和设备中，再用自吸泵把清洗后的洗液吸回到清洗液储罐.在清洗过程中，清洗液的浓度被稀释，可通过清洗液补给装置添加相应的高浓度介质，调节清洗液的浓度.CIP系统均采用全自动控制，具有自动配液(浓度控制)及加热 (温度控制)的功能.

该系统的特点是可进行多路分别清洗，同时具有回流管道装置，洗液可循环使用，既节省洗液，又有利环境卫生.如图2所示，图2为完成的红星乳业CIP工艺图.

在清洗前CIP站内首先进行预处理:

(1)自动调整各个罐的液位;

(2)自动配好碱酸液浓度;

(3)通过外循环加热自动把碱、酸、热水罐的温度调整好.

预处理完成后进行CIP清洗:

(1)清洗过程中通过CIP罐高、中、低液位开关来控制罐的液位;

(2)装在罐上的电导实时检测，低于下线时自动补浓酸碱液，保证清洗液浓度;

(3)出液管线装有温度变送器及蒸汽调节阀，通过蒸汽调节阀控制出液温度;

(4)出液管装有流量计，泵配变频器，通过调整泵的频率，达到适宜的清洗流量;

(5)回流管路装有温度变送器，当回流温度低于设定温度时，清洗时间保持，达到温度清洗时间继续.

可同时多路清洗管路，每路在回流管的末端安装有电导率仪、流量开关控制酸碱液体的回收;CIP出液泵配有变频器、管路装有流量计，根据工艺的清洗要求通过变频器来自动调节清洗流量.清洗步骤之间用流量开关确认清洗步骤结束和下一步骤的开始，防止相互接触稀释清洗液，达到清洗质量好，回收完全效果，阀门均采用气动阀，可由PLC或PC控制阀门的开关以实现各清洗程序.

要实现CIP清洗过程，一般需要注意以下几点:CIP是较为复杂的控制系统，独立于生产控制系统.在清洗过程中，主要利用阀门控制清洗液的流动模式;必须考虑所有接触过产品的设备都需要同时经常被清洗，而且要保证清洗液有一定的流速，从而确保彻底清洗.所有需要接触产品和清洗液的设备，必须以抗腐蚀材料制造.清洗过程通常需要形成循环.

清洗过程以同一个可编程的控制单元来操控每个独立的清洗.利用安装在清洗容器上的电导测量系统来控制清洗液的浓度，是实现CIP控制的最主要参数之一，即保证了清洗液的质量，也使清洗液可以回收再用.

1.3 定位清洗(CIP)的程序

如图3所示，首先给出清洗命令，屏幕显示清洗运行，系统判断工作的水、蒸汽、压缩空气外围环境条件，如不满足条件，系统在屏幕显示不满足条件的因素并报警，停止往下运行，满足条件则进行系统清洗步骤的选择.

图2 系统工艺流程图

由于清洗工艺的特殊性，有自动和手动清洗的双重要求.清洗过程为典型的时间顺序控制过度，一般的清洗流程如下:清水→碱水→清水→酸水→清水→热水→结束.

选择清洗步骤后自动打开相应阀门，根据本步骤清洗液出口温度的设定，来自动调节蒸汽阀，清洗时间到，要停止清洗出液泵，停泵的目的首先是为了防止工艺管线及设备里的冷水液与下一步的碱水液混合，降低了碱液浓度，达不到碱液步骤;其次是防止回收稀释了的碱液.图4为碱罐循环加热程序部分截图.

在整个清洗过程中，系统始终控制清洗中心4个罐液位和碱酸罐浓度是否达标，如不满足条件，立刻通过注水和浓碱酸液进行调整，系统同时监测清洗中心回流液的温度和流量，若温度和流量不够，则这个步骤的清洗时间顺延，以保证清洗质量.

图3 程序流程图

图4 碱罐循环加热程序

2 系统的软硬件组成

图5 系统人机界面图

该系统PLC选用西门子S7-315，编程软件采用STEP 7.触摸屏采用Beijer PWS6A00T，人机界面采用HITECH-ADP编程.图5为我们为某乳品厂开发的CIP系统触摸屏控制界面.为用户提供了简单、方便、自然的人机交互方式.它可以用来设置参数，显示数据，监控设备状态，以曲线/动画等形式描绘自动化控制过程.

3 结束语

该CIP控制系统已在乳品行业得到实际应用，大大提高了CIP的工艺质量，提高了劳动生产率，避免了由于操作人员因操作失误而造成的质量事故及设备事故，改善了现场操作人员的劳动条件，合理控制生产成本，人力开支减少，水、能源、清洁剂、消毒剂等辅助资源控制得到提高，具有良好的社会与经济效益.

该系统可推广到其他食品行业如啤酒饮料及制药行业，推动我国老工业基地改造和现代化工业建设，提高企业的全球竞争力.

［1］ 纪彬，张建平.PLC和触摸屏在乳品行业的CIP清洗系统中的应用［J］.自动化技术与应用，2011，30(7):109-111.

［2］ 姚智宇，潘文彪，时献江.PLC控制系统在原地清洗(CIP)中的应用［J］.中国乳品工业，2001，29(4):32-34.

［3］ 曹吉花，郭焕银，黄理军，李明.基于PLC的原位清洗控制［J］.包装与食品机械 ，2008，26(5)24-27.

［4］ 高鸿斌，孙美静，赫孟合.西门子 PLC与工业控制网络应用［M］.北京:电子工业出版社，2006.