自動化制曲生產線控制系統的開發

曹敬華，陳　楓，劉彬波，朱正軍，陳茂彬

（1.工業發酵湖北省協同創新中心，湖北工業大學生物工程與食品學院，湖北武漢430068；2.湖北縱橫科技有限責任公司，湖北宜昌443008）

自動化制曲生產線控制系統的開發

曹敬華1，陳楓2，劉彬波2，朱正軍1，陳茂彬1

（1.工業發酵湖北省協同創新中心，湖北工業大學生物工程與食品學院，湖北武漢430068；2.湖北縱橫科技有限責任公司，湖北宜昌443008）

針對自動化制曲生產線高速化、連續化和綜合化的生產特點，提供了自動化制曲控制系統的解決方案，提出了基于多傳感器檢測的PLC控制技術，開發出專業的控制系統軟件，旨在推進PLC技術在白酒廠大曲生產自動控制中的應用。

自動化； 制曲； 控制系統

隨著企業的快速發展，人工成本的不斷增加，制曲工序由勞動密集型的人工操作向機械化、自動化的方向發展［1］。自機械制曲取代人工制曲以來，制曲工業就成為一種連續性生產過程的工業［2］。以往的起初機械式踩曲控制系統采用傳統的繼電器-接觸器控制方式［3］，在生產過程中表現出靈活性差、柔性差、故障率高、維修難、可靠性低等不足［4］，嚴重影響了生產的穩定性。

本課題組研發的自動化制曲生產線控制系統，是以PLC（可編程序邏輯控制器）、現場總線控制系統（FCS）和工業控制計算機為基礎的開放式綜合自動化系統，將計算機技術、數據庫技術、信息服務技術等融合為一體，通過對生產線上的驅動電機、物料檢測儀、溫度儀、稱量儀表、流量檢測儀等的檢測和控制，實現制曲、粉曲生產過程的自動化。

1　控制系統設計思路

1.1系統設計

控制系統采用Profibus現場總線技術，用西門子公司的S7系列可編程控制器作為主控設備，采用當今世界成熟的技術和先進設備，國內一流的自動控制系統。控制系統構架框見圖1。

控制中心工程師站主要用來監控所有車間生產狀況；控制中心數據庫服務器用來存儲所有生產數據，以備查詢調用，同時還可以為公司生產管理系統平臺提供數據；各車間操作站主要用來完成本車間電氣設備控制、儀表數據采集、各班組生產報表查詢及導出打印。同時，對曲塊發酵房、干曲倉的溫濕度進行檢測，在操作站電腦上集中顯示，并將相關數據送至控制中心數據庫服務器，進行存檔查詢。

1.2系統結構

機械化制曲生產線自動控制系統以Ethernet技術和Profibus總線技術為基礎，由4個層次構成。

1.2.1現場級

圖1　控制系統構架圖

現場級主要由現場I/O子站構成，每個現場子站的I/ O模塊連接該子系統的I/O設備，包括流量計、壓力變送器、電子秤、濕度計、溫度計、水分檢測儀、電動閥門及各電氣設備等。通過通訊模塊ET200 M和Profibus總線相連，現場子站主要完成數據的采集和設備的輸出控制。

1.2.2控制級

控制級由西門子的PLC 315-2PN構成。PLC是控制的核心，控制算法的實現，數據的雙向通訊及總線的診斷等功能都由PLC來實現［5］。它可以通過DP口和Profibus總線連接實現與各現場子站及PC操作站的通訊，同時用MPI口和工程師站通訊。

1.2.3操作和監視級

操作和監視層包括現場各車間操作站和工程師站，是控制系統及控制子系統實現數據監視和設備操作的平臺。這些站點可連接在制曲內部工業以太網上，實現數據同時在Profibus總線網絡和以太網上通訊［6］。

1.2.4管理級

管理級主要由控制系統數據庫服務器構成。該服務器連接在以太網上，主要將控制級的數據向管理級傳送，并加以分析整理，與企業管理信息系統連接，使控制系統的信息作為企業管理信息系統的一部分為企業的決策提供依據。

1.3工藝流程

機械化自動化制曲生產線就是將傳統的人工糧食凈化、潤糧、混合、攪拌、壓曲、曲餅輸送、曲餅發酵、曲餅儲存、曲餅初破、曲餅細破、曲粉包裝等生產工序用機械化代替，并輔以自動化控制。

2　控制系統軟件

2.1登錄

當Windows系統啟動后，單擊桌面的圖標進入自動化制曲粉曲控制系統，在此畫面上可以完成操作站的所有操作，登陸界面見圖2。

進入系統后，操作人員不能直接在電腦上操作電機的啟停。必須先打開控制軟件中的電機啟動按鈕，才能控制電機。該設置是為了防止外來人員在畫面上惡意操作而發出錯誤指令，因此操作員離開控制室時，應當取消該按鈕。

2.2機電設備控制與狀態顯示

圖2　控制系統登陸界面

畫面上將同時顯示機電的5個屬性：電機的名稱、運行狀態、啟停按鈕、按鈕解鎖、過流狀態。顯示界面見圖3。

圖3　設備運行狀態

電機運行時，畫面顯示為一個旋轉的葉輪；電機停止運行時，畫面顯示為一個靜止的葉輪。當控制柜的控制開關處于自動狀態時，可以通過點擊畫面上的“啟動”按鈕來控制電機的運行；點擊“停止”按鈕時，將停止電機的運行。按鈕解鎖是操作人員可以在現場控制點擊停止的，如果按下按鈕鎖定，變成紅色，電機停止運行，按鈕解鎖顯示綠色。如果引風機故障開關沒有合上，表示過流，畫面上設備字由黑色變成紅色，并且一直閃爍。

2.3電動閥門控制與狀態顯示

本系統采用的是電動閥門，用鼠標點擊電動閥門可以轉換電動閥門的開關狀態，顯示界面見圖4。紅色按鈕：單擊執行閥門關閉命令，按鈕閃爍表示閥門正在執行關閉動作。綠色按鈕：單擊執行閥門打開命令，按鈕閃爍表示閥門正在執行打開動作。

圖4　閥門運行狀態

2.4現場控制柜狀態顯示

在主界面的左下角有顯示控制柜的手自動控制狀態，如圖5所示。綠色燈亮時表示啟動手動操作狀態，紅色燈亮時表示啟動自動控制狀態。

2.5報警提示

在主界面的左上角實時顯示空壓機的壓力值。低于0.4 MPa時，界面彈出紅色對話框提醒空壓機壓力低報警，如圖6所示。操作人員必須先打開空壓機，直至壓力值穩定不再報警時，再開始下一步操作。

圖5　手動自動調節

圖6　空壓機報警提示

如圖7所示，料倉設置了糧食進料時的高料位和低料位報警提示，散料包裝秤、緩沖料倉有高料位報警提示。此外，系統還配備了以下報警提示功能：空開未就緒報警，電機的空開沒合上觸發報警；緊急停止報警，電機的現場按鈕沒有復位觸發報警。

圖7　料位報警提示

2.6系統復位

如圖8所示，在主界面的左邊有復位信號按鈕，當自動粉曲、制曲或斗提進料自動運行出現內部數據或程序紊亂時，可對下位機PLC系統進行復位重置操作，以使PLC系統恢復正常狀態。

圖8　系統復位

3　控制系統操作

3.1制曲工序自動控制

用戶可以根據實際生產情況選擇是否使用磨粉機，設置制曲過程中的加水量和母曲添加比例。在主界面制曲1號線的操作界面選擇是否允許自動配比，然后單擊“啟動”按鈕，系統就會按順序自動打開制曲1號線相對應的電機和閥門；單擊“停止”按鈕，系統按順序自動關閉所有的電機和閥門，輸送停止，操作界面見圖9。停止后，系統會自動記錄此次制曲進料的用曲量、用糧量和用水量，供用戶在報表查詢。

圖9　制曲過程的控制

3.2粉曲工序自動控制

如圖10所示，在操作界面選擇緩存倉，在定量欄輸入定量值，用戶給定值如果輸入為0，則為非定量輸送，輸入完成后單擊“啟動”按鈕，系統會按順序自動打開粉曲1號線相對應的電機和閥門，持續運行輸送直到輸送完成值大于給定值時系統自動停止或者用戶單擊“停止”按鈕時停止輸送，系統會自動記錄此次粉曲進料的數量，以形成報表供用戶查詢。

圖10　粉曲過程的控制

粉曲線在自動運行的過程中，用戶可以隨意的切換料倉，但是1次只能選擇1個料倉，不能2個料倉同時進料。切換料倉后，系統會自動判斷，并關閉之前進料的料倉閥門和電機，然后開啟切換后要進料的料倉閥門和電機。進料的給定值輸入必須在用戶單擊“啟動”按鈕之前輸入，當自動運行啟動后，用戶在切換料倉的過程中不用單擊“啟動”或“停止”按鈕，只需要切換料倉即可。

3.3斗提進料

在操作界面選擇潤糧倉，輸入完成后單擊“啟動”按鈕，系統就會按順序自動打開斗提進料相對應的電機和閥門，當單擊“停止”按鈕時，系統按順序自動關閉所有的電機和閥門，輸送停止，操作界面如圖11所示。停止后，系統會自動記錄此次斗提進料的進糧量和用水量，供用戶在報表查詢。另外，在自動運行的過程中，用戶可以隨意切換潤糧倉，但是1次只能選擇1個料倉，不能2個料倉同時進料。在料倉選擇中切換料倉后，系統會自動判斷，關閉之前進料的料倉閥門和電機，然后開啟切換后料倉的閥門和電機。

圖11　進料過程的控制

3.4自動加水

自動加水的操作界面如圖12所示，除了有加水器電機的狀態顯示，還有2個溫水罐液位的顯示，可以實時監測水位。另外還可調節氣動調節閥的角度，設置加水過程中的用水量和流量計的流速。

圖12　自動加水的控制界面

4　控制系統操作

在主界面報表查詢界面提供了制曲線產量、粉曲線產量和斗提進料產量的查詢，報表查詢用于查詢系統運行過程中記錄的報表數據，查詢界面見圖13、圖14、圖15。可以按日期段進行查詢，查詢的結果可以直接以ExcelFile格式保存到電腦上，單擊畫面上的“導出”按鈕，系統會自動把查詢到的結果保存到D:報表ExcelFile文件夾中，ExcelFile保存默認名字是制曲1號線（或粉曲1號線或斗提進料）產量+當天日期。制曲線產量報表主要記錄了某個時間的用曲量、用糧量以及用水量；粉曲線產量報表主要記錄了料倉產量；斗提進料產量報表主要記錄了某個時間料倉的進糧量以及加水器的加水量。

圖13　制曲線產量報表

圖14　粉曲線產量報表

5　結論

圖15　斗提進料產量報表

本文設計開發的控制系統將制曲、粉曲等工藝通過上位機控制與現場控制完全分離技術、無線傳感器網絡技術、大數據、多屏顯示技術及Web信息技術融為一體，開發了以PLC、現場總線控制和工業控制計算機為基礎的開放式綜合管理系統，實現全過程監測和自動控制，設備控制、過程控制、生產控制與信息管理的“管控一體化”，通過數據共享實現了高度自控，滿足自動化制曲生產的控制需求。

［1］葛向陽，徐巖，周新虎，等.應用現代生物技術實現大曲自動化生產的研究［J］.釀酒科技，2014（3）：1-3.

［2］王躍宣.先進控制策略與軟件實現及應用研究［D］.杭州：浙江大學，2003.

［3］趙升噸，閆伍超，王二郎，等.JA21-160型機械壓力機的PLC控制［J］.機床與液壓，2000（6）：15-19.

［4］張紅霞.釀酒專用曲塊連續生產測控系統的研究［D］.太原：太原理工大學，2010.

［5］宮淑貞，王冬青，徐世許.可編程控制器原理及應用［M］.北京：人民郵電山版社，2002.

［6］皮壯行，宮振鳴，李雪華.可編程序控制器的系統設計與應用實例［M］.北京：機械工業出版社，2000.

Development of the Control System of Automatic Daqu-Making Production Line

CAO Jinghua1，CHEN Feng2，LIU Binbo2，ZHU Zhengjun1and CHEN Maobin1
（1.Hubei Collaborative Innovation Center for Industrial Fermentation，School of Biological Engineering and Food，Hubei University of Technology，Wuhan，Hubei 430068；2.Hubei 710 Cross Tech Co.Ltd.，Yichang，Hubei 443008，China）

In view of the features of automatic Daqu-making production line such as high-speed，continuous production，and integrated production，the corresponding control system had been developed by PLC control technology based on multi-sensor detection，and the professional control system software had also been developed for the purpose of promoting PLC technology in automatic control of Daqu-making in distilleries.

automation；Daqu-making；control system

TQ925.7；TS262.3；TS261.3

A

1001-9286（2016）09-0089-05

10.13746/j.njkj.2016190

湖北省科技支撐計劃（2014BBB005）。

2016-05-31

曹敬華（1986-），男，湖北天門人，碩士，研究方向：釀造工藝及微生物。

陳茂彬，博士，教授，研究方向：釀酒工程。

優先數字出版時間：2016-08-03；地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20160803.1021.003.html。