國家市場監管總局于2020年12月30日印發《乳品質量安全提升行動方案》，明確要求加大乳品質量安全監管力度，確保乳品抽檢合格率達到99%以上。CIP(cleaning in place,in-place cleaning）清洗系統作為廣泛應用于食品、藥品行業生產過程中的基礎配套設施，是產品質量安全保證的重要設備。文獻顯示，國內目前乳品廠使用的CIP清洗控制系統多為本地化控制，系統數據保存在本地數據庫中，不利于監管部門的過程性監管，因此，有必要基于物聯網技術設計一種實現在線監控功能的乳品生產線CIP清洗控制系統。
CIP清洗又稱原位洗滌或者定位洗滌，國內也叫就地洗滌。CIP清洗在洗滌過程中不需要拆卸原有裝置，通過控制清洗液的濃度、溫度、清洗時間、清洗時的壓力和流速等條件，即可對裝置加以清潔。配合自動控制技術，這種清潔方式降低了勞動強度，縮短停機清洗時間，提升了生產效率，因此該系統被廣泛運用于食品工業中的乳品、飲料、果汁及酒類的生產。
乳品加工過程主要包括原料乳驗收、凈化、標準化、殺菌和罐裝等環節。未經處理的生鮮乳（原料乳）經過微生物檢測、感官檢測和理化指標檢測后方可進行凈化處理，原料乳中大部分雜質被濾除后還存在一定數量的微生物、白血球、紅血球等需要通過離心分離凈化處理才能去除，凈化處理后的原料奶需要冷藏運輸或保存。原料奶按照乳品品質要求進行標準化處理，調整產品中各類營養物質的比例后進行均質處理，處理后的乳品經巴氏殺菌后即可進行冷卻和罐裝處理。乳品生產過程中的主要污垢是蛋白質、脂肪、糖和各類礦物質，其理化清潔特性見表1。
CIP系統的結構見圖1，系統主要設備有用于沖洗、消毒和回收的罐體6個，換熱裝置1套，出液泵和回流泵各1臺，配套傳感器及儀表1套，配套管路1套，配套閥門1套。
在設備選型和施工過程中，按照使用頻率和污染程度確定罐體與清洗目標之間的排序，使用頻率越高，清洗過程污染越嚴重的設備應距離清洗目標越近，這樣可以最大程度地避免清洗過程中的交叉污染。為保證回收液體的清潔度可增加回收液過濾罐，通常在乳品生產過程中回收堿液的雜質較多，建議增加過濾罐。清洗過程中，管路中可能會有空氣進入，出液泵和回液泵不能選擇同一類型，建議出液泵選擇普通的離心泵，回液泵選擇自吸式離心泵，并且回液泵的流量稍大于出液泵。管路施工過程中，應盡量避免造成清洗死角，嚴格按照管路施工工藝規范和要求進行施工，保證沖洗液在管道中形成湍流，確保沖洗效果。管體內沖洗噴頭的選擇應按照罐體尺寸和結構進行選擇，確保沖洗過程中不形成積液，沖洗罐體表面的壓力和表面覆蓋率達到設計標準。
本系統設計的原則是，在保證乳品生產廠家正常使用CIP系統的前提下，方便監管部門對生產過程進行過程性監管，數據具有可追溯性。
CIP系統設計了3個功能模塊，分別為CIP清洗本地控制系統、CIP通訊數據服務器、CIP監管終端系統（圖2）。CIP清洗本地控制系統采用經典工業控制技術進行設計實現，可以保證系統具有獨立清洗功能，不會因網絡原因影響正常生產。此外，本地系統帶有數據管理模塊，可按照監管要求進行數據上傳和管理數據下發。CIP通訊服務器具有數據通訊服務、數據存儲、權限管理、報警管理、報表管理功能。CIP監管終端采用B/S結構，不需要安裝專用軟件，方便用戶使用。
本地控制系統的功能是完成CIP系統工作流程和監管數據上報。考慮到乳品生產線工業環境的復雜性和系統運行的高穩定性要求，主控制器選擇PLC進行控制系統控制，此種控制方式技術成熟，性能穩定。
本系統被控對象中共有數字量輸出信號32路、模擬量輸入信號21路、模擬量輸出信號3路，具體信號功能及類型統計信息見表2。兼顧后期系統功能的擴展性，硬件設備選型時預留20%余量，控制器數字量輸出信號配置40路、模擬量輸入信號配置28路、模擬量輸出配置6路。根據信號點數和控制工藝流程要求，兼顧系統性價比，選擇西門子公司生產的S7-200SMART系列中的SR60(AC/DC/Relay)PLC作下位系統控制器。本PLC支持TCP/IP通訊和串行通訊，功能擴展方便，數據處理能力強。
數據管理模塊和控制器之間采用TCP/IP通訊，本地配置觸摸屏，觸摸屏與主控制器之間也采用TCP/IP通訊方式，選擇深圳昆侖通態科技有限公司生產的TPC1071Gt型號觸摸屏。為提高系統集成度，數據管理模塊集成4G通信模組和數據交換功能，不再需要交換機和獨立通信模組，減少了系統故障點。綜合分析國內外數據管理模塊性能，選擇SuK-BOX-4G智能數據管理終端，該終端擁有1個RS 232接口、1個RS 485接口、2個網絡接口，可以和主流的PLC通訊，支持直接通過4G網絡接入服務器。項目本地控制器硬件架構設計見圖3。
服務器的選擇：（1）考慮終端并發接入數量，包括接入的設備終端和管理終端數量之和；（2）服務器的服務處理能力，主要是指服務器硬件配置的情況；（3）考慮網絡接入的帶寬，帶寬越大支持訪問的實時性就越好；（4）服務器的操作系統，不同的操作系統對不同框架支持性能不同，如Windows系統對asp程序支持較好，而Linux系統對php程序支持較好。服務器可以是私有服務器，也可以架設專用服務器，這里建議使用阿里云服務器或騰訊云服務器，因為其服務商可提供7×24h的服務，可以保證系統穩定可靠運行。系統采用B/S結構，只要監管終端可滿足目前IE瀏覽器的正常運行即可。按照300個智能終端和50個管理終端的接入功能能力計算，推薦的服務器和監管終端的硬件配置情況見表3。
PLC的編程軟件使用STEP7-Micro/WIN SMART V2.5，系統有手動與自動兩種模式，程序具體流程見圖4。本地清洗包含清水沖洗，使用清水沖洗容器表面多余的奶液和糖；堿頂水，為堿洗做準備，排掉管道和待清洗容器中的水；堿循環，通過堿液循環溶解容器表面的蛋白質和脂肪；水頂堿，排掉管道和待清洗容器中的堿液；酸頂水，排掉管道和待清洗容器中的水；酸循環，通過酸液循環溶解容器表面的礦物質；水頂酸，排掉管道和待清洗容器中的酸液；熱水頂冷水，排掉管道和待清洗容器中的冷水；熱消毒，使用熱水對管道和待清洗容器進行消毒等9個階段。自動循環過程中，按照沖洗罐中的液位、循環溫度和循環壓力進行動態調節，因熱交換器換熱能力有限，需對系統進行預熱處理，循環過程中熱交換器通過PID調節控制循環管路溫度。
為保證清洗效果，應按照乳品生產的不同工段合理設置清洗參數，參數設置通過觸摸屏實現，觸摸屏運行主界面見圖5。觸摸屏除具有清洗過程圖形化顯示功能之外，還具有手動操作、故障記錄、參數設置、系統管理等功能。PLC與觸摸屏之間可通過交換機進行數據交換，也可直接進行數據交換，只要PLC和觸摸屏工作正常就可保證本地CIP清洗系統功能正常。
CIP數據模塊部分，軟件設計是重點環節，項目使用SuKConfig V4.0.4配置軟件對數據模塊進行設計。軟件設計包含3點：（1）重點監控數據的采集與下發設計，根據監管需要對系統中的重點數據進行傳輸配置，確保系統數據傳輸穩定；（2)SuK-BOX-4G智能數據管理終端配置設計，根據系統連接方式對連接信息進行配置；（3）安全報警與終端防拆卸設計，可根據監管要求對系統報警信息和終端模塊防拆卸功能進行配置，通過軟件配置確保硬件運行的穩定性。數據模塊的軟件設計見圖6。
CIP管理后臺的設計使用物聯網監控平臺進行二次開發，此平臺支持云端部署與私有部署，用戶可根據系統規模和安全要求進行配置，平臺配置靈活方便，安全性高。
管理后臺軟件設計包括以下3方面：（1）監管界面設計。監管界面設計采用組態技術進行開發，只需要對數據終端傳輸的數據進行組態配置即可實現生產過程的圖形化監控。（2）權限管理設計。系統采用用戶角色授予操作權限的方式進行權限管理，系統設置管理員、工程師、操作員、訪客4類權限，操作權限依次遞減。（3）報表與報警功能設計。報表及報警功能是監管系統重要的基礎功能，報表可為監管提供決策的基礎數據，報警可通過系統自動完成異常信息的推送，減輕監管人員的工作強度。監管后臺的運行界面見圖7。
第1步，通過STEP7-Micro/WIN SMART V2.5軟件把清洗控制程序下載至PLC中，將PLC置于運行模式，等待觸摸屏和數據傳輸模塊連接。第2步，通過McgsPro 3.3.1.4軟件將組態配置好的CIP終端觸摸屏程序下載至觸摸屏，運行觸摸屏連接PLC控制器。第3步，通過SuKConfig V4.0.4軟件將數據模塊項目下載至硬件數據模塊，重啟終端后自動通過4G數據網絡建立清洗終端和服務器之間的通訊連接。第4步，通過Windows系統的PING功能對服務器連通情況進行測試，檢查服務器服務是否正常。第5步，通過瀏覽器打開監管客戶端進行軟件測試，具體測試結果見表4。
本系統基于主流物聯網技術和工業控制技術設計實現，能夠滿足乳品生產不同工段的清洗要求，清洗效果好。系統采用4G通訊技術，數據吞吐量大，傳輸穩定，國家乳品質量安全監管部門對企業的清洗過程可進行監管，對提升產品品質具有重要的現實意義。此外，系統的觸摸屏、數據模塊、后臺服務部分的軟件設計都采用了組態技術，具有開發周期短、效率高、成本低的優勢，有明顯的經濟效益和社會效益，該設計方法對于同類系統設計具有參考價值。
