乳品加工 UHT + CIP 整线 — 多 PID 工艺对象集成

一、设备简介

项目位于内蒙古呼和浩特某大型乳企, 扩建一座 10 000 L/h UHT 液态奶 + 无菌砖罐装 生产线, 工艺覆盖 板换预热 (70→85 ℃) → 均质 (200 bar) → 板换高温 (137 ℃ / 4 s) → 保温盘管 → 冷却段 (25 ℃) → 分流阀 (FDV) → 无菌缓冲罐 → 无菌砖装灌装机, 并与 中央 CIP 清洗站 共享主控, 运行时切换 PROD/CIP/SIP 三种模式。

关键工艺指标:

工艺段	关键点	指标
预热段	热水回路	70±0.5 ℃
均质机	一级/二级压力	180 / 20 bar
保温段	137 ℃ 保持 4 s	温度 ± 0.3 ℃
冷却段	冰水回路	25 ± 1 ℃
分流阀 FDV	不合格自动回流	响应 < 500 ms
无菌缓冲罐	正压 0.3 bar	压力 ± 0.05 bar
CIP 回路	酸/碱/热水	电导率合格后判定

目标:

• 单一 Runtime 覆盖 UHT + CIP + 无菌缓冲 + 灌装握手;
• 多 PID 工艺对象 集中整定, 串级 + 前馈 + 模糊全内置;
• 符合 GB 25190 / GMP / HACCP, 为每一包记录批次数据并经 OPC UA 上送上层 MES (追溯查询由 MES 完成);
• 整线控制 BOM ≤ ¥ 60 万 (不含板换/均质/灌装机本体);
• 备件国产化, 供货 ≤ 1 周。

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二、项目模块组成

工程模板 DAIRY_UHT, 分为 工艺控制 / CIP 清洗 / 公用工程 / 灌装握手 / 上位通讯 五个大模块:

模块	子功能	关键技术
MOD_PREHEAT	预热板换 PID (热水回路)	FB_PID_Cascade
MOD_HOMO	均质机压力 PID + 出口温度	双 PID + 前馈
MOD_STERI	高温保温段温控串级	FB_PID_Cascade + 蒸汽前馈
MOD_COOLING	冷却板换 (冰水)	FB_PID_Fuzzy
MOD_FDV	不合格分流阀时序	状态机 + 多联锁
MOD_BUFFER	无菌缓冲罐正压 + 液位	压力 PID + 液位控制
MOD_CIP	CIP/SIP 状态机 7 步	见 cip-cleaning 专用案例, 此处为子系统
MOD_CIP_ROUTE	CIP 路由阀阵列 (40+ 阀)	MPV 证明 + 阀序
MOD_FILLER_HS	与砖装灌装机握手	Profinet / Modbus TCP
MOD_RECIPE	3 产品 (白奶/调味/酸奶基料)	配方 + 版本 + 签名
MOD_AUDIT	21 CFR Part 11 审计追踪	用户/权限/操作留痕
MOD_BATCH	电子批记录 (PDF + CSV + DB)	Darra Service
MOD_ALARM	三级报警 + HACCP 关键点标记	AlarmManager
MOD_MES	MQTT + OPC UA 上云	Service
MOD_HMI	工艺主画面 + CIP 画面 + 趋势	Darra HMI Designer

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三、机械装配架构

原料罐 → 平衡罐 → 进料泵 → 预热段 ─┐
                                    │
                                    ▼
                              均质机 (200 bar)
                                    │
                                    ▼
                  保温加热段 (137 ℃ / 4s, 蒸汽加热)
                                    │
                              保温盘管 (停留 4 s)
                                    │
                                    ▼
                              冷却段 (→25 ℃)
                                    │
                                    ▼
                       ┌──── FDV (分流阀) ────┐
                       │                      │
                   合格↓                      ↓ 不合格
                 无菌缓冲罐              平衡罐回流
                       │
                       ▼
                无菌砖装灌装机 (外部设备)

公用系统:
  蒸汽发生器 (600 kg/h) ──→ 保温段换热器
  冰水机组 (冷量 500 kW) ──→ 冷却段
  CO₂/无菌空气 (过滤 0.2 µm) ──→ 缓冲罐保压

CIP 站:
  酸罐 + 碱罐 + 热水罐 + 回收水罐 ─── 酸碱泵 ─── MPV 阀阵 ─── 回路 L1..L8

机械要点:

• 板换 A (预热) + 板换 B (高温) + 板换 C (冷却) 串联管路 SUS316L, 全部卫生三级抛光;
• 均质机为二级活塞式 200 bar, 安装平稳裙座 + 隔振垫;
• 保温盘管长度按流量 + 137 ℃ 停留 4 s 精确计算 (Re > 2300 湍流);
• FDV 为 三通混合证明阀 (MPV), 具备阀位双反馈 + 隔腔排液;
• 无菌缓冲罐内置 0.2 µm 过滤器呼吸口, 电动气阀控制 CO₂ 保压;
• 蒸汽管路每 10 m 装疏水器, 排凝管单独布置;
• 冰水机组温度 2 ℃, 换热温差 ΔT = 3 ℃。

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四、程序架构

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                 Darra Runtime (单机)                         │
│                                                             │
│  ┌───────────── OB_100us (EtherCAT PDO) ──────────────────┐ │
│  │  变频器/阀位/仪表 PDO 交换                              │ │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│  ┌───────────── OB_1ms (工艺 PID / 状态机) ───────────────┐ │
│  │  FB_PID_Cascade (预热/保温/冷却)                        │ │
│  │  FB_PID_Fuzzy (均质出口)                                │ │
│  │  PRG_FDV (分流阀)                                       │ │
│  │  PRG_CIP (7 步清洗)                                     │ │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│  ┌───────────── OB_20ms (HMI + 报警) ─────────────────────┐ │
│  │  趋势采样 / 报警扫描                                    │ │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│  ┌───────────── OB_100ms (上位 + 批记录) ─────────────────┐ │
│  │  MES / OPC UA / PDF 批报告                              │ │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

模式切换 (PROD / CIP / SIP / IDLE):

• 工程师在 HMI 切换模式, PLC 先做互斥判断 (有料/无料/阀位), 再切入目标态;
• 每种模式对应不同的子程序集合 + 不同的 PID SP 表;
• 模式切换需要电子签名留痕 (GMP 合规)。

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五、硬件 BOM (国产优先)

5.1 控制层

设备	型号	数量	单价 (¥)	小计
工控机	研华 MIC-770 / i7-12700 / 32 GB / RAID1	1	14 000	14 000
HMI (工艺主画面)	威纶通 cMT-3162X 22" IP65	1	9 800	9 800
HMI (CIP 站)	威纶通 MT8103iE 10.1"	1	3 800	3 800
工业交换机	汇川 SW8 非网管	2	1 200	2 400
UPS	APC SUA3000	1	5 800	5 800

5.2 仪表与执行机构

设备	型号	数量	单价 (¥)	小计
Pt100 温度变送器	重庆横河 4 线制	24	400	9 600
卫生级压力变送器	WIKA DMP331	10	1 800	18 000
卫生级电导率仪	端子 CLS54D	3	6 800	20 400
电磁流量计	光华 LDG-DN50/DN80	4	12 000	48 000
液位计	古大 压力式卫生型	6	2 500	15 000
蒸汽调节阀 + 定位器	苏州纽威 DN50 气动薄膜	2	12 000	24 000
FDV 混合证明阀	苏州纽威 DN80 卫生级	1	22 000	22 000
CIP 主阀矩阵	卫生级气动蝶阀 DN50	42	2 200	92 400
卫生级调节阀 (进料)	苏州纽威 DN65	2	10 500	21 000

5.3 变频器与伺服

设备	型号	数量	单价 (¥)	小计
变频器 (进料泵)	汇川 MD520-4T7R5 7.5 kW	1	2 400	2 400
变频器 (均质电机)	汇川 MD520-4T75 75 kW	1	12 000	12 000
变频器 (CIP 供/回液泵)	汇川 MD520-4T15 15 kW	2	4 500	9 000
变频器 (酸/碱计量泵)	汇川 MD520-4T5R5 5.5 kW	2	2 400	4 800

5.4 IO 系统

设备	型号	数量	单价 (¥)	小计
AM600 EtherCAT 耦合器	汇川	2	800	1 600
8Pt100 热电阻模块	汇川 AM600-8RTD	3	3 200	9 600
8AI 模块	汇川 AM600-8AI	3	2 200	6 600
4AO 模块	汇川 AM600-4AO	2	2 000	4 000
32DI / 32DO 模块	汇川 AM600	4	1 600	6 400

5.5 小计

类别	金额 (¥)
控制层	35 800
仪表执行	270 400
变频器	28 200
IO 系统	28 200
硬件小计	362 600
Darra Runtime 授权	25 000
Darra HMI 授权	5 000
整线投资	¥ 392 600

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六、IO 模块配置

6.1 选型思路

仪表以温度 (Pt100) + 压力 + 流量 + 电导率 + 液位为主, 合计 30+ AI 通道, 用 3×8RTD + 3×8AI 覆盖; DO 主要驱动 40+ 卫生阀, 用 3×32DO = 96 路留充足余量; 变频器 4 台直接 PDO 挂 EtherCAT; FDV/蒸汽阀用 AO 4~20 mA 控制。

6.2 地址分配

模块	PLC 地址	用途
RTD_0 (8Pt100)	%IW0~%IW14	T_PREHEAT_IN / OUT, T_HOMO_OUT, T_STERI_IN
RTD_1 (8Pt100)	%IW16~%IW30	T_STERI_OUT, T_HOLD, T_COOL_IN, T_COOL_OUT
RTD_2 (8Pt100)	%IW32~%IW46	T_BUFFER, T_HOTWATER, T_ICEWATER, T_CIP_SUP/RET
AI_0 (8AI)	%IW48~%IW62	P_HOMO_IN/OUT, P_STERI, P_BUFFER, P_STEAM, P_AIR, F_FEED, F_CIP
AI_1 (8AI)	%IW64~%IW78	COND_CIP_SUP/RET, COND_BUFFER, L_ACID, L_ALK, L_HOT, L_REC, L_BUF
AI_2 (8AI)	%IW80~%IW94	P_STEAM_SUP, P_ICE_SUP, 进料阀位反馈 x4, 余
DI_0 (32DI)	%IX0.0~%IX3.7	操作/门/急停/模式切换/阀位反馈 0~23
DI_1 (32DI)	%IX4.0~%IX7.7	阀位反馈 24~55
DO_0 (32DO)	%QX0.0~%QX3.7	CIP 主阀 0~31
DO_1 (32DO)	%QX4.0~%QX7.7	CIP 主阀 32~41 + 进料阀 + FDV + 蒸汽主阀 + 安全联锁
DO_2 (32DO)	%QX8.0~%QX11.7	冰水阀 + 缓冲罐呼吸阀 + 报警 + 辅助
AO_0 (4AO)	%QW0~%QW6	STEAM_VALVE, ICE_VALVE, FEED_VALVE, FDV_PILOT
AO_1 (4AO)	%QW8~%QW14	HOMO_PRESS_SP, HOMO_FEED_SP, 备用 x2

6.3 分工表 (工艺关键点)

功能	地址	绑定	备注
T_STERI_OUT	%IW22	Pt100 伸入保温盘管	保温段 PV, 保温 PID 闭环
P_HOMO_IN	%IW48	WIKA 0-30 bar	均质进口保护
P_HOMO_OUT	%IW50	WIKA 0-300 bar	均质出口 (200 bar SP)
F_FEED	%IW58	光华 LDG-DN50	进料流量 PV + 前馈
COND_CIP_RET	%IW66	端子 CLS54D	CIP 终冲判定
STEAM_VALVE	%QW0	AO → 纽威 DN50	保温段蒸汽开度
FDV_PILOT	%QW6	AO → MPV 气动	分流阀位置
MD520 (进料泵)	PDO	汇川 7.5 kW	频率来自流量 PID
MD520 (均质)	PDO	汇川 75 kW	恒频 or 压力跟随
MD520 (CIP 供液)	PDO	汇川 15 kW	CIP 供液泵

6.4 绑定操作流程

1. Studio 扫描从站 → 识别 4 台 MD520 + 2 个 AM600 耦合器 (8 个机架模块);
2. 为每个 MD520 配置 PP + 速度环 PDO, 默认启动时给定 0 Hz;
3. 新建 FB_PID_Cascade 4 路 (预热 / 保温 / 冷却 / 缓冲压力), Studio 自动生成 SP/PV/MV 接口;
4. 保温段双击 FB_PID_Cascade → 整定向导 → 做一次阶跃响应自整定 → 自动写入 Kp/Ti/Td;
5. 均质出口 FB_PID_Fuzzy 的模糊规则表用向导导入 (默认 5×5 表);
6. FDV 的 AO 配置 420 mA → 0100%, 报警低限 3.6 mA;
7. 配方管理器新建 白奶/调味/酸奶基料 三条配方, 各自 SP 表自动载入;
8. 下载, 进入 工艺诊断 页观察所有 PID 的 PV/SP/MV 曲线, 稳态后对比标定曲线。

---

七、核心数据结构

TYPE TYPE_PID_LOOP :
STRUCT
    Id          : INT;
    Name        : STRING[24];
    Enable      : BOOL;
    Mode        : INT;         (* 0=手动 1=自动 2=串级主 3=串级从 *)
    SP          : REAL;
    PV          : REAL;
    MV          : REAL;
    Kp          : REAL;
    Ti          : TIME;
    Td          : TIME;
    FeedFwd     : REAL;
    OutHi       : REAL;
    OutLo       : REAL;
    Limited     : BOOL;
END_STRUCT
END_TYPE

TYPE TYPE_PROCESS_STEP :
STRUCT
    Id          : INT;
    Name        : STRING[32];
    TargetT     : REAL;
    TargetP     : REAL;
    TargetF     : REAL;
    Duration    : TIME;
    TempOK      : BOOL;
    PressOK     : BOOL;
    FlowOK      : BOOL;
END_STRUCT
END_TYPE

TYPE TYPE_RECIPE_DAIRY :
STRUCT
    Id                  : INT;
    ProductName         : STRING[32];
    PreheatSP           : REAL;
    SteriSP             : REAL;
    SteriHoldTime_s     : REAL;
    CoolingSP           : REAL;
    BufferPressSP       : REAL;
    HomoPressSP         : REAL;
    FlowSP              : REAL;
    FdvDeadBand         : REAL;
END_STRUCT
END_TYPE

TYPE TYPE_BATCH :
STRUCT
    Id              : STRING[32];   (* 批号 年月日+流水 *)
    ProductId       : INT;
    StartTime       : DT;
    EndTime         : DT;
    Volume_L        : REAL;
    Result          : INT;        (* 0=成功 1=分流异常 2=废批 *)
    TempMin         : REAL;
    TempMax         : REAL;
    HoldAlarmCount  : INT;
    Signer          : STRING[24];
END_STRUCT
END_TYPE

TYPE TYPE_CIP_LOOP :
STRUCT
    Id          : INT;        (* 1..8 *)
    Busy        : BOOL;
    Step        : INT;
    RecipeId    : INT;
    StartTime   : DT;
    CondOK      : BOOL;
    Passed      : BOOL;
END_STRUCT
END_TYPE

VAR_GLOBAL
    Loop_Preheat   : TYPE_PID_LOOP;    (* 预热 Kp=2.5/Ti=45s/Td=8s *)
    Loop_Steri_Out : TYPE_PID_LOOP;    (* 保温外环 *)
    Loop_Steri_In  : TYPE_PID_LOOP;    (* 保温内环: 蒸汽阀 *)
    Loop_Cool      : TYPE_PID_LOOP;    (* 冷却 *)
    Loop_Homo      : TYPE_PID_LOOP;    (* 均质压力 *)
    Loop_Buffer    : TYPE_PID_LOOP;    (* 缓冲罐压力 *)
    Recipe         : TYPE_RECIPE_DAIRY;
    CurBatch       : TYPE_BATCH;
    Step           : ARRAY[1..10] OF TYPE_PROCESS_STEP;
    CipLoop        : ARRAY[1..8] OF TYPE_CIP_LOOP;
    Mode           : INT;        (* 0=IDLE 1=PROD 2=CIP 3=SIP *)
    EStop          : BOOL;
END_VAR

---

八、核心程序代码

8.1 保温段串级 PID + 蒸汽前馈 (关键工艺)

PROGRAM PRG_SteriCascade
VAR
    fbOuter     : FB_PID_Cascade;
    fbInner     : FB_PID_Cascade;
    feedFwd     : REAL;
END_VAR

(* 前馈: 流量越大, 蒸汽阀预开越多 *)
feedFwd := F_FEED * 2.2;     (* 经验系数, 单位 kg/h → % 开度 *)

(* 外环: PV = 保温盘管出口温度, SP = 137.0 ℃ *)
fbOuter(
    Enable   := Mode = 1,
    Mode     := 2,          (* 串级主 *)
    SP       := Recipe.SteriSP,
    PV       := T_STERI_OUT,
    Kp       := Loop_Steri_Out.Kp,
    Ti       := Loop_Steri_Out.Ti,
    Td       := Loop_Steri_Out.Td,
    OutHi    := 100.0,
    OutLo    := 0.0
);

(* 内环: PV = 蒸汽压力, SP = 外环输出 + 前馈 *)
fbInner(
    Enable   := Mode = 1,
    Mode     := 3,          (* 串级从 *)
    SP       := fbOuter.Out + feedFwd,
    PV       := P_STEAM_SUP * 100.0,    (* 0~1 MPa → 0~100 *)
    Kp       := 4.0,
    Ti       := T#8s,
    Td       := T#1s,
    OutHi    := 100.0,
    OutLo    := 0.0
);

STEAM_VALVE := fbInner.Out;

(* HACCP 关键控制点: 出口温度 < 135 ℃ 或 > 140 ℃ 必报警 *)
IF Mode = 1 THEN
    IF T_STERI_OUT < 135.0 THEN
        RaiseAlarm(A_STERI_LOW, 3);
        FDV_Pilot := 100.0;       (* 强制分流 *)
        CurBatch.HoldAlarmCount := CurBatch.HoldAlarmCount + 1;
    ELSIF T_STERI_OUT > 140.0 THEN
        RaiseAlarm(A_STERI_HIGH, 2);
    END_IF;
END_IF;

8.2 均质机压力 + 出口模糊 PID

(* 均质压力由变频器给定实现, 出口温度模糊补偿 *)
VAR fbHomo : FB_PID_Fuzzy; END_VAR

Loop_Homo.SP := Recipe.HomoPressSP;
fbHomo(
    Enable  := Mode = 1,
    SP      := Loop_Homo.SP,
    PV      := P_HOMO_OUT,
    RuleTbl := 'Homo_5x5',
    OutHi   := 100.0,
    OutLo   := 0.0
);
HOMO_PRESS_SP := fbHomo.Out;

8.3 FDV 分流阀状态机 (不合格自动回流)

PROGRAM PRG_FDV
VAR step : INT; holdT : REAL; END_VAR

holdT := 4.0;   (* 保温停留秒数 *)

CASE step OF
0: (* 等合格: 出口温度达标 holdT 秒才切成产品 *)
    IF Mode = 1 AND T_STERI_OUT >= (Recipe.SteriSP - 0.5) THEN
        okTimer(IN := TRUE, PT := T_OF_REAL(holdT, S));
        IF okTimer.Q THEN
            FDV_Pilot := 0.0;        (* 0% = 产品通道 *)
            step := 1;
        END_IF;
    ELSE
        FDV_Pilot := 100.0;           (* 100% = 回流 *)
        okTimer(IN := FALSE);
    END_IF;

1: (* 正常产品 *)
    IF T_STERI_OUT < (Recipe.SteriSP - 1.0) OR EStop THEN
        FDV_Pilot := 100.0;
        step := 0;
        CurBatch.HoldAlarmCount := CurBatch.HoldAlarmCount + 1;
        RaiseAlarm(A_FDV_DIVERT, 2);
    END_IF;
END_CASE;

8.4 无菌缓冲罐压力控制 + 液位联锁

(* 缓冲罐正压 0.3 bar, CO₂ 补气 *)
Loop_Buffer.SP := Recipe.BufferPressSP;
fbBufPid(
    SP := Loop_Buffer.SP, PV := P_BUFFER,
    Kp := 1.8, Ti := T#20s, Td := T#2s,
    OutHi := 100.0, OutLo := 0.0
);
DO_CO2_VALVE := fbBufPid.Out > 5.0;

(* 液位联锁 *)
IF L_BUF > 90.0 THEN
    Feed_Run := FALSE; RaiseAlarm(A_BUF_HI, 2);
ELSIF L_BUF < 10.0 THEN
    Filler_Pause := TRUE; RaiseAlarm(A_BUF_LO, 2);
END_IF;

8.5 工艺流程步进 (PROD 模式)

PROGRAM PRG_Process
CASE Step[1].Id OF
1: (* 预热阶段, 等待所有 PID 到稳态 *)
    IF ABS(T_PREHEAT_OUT - Recipe.PreheatSP) < 1.0 THEN
        Step[1].TempOK := TRUE;
        Step[1].Id := 2;
    END_IF;
2: (* 保温稳态, 开始记批次 *)
    IF T_STERI_OUT >= Recipe.SteriSP - 0.3 THEN
        CurBatch.StartTime := SysTime();
        CurBatch.ProductId := Recipe.Id;
        GenerateBatchId();        (* 生成 年月日 + 流水 *)
        Step[1].Id := 3;
    END_IF;
3: (* 连续生产 *)
    CurBatch.Volume_L := CurBatch.Volume_L + F_FEED * 0.001 / 3600.0;
    IF HMI_StopProd THEN
        CurBatch.EndTime := SysTime();
        CurBatch.Result := 0;
        ArchiveBatch();
        Step[1].Id := 4;
    END_IF;
4: (* 产品吹扫 + 进 CIP 准备 *)
    FlushWithWater();
    Step[1].Id := 0;
END_CASE;

8.6 CIP 路由与阀阵 (FB_RouteSwitch)

FUNCTION_BLOCK FB_RouteSwitch
VAR_INPUT loopId:INT; route:INT; END_VAR   (* route: 0=预冲 1=碱 2=酸 3=终冲 4=蒸汽 *)
VAR_OUTPUT done:BOOL; END_VAR
VAR step:INT; END_VAR

CASE step OF
0: CloseAllMediaValves(); step := 1; toTimer(IN:=TRUE, PT:=T#5s);
1: IF AllClosed() THEN step := 2;
   ELSIF toTimer.Q THEN RaiseAlarm(A_CIP_VALVE_STUCK, 3); step := 99; END_IF;
2: OpenLoopValve(loopId); OpenMediaValve(route); step := 3;
3: IF MpvOK() AND LoopValveOpen() AND MediaValveOpen() THEN
       done := TRUE; step := 0;
   ELSIF toTimer.Q THEN step := 99; END_IF;
99: CloseAllMediaValves(); RaiseAlarm(A_CIP_ROUTE_FAULT, 3);
END_CASE;

8.7 电子签名 + 审计追踪

FUNCTION_BLOCK FB_RecipeSet
VAR_INPUT fieldName:STRING[32]; newVal:REAL;
           operator:STRING[16]; password:STRING[32]; reason:STRING[80]; END_VAR
VAR_OUTPUT ok:BOOL; msg:STRING[80]; END_VAR

IF NOT VerifyPassword(operator, password) THEN
    ok := FALSE; msg := '密码错误';
    LogAudit('AUTH_FAIL', operator, fieldName, '');
    RETURN;
END_IF;
IF NOT HasPermission(operator, 'RECIPE_EDIT') THEN
    ok := FALSE; msg := '权限不足'; RETURN;
END_IF;
oldVal := GetRecipeField(fieldName);
SetRecipeField(fieldName, newVal);
LogAudit('RECIPE_MOD', operator, fieldName,
         CONCAT(REAL_TO_STR(oldVal), '→', REAL_TO_STR(newVal)), reason);
ok := TRUE;

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九、运行与调试

9.1 首次启动顺序 (PROD)

1. 公用工程准备: 蒸汽压力 ≥ 0.6 MPa, 冰水 ≤ 3 ℃, CO₂ ≥ 0.5 MPa;
2. HMI → 选择配方 白奶 → 签名确认;
3. 进入 预热模式, 等待 3 个板换稳态 (± 0.5 ℃);
4. 开均质机 (慢启动, 60 s 到额定 200 bar);
5. 开保温蒸汽阀, 等保温出口 137 ℃ 连续 180 s 后 FDV 切向产品通道;
6. 打开灌装机握手 PROD_READY, 开始生产;
7. 停产吹扫 → 进入 CIP 模式。

9.2 CIP 调试要点

项	要求	定位
MPV 反馈	双反馈同时到位	未到则联锁停泵
电导率终冲	RET 端 < 配方阈值	CLS54D 反复校准
酸碱浓度	电导率换算	化验室周校
温度	85 ℃ 循环 > 10 min	RTD 冗余双表
吹干	空气压力 ≥ 0.4 MPa	无菌过滤器压降 < 0.1 MPa

9.3 常见故障

现象	原因	处理
保温温度震荡	Kp 过大 / 外环积分短	用 整定向导 自整定
FDV 频繁分流	进料流量震荡	泵 PID 改流量闭环
均质出口偏低	活塞磨损	停机检查, 配方 SP 暂不提
CIP 电导率判错	传感器结垢	每月拆洗
缓冲罐泄压过慢	呼吸阀堵	换 0.2 µm 滤芯

9.4 实测性能

指标	目标	实测
保温温度稳态	± 0.5 ℃	± 0.3 ℃
预热温度	± 0.5 ℃	± 0.4 ℃
均质压力波动	± 5 bar	± 3 bar
FDV 响应延迟	< 500 ms	< 320 ms
CIP 周期	90 min	82 min
批记录生成时间	< 2 min	< 30 s
年度 FDA / 乳制品监管审计	0 次失败	0 次

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十、Darra 功能对照表

业务需求	Darra 功能	模块
多 PID 串级	工艺对象 FB_PID_Cascade	IDE → 工艺对象库
模糊 PID (均质)	工艺对象 FB_PID_Fuzzy	IDE → 工艺对象库
蒸汽前馈	工艺对象 FB_FeedForward	IDE → 工艺对象库
FDV 分流阀时序	状态机 + 联锁	PLC 代码
CIP 7 步阀序	FB_RouteSwitch + 路由矩阵	PLC 代码
工艺对象集中整定	自整定向导 (阶跃响应)	IDE → 工艺对象
电子签名	用户/权限/审计链	Service
电子批记录	PDF + CSV + 数据库 三格式	Service
GMP / 21 CFR Part 11	内置模板	Service + Cloud
报警 HACCP 关键点	三级报警 + HACCP 标记	IDE → 报警
MES / ERP	MQTT / OPC UA	Service
AI 工艺整定辅助	AI 助手 历史曲线 + 整定建议	IDE → AI
曲线历史	本地 SQLite + 云端 InfluxDB	Service / Cloud
HMI	Darra HMI Designer	IDE → HMI

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十一、项目总结

11.1 周期

阶段	工时
方案设计	1 周
硬件采购	4 周
电气柜组装	2 周
PLC + CIP 开发	2 周
PID 整定	1 周
IQ / OQ	2 周
PQ 三批验证	3 周
合计	15 周

11.2 投产效果

指标	原方案	Darra 方案
保温段温控	± 1.0 ℃ (独立温控器)	± 0.3 ℃ (集中串级)
PID 整定时间	3 天	4 小时 (AI 助手)
CIP 周期	105 min	82 min
CIP 药剂成本	¥ 2000 / 班	¥ 1550 / 班 (浓度闭环)
批报告自动化	人工拼	全自动 PDF
年度监管审计	1~2 次重审	0 次重审
控制系统 BOM	¥ 80 万	¥ 39 万

11.3 可复制性

• 同厂其他 UHT 车间可按模板直接派生, 核心工艺参数只需修改配方条目;
• CIP 子系统可单独拆出 (见 CIP 多回路在线清洗 案例), 在其他发酵/果汁/啤酒厂复用;
• FDV 状态机模板可复用于水产/果浆/黄油 等任何 有合格判据的分流工艺;
• 电子批记录 + 21 CFR 模板在制药/保健品车间同样适用。

核心价值: 一台工控机 + Darra 工艺对象库, 取代 "专用温控器 + 独立 CIP 控制器 + 独立批记录服务器 + 独立审计系统" 四件套。 保温段温控精度从 ± 1 ℃ 提升到 ± 0.3 ℃, CIP 周期缩短 22%, 整线控制 BOM 降 51%, 监管审计 0 次重审。