引 言

    近年來(lái)我國(guó)飲料行業(yè)高速發(fā)展，但碳酸飲料始終占據(jù)著市場(chǎng)中的較大份額。碳酸飲料的發(fā)泡和刺激味道來(lái)自CO2，飲料內(nèi)的CO2使用量取決于特定的口味和品牌，加工中使用低溫液體和增大壓力使更多的CO2溶解，來(lái)加速碳酸化作用。飲用時(shí)，由于溫度增高使CO2氣化，產(chǎn)生刺激并帶走人體熱量，所以給飲用者以清涼感。CO2改善了風(fēng)味，參與提供了酸性環(huán)境，產(chǎn)生了刺激性的口感，并賦予了碳酸飲料特有的泡沫奔涌的外觀。首先是調(diào)節(jié)風(fēng)味，在飲料中碳酸起到調(diào)節(jié)溶液pH值的作用，使飲料中各種原料風(fēng)味更協(xié)調(diào)，其次起防腐的作用，碳酸可使pH值下降，耐酸菌除外，其他的微生物均難以繁殖和生存，CO2的存在使容器內(nèi)缺氧，許多嗜氧菌也無(wú)法生存，CO2使容器內(nèi)有一定的壓力，壓力也能使微生物生長(zhǎng)條件破壞甚至死亡。這些特性可以使汽水、汽酒類(lèi)飲料具有較好的防腐能力，從而延長(zhǎng)了保質(zhì)期。所以碳酸飲料的CO2含量是一個(gè)重要的特征性質(zhì)量指標(biāo)。

1 混合機(jī)控制方案設(shè)計(jì)

1.1 任務(wù)分析

    本次設(shè)計(jì)的任務(wù)是以S7-200系列PLC作為處理核心，用液位開(kāi)關(guān)、壓力傳感器將生產(chǎn)過(guò)程中的信號(hào)（如液位，壓力，流量等）采集后送給PLC處理器，由PLC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，然后輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)（如接觸器、電磁閥等）來(lái)完成飲料混合機(jī)的自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程。

    本機(jī)的主要運(yùn)行原理如圖1所示，純凈水先經(jīng)真空脫氣裝置脫氧后經(jīng)水泵輸出到水罐；糖漿經(jīng)糖漿泵輸送至糖漿罐；水和糖漿分別經(jīng)調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)后進(jìn)行混合，混合后經(jīng)混合泵輸送至成品罐，混合液在進(jìn)入成品罐前還需作預(yù)碳化處理，即把 CO2氣體注入混合液中，注入混合液的 CO2受流量計(jì)控制一定的流量；混合好后經(jīng)過(guò)冷媒冷卻送入碳化罐中儲(chǔ)存，最后輸送到灌裝機(jī)灌注。

1.2 硬件方案設(shè)計(jì)

    本裝置主要由脫氣系統(tǒng)、混合系統(tǒng)、碳化系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等幾部分所組成。

圖1 運(yùn)行原理圖

1.2.1 脫氣系統(tǒng)

（1）脫氣罐為一負(fù)壓容器。頂部裝有氣動(dòng)角閥、通大氣管路、真空系統(tǒng)管路。側(cè)面裝有真空壓力表，浮球式液位計(jì)（高、低、極限低位），底部管路與輸送泵入口相連。

（2）脫氣罐的負(fù)壓由水環(huán)式真空泵抽吸罐內(nèi)空氣而形成。

（3）罐內(nèi)負(fù)壓壓力一般的真空度為-0.04 ~-0.06 MPa，它是通過(guò)設(shè)置電極點(diǎn)真空壓力表上限點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)。罐頂部接大氣管路的作用：一是可以人工排泄罐內(nèi)真空，二是在清洗罐的內(nèi)表面時(shí)，隨著液位的上升而排泄罐內(nèi)的部分氣體。

1.2.2 混合系統(tǒng)

    混合系統(tǒng)是混合機(jī)的一個(gè)重要組成部分，它能穩(wěn)定地按預(yù)定的速率自動(dòng)的將水與糖漿進(jìn)行混合，且具有混合精確、水和糖比例易調(diào)等許多優(yōu)點(diǎn)?；旌舷到y(tǒng)主要包括水進(jìn)給閥、水罐、糖進(jìn)給閥、糖罐、水混合閥、糖混合閥、混合罐和混合控制閥。

1.2.3 碳化裝置

（1）碳化罐為一壓力容器，頂部裝有安全閥（開(kāi)啟壓力0.6 Mpa）和溢流管，溢流管上裝有一電磁閥和流量計(jì)，機(jī)器處于“自動(dòng)開(kāi)”狀態(tài)時(shí)，電磁閥開(kāi)啟，溢流閥開(kāi)啟，溢流罐頂內(nèi)的空氣，使罐內(nèi)CO2氣體得到純化，流量計(jì)用來(lái)調(diào)節(jié)氣體出口的大小。

（2）罐內(nèi)的CO2壓力由自動(dòng)調(diào)節(jié)儀根據(jù)人工設(shè)定的壓力參數(shù)與檢測(cè)到的實(shí)際壓力比較并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使罐內(nèi)CO2壓力在規(guī)定范圍內(nèi)。碳化罐內(nèi)的壓力在自動(dòng)調(diào)節(jié)儀的設(shè)定值應(yīng)依照成品飲料的含CO2量倍數(shù)（GV）與壓力溫度的關(guān)系確定。

（3）機(jī)器在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，液位始終在高低液位之間波動(dòng)，液位的高低決定了混合泵的停與開(kāi)，當(dāng)液位低于極限時(shí)，碳化罐極低位燈顯示。

（4） CO2氣體噴射器使得CO2氣體高效率地溶解于低溫水，這是碳酸化的一個(gè)關(guān)鍵部位。

1.2.4 電氣系統(tǒng)

    電氣系統(tǒng)采用人機(jī)界面作為上位機(jī)，方便操作員操作和監(jiān)視相關(guān)部分的動(dòng)作過(guò)程，采用SIEMENS S7?200 PLC作為處理單元，采集各液位、壓力及流量信號(hào)?？刂聘鲌?zhí)行機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)動(dòng)作。

1.3 軟件方案設(shè)計(jì)

PLC設(shè)計(jì)步驟圖如2所示。

圖2 PLC設(shè)計(jì)步驟圖

1.4 文件存檔

    比較并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使罐內(nèi)CO2壓力在規(guī)定范圍內(nèi)。碳化罐內(nèi)的壓力在自動(dòng)調(diào)節(jié)儀的設(shè)定值應(yīng)依照成品飲料的含CO2量倍數(shù)（GV）與壓力溫度的關(guān)系確定。

（1）機(jī)器在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，液位始終在高低液位之間波動(dòng)，液位的高低決定了混合泵的停與開(kāi)，當(dāng)液位低于極限時(shí)，碳化罐極低位燈顯示。

（2）CO2氣體噴射器使得CO2氣體高效率地溶解于低溫水，這是碳酸化的一個(gè)關(guān)鍵部位。

2 混合機(jī)控制方案設(shè)計(jì)

2.1 任務(wù)分析

    根據(jù)S7-200系列的PLC特點(diǎn)，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)實(shí)用性的考慮，控制系統(tǒng)選用 6ES7 216-2BD23-0XB8 型號(hào)的CPU：輸入點(diǎn)數(shù)24，輸出點(diǎn)數(shù)16點(diǎn)，另配一個(gè)6ES7222-1PF22-0XA8 8輸出可以滿足工藝要求，且留有一定的余量。便于以后的修改和擴(kuò)展。根據(jù)系統(tǒng)的性能與要求，PLC輸入/輸出端口地址的分配見(jiàn)表1。

2.2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)硬件

    系統(tǒng)的硬件電路分為主電路和控制電路。

2.2.2 主電路的設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)主要有真空泵、進(jìn)水泵、輸送泵、糖漿泵、冷媒泵及混合泵。

真空泵用于抽真空；進(jìn)水泵把純凈水輸送至脫氣罐；輸送泵則負(fù)責(zé)把脫氣罐里的水輸送至GOB水罐；糖漿泵是把調(diào)配好的糖漿輸送至糖罐；冷媒泵負(fù)責(zé)把冷卻介質(zhì)輸送至交換器用于降低糖水混合液的溫度（約4 ℃左右）；混合泵是把糖水混合液輸送至碳化罐。主控制電路如圖3所示。

圖3 主電路圖

2.2.3 控制電路的設(shè)計(jì)

    根據(jù)工藝要求，PLC控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)有21個(gè)（見(jiàn)表1），且均為開(kāi)關(guān)量。其中有急停按鈕，脫氣罐高、中、低液位檢測(cè)；碳化罐高、中、低液位檢測(cè)；水罐和糖罐的高、低液位檢測(cè)；碳化罐高、低壓力檢測(cè)；各水泵的過(guò)載報(bào)警信號(hào)等。PLC控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)有20個(gè)，分別用于控制各水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，氣動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)等。

2.2.4 操作面板的設(shè)計(jì)

    本操作面板簡(jiǎn)單，直觀，有電源和故障報(bào)警指示，電源開(kāi)關(guān)和急停按鈕，碳化罐的溫度和壓力顯示，如圖4所示。人機(jī)界面方便操作人員操作和監(jiān)視。

圖4 面板示意圖

面板的下方分別有壓縮空氣壓力的顯示和調(diào)節(jié)；GOB系統(tǒng)CO2氣的壓力顯示和調(diào)節(jié)；混合罐CO2氣壓顯示和調(diào)節(jié)等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 混合裝置的工作原理 混合裝置的工作原理如圖5所示，水和果汁分別經(jīng)過(guò)過(guò)濾器過(guò)濾，分別送進(jìn)水罐和糖罐，經(jīng)計(jì)量閥計(jì)量，送入T型管混合，再進(jìn)入混合罐，經(jīng)泵機(jī)送入碳化罐處理，然后輸出供顧客飲用。

圖5 混合裝置工作原理方框圖

3.2 系統(tǒng)流程

    通過(guò)人機(jī)界面上的流程圖可以很清晰地監(jiān)視到設(shè)備各部分的運(yùn)行情況。也可以幫助操作人員分析和判斷故障情況。

4 程序調(diào)試

    利用軟件 SIEMENS PLC 編程軟件 STEP 7-Mi-croWIN V4.0 進(jìn)行調(diào)試。

先在電腦上安裝好編程軟件；在PC與PLC之間連好PPI編程電纜，設(shè)置好通信參數(shù)，再把編譯好的程序下載至PLC。當(dāng)PC與PLC連接好后，點(diǎn)擊監(jiān)視模式可以監(jiān)視程序運(yùn)行情況，能方便診斷故障和修改程序。

5 結(jié) 語(yǔ)

    通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)包括西門(mén)子S7-200 PLC外部電路的設(shè)計(jì)與安裝；軟件部分包括程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了飲料混合機(jī)的手動(dòng)、自動(dòng)及CIP清洗功能；完成了飲料混合機(jī)把水、糖漿、CO2按一定比例混合的功能；具備了故障報(bào)警提示及故障復(fù)位功能。