摘 要：摒棄傳統(tǒng)的上位機＋PLC控制模式，用工控機和數(shù)據(jù)采集板卡基于LabVIEW平臺開發(fā)一套高性價比的果汁灌裝設備就地清洗裝置的控制系統(tǒng)，在滿足不同清洗工藝的同時，穩(wěn)定、可靠的實現(xiàn)清洗過程的高度自動化。 關鍵詞：LabVIEW；CIP；果汁灌裝設備；數(shù)據(jù)采集與處理 1. 引言 CIP的英文是Clean In Place，字面意是就地清洗，含義為對密閉的、固定不動的容器一類的物體，用水和不同的洗滌液，依靠熱能、物理能、化學能，按照一定的程序，通過循環(huán)及一定的作用時間來完成清洗、殺菌等工作。目前，這種清洗方法已經(jīng)成為保證產(chǎn)品質量和設備正常運行的必要手段，成為企業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺少的一部分。因而，國內(nèi)外的啤酒、飲料、乳制品生產(chǎn)廠家普遍采用CIP系統(tǒng)對灌裝設備進行清洗。 傳統(tǒng)的CIP控制系統(tǒng)均采用上位機＋PLC的構架模式，并通過現(xiàn)場總線通訊。在開發(fā)過程中根據(jù)清洗工藝，將相關控制參數(shù)如清洗時間、酸堿濃度、清洗溫度和清洗順序等，編制控制程序寫入PLC，通過操作者與上位機之間的交互，實現(xiàn)設備的自動或手動清洗。其上位機通常采用較高端的工業(yè)平板電腦，僅作為上位監(jiān)控人機交互終端，存在著較大的資源浪費。本系統(tǒng)融合了NI公司的數(shù)據(jù)采集、信號處理及數(shù)字I/O等先進技術，采用工控機＋數(shù)據(jù)采集卡模式工作，利用LabVIEW在工業(yè)測控領域的軟件優(yōu)勢將CIP清洗系統(tǒng)的邏輯控制與監(jiān)控管理功能無縫集成到一體。在保證可靠性的前提下，充分利用了上位機資源，不但提高了現(xiàn)場模擬量的采集精度，還大幅度降低了控制系統(tǒng)開發(fā)成本并縮短了開發(fā)周期。 2. 系統(tǒng)構成 本系統(tǒng)針對國內(nèi)某果汁生產(chǎn)企業(yè)灌裝設備的自動清洗任務開發(fā)，根據(jù)廠家提供的清洗工藝，CIP清洗系統(tǒng)總體構架及相關控制要求如下： [align=center] 圖1 CIP清洗系統(tǒng)總體構架[/align] 控制要求： 1.5臺液罐通過液位傳感器實時顯示液位，并提供高低限控制； 2.2路堿液加熱自循環(huán)，通過溫度傳感器實時測量溫度，自動控制蒸汽閥門的開啟程度控制加熱； 3.使用電導率傳感器檢測堿液回流濃度（2路），以此控制堿液回流； 4.流動開關、空氣壓力開關、電機反饋、繼電器、電磁閥等數(shù)字I/O信號的檢測與控制。 根據(jù)CIP清洗系統(tǒng)的總體結構及相關控制要求，設計控制系統(tǒng)硬件結構如圖2所示，主要包括一臺配有觸摸屏功能的工業(yè)平板電腦，一塊PCI-6221多功能數(shù)據(jù)采集卡、一塊PCI-6513工業(yè)級數(shù)字輸出卡及相關連接附件。 [align=center] 圖2 控制系統(tǒng)硬件結構框圖[/align] 控制系統(tǒng)軟件采用NI公司的LabVIEW 7.1和NI-DAQmx驅動軟件開發(fā)。NI-DAQmx不僅僅局限于基本的數(shù)據(jù)采集驅動，在數(shù)據(jù)采集和控制應用的開發(fā)過程中，效率更快，性能更優(yōu)。利用LabVIEW結合NI-DAQmx可以充分發(fā)揮數(shù)據(jù)采集設備的功能，快速、靈活的實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與設備控制。系統(tǒng)軟件設計采用模塊化方式，將不同功能內(nèi)容設計成單獨的模塊，主要包括數(shù)據(jù)采集與處理模塊、邏輯控制模塊、實時監(jiān)控模塊、配方管理模塊、故障報警模塊、系統(tǒng)管理模塊六部分。各個模塊集成在同一個主程序框架中，這樣既可以靈活實現(xiàn)功能的擴充、升級和維護，又有利于移植用于其它場合。 3. 數(shù)據(jù)采集與處理 液位、電導率和溫度是CIP自動清洗程序中的重要參數(shù)，其測量準確性直接影響著飲料灌裝設備的清洗效果和產(chǎn)品質量。為了減小外界的噪聲干擾，將液位傳感器、電導率傳感器及溫度傳感器的信號調理輸出信號用雙絞線以差分方式接入數(shù)據(jù)采集卡。信號屏蔽、連接測試信號用屏蔽電纜和附件以及數(shù)據(jù)采集卡的良好接地也是很重要的，這將從硬件上確保系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的可靠性。在軟件方面，系統(tǒng)主要通過低通濾波和均值濾波兩種方式減小隨機噪聲對測量結果所帶來的影響。 NI PCI-6221是一款具有高性價比的多功能數(shù)據(jù)采集卡，其16路模擬輸入（16位，250kS/s）完全滿足液位、電導率及溫度等模擬量采集的精度要求，24路可配置數(shù)字I/O主要用于電機反饋、壓力開關及流動開關等數(shù)字輸入信號的采集，并用2路16位模擬輸出（833kS/s）實現(xiàn)蒸汽閥門的開度控制。CIP自動清洗控制系統(tǒng)數(shù)將據(jù)采集與處理結果與設定的閾值進行比較，其結果與流動開關、空氣壓力開關及電機反饋等數(shù)字輸入信號共同構成是整個系統(tǒng)邏輯控制的關鍵參數(shù)，并以此為依據(jù)控制蒸汽閥門、電磁閥及繼電器動作。CIP自動清洗系統(tǒng)狀態(tài)顯示界面如下圖所示。 [align=center] 圖3.1 狀態(tài)顯示界面1[/align] [align=center] 圖3.2 狀態(tài)顯示界面2 圖3 CIP自動清洗系統(tǒng)狀態(tài)顯示界面[/align] 4. 結論 基于工控機＋數(shù)據(jù)采集卡的CIP自動清洗控制系統(tǒng)的開發(fā)過程和現(xiàn)場應用情況表明，本系統(tǒng)完全滿足果汁灌裝設備清洗工藝的各項要求，實現(xiàn)了穩(wěn)定、準確的控制需求。與傳統(tǒng)的上位機＋PLC的控制模式相比，本系統(tǒng)不但提高了現(xiàn)場模擬量的采集精度，而且還大幅度降低了開發(fā)成本。 參考文獻： [1]楊樂平，李海濤，楊磊.LabVIEW 程序設計與應用.北京：電子工業(yè)出版社，2004. [2]National Instruments Corporation. LabVIEW Function and VI reference manual, January 1998 Edition. [3]劉君華.基于LabVIEW 的虛擬儀器設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.