關于啤酒釀造過程PLC自動控制系統的研究

阮文韜

（成都紡織高等專科學校電氣信息工程學院，四川成都611731）

關于啤酒釀造過程PLC自動控制系統的研究

阮文韜

（成都紡織高等專科學校電氣信息工程學院，四川成都611731）

針對我國啤酒釀造的實際生產設備、釀造工藝控制的現狀和需求進行了詳細的分析。對目前國內發酵工藝控制設備和系統存在的問題，結合企業的實際生產狀況、綜合實力與未來發展方向，提出一種基于PROFIBUS-DP現場總線技術的啤酒釀造PLC控制系統。即基于PROFIBUS-DP總線技術將啤酒生產設備串聯到同一個控制平臺中，采用PLC主站和分布式I/O從站控制架構，提高啤酒工藝的自動化和智能控制水平。從仿真結果可以看出本系統改進控制算法的控制器可以有效彌合傳統PID控制器的不足。

PROFIBUS；PLC；啤酒釀造；總線技術

啤酒是在世界范圍內流行的飲品之一，一般是由大麥或者其他谷物為原材料釀造而成，具體工藝包括麥芽準備、原料的糖化、發酵等［1］。國外啤酒產業發展比較早，其生產和推廣的過程都比較規范，在二十世紀初啤酒傳入我國，目前我國啤酒的產量和銷量都位居世界前列，但由于國內啤酒生產設備大部分處于半自動水平以下，啤酒加工工藝的精確性和穩定性受到影響，因此一直處于依靠價格優勢占領低端市場的狀態，同時我國人均啤酒消費量較發達國家還是處于比較低的水平，因此我國啤酒產業還具有很大的發展空間［2-3］。

啤酒的發源地在巴比倫，在德國得到發展壯大，德國的工業4.0的理念運用到啤酒產業中，使啤酒生產呈現自動化、定制化和智能化的特點，效率和效益都有了很大的提高，智能化的特點也越來越明顯［4］。我國目前國內啤酒各個工序的設備都具備自動控制裝置，但是大部分都沒有閉環控制特性，因此對于啤酒加工工藝偏差的反應不夠敏感，嚴重影響啤酒加工過程控制精度，隨著智能化生產成為我國工業企業轉型升級的一個重要技術趨勢，現有的啤酒生產設備和生產線的水平遠遠不能滿足生產規模擴大的需求，對于傳統啤酒生產加工設備的智能化改造成為啤酒企業轉型的重要課題［5］。

總線控制成為智能制造的重要技術依托之一，PROFIBUS現場總線是一種源于歐洲的開源的、獨立的通信系統技術，應用廣泛且技術穩定［6］。本文基于PROFIBUS現場總線技術，對我國啤酒釀造過程PLC自動控制系統進行研究，目的是實現啤酒釀造的智能化生產、合理優化啤酒的工藝需要和提高啤酒的質量。

1　啤酒釀造過程的現場總線控制系統

1.1傳統CIMS體系結構

計算機集成制造系統（Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS）是指通過計算機硬件及軟件設施，同時綜合運用現代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統工程技術，將與生產相關的要素和信息與物流有機集成并優化運行的集成系統［7］。傳統CIMS體系結構可根據生產管理需要分為五個層面：第一層為工廠層，即從企業管理總體的角度設定CIMS的整體架構；第二層為車間層，主要關注車間生產線及準備與其相關的具體業務；第三層為業務級別層，即為單個工序功能的實現；第四層為工作站層，主要監控工序實現過程和信息集成系統；第五層為現場級，是總線和設備連接的部分。

這種架構最大的特點是設備接口與控制裝置之間是一一對應的關系，這樣就使信息管理系統與現場設備的硬件接口的數量比較龐大。這就導致傳統CIMS架構雖然信息化程度越來越高，但是整個架構存在一定的明顯的缺陷：第一、信息集成能力不強；第二、系統開源性較差，新功能模塊的補充比較困難；第三、不同功能模塊之間兼容性不好，集成性差；第四、可靠性存在風險；第五、可維護性差。

1.2現場總線技術以及PROFIBUS-DP現場總線

現場總線技術應用于生產線設備管理的總體架構設計為：首先基于串行通信接口將所有在線的設備接口串聯起來，然后用通信電纜將現場設備連接，替代原有的I/O信號，實現設備信號的實時傳輸；最后將車間級別的總線控制系統和企業級別的信息化系統集成，實現整個企業信息的數字化。不同設備的通訊方式有所不同，因此不同設備的信息在同一總線上傳輸的前提是對通訊方式進行定義，實現信息的流暢傳輸，以及體現通訊協議的作用。現場總線標準問題是解決以上問題的一種方式，有標準總線標準和非標準總線協議，后者一般是出于企業技術保密或者產品獨特性的考慮，但是很容易造成產品通用性下降。

1995年，啤酒生產釀造現場總線正式提出采用PROFIBUS現場總線，并迅速得到市場的認可，而中國是在1997年才開始開展PROFIBUS的推廣和應用［8］。PROFIBUS協議和CAN總線架構相似，其具體結構如圖1所示。

圖1　PROFIBUS的協議結構Fig.1Protocol architecture of PROFIBUS

由圖1可知，PROFIBUS協議結構總共四層，最底層是物理層，主要與硬件及底層軟件相關；中間層有兩層，一是數據鏈路層，用于明確數據傳輸的具體規定；另一層是應用層，用于實現具體的功能；最頂層是用戶層，用于實現具體的業務，包括DP和FMS的RS485傳輸、PA的IEC1158-2傳輸以及光纖傳輸。

在PROFIBUS現場總線中，PROFIBUS-DP的應用最廣。該協議可將PLC設備與I/O接口串結起來，實現設備與系統之間的信息交互。上位機按照系統時鐘向設備發送各種功能指令，同時對設備的功能執行效果進行監控，對于執行過程中的偏差進行修正以及錯誤進行處理，保證加工過程在正常的軌跡上運行。

2　啤酒釀造過程PLC自動控制系統設計

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一種利用可編程存儲器內部存儲程序執行邏輯運算、順序控制、計算等操作指令，通過條件控制生產過程的一類計算機［9］。在啤酒實際生產過程中，利用PLC對生產線現場的智能化改造是最容易實施的。啤酒釀造過程中，尤其是發酵罐區環境較為潮濕，故對儀表及控制器的要求比較高。PLC產品的平均故障間隔時間一般可達到5年以上，因此是一種高度可靠的工業產品，同時能夠大大提高生產設備的運行效率。啤酒發酵過程控制系統方案明確需要升級功能，表1為系統的功能模塊配置組合。

表1　控制系統模塊配置Table 1Control system module configuration

如表1所示進行組合，并對每個功能設置相應的I/0接口，用于實現設備數據的實時傳輸，考到未來可能需要擴展一定的功能，因此系統設計時應設置不同的擴展接口，在本系統中，總的控制I/O接口近300個。傳統硬件設備是通過硬件開關控制，若對設備硬件接口進行升級，則需要對硬件系統進行重新組合，通過內部嵌入軟件的方式重新優化設備參數，并對每個輸入、輸出參數的物理地址和I/O接口進行定義，為未來更高層次的開發打好硬件基礎。

具體操作為首先應在管理器中建立一個名叫“啤酒釀制”的新項目，在硬件列表中選擇進入硬件組態窗口，并在機架中添加電源模塊。在網絡對象中選擇“PROFIBUS”，設置速率為1.5 Mbit/s，總線行規為DP，傳輸速率和總線行規將用于整個PROFIBUS子網絡系統。

3　基于啤酒釀制的PLC軟件設計

啤酒釀造最關鍵的參數是啤酒發酵罐內部溫度和壓力，本系統就是將這些數值轉換成電信號通過通訊接口傳遞出來。圖2為系統基本的程序流程圖。

如圖2所示啤酒釀制的PLC軟件設計具體步驟為：首先對設備傳輸進行初始化，比如上電處理、通訊接口模塊初始化、系統時鐘初始化、存儲器和寄存器的初始化等；然后提取目標參數的數值，啤酒釀制的時間指標是發酵時間，成分指標是糖度、雙乙酞含量，溫度是發酵罐上、中、下3個段的溫度，系統需要將所有需要參數通過傳感器采集出來，并將之轉換成可以處理的格式，這也是整個系統最基礎和最重要的工作；之后是計算溫度設定值；最后是將實際測試到的參數和目標設定值進行對比，例如確定溫度偏差大小是否在要求的工藝誤差范圍內，若超出范圍，則通過反饋機制對執行機構進行微調，直至關鍵參數的數值在規定范圍內。另外，為了實現在出現緊急情況時能夠對生產線進行中斷，本系統設定了自動中斷方法和人工中斷方法，操作人員可以自主選擇系統運行模式。

4　模糊智能PID算法和控制系統仿真

傳統PID（Proportion Integration Differentiation）控制器作為一種經典的控制理論和控制方法，仍廣泛應用于多個領域，它的特點如下：第一，算法框架簡單，易于實現，經過多年的市場錘煉獲得了較高的認可度；第二，控制效果比較可靠，但是應用范圍有所局限，僅適用于一階、二階系統；第三，復雜或者高階系統處理能力不足，處理非線性、時變等復雜系統，PID算法的可靠性和實效性不盡如人意。在此背景下，模糊理論被引入到控制系統的設計中，模糊控制理論可以有效彌補傳統PID控制算法的缺陷和不足，面對復雜高階的系統模糊理論控制效果比較好，可靠性也較PID算法有明顯提升，同時對于未知的非線性系統的處理，模糊控制算法有明顯的優勢。通過調整模糊算法的加權系數，進而影響目標設定參數的加權系統的大小，可以實現跟蹤設定值、降低外界信號干擾的目的，達到最優效果。

本系統中引入人工智能方法，使算法具有人的記憶策略，對信息的價值進行甄別，使干擾數據噪聲被過濾掉，同時對PID的執行算法進行優化，運用智能積分策略降低系統穩態偏差。因此，本系統提出和采用模糊智能PID控制算法。

在算法模擬過程中，系統采集的準備階段參數不用處理，等待系統進入啤酒釀造的正常狀態之后再開始啟動模式，目的是提高系統運算精度和效率，4個保溫階段控制相對容易些，采用常規PID控制，兩個降溫階段采用本系統提出的模糊智能PID控制理念。

根據模型進行Matlab仿真試驗，數學模型的傳遞函數為：

發酵及雙乙酞還原階段：

比例、積分、微分因子分別：Kp=0.889 5，Ki=0.025 4，Kd=0.012 7。

仿真結果曲線如圖3所示。

圖3　啤酒釀制控制系統仿真曲線Fig.3Simulation curve of beer brewing process control

從仿真結果不難看出，控制曲線與工藝曲線基本吻合，整個控制過程及時、準確的跟蹤了工藝曲線要求，曲線擬合之后沒有產生超調，誤差值±0.5℃，可以滿足工藝控制的需要。

5　結語

啤酒工業作為我國食品產業中的一個重要分支，其發展速度和為我國帶來的經濟效益都十分可觀，但我國啤酒生產工藝與發達國家相比仍存在一定局限性。本文以我國目前常見啤酒發酵過程為背景，對啤酒發酵過程的自動化控制系統和溫度控制策略進行研究，并提出一種基于PROFIBUS現場總線技術的啤酒釀造過程PLC自動控制系統，這對未來我國啤酒釀造工藝利用高新技術，提高產品質量具有一定的現實意義。

［1］吳作明，楊弘惟.基于PROFIBUS-DP過程現場總線的木器生產車間分布式PLC控制系統［J］.天津理工學院學報，2002，18（1）：65-67

［2］劉星橋，凌俊杰，高健，等.基于PROFIBUS現場總線的裝箱機械手控制系統［J］.電氣傳動，2005，35（9）：58-61

［3］沈明，余和清.基于ProfiBus現場總線的汽車涂裝線網絡自動控制系統［J］.自動化技術與應用，2008，27（8）：131-134

［4］苗志全，周春來，張波.基于PROFIBUS現場總線的井下鐵路信號PLC控制系統的研究［J］.煤礦機械，2009，30（2）：67-69

［5］朱家駿.基于HACCP體系的酒店餐飲食品安全管理研究-《以金華某四星級酒店為例》［J］.卷宗，2016，6（1）：67-69

［6］賀禹.PLC控制系統與現場總線技術結合的通信技術研究［J］.自動化與儀器儀表，2015，17（9）：84-86

［7］王興海，王樹威，陳靖.基于PROFIBUS現場總線技術的測量和監控系統［J］.科技導報，2006，24（8）：53-55

［8］徐操.基于PROFIBUS-DP的鋪排船PLC控制系統的研究［J］.軟件導刊，2006，34（7）：38-39

［9］周寶林，朱建躍，蔡寧生，等.過程控制系統中PID控制器參數優化的研究［J］.電力與能源，2001，22（5）：194-197

Research of PLC Control System of Beer Brewing Process

RUAN Wen-tao
（School of Electrical and Information Engineering，Chengdu Textile College，Chengdu 611731，Sichuan，China）

The actual production equipment of the beer brewing，Chinese brewing process control situation and demand were analyzed in detail.A PROFIBUS-DP fieldbus brewing PLC control system was proposed based on the present domestic fermentation process control devices situation，existing problems，combining the actual production situation of enterprises，comprehensive strength and the future development direction.The beer production equipment based on PROFIBUS-DP fieldbus technology was adapted into a control platform.The PLC master station and distributed I/O from station control architecture was used for improving the level of beer process automation and intelligent control.The simulation results showed the improvement of control algorithm of controller，which can effectively bridge the shortcomings of traditional PID controller.

PROFIBUS；PLC；beer brewing process；bus-technology

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.20.026

四川省教育廳重點科研項目（12ZA03）

阮文韜（1982—），女（漢），講師，碩士，研究方向：檢測技術與自動化裝置。

2016-06-22