摘 要：摒弃传统的上位机＋PLC控制模式，用工控机和数据采集板卡基于LabVIEW平台开发一套高性价比的果汁灌装设备就地清洗装置的控制系统，在满足不同清洗工艺的同时，稳定、可靠的实现清洗过程的高度自动化。
关键词：LabVIEW；CIP；果汁灌装设备；数据采集与处理
1. 引言 CIP的英文是Clean In Place，字面意是就地清洗，含义为对密闭的、固定不动的容器一类的物体，用水和不同的洗涤液，依靠热能、物理能、化学能，按照一定的程序，通过循环及一定的作用时间来完成清洗、杀菌等工作。目前，这种清洗方法已经成为保证产品质量和设备正常运行的必要手段，成为企业生产过程中不可缺少的一部分。因而，国内外的啤酒、饮料、乳制品生产厂家普遍采用CIP系统对灌装设备进行清洗。 传统的CIP控制系统均采用上位机＋PLC的构架模式，并通过现场总线通讯。在开发过程中根据清洗工艺，将相关控制参数如清洗时间、酸碱浓度、清洗温度和清洗顺序等，编制控制程序写入PLC，通过操作者与上位机之间的交互，实现设备的自动或手动清洗。其上位机通常采用较高端的工业平板电脑，仅作为上位监控人机交互终端，存在着较大的资源浪费。本系统融合了NI公司的数据采集、信号处理及数字I/O等先进技术，采用工控机＋数据采集卡模式工作，利用LabVIEW在工业测控领域的软件优势将CIP清洗系统的逻辑控制与监控管理功能无缝集成到一体。在保证可靠性的前提下，充分利用了上位机资源，不但提高了现场模拟量的采集精度，还大幅度降低了控制系统开发成本并缩短了开发周期。
2. 系统构成 本系统针对国内某果汁生产企业灌装设备的自动清洗任务开发，根据厂家提供的清洗工艺，CIP清洗系统总体构架及相关控制要求如下： [align=center]
图1 CIP清洗系统总体构架[/align]
控制要求： 1.5台液罐通过液位传感器实时显示液位，并提供高低限控制； 2.2路碱液加热自循环，通过温度传感器实时测量温度，自动控制蒸汽阀门的开启程度控制加热； 3.使用电导率传感器检测碱液回流浓度（2路），以此控制碱液回流； 4.流动开关、空气压力开关、电机反馈、继电器、电磁阀等数字I/O信号的检测与控制。 根据CIP清洗系统的总体结构及相关控制要求，设计控制系统硬件结构如图2所示，主要包括一台配有触摸屏功能的工业平板电脑，一块PCI-6221多功能数据采集卡、一块PCI-6513工业级数字输出卡及相关连接附件。 [align=center]
图2 控制系统硬件结构框图[/align] 控制系统软件采用NI公司的LabVIEW 7.1和NI-DAQmx驱动软件开发。NI-DAQmx不仅仅局限于基本的数据采集驱动，在数据采集和控制应用的开发过程中，效率更快，性能更优。利用LabVIEW结合NI-DAQmx可以充分发挥数据采集设备的功能，快速、灵活的实现数据采集与设备控制。系统软件设计采用模块化方式，将不同功能内容设计成单独的模块，主要包括数据采集与处理模块、逻辑控制模块、实时监控模块、配方管理模块、故障报警模块、系统管理模块六部分。各个模块集成在同一个主程序框架中，这样既可以灵活实现功能的扩充、升级和维护，又有利于移植用于场合。
3. 数据采集与处理 液位、电导率和温度是CIP自动清洗程序中的重要参数，其测量准确性直接影响着饮料灌装设备的清洗效果和产品质量。为了减小外界的噪声干扰，将液位传感器、电导率传感器及温度传感器的信号调理输出信号用双绞线以差分方式接入数据采集卡。信号屏蔽、连接测试信号用屏蔽电缆和附件以及数据采集卡的良好接地也是很重要的，这将从硬件上确保系统检测数据的可靠性。在软件方面，系统主要通过低通滤波和均值滤波两种方式减小随机噪声对测量结果所带来的影响。 NI PCI-6221是一款具有高性价比的多功能数据采集卡，其16路模拟输入（16位，250kS/s）完全满足液位、电导率及温度等模拟量采集的精度要求，24路可配置数字I/O主要用于电机反馈、压力开关及流动开关等数字输入信号的采集，并用2路16位模拟输出（833kS/s）实现蒸汽阀门的开度控制。CIP自动清洗控制系统数将据采集与处理结果与设定的阈值进行比较，其结果与流动开关、空气压力开关及电机反馈等数字输入信号共同构成是整个系统逻辑控制的关键参数，并以此为依据控制蒸汽阀门、电磁阀及继电器动作。CIP自动清洗系统状态显示界面如下图所示。 [align=center]
图3.1 状态显示界面1[/align] [align=center]
图3.2 状态显示界面2 图3 CIP自动清洗系统状态显示界面[/align]
4. 结论 基于工控机＋数据采集卡的CIP自动清洗控制系统的开发过程和现场应用情况表明，本系统完全满足果汁灌装设备清洗工艺的各项要求，实现了稳定、准确的控制需求。与传统的上位机＋PLC的控制模式相比，本系统不但提高了现场模拟量的采集精度，而且还大幅度降低了开发成本。
参考文献： [1]杨乐平，李海涛，杨磊.LabVIEW 程序设计与应用.北京：电子工业出版社，2004. [2]National Instruments Corporation. LabVIEW Function and VI reference manual, January 1998 Edition. [3]刘君华.基于LabVIEW 的虚拟仪器设计[M].北京：电子工业出版社，2003.
