啤酒生產過程自動控制系統設計優化

李金寶

摘要：啤酒生產過程自動控制系統設計優劣直接影響啤酒生產成本，啤酒生產控制精度，操作人員的體力勞動，生產效率和安全生產。本文從啤酒生產過程自動控制系統網絡設計優化、設備聯動、手自動切換、安全回路設計、建立溫度控制虛擬儀器五個方面闡述了啤酒生產過程自動化控制系統設計優化的原因、方法。關鍵詞：啤酒；自動控制系統；設計；優化

隨著國家經濟的發展和人民生活水平的改善，以及工廠自動化水平的逐步提高，我國啤酒工業也得到了空前發展，啤酒工業的發展對國民經濟建設和發展起到了重要的促進作用。

盡管如此，我國的啤酒生產工業目前還存在許多不盡如人意的地方，①啤酒產品檔次低，品種少；②能耗和原料消耗大；③很多企業為中小型啤酒廠，自控水平差，技術含量低，生產過程主要采用簡單控制，甚至人工控制為主，這與高新技術飛速發展的今天極不相稱：④管理水平欠佳，難以與國外企業進行競爭。

因此，如何提高產品的技術含量，提高生產過程的自動化水平，提高我國啤酒工業的綜合實力，積極參與國際市場競爭成了一個刻不容緩的課題。當然，導致我國啤酒生產工業出現上述落后、被動狀態的原因，既有工藝水平方面的原因，也有自動化水平等方面的原因，但是提高啤酒生產過程的自動化水平，將會是改變上述落后面貌的一個極其重要的措施。只有運用先進的自動化技術進行操作和管理，才能實現產品多元化，才能保證穩定、一致的產品質量，才能真正強化企業管理，降低成本，提高企業經濟效益。針對我國啤酒生產過程自動控制系統設計水平落后的現狀，本文對啤酒生產過程自動化控制系統設計進行深入研究，優化生產過程自動化控制系統設計，使其更加有利于啤酒生產過程，降低生產成本。啤酒生產過程一般不是一種恒定的穩態值，而是隨時間變化的優化軌跡。例如，溫度工藝曲線。啤酒生產過程是一類典型的間歇生產過程，按生產工藝劃分為麥芽汁制備、啤酒發酵、啤酒過濾和啤酒灌裝四大過程，每個過程中又包含許多生產子工序，其生產工藝多變、生產過程不連續、非穩態，工藝和對象特性多樣、復雜，過程信息很不完備，這些特點使得優化啤酒生產過程自動控制系統設計具有相當大的難度。

1 啤酒生產控制系統的網絡需要優化

1.1 啤酒生產控制系統網絡缺陷

為了實現整套計算機綜合自動化系統的可靠性和可操作性，一般啤酒生產控制系統的網絡是以生產過程為單位來設計主控系統，最常見的完成整個啤酒生產過程的全自動控制，是由糖化過程的計算機控制系統和發酵過程的計算機控制系統兩部分組成。從自動控制的角度來看，兩個主控系統的控制行為存在明顯的獨立性，測控要求和控制策略也具有很大的差異。從信息交流和信息管理的角度看，二者表現出一定的相關性，兩個主控系統將通過上層網絡與領導部門及質量分析部門的管理計算機相連接。然而，整個自動控制系統的運行效率受限于以下兩方面：一方面是PLC在可連接的操作站數量上的限制。另一方面是MPI通信速率的限制。

1.2 啤酒生產控制系統的網絡優化措施

CAN總線控制系統是一種全數字化、全分散、全開放、可互操作和開放式互連的新一代控制系統。與傳統的DCS（集散控制系統）相比，CAN總線控制系統具有可靠性高、可維護性好、成本低、實時性好、實現了控制管理一體化的結構體系等優點。CAN總線控制系統由監控計算機（上位機）、CAN總線和現場控制器（下位機）3部分構成。PLC作為下位機在啤酒發酵過程控制可分為檢測部分和控制部分。當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新3個階段。

本文針對啤酒生產控制系統的網絡缺陷，為了能適合大型啤酒生產過程綜合自動控制系統的通信要求，提出了進一步在車間級和控制級中添加PLC全映射服務器，構成數據映射級的PLC全映射服務器新型網絡模式。PLC全映射服務器實質是建立了操作站與PLC間以及操作站與操作站間一座高效通信的橋梁。為保證數據之間高效可靠的傳輸，PLC全映射服務器硬件設備采用工業服務器，服務器功能設計方面要具備以下兩個方面：

一方面是具備可靠高效的遠程傳輸方式。服務器給操作站發送數據采用重復廣播發送模式；服務器還需具備遠程轉發功能，將操作站的指令通過服務器傳導給PLC，并且對于遠程轉發的結果還應有快速遠程回讀功能，以提高指令發送的可靠性。

另一方面是具備高效的數據采樣方式。PLC全映射服務器是對控制級多個PLC中各種數據的全部映射，所以高效的數據采樣對保證數據實時性具有重要作用。

2 啤酒生產控制系統要實現設備聯動

啤酒生產控制系統設置大量保護程序和各種聯鎖裝置，并能及時報警，能夠有效地保證了安全生產。在啤酒生產過程中，為了保證設備安全，大量設備之間存在聯動互鎖，而互鎖的方式又各不相同。盡管啤酒生產過程的聯動/聯鎖及順序控制的目的明確，控制思想往往也很直接，但由于涉及面廣、可靠性要求嚴格，具體實施也是極其復雜和困難的，而且這也是實現整個生產工程全自動化控制的關鍵所在。因此，為了保障生產設備的安全運行，啤酒生產控制系統制定了大量的聯動互鎖規則，并應用規則庫進行查詢管理。在啤酒生產過程中，管路中高速流動的流體所具有的慣性，各設備之間的聯動、切換處理不當，其沖擊力對閥門、泵造成的損壞將會非常嚴重，甚至影響管路的密封性，導致料液損失。因此，保證泵和閥門之間的安全聯動，對保護生產設備、保障安全生產顯得尤為重要。作者在200L啤酒中試生產實際運行過程中，不斷試驗、總結，得出以下結論。

2.1 閥門、泵之間的安全互鎖規則

（1）閥門延時關閉，泵延時啟動。當閥門需要關閉時，系統自動延時數秒，待管路中液體流速降低后再關閉閥門?？梢悦黠@減少流體對閥門的沖擊力；當泵需要啟動時，系統自動延時數秒，待泵出口段閥門完全打開后再啟動泵，可以減少泵啟動時所遏阻力。

（2）泵運轉時需實時檢測管路是否通暢，如果發現管路沒有通暢時，泵自動停止，并提示警告。

（3）泵運轉后實時監測管路流量，如果持續一段時間內管路中無顯著流量則泵自動停止，并提示警告。

2.2 加熱與溫度的準確控制

在加熱過程中，要實現溫度的準確控制，則需要實現加熱、攪拌、溫度測定的高效銜接，料液的混合均勻程度、加熱速度的快慢、溫度測定的靈敏度等都會直接影響溫度控制的準確性。

（1）啟動加熱，必須啟動攪拌。通過攪拌，實現料液充分混合，使得測溫元件能夠在任一位置得出同一結論。

（2）溫度控制與加熱實現智能化。當加熱到接近需要控制的溫度點時，提前控制加熱速度。

3 啤酒生產控制系統要實現手動、自動切換

3.1 啤酒生產控制系統手動、自動切換存在的問題

基于計算機的控制系統往往對開關量手自動操作切換的靈活性要求很高，要求對于每個閥、泵，在正常的自動運行狀態下應能隨時允許切換到手動狀態，以滿足特殊情況的需要，但是隨之而來的是必須要考慮的安全問題，對閥泵的手動開關可能引起各種錯誤操作甚至危險情況。如何處理好安全與靈活兩者之間的矛盾關系，就顯得非常重要。

3.2 解決啤酒生產控制系統手動、自動切換問題的措施

（1）即在用戶進行手動操作后，上位機軟件立即自動檢查該操作的安全性；

（2）如果發現為非法操作，容易導致危險后果的，如有料情況下的管道排放、管路的堵塞、管路的交叉等情況，則立即對用戶進行提示警告，但決定權仍交給用戶，這樣使用戶即能強制開關，又能避免誤操作：

（3）當用戶對設備進行手動操作后，下位機隨時檢查設備的返回狀態，如檢查閥泵動力線的暢通狀況，如果發現處于不安全狀態，則再次進行警告或強制處理。

4 啤酒生產控制系統要有安全回路設計

4.1 啤酒生產控制系統安全回路設計的作用

安全回路是能夠獨立于PLC系統運行的應急控制回路或后備手操系統。很多國家和國際組織發表的技術標準中均有明確的規定，安全回路設計要以確保人身安全為第一目標、保證設備運行安全為第二目標。一般來說，安全回路在以下幾種情況下將發揮安全保護作用：①設備發生緊急異常狀態時；②操作人員需要緊急干預時：⑧PLC失控時。

4.2 設計啤酒生產控制系統安全回路的任務

設計安全回路的一般性任務主要包括①為PLC定義故障形式、緊急處理要求和重新啟動特性；②設計后備手操回路以提供對過程中重要設備的手動安全性干預手段；③確定控制回路與安全回路之間邏輯和操作上的互鎖關系；④確定其它與安全和完善運行有關的要求。為簡單起見，系統中主要采用后備手操的形式。

設計了啤酒生產控制系統安全回路后，當手自動切換開關打到自動狀態時，負載由PLC直接控制，當手自動切換開關打到手動狀態時。負載由手動操作操作按鈕控制。對于某些關鍵回路，手動輸出將反饋到PLC系統，而PLC的輸出經過手動操作就可以方便地實現切換。

5 啤酒生產控制系統要建立溫度控制虛擬儀器

溫度、pH值、壓力、濁度等關鍵參數的測量和控制，其中糊化鍋、糖化鍋、煮沸鍋的溫度控制以及發酵罐的溫度控制是整個控制系統的控制難點，也是控制系統中最薄弱的環節。

啤酒發酵是一個復雜的生物化學反應過程。發酵過程是在大型啤酒發酵罐中進行，周期為12～18天的發酵過程中，根據酵母的活力，生長繁殖的速度，對發酵液提出不同的溫度要求，發酵溫度的控制是保證啤酒質量的主要因素，啤酒發酵車間通常有幾十個體積為200～500m3的發酵罐，每個發酵罐不但有自身的溫度、壓力控制。還有倒罐、清洗、進出酒等復雜工序操作。由于生產工藝的多變性的。如果溫度控制設計靈活性不夠，實際使用時就需要大量人工干預，這會直接影響生產連續性和生產效率。

建立具有智能優化控制算法的溫度控制虛擬儀器，提高溫度控制精度。穩定的自動化控制系統能夠提升我國啤酒工業的生產自動化水平、加大產品的科技含量：提高產品質量的一致性，降低啤酒的生產成本。

根據實際情況選用合適的傳感器，采用的冷端補償方式提高傳感器的測量精度，結合啤酒發酵時的實際操作經驗提出切合實際的系統控制器結構，并結合控制原則組建相應的溫度控制硬件設備。選用合適的變送器將微弱的溫度信號轉換成工業標準信號源。利用PCI-6221即插即用的數據采集卡將標準的溫度信號輸入到計算的控制程序中，最后選擇溫度控制的最終執行機構，即電動調節閥，利用調節闊控制冷媒介質的流量從而調節發酵罐內的溫度。

為滿足溫度控制器的實時性、靈活性和結構簡單等要求，啤酒發酵溫度控制系統通過傳感器、變送器、數據采集卡等硬件設備，將采集的信號經過A/D轉換后送入以LabVIEW為平臺的虛擬儀器中，通過軟件設計顯示和記錄實時溫度信號，通過智能控制算法的輸出控制信號調節電子調節闊的開關量，從而控制溫度的高低。并利用PLC與LabVIEW的串口通信進一步提高發酵過程外圍設備的自動化控制程度，減小操作人員的體力勞動。

以智能控制算法為理論依據、以虛擬儀器為控制平臺建立的啤酒發酵溫度控制系統，不但具有很好的智能性和靈活性，良好的穩定性，較高的控制精度；并且具有更加簡單、實用的人機操作界面，整個系統也便于開發、調試和升級。

綜上所述，通過優化啤酒生產控制系統的網絡、實現設備聯動、實現手自動轉換、增加安全回路設計、建立溫度控制虛擬儀器等措施，優化啤酒生產控制系統對于降低啤酒生產成本，提高啤酒生產控制精度，減小操作人員的體力勞動，提高生產效率，實現安全生產都將發揮重要作用。