基于PLC 的啤酒糖化控制系統設計與實現

賈 義，蓋國權，王 坤，崔利軍，白明明，耿鵬遠

（1.內蒙古電力（集團）有限責任公司 錫林郭勒電業局，內蒙古 錫林浩特 026000；2.內蒙古電力（集團）有限責任公司 巴彥淖爾電業局，內蒙古 巴彥淖爾 015000）

隨著社會的進步，人對健康越來越重視，烈酒的飲用量逐步減少，取而代之的是啤酒，這樣就促進了啤酒行業的迅速發展。啤酒的質量和口味是消費者的首選目標，所以，保證啤酒質量穩定并不斷改進技術是贏得企業競爭的必要手段。

目前，我國是世界最大的啤酒生產國，但與世界先進水平相比，我國啤酒的風味、質量與穩定性仍存在一些不足，嚴重阻礙了我國啤酒行業的快速發展與整體水平的提高[1-2]。本文就某啤酒廠生產自動控制系統的設計經驗論述PLC 在糖化工藝中的應用。

1 控制系統的整體構建方案

糖化工藝的主要組成部分有糊化鍋、糖化鍋、煮沸鍋、過濾槽、沉淀槽（三鍋兩槽），工藝主路線主要由鍋、槽、打料泵、各種閥門以及工藝管路組成。

整個過程的特點是：1）各個工序如糊化、糖化、過濾、煮沸以及沉淀是離散的，在時間上還是交叉進行的；2）模擬量較多，如溫度、壓力等，而且開關量的控制也較多，有攪拌電機、打料泵、各種工藝閥門的控制等，并且二者是相互耦合的控制關系；3）存在難以檢測的參數，檢測儀表不過關[3]。

由于在整個控制過程中被控數量較多、生產設備較大、工藝管路復雜，為了經常改換生產品種進而滿足市場多樣化的需求，控制方式需要經常方便靈活地變化，所以，需要通過增加測控系統的復雜性來適應生產工藝的多樣性，測控系統的總體結構采用分層式集散控制系統[4-6]，其結構如圖1 所示。

2 整體程序結構及控制算法

2.1 程序結構

為了便于程序管理，程序結構采用模塊化結構，所有數據都存儲在共享數據塊中，每個功能可以獨立完成自己的控制邏輯，且所有功能在組織塊OB35（循環中斷組織塊）中調用[7-8]，各功能的調用順序決定整個程序的執行順序。整體程序結構如圖2 所示。

2.2 控制算法

由于在啤酒糖化工藝控制過程中，溫度是主要的控制參數，但由于控制設備很龐大，存在很大的純滯后特性和慣性，從擾動出現到調節過程結束需要相當長的時間。另外生產設備的體積巨大，整個反應過程復雜，數學模型十分復雜，由于Bang-Bang 控制較好地解決了控制偏差較大時的快速跟蹤問題，所以系統在設計時，采用的控制算法是Bang-Bang 結合改進PID 算法[9]。這種算法具體可表示為：

圖1 糖化過程控制系統的總體結構Fig.1 Overall structure of saccharification process control system

圖2 整體程序結構Fig.2 Overall program structure

式中：u（k）為PID 輸出的控制信號；umxa為最大開度輸出信號；umin為最小開度輸出信號；eb為設定的臨界值；e（k）、e0分別為誤差、死區帶。

當偏差大于Bang-Bang 控制設置的臨界值時，啟動Bang-Bang 控制實現快速跟蹤，當偏差小于臨界值時，采用常規的帶死區增量式PID 算法進行控制。

3 糊化鍋的控制

溫度控制是糊化鍋控制的主要任務。糊化鍋一般采用常壓敞口容器，為了檢測和控制糊化鍋內物料的溫度，在鍋體上安裝鉑電阻和3個夾套加熱帶，用加熱蒸汽調節閥配合氣動球閥共同控制鍋內物料的溫度，蒸汽為熱源。由于糊化鍋的體積較大，具有大時滯性和非線性的特點[10]。

溫度控制曲線呈折線形的，最高溫度較高，可達（甚至超過）100 ℃，如果控制不當的話會產生溢鍋現象，而且整個升溫過程和所需時間都有嚴格的要求，為了在升溫過程中使醪液的溫度分布均勻且避免溢鍋現象的發生，應把攪拌開到最大。

3.1 糊化鍋所需的控制信號及控制方法

糊化鍋一共有34個控制點，其中用于控制開關閥泵的信號有12 點，用于反映設備運行狀態的檢測信號有12 點，1個糊化鍋報警燈的控制信號，鍋體照明燈，1個液位開關檢測信號，控制蒸汽調節閥的輸出，控制變頻器的信號，檢測攪拌電機的運行狀態，1個倒醪泵控制信號，糊化鍋內醪液溫度和液位的檢測以及對供汽管路的壓力檢測。

對糊化鍋內醪液的溫度控制是糊化鍋的主要控制任務。體積大是糊化鍋的特點，在整個控溫過程中必然會表現出很大的慣性[11]，因此，常規的PID 控制不能滿足時間要求，并且超調也很大，考慮到這個問題，系統采用控制蒸汽調節閥后壓力恒定的辦法，用壓力變送器檢測蒸汽調節閥后壓力，同時采用設置的提前量對調節閥提前保持上一次開度的辦法，這樣就使整個升溫過程平穩，并且大時滯性也得到了較好的解決，對蒸汽調節閥的控制框圖如圖3 所示。

圖3 糊化鍋溫度控制框圖Fig.3 Block diagram of mash copper temperature control

圖中：r′（k）為蒸汽壓力給定值；e′（k）為給定蒸汽壓力與檢測閥后蒸汽壓力的偏差值；r（k）為糊化鍋溫度給定值；e（k）為給定糊化鍋溫度與檢測糊化鍋溫度的偏差值；u（k）為調節控制后的調節閥的開度；u′（k）為調節控制后的閥后蒸汽壓力；c（k）為調節閥動作后糊化鍋內的溫度值。通過上位機設置的給定值對攪拌電機進行控制。

3.2 模塊的選擇

糊化鍋、糖化鍋的控制和部分檢測模塊安裝在3 號子站中（3 號子站指的是該子站的IP 地址是3，即名稱為PCB01的子站），其中，糊化鍋液位信號和糊化鍋蒸汽管道壓力信號連接本站8 路的模擬量輸入模塊；蒸汽調節閥的控制信號連接本站4 路的模擬量輸出模塊；糊化鍋溫度信號連接在4 號子站（即PCB02）8 路的RTD 模擬量輸入模塊；變頻器控制信號連接在8 號子站（即CC01）4 路的模擬量輸出模塊；本站中閥門、電機和報警燈控制信號選用32 路數字量輸出模塊；用于反映閥門和電機等設備的狀態信號的模塊選用32 路數字量輸入模塊。所以，用于糊化鍋的控制的模塊為：1個32 路的DO 模塊、1個32 路的DI 模塊、1個8 路的AI 模塊和1個4路的AO 模塊。

3.3 控制流程

糊化鍋的控制主要包括啟動糊化鍋、米漿受入、加熱、保溫、煮沸、合醪出醪、沖水出料、排污、檢測、結束幾個步驟。在時間中斷組織塊OB35 中，只要時間到，系統就會自動調用一次糊化鍋的控制塊FC101，并且依次掃描每個步驟的信號狀態，只要符合條件，該工藝步驟的操作就會被執行。糊化鍋的整體控制流程如圖4 所示。

圖4 糊化鍋控制流程圖Fig.4 Flow chart of mash copper control

4 控制效果

以糊化鍋為例，采用以上的控制算法，在上位機的監控軟件中獲得的歷史曲線如圖5 所示，圖中褐色的曲線為糊化鍋的實際溫度曲線，黑色曲線為糊化鍋工藝設定的溫度曲線。由于糊化鍋的體積較大，屬于慣性環節，存在著較大的滯后性。在圖中，控制曲線升溫過程比較平緩，且跟蹤效果良好，只是跳段時出現的超調量相對較大，但是控制的效果可以很好地滿足控制工藝的要求。

圖5 糊化鍋溫度控制效果曲Fig.5 Effect curve of mash copper temperature control

5 結束語

本系統是以PLC為基礎且結合理論比較成熟的DCS 系統，控制算法采用Bang-Bang 結合改進PID 算法。本系統的出發點考慮到實際生產應用，并沒有深入地分析、研究控制系統的結構特點和數學模型?，F場總線系統FCS 在穩定性和獨立性方面占很強的優勢，控制系統的設計上表現出了極大的發展潛力，都占有一定的優勢。在控制算法上，學習能力很強，參數易于整定，該論文可以向這個方向進行改進。

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