工艺控制

工艺控制自动化在过去几十年中，乳品生产的性质变化非常迅速，大量采用手工操作的区域性的小乳品厂逐渐废弃，并为集中生产的大型乳品厂所代替。

这种变化趋势具有深远的意义，在小乳品厂中的加工过程依靠少量熟练工人监控，这些工人实现大多数的人工操作，并在生产结束时，对设备进行手工清洗。

随着乳品厂的发展，无论是机器量还是规模都在逐渐扩大，手工操作的工作量也相应地增加，尤其清洗设备是一项耗费人力的工作，凡与产品接触过的设备每天必须拆开并手工清洗一次。

就地清洗(CIP)技术在五十年代中期开始就采用了，今天在绝大多数乳品厂都在使用。

这意味着设备在清洗时不必再拆开，而且设计中已经包括能利用洗涤液按一固定清洗程序通过产品线路循环对设备进行清洗的内容。

由于逐步采用了意义深远的乳品生产机械化，其结果是越来越多的体力劳动、手工操作为机器所取代，机械化带来了生产能力的迅速提高，也随之带来了更多必须完成的操作，人们必须去调节越来越多的阀门和启停越来越多的电机。

对单个操作的定时也提出了更高的要求，例如过早或晚地操作阀门会引起产品损耗的增加，在工艺过程中每一次故障和操作者每一次失误都会产生严重的质量和经济后果。

随着时间的推移越来越多的摇控设备接替了操作人员，手工制动阀门由电子和气动阀所取代，启闭阀门、泵、搅拌器和其它电机的电线被安装在控制盘上，安装了用于传送工艺状态参数（压力、液位、温度、pH值、流速等）的传感器，为了通知操作人员，阀门和电机按照发给他们的指令信号进行工作（打开/关闭，启动/停止），同时需要安装某些部件，传送反馈信号，这样，自动化的操作全段过程就成为了可能。

什么是自动化？严格地讲，在引言中提到的机械化和摇控的概念与这里所指的自动化没有关系，但它们是自动化发展道路上的必要步骤。

自动化意指通过以程序化的仪器为基础的控制系统对一个加工过程最大效率地进行所有必要的控制的反应。

* 加工操作通过操作介面与控制系统和加工系统进行交流。

关闭V2,打开V1关闭V4,打开V3我选择哪个罐？ 罐2，不，它正在清洗T3,是的好吧T1?现在下已经排空，等10秒钟以罐1剩多少牛乳？我必须在10分钟 后切换大罐● 现代自动化系统通常还包括管理数据，用于报告信息，统计分析等等。

一个自动化的加工过程的控制系统，必须与该过程中的每一个被控元件和传感器互通信息，现对控制系统和受它控制的工艺过程之间所传送的信号种类列举一些例子如下：● 工艺过程中启动或关闭操作部件的输出（指令）信号。

● 从阀门或电机来的输入（反馈）信号，反馈控制系统有关的部件已打开或关闭。

● 从温度、压力和其它传感器来的输入（摸似）信号提供了过程变量的瞬时状态信息。

●来自系统中的（监测）输入信号，比如传感器报告给定条件已 获满足，这些条件可能是罐内最高液位、设定的最低温度值等。

上述信号由控制系统的逻辑单元处理，在我们继续讨论之前应多研究一下逻辑这一定义。

什么是逻辑？逻辑是自动化中的一个基本概念，它表示做出一个判断的机理，根据给定的模式执行一定的任务，教育和经验在人们头脑中形成一系列程序，这些程序使人们以特定方式完成某项任务，图1表示操作人员是如何使用逻辑解决把一组罐中牛乳输送给一条加工线的控制问题的，在工艺过程中，操作人员获得了一组数据，例如罐T1即将排空，罐T2正在清洗，罐T3充满产品等，操作人员以逻辑方式处理这些数据，这张图描述了分析、判断过程—提出的问题和做出的决定。

最后他做出决定，按下操作台上的按钮启动相应的阀门、泵和其它执行元件。

操作人员在解决这类控制问题时，不会有太大的困难，但还是有发生错误的可能，有时将清洗液和牛乳混在一起。

当加工线上缺少牛乳，设备继续运行时，就会导致如热交换器表面的焦板，当清洗罐时，在罐中的乳就有可能浪费。

如果操作者同时负责工艺过程中的几个类似的部分，发生这种错误的危险性将会上升，这种匆忙和紧张的状况使操作人员出差错的可能性增加了。

初看起来易于获得这样的印象，即操作人员经常遇到要在大量可供选择的控制方案中进行选择，但进一步研究表明，事实并不总是这样，在若干小时的操作中可以证实乳品厂能在控制程序执行中实现高质量产品，安全和经济的指标，换句话说，操作人员已或多或少地获得了永久性的控制逻辑，他根据已定的程序选择罐，他利用秒表来确定一个乳罐的排空时间，因此他可以确切地知道何时转换到另一个装满奶的罐，以便把损失降到最低限度等。

每一个工艺过程都能够进行这种分析，这样在分析的基础上就有可能产生最佳结果的控制逻辑。

为什么我们需要自动化工艺控制？设计乳品厂必须考虑每个因素的影响，因此在必须满足对加工厂的外在要求的同时，最终的解决方法必定兼顾产品、工艺、经济相关几方面因素，有关外在要求涉及诸如劳动力、产品数量与型号，产品质量、卫生、法规、产品可供性、灵活性和经济等因素。

图1一个操作者如何用逻辑解决一个控制问题自动化的主要优点是● 安全● 产品质量● 可靠● 生产效率● 灵活性生产● 生产控制与产品相关的因素包括原材料、产品处理和最终产品质量，与工艺相关的因素包括对满足外在需要的工艺设备的选择。

在乳品厂,即使产品生产线首先被选择以取得稳定的产品质量，也不得不做各种兼顾，尤其是当需要生产许多不同品种的产品时，例如必须要考虑设备的清洗要求和与已有清洗系统连接的适应性。

同时其它一些因素也需要兼顾，如能源的消耗和服务介质、以及需进行控制的设备的适应性都会涉及，需强调的是，当选择加工设备时，也必须考虑自动化的解决方法。

提供合适的自动控制有许多优点，而且对产品、工艺、工艺设备的全面认识指导着设计，最重要的一些作用是：● 安全● 产品质量● 可靠● 生产经济● 灵活性生产● 生产控制安全性通过控制系统在每一次生产动作过程中总是以同样的方式精确地操作和监控工艺，避免了诸如不同产品错误地混合、产品罐的溢流以及其它错误，如产品损失和生产中断。

由于加工中的各种变化被整理到最佳状况，使得加工的每一步总是以同样方式被精确实现，这就意味着最终产品将总有同一高质量的水平。

精确的工艺控制意味着产品损失、服务介质的消耗和能量保持在一个绝对最小值，良好的设计和可靠的控制系统对生产经济性是非常有利的。

生产的灵活性能靠自动系统对不同产品的选择和产品配方的程序化来实现，通过改进一种产品配方代替重设程序生产能简易地加以更改。

自动系统也能提供相关的数据和资料，如生产报表，统计数据和分析等，这些数据是作出精确的管理判断的重要工具。

控制的任务是什么？自动控制系统的任务可以分成以下四类：1 数字控制2 模拟控制3 监控4 管理资料数字控制数字控制是建立在这样一个基础上的，即被控目标能处在2个状态中的1个开或关的状态。

图2，一个马达可能是运行或停止，阀是打开的或关闭的两个位置中的某一个位置，在此基础上，可以设想实现不同水平的自动化。

A 远距离控制,意思是单一物体能从一个控制盘上控制，是一种简单地手动控臂的伸长，这种水平不应被认为是自动化。

B 组合控制，意思是对一组物体在同一时间加以控制，如罐底部的控制。

自动化系统的四项任务：1 数字控制2 模拟控制3 监控4 管理资料C 功能的控制，如加工中物料管线打开或关闭或搅拌控制。

D 连续控制，意思是所有功能一个接一个以一定的顺序实现连续的动作，例子如下：● 以不同清洗液按预确定的程序和确定时间进行清洗。

● 产品路线和灌装液位的预选择● 巴氏消毒机的开机连续控制在现代化控制系统的功能上表现出充分的优越性，当今普遍采用。

模拟控制模拟控制如图3,意味着物料由控制单元的模拟信息控制，通常这种型式控制是建立在控制单元接收连续变化的反馈信号基础上，这种型式的控制使用在如巴氏杀菌机蒸汽或热水供应的控制上，信号把巴氏温度由传感器反馈给控制单元。

模拟控制对乳品工艺的作用非常重要，模拟控制在乳品工业中通常是非常简单的，模拟控制循环数目通常相对较小，其最重要的应用是：● 巴氏杀菌机● 称量系统，通常包括配方和混料的处理● 泵流量的控制● 干物质或脂肪的标准化控制系统通常包括模拟控制和数字控制两项，两种形式控制相互补充，模拟系统用于控制巴氏杀菌器的加热，而同时温度感应器监测着温度。

如果温度下降到预设值以下，传感器快速反应，然后信号传送到控制单元，巴氏杀菌机被转换液体流动方向。

监控监控意思是各种加工目标和工艺状态受到监督，如果故障发生，系统触发警告。

监控是建立在以物体反馈信号的基础上，这些信号可以几种方式设计。

● 某一控制物体的简单监控● 故障条件的简单记录● 联锁作用，如果故障信号接收到后，防止起动或继续运行，例如清洗程序的启动在准备清洗的罐低液位信号没有被收到前，系统闭锁。

● 当故障排除时，系统重新自动起动。

监控的一个非常重要部分是自诊断，如控制系统的连续检查。

管理资料计算机使生产效率提高成为可能，这不仅表现在商店的销售，而且表现在管理水平上，它们能收集和分析数据，提供管理者以表格形式的合理的管理决定，现代化系统有这种能力，下面是几个日常管理的例子。

● 数据记录，对从工艺过程收集的信息进行检索● 生产跟踪，自动系统对乳品厂所有的工艺和产品进行记录这些数据使我们能对最终产品进行跟踪。

● 原材料鉴定● 产品如何被加工的● 生产记录，所有生产数据被记录和加工处理，这些数据能提供最终产品和中间产品的生产报告，这些报告能按要求以一定时间间隔呈送，如每班，每天，每月。

图2数字控制可通过开/关来说明图4管理资料使提高生产效率成为可能图3模拟控制能通过巴氏杀菌的温度控制过程来进行说明● 费用分析，这使我们能评估工厂的经济性，生产能力，公用设施和消耗程 度，设备和管线的利用率，这些因素必须加以考虑。

● 生产计划是为了更好地提高设备的经济性和最佳的利用率的一种工具，要 求纳入的资料被加工处理和从加工单元的信息数据处理，可以得出每天的 生产计划，如每天的生产详细计划，包括灌装机（产品、包装形式、大小等）。

● 维修计划可以制定的更加经济，如管理者可以得到记录表明，从上一次维修 起，每台机器已运行多少小时，每个阀已操作了多少次。

● 质量保证，一次不成功的运行很容易通过计算机信息的帮助追踪到它的根源。

自动化的水平决定什么？自动化水平取决于工厂工艺设备的选择，因此必须做一个关于怎样选择加工设备及其对自动化程序的影响的研究调查，这就需要关于乳品方面的所有系统的知识。

自动化系统的一些特殊要求必须在设计时加以考虑，这些要求包括操作者的影响，比如校正错误的日常操作，决定自动化水平的另一重要因素就是需要的管理信息和报告的数量的大小。

操作者的作用自动化不是用来使操作者过剩，而是要扩大操作者的作用和本领，系统越先进，要求他关心的细节越少，程序应该处理所有的加工常规操作、战术，而人工操作者要决定命令选择，即战略性决策，例如操作者作用是负责预选生产用罐，对不同的对象启动CIP，在程序中改变时间、温度和其他生产参数，如果出错，选择相关的处理方法。