引 言

    近年來我國飲料行業高速發展，但碳酸飲料始終占據著市場中的較大份額。碳酸飲料的發泡和刺激味道來自CO2，飲料內的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，來加速碳酸化作用。飲用時，由于溫度增高使CO2氣化，產生刺激并帶走人體熱量，所以給飲用者以清涼感。CO2改善了風味，參與提供了酸性環境，產生了刺激性的口感，并賦予了碳酸飲料特有的泡沫奔涌的外觀。首先是調節風味，在飲料中碳酸起到調節溶液pH值的作用，使飲料中各種原料風味更協調，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的存在使容器內缺氧，許多嗜氧菌也無法生存，CO2使容器內有一定的壓力，壓力也能使微生物生長條件破壞甚至死亡。這些特性可以使汽水、汽酒類飲料具有較好的防腐能力，從而延長了保質期。所以碳酸飲料的CO2含量是一個重要的特征性質量指標。

1 混合機控制方案設計

1.1 任務分析

    本次設計的任務是以S7-200系列PLC作為處理核心，用液位開關、壓力傳感器將生產過程中的信號（如液位，壓力，流量等）采集后送給PLC處理器，由PLC對數據進行運算，然后輸出驅動信號（如接觸器、電磁閥等）來完成飲料混合機的自動生產過程。

    本機的主要運行原理如圖1所示，純凈水先經真空脫氣裝置脫氧后經水泵輸出到水罐；糖漿經糖漿泵輸送至糖漿罐；水和糖漿分別經調節閥、流量計后進行混合，混合后經混合泵輸送至成品罐，混合液在進入成品罐前還需作預碳化處理，即把 CO2氣體注入混合液中，注入混合液的 CO2受流量計控制一定的流量；混合好后經過冷媒冷卻送入碳化罐中儲存，最后輸送到灌裝機灌注。

1.2 硬件方案設計

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

圖1 運行原理圖

1.2.1 脫氣系統

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

（2）脫氣罐的負壓由水環式真空泵抽吸罐內空氣而形成。

（3）罐內負壓壓力一般的真空度為-0.04 ~-0.06 MPa，它是通過設置電極點真空壓力表上限點而實現。罐頂部接大氣管路的作用：一是可以人工排泄罐內真空，二是在清洗罐的內表面時，隨著液位的上升而排泄罐內的部分氣體。

1.2.2 混合系統

    混合系統是混合機的一個重要組成部分，它能穩定地按預定的速率自動的將水與糖漿進行混合，且具有混合精確、水和糖比例易調等許多優點。混合系統主要包括水進給閥、水罐、糖進給閥、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（開啟壓力0.6 Mpa）和溢流管，溢流管上裝有一電磁閥和流量計，機器處于“自動開”狀態時，電磁閥開啟，溢流閥開啟，溢流罐頂內的空氣，使罐內CO2氣體得到純化，流量計用來調節氣體出口的大小。

（2）罐內的CO2壓力由自動調節儀根據人工設定的壓力參數與檢測到的實際壓力比較并進行自動調節，使罐內CO2壓力在規定范圍內。碳化罐內的壓力在自動調節儀的設定值應依照成品飲料的含CO2量倍數（GV）與壓力溫度的關系確定。

（3）機器在自動狀態時，液位始終在高低液位之間波動，液位的高低決定了混合泵的停與開，當液位低于極限時，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，這是碳酸化的一個關鍵部位。

1.2.4 電氣系統

    電氣系統采用人機界面作為上位機，方便操作員操作和監視相關部分的動作過程，采用SIEMENS S7?200 PLC作為處理單元，采集各液位、壓力及流量信號。控制各執行機構的協調動作。

1.3 軟件方案設計

PLC設計步驟圖如2所示。

圖2 PLC設計步驟圖

1.4 文件存檔

    比較并進行自動調節，使罐內CO2壓力在規定范圍內。碳化罐內的壓力在自動調節儀的設定值應依照成品飲料的含CO2量倍數（GV）與壓力溫度的關系確定。

（1）機器在自動狀態時，液位始終在高低液位之間波動，液位的高低決定了混合泵的停與開，當液位低于極限時，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，這是碳酸化的一個關鍵部位。

2 混合機控制方案設計

2.1 任務分析

    根據S7-200系列的PLC特點，并結合經濟實用性的考慮，控制系統選用 6ES7 216-2BD23-0XB8 型號的CPU：輸入點數24，輸出點數16點，另配一個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展。根據系統的性能與要求，PLC輸入/輸出端口地址的分配見表1。

2.2 系統的硬件電路設計

2.2.1 系統硬件

    系統的硬件電路分為主電路和控制電路。

2.2.2 主電路的設計

    本系統主要有真空泵、進水泵、輸送泵、糖漿泵、冷媒泵及混合泵。

真空泵用于抽真空；進水泵把純凈水輸送至脫氣罐；輸送泵則負責把脫氣罐里的水輸送至GOB水罐；糖漿泵是把調配好的糖漿輸送至糖罐；冷媒泵負責把冷卻介質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 控制電路的設計

    根據工藝要求，PLC控制系統的輸入信號有21個（見表1），且均為開關量。其中有急停按鈕，脫氣罐高、中、低液位檢測；碳化罐高、中、低液位檢測；水罐和糖罐的高、低液位檢測；碳化罐高、低壓力檢測；各水泵的過載報警信號等。PLC控制系統的輸出信號有20個，分別用于控制各水泵的運轉，氣動閥門的開關等。

2.2.4 操作面板的設計

    本操作面板簡單，直觀，有電源和故障報警指示，電源開關和急停按鈕，碳化罐的溫度和壓力顯示，如圖4所示。人機界面方便操作人員操作和監視。

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節；GOB系統CO2氣的壓力顯示和調節；混合罐CO2氣壓顯示和調節等。

3 系統軟件設計

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，水和果汁分別經過過濾器過濾，分別送進水罐和糖罐，經計量閥計量，送入T型管混合，再進入混合罐，經泵機送入碳化罐處理，然后輸出供顧客飲用。

圖5 混合裝置工作原理方框圖

3.2 系統流程

    通過人機界面上的流程圖可以很清晰地監視到設備各部分的運行情況。也可以幫助操作人員分析和判斷故障情況。

4 程序調試

    利用軟件 SIEMENS PLC 編程軟件 STEP 7-Mi-croWIN V4.0 進行調試。

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，設置好通信參數，再把編譯好的程序下載至PLC。當PC與PLC連接好后，點擊監視模式可以監視程序運行情況，能方便診斷故障和修改程序。

5 結 語

    通過對系統的硬件設計和軟件設計，硬件設計包括西門子S7-200 PLC外部電路的設計與安裝；軟件部分包括程序的設計與調試。通過仿真和實驗設計系統最終實現了飲料混合機的手動、自動及CIP清洗功能；完成了飲料混合機把水、糖漿、CO2按一定比例混合的功能；具備了故障報警提示及故障復位功能。