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摘 要：乳品厂采用巴氏杀菌方法，使鲜奶在82-85℃之间加热15分钟，可以杀掉一些对人体有害细菌，还能保证牛奶的营养。所实现的装置为巴氏杀菌控制设备，它是通过触摸屏设定相关参数，进行预处理、巴氏杀菌、洗涤等，设备中包括水泵的变频调速、温度、压力、流量的PID调节和PLC的控制，是比较典型的自动控制设备，具有较强的实际应用。
关键词：PLC；PID调节；温度传感器；比例调节阀
一、巴士杀菌设备原理分析
1.基本工作系统图：
2.控制流程：
启动设备后，首先在触摸屏上设定所需的各种参数，包括清洗时间、蒸汽温度、清洗温度、杀菌温度、PID参数等。设置确定后，启动预先设计好的程序，进行预处理。用水对管道进行清洁，通过管路送到平衡槽，再经过泵打入板式交换器的奶道里，另一路的热蒸汽通过蒸汽调节阀与纯净水混合，变成热水，也送到板式交换器的热水管道里，这样不断循环对奶道里的水加热，直到达到设定温度，并且反复清洁。清洗的过程其实也是在检验系统是否能正常运行，因此称为预处理阶段。预处理结束后，系统运行正常，在触摸屏上进入操作界面，启动正常工作。
这时通过阀门控制，注入鲜奶，经过平衡槽和泵输送到板式交换器的奶道，同样蒸汽系统和纯净水混合，产生的热水送到板式交换器的水管道。然后系统通过热水对鲜奶进行巴氏杀菌，杀菌温度控制在82℃，鲜奶通过盘管保证加热时间为15秒。经过高温杀菌后的牛奶在管路中自然降温，接近出口温度后，才送到下一个生产环节。当所有鲜奶处理完后，需要对整体设备内的管道进行酸碱洗涤，保证管道内的清洁，为下一次生产做好准备。在系统中，温度和压力的调节是该系统的控制核心，它是用PLC的PID调节命令，通过不断的温度压力检测，与设定参数进行比较，然后根据差值进行调节，使系统的温度压力稳定。
二、故障现象与分析
本控制系统采用欧姆龙PLC，型号，三菱FR—A700系列变频器和流量计、温度传感器PT100组成控制系统。在本系统中有3处温度检测，分别为蒸汽温度、物料温度、保温管温度，有2处比例调节阀，分别为蒸汽比例调节阀和出料比例调节阀。
故障发生在板式交换器的比例调节阀，即出料比例调节阀，当鲜奶的杀菌温度达不到82℃时，调节阀不能自动。问题归纳为比例调节阀不能随温度的变化自动调节。控制系统是通过温度检测→PLC与触摸屏里设定的温度值进行比较→调节阀。整个巴士杀菌环节，它需要对温度的控制非常重要，蒸气温度要达到82度左右，如果不满足要求，就需要调节蒸气管道中的比例调节阀；管理中纯净水的温度，决定了冷热交换之后的牛奶温度；主要物料牛奶的温度是整个控制的对象，它包括进出板式交换器的温度检测。对于温度的检测是模拟量的测量，需A/D转换模块传输到PLC中，输出控制的是比例调节阀，也是随电流的大小调门打开的角度不同，电流是标准电流4-20mA；也是需要PLC输出信号用D/A转换。而且被控量是个趋于稳定调节，整体是一个闭环控制，那系统在每个恒定温度的调节就是PID的闭环控制。
根据问题的分析，可能出现在三个方面：1.检测环节，即温度是否被检测到；它包括温度传感器是否正常工作和检测到的量是否被传输到PLC的A/D转换模块上；2.PLC内部的程序环节，是否把采集到的数据进行PID运算处量了；3.输出单元，是否把经过PID调节后的数值传输到的外面的执行机构上，是否输出了4-20mA电流。
三、排故方法与过程分析
1.初期判断：采用排除法
（1）.在触摸屏上已经显示管道中，经过板式换热器处理后的温度，说明温度传感器是能够实现检测功能的，并把数据传输到了PLC中；（2）.比例调节阀的功能也能正常工作，在厂内的师傅通过用电流发生器对比例调节阀进行调节是可以实现的，说明比例调节阀环节是正常的；（3）.问题主要集中在PLC和它的A/D和D/A两个模块上。
2.检查元件问题：采用替换法
（1）用系统中确认好的温度传感器替换奶道的温度传感器。分别进行两种对比：一种是在相同条件上测量的温度进行比较；二种是在温度发生变化时，在触摸屏上观察温度是否发生变化；测试结果是，发现温度的检测是正常的。这样就判断了温度传感器和A/D转换模块都是正常工作的。
（2）比例调节阀的检测。采用可调电流电源进行测试，电流源的调节范围为4-20mA，当电源输出不同电流值时观察比例调节阀是否是能正常动作。测试结果是当电流等比例变化时，比例调节阀等比例进行动作。这样，初步判断了比例调节阀也是正常的。
（3）替换D/A模块。因为系统中有两处需要用PID温度控制，分别是用于汽水混合的蒸汽比例调节阀和鲜奶的出料比例调节阀，因此设想用另一个D/A模块进行控制，但发现需要单独设计程序，因此重新编写程序进行调节，发现可以实现调节。再一次验证从温度传感器和物料的比例调节阀均是能够正常工作，无故障。
3.问题集中在被替换的D/A模块和程序设计。
（1）被替换的D/A模块，经过沟通，一年前从厂家重新购买，重新安装后，也未能改善；因此我们又把单独编写程序，只用出料口温度传感器→A/D转换→经过程序的PID调节→D/A模块→比例调节阀进行控制，发现可以实现，这样证明硬件是无故障的。
（2）分析内部程序。在上面测试的结果上，从元件到模块都没有问题的情况下，我们开始调节系统程序。首先执行原有程序，断开比例调节阀的接线，直接用电流表进行测量，发现10以上多次测量时，只有1次准确有值，还有1次开始有值，而后不再显示。因此重点放在分析程序上，仔细分析后，发现本系统的程序是分多个子程序，在物料温度控制程序上，为了控制的精度，对检测量进行比较后放大，然后进行PID调节，调节后再比例运算，缩小后输出进行控制。相对比较复杂，经过对PID指令的进一步学习，因此出现有时跳步问题，所以导致系统工作不稳定，尤其是在出现超调时，使得I的参数无法调节下来。
结束语
综上所述，造成物料比例调节阀的不能工作的问题，最终反映到程序的PID参数上，在分析和排故的过程中，我们先从硬件入手，确定大致范围，不断测试和排查，最后找到根源是程序的PID参数，但其实参数应该在系统投入运行时就已经测试成功的，之所以会影响甚至导致调节阀不工作，這可能是由于设备在使用中或维护中，导致一些参量、结构和使用年限的变化，使得参数需要再进行修订。
参考文献
[1]张戌社，宁成校主编.《液压气动图形符号及识别》化学工业出版社，2017.1
关键词：PLC；PID调节；温度传感器；比例调节阀
一、巴士杀菌设备原理分析
1.基本工作系统图：
2.控制流程：
启动设备后，首先在触摸屏上设定所需的各种参数，包括清洗时间、蒸汽温度、清洗温度、杀菌温度、PID参数等。设置确定后，启动预先设计好的程序，进行预处理。用水对管道进行清洁，通过管路送到平衡槽，再经过泵打入板式交换器的奶道里，另一路的热蒸汽通过蒸汽调节阀与纯净水混合，变成热水，也送到板式交换器的热水管道里，这样不断循环对奶道里的水加热，直到达到设定温度，并且反复清洁。清洗的过程其实也是在检验系统是否能正常运行，因此称为预处理阶段。预处理结束后，系统运行正常，在触摸屏上进入操作界面，启动正常工作。
这时通过阀门控制，注入鲜奶，经过平衡槽和泵输送到板式交换器的奶道，同样蒸汽系统和纯净水混合，产生的热水送到板式交换器的水管道。然后系统通过热水对鲜奶进行巴氏杀菌，杀菌温度控制在82℃，鲜奶通过盘管保证加热时间为15秒。经过高温杀菌后的牛奶在管路中自然降温，接近出口温度后，才送到下一个生产环节。当所有鲜奶处理完后，需要对整体设备内的管道进行酸碱洗涤，保证管道内的清洁，为下一次生产做好准备。在系统中，温度和压力的调节是该系统的控制核心，它是用PLC的PID调节命令，通过不断的温度压力检测，与设定参数进行比较，然后根据差值进行调节，使系统的温度压力稳定。
二、故障现象与分析
本控制系统采用欧姆龙PLC，型号，三菱FR—A700系列变频器和流量计、温度传感器PT100组成控制系统。在本系统中有3处温度检测，分别为蒸汽温度、物料温度、保温管温度，有2处比例调节阀，分别为蒸汽比例调节阀和出料比例调节阀。
故障发生在板式交换器的比例调节阀，即出料比例调节阀，当鲜奶的杀菌温度达不到82℃时，调节阀不能自动。问题归纳为比例调节阀不能随温度的变化自动调节。控制系统是通过温度检测→PLC与触摸屏里设定的温度值进行比较→调节阀。整个巴士杀菌环节，它需要对温度的控制非常重要，蒸气温度要达到82度左右，如果不满足要求，就需要调节蒸气管道中的比例调节阀；管理中纯净水的温度，决定了冷热交换之后的牛奶温度；主要物料牛奶的温度是整个控制的对象，它包括进出板式交换器的温度检测。对于温度的检测是模拟量的测量，需A/D转换模块传输到PLC中，输出控制的是比例调节阀，也是随电流的大小调门打开的角度不同，电流是标准电流4-20mA；也是需要PLC输出信号用D/A转换。而且被控量是个趋于稳定调节，整体是一个闭环控制，那系统在每个恒定温度的调节就是PID的闭环控制。
根据问题的分析，可能出现在三个方面：1.检测环节，即温度是否被检测到；它包括温度传感器是否正常工作和检测到的量是否被传输到PLC的A/D转换模块上；2.PLC内部的程序环节，是否把采集到的数据进行PID运算处量了；3.输出单元，是否把经过PID调节后的数值传输到的外面的执行机构上，是否输出了4-20mA电流。
三、排故方法与过程分析
1.初期判断：采用排除法
（1）.在触摸屏上已经显示管道中，经过板式换热器处理后的温度，说明温度传感器是能够实现检测功能的，并把数据传输到了PLC中；（2）.比例调节阀的功能也能正常工作，在厂内的师傅通过用电流发生器对比例调节阀进行调节是可以实现的，说明比例调节阀环节是正常的；（3）.问题主要集中在PLC和它的A/D和D/A两个模块上。
2.检查元件问题：采用替换法
（1）用系统中确认好的温度传感器替换奶道的温度传感器。分别进行两种对比：一种是在相同条件上测量的温度进行比较；二种是在温度发生变化时，在触摸屏上观察温度是否发生变化；测试结果是，发现温度的检测是正常的。这样就判断了温度传感器和A/D转换模块都是正常工作的。
（2）比例调节阀的检测。采用可调电流电源进行测试，电流源的调节范围为4-20mA，当电源输出不同电流值时观察比例调节阀是否是能正常动作。测试结果是当电流等比例变化时，比例调节阀等比例进行动作。这样，初步判断了比例调节阀也是正常的。
（3）替换D/A模块。因为系统中有两处需要用PID温度控制，分别是用于汽水混合的蒸汽比例调节阀和鲜奶的出料比例调节阀，因此设想用另一个D/A模块进行控制，但发现需要单独设计程序，因此重新编写程序进行调节，发现可以实现调节。再一次验证从温度传感器和物料的比例调节阀均是能够正常工作，无故障。
3.问题集中在被替换的D/A模块和程序设计。
（1）被替换的D/A模块，经过沟通，一年前从厂家重新购买，重新安装后，也未能改善；因此我们又把单独编写程序，只用出料口温度传感器→A/D转换→经过程序的PID调节→D/A模块→比例调节阀进行控制，发现可以实现，这样证明硬件是无故障的。
（2）分析内部程序。在上面测试的结果上，从元件到模块都没有问题的情况下，我们开始调节系统程序。首先执行原有程序，断开比例调节阀的接线，直接用电流表进行测量，发现10以上多次测量时，只有1次准确有值，还有1次开始有值，而后不再显示。因此重点放在分析程序上，仔细分析后，发现本系统的程序是分多个子程序，在物料温度控制程序上，为了控制的精度，对检测量进行比较后放大，然后进行PID调节，调节后再比例运算，缩小后输出进行控制。相对比较复杂，经过对PID指令的进一步学习，因此出现有时跳步问题，所以导致系统工作不稳定，尤其是在出现超调时，使得I的参数无法调节下来。
结束语
综上所述，造成物料比例调节阀的不能工作的问题，最终反映到程序的PID参数上，在分析和排故的过程中，我们先从硬件入手，确定大致范围，不断测试和排查，最后找到根源是程序的PID参数，但其实参数应该在系统投入运行时就已经测试成功的，之所以会影响甚至导致调节阀不工作，這可能是由于设备在使用中或维护中，导致一些参量、结构和使用年限的变化，使得参数需要再进行修订。
参考文献
[1]张戌社，宁成校主编.《液压气动图形符号及识别》化学工业出版社，2017.1