奶粉干混生产过程控制及追溯系统研制

任婷婷，杨兴旺，时献江

（1.哈尔滨理工大学 机械动力工程学院，哈尔滨 150080；2.秦皇岛燕大源达机电科技股份有限公司，秦皇岛066000）

干法或干湿法生产奶粉工艺过程是利用特殊的混合机械——干混机，将湿法预生产的乳粉基粉与微量添加成分进行混合[1]，经搅拌、包装等工序制成婴儿配方乳粉[2]。与纯湿法生产工艺相比，干法（或干湿法）生产可以使产品的理化指标得到合理控制、节省能耗、降低成本、缩短生产周期、减少微量元素的损失，可以有效保证配方奶粉的稳定性。但是，由于是小批量混合，微量元素的添加过程若控制不当会引起质量事故，且不易追溯。因此需要建立一套完善的质量控制系统来对其加工过程中的工序和质量进行监控。本文在干混输送PLC控制系统的基础上，配备条码扫描器、触摸屏计算机等设备，利用在制造业应用相对较成熟的MES系统，以配方（BOM）控制与管理为核心，实现了从杀菌、干混、输送、储存及包装过程的MES子系统[3]。该系统具有全厂MES系统接口，已在国内某大型乳品企业应用，取得了较好的效果。

1 奶粉干混生产线工艺流程

奶粉干混生产线如图1所示，主要包括小料（微量元素等添加成分）入库及分装、小料预混、产品干混、粉仓缓冲和包装环节四大部分。小料预混是为了提高干混效率进行的一次预放大操作，来自立体库的25 kg大包基粉，经杀菌机杀菌后，在小料干混投料站和经过预先分装后（图1中的小料入库与分装工位）的小料依次投入振动筛，然后由负压气力供粉系统提升至小料干混机，干混后包装成预混料；预混料与另一路杀菌机进来基粉混合后，依品种或批次送至各个粉仓，然后由包装机完成最后的包装过程。

图1 奶粉干混生产线流程Fig.1 Process of dry mixed powder production line

为了提高生产率，小料入库与分装，以及小料预混都是预先完成的，而干混和输送过程则都是在密闭空间中全自动化的。为了适应小批量生产的需要，干混系统的粉仓容量较小，且所有的原料都要人工投放到各个投料点的振动筛中，投料工作量大，且连贯性要求高，工人在投料过程中易出差错，因此，迫切需要一种纠错及防错措施，为此，参照制造业流行的MES系统，研制了仅限于奶粉干混系统的小型干混MES系统。

2 奶粉干混生产线MES系统构成

与一般的PLC控制系统不同，设计时需要充分考虑MES信息的输入及输出设备，在易出现差错或关键控制节点处，配备PLC、触摸屏计算机和条码扫描器等；对于有条码打印要求的环节，如预混包装和小料入库及分装环节，配备条码打印机，同时配备电子秤进行称重计量[4]。针对奶粉干混生产线设计的MES系统配置如图2所示。

图2 奶粉干混生产线MES系统配置Fig.2 MES system configuration of dry powder mixed production line

中控室安置2台主机，一台负责PLC自动控制系统；一台运行MES系统数据库及MES主程序，其中自动控制上位软件采用WinCC 7.0组态软件。2台主机均与主PLC（西门子S7-300）采用以太网连接，后者采用OPC通讯方式连接。

各个子站由无风扇嵌入式触摸屏计算机+S7-200 PLC构成，以适应清洁生产现场的要求。MES主机通过以太网连接各个子站触屏计算机，子站计算机除完成条码扫描、打印等MES功能之外，还通过串口和就地PLC进行常规控制信息交换[5]。

3 奶粉干混MES系统控制流程

3.1 小料入库与分装

多数小料包装重量不符合配方要求，需要预先按配方要求分装适合的小包装，这一步称为小料入库与分装。入库前需要扫描或输入小料原料的条码、批次等数据进入原料数据库，并产生新的带有序列号的新条码。然后，以此条码进行称重分装，分装时根据配方要求确定一次分装重量，重量达到后按电子秤的打印按钮，打印记有原料信息和重量信息的条码，贴到新小料包装袋上以备小料预混使用。

3.2 小料预混

将2袋基粉条码扫描后投入2#杀菌机，杀菌完成后扫描条码，投入小料投料站。根据配方要求和顺序扫描小料条码，确认配料品种和重量符合配方要求后投入小料投料站，在全部条码扫描正确、投料完成和输粉过程完成后，才能够启动小料干混机，进行搅拌混合。

小料干混完成后会形成2～3袋预混料；经电子秤秤量后，由条码打印机打印出条码，贴合到预混料袋上以备正式干混时使用。

3.3 干混和输送

由于干混时基粉投入量较大，此时仅对一组中投入的基粉的第一个袋子的条形码进行扫描，并与配方数据库表单进行比较，品种和重量正确后，提示扫描OK，表示该产品进入杀菌工序，当PLC计数器达到目标值后自动停止杀菌机，人工确认后，开始下一轮投料。杀菌机出口的人工投料站，也对第一袋粉的条码进行扫描，扫描成功表示该组基粉已经过杀菌工序。

从人工、PLC以及条码3个方面保证每种投放基粉数量的准确性。a）人工保存每个基粉的空袋，每次投料完成后清点数量；b）每隔1组投粉数量，人工贴1个条码；c）每个投粉循环，PLC计数清零1次。

干混投料站处也配置一台扫描枪，除了扫描杀菌隧道出来的基粉外，还对配方规定的小料预混料进行扫描，确保品种、数量和重量符合配方要求，当所有配料投料完成后，才可以开启缓冲仓的出口阀，将料投入1楼的大干混机。

干混完成后，计算机将气力送粉目标和起止时间记录到数据库中，至此完成干混配料和输送过程。系统自动生成相应的条码记录到数据库中，以备追溯和包装机关联或供厂级MES系统追溯使用。

3.4 包装

包装系统是一个相对独立的系统，有罐装和袋装2种包装机。条码打印时，仅条码信息、时间，进入数据库，MES系统根据生产线、时间关联每个产品与原料及干混过程追溯信息。由于包装和干混之间配备一定容量的缓冲仓，所以在2次干混间存在一定的不确定性。

4 MES数据库设计

系统开发环境采用Windows XP操作系统，后台数据库软件选用的是Microsoft SQL Server 2000。前台开发工具选用Visual Basic 6.0，系统采用先进的客户/服务器（Client/Server）架构。客户机/服务器模式具有良好的交互性、扩展性、较快的传输速度等特点，能提高系统的安全性和处理能力[6]。在数据库结构设计方面，优化了数据库结构及组成，采用少字段，多表单关联的方式，有效地解决实时生产数据存取速度和追溯之间的矛盾。

根据奶粉干混线的实际要求，设计的数据库主要含基础产品、配方信息和产品生产数据三大类表单，如图3所示。

图3 奶粉干混生产线数据库结构Fig.3 Schematic diagram of database structure of dry mixed production line

基础产品和配方信息类包括PC代码、操作者代码、产品基本信息、产品生产顺序和BOM表单等，BOM表单包括设定生产顺序及各节点配方信息。成品数据表单主要存储产品及生产过程信息，如生产顺序表记录某个产品 （按一次干混量区分）在生产线上的移动过程，用于工序间的防错和追溯，配料表单记录每次扫描的配料或基粉的条码，用于判断该配料是否用过，或者作为流水码，用来判断该工位工序是否合理。对于某个产品的成品数据表单族，各表单之间是通过由计算机自动形成的唯一关键字“产品ID”进行关联的。

5 MES生产过程控制的实现

5.1 配方控制

实现工序内部的配方控制相对来说比较容易，主要依靠各道工序配置的条码扫描器来保证。每个条码信息除了配料品种类型等信息外，还包含重量信息，工位计算机扫描条码信息后，与数据库内的BOM设定信息对比，当品种正确、重量在规定范围内时，条码扫描才能合格[7]。

5.2 工序顺序控制

工序间的控制也必须依靠条形码。条码系统对加工过程中每次新增配料进行条码扫描，而且至少要保证有一种配料（基粉）的条码在两道工序进行扫描，以形成工序顺序标记，完成所有工序操作之后，系统将自动按照该产品的条码规则生成并打印总条码，由最后的包装工序自动打印、包装。配料工序内和工序间的质量控制流程如图4所示。

6 结语

奶粉作为婴幼儿营养的重要来源，其生产加工过程的质量监控是非常重要的。在这种情况下，提出了一种由计算机、条形码扫描仪、PLC和电子秤组成的MES控制系统，该系统具有良好的人机界面，数据库操作响应快。通过本系统对各工位的合理选择、组态，还可实现柔性化，能适合多种产品类型，大大提高了奶粉生产企业的售后服务水平、产品质量追溯水平乃至整个企业的信息化管理水平，给乳制品生产企业带来巨大的管理效益和经济效益。和一般制造业的MES系统不同，由于在配料环节和包装环节之间存在缓冲仓，使得包装环节与配料环节在两组配料之间存在一定的不确定性，这是本项目待解决的缺陷之一。

图4 配料工序内及工序间MES控制系统流程Fig.4 Flow chart of MES control system in batch process and between the process

[1]陈辉，霍贵成.干法生产婴儿配方乳粉[J].中国乳品工业，2002，30（5）：103-105.

[2]熊华，汤惠民，熊小青，等.仿母乳奶油粉的营养功能特性和婴儿配方奶粉干法生产[J].中国乳品工业，2004，32（8）：15-18.

[3]乔顺国.基于MES的可追溯性系统的研究与实现[D].浙江：浙江大学，2007.

[4]李方涛.安全气囊柔性生产线条码追溯系统研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2012.

[5]姚军.自动化生产数据采集在MES系统中的运用[J].江西化工，2008（4）：69-72.

[6]杨斌.MES集成框架研究与开发[D].南京：南京航空航天大学，2007.

[7]杨展，孙树栋，牛刚刚，等.条码技术在MES信息采集系统中的应用研究[J].企业管理与信息化，2008，37（9）：1-5.