基于iFIX和西門子PLC的啤酒糖化自動控制系統

黃 雨

（中國計量科學研究院，北京100029）

啤酒由于風味獨特，營養豐富，酒精度低，價格適中，深受人民群眾的喜愛。隨著我國經濟的發展，啤酒工業也蓬勃發展。現在啤酒工業出現集團化的趨勢，青島、雪花、燕京及百威等大型啤酒集團紛紛在各地建分廠，或收購當地啤酒廠進行升級改造。小型啤酒廠的生產過程包括糖化、發酵、后處理及包裝3 大工序[1]。糖化過程是一個非常復雜的生化過程，涉及復雜的操作及對眾多參數的控制[2-3]。2015年年底，燕京啤酒集團在位于內蒙古豐鎮開發區的、年產能100 ML 的新啤酒廠按期投產，其糖化線生產能力60 t/鍋。作為該糖化車間項目的親歷者，在此詳述糖化自動控制系統的實現及控制結構，控制系統的編程、調試以及現場儀表安裝調試的注意事項。

1 控制系統架構

該啤酒廠糖化自動控制系統采用上位機加下位機的結構形式，上下位機之間采用以太網通訊。

上位機采用C/S 模式，包括3 臺電腦，1 臺作為服務器，另外2 臺作為客戶機。不同操作員可以同時分別在3 臺電腦操作，分別監管在不同鍋槽里的3 批物料，提高了生產效率。如果服務器出現故障，另外1 臺客戶機可以切換為服務器繼續正常工作，避免對生產造成影響。

下位機主站的CPU 選用414-2DP，以太網通訊模塊選用CP443-1。8 個300 系列的ET200M 作為從站，各ET200M 子站最高可帶8 個模擬量或數字量的輸入/輸出I/O 模塊。8 個從站分別對應：糊化鍋和糖化鍋、過濾槽、暫存罐、煮沸鍋、沉淀槽、水系統、CIP、低壓柜。主站與各子站之間采用ProfiBus DP的現場總線連接，可在軟件內設置通訊速度。

這種分布式結構使系統有極強的穩定性（任意數量子站出現故障不會導致整個系統崩潰）、易擴展性和易維護性。該結構充分利用了400 系列強大的運算和通訊能力和300 系列的低成本。各PLC 從站分別就近分布在現場的各個鍋槽旁邊的不銹鋼控制柜里，相比集中控制系統該方式可以節約線槽及布線，且利于維護。系統的總體結構如圖1所示。

圖1 糖化控制系統總體結構Fig.1 Overall structure of saccharification control system

2 組態監控設計和工藝實現

上位機采用當今主流的GE 的iFIX 5.5 開發，操作系統選用微軟的Win7 32 位旗艦版+sp1，與下位機PLC 通過S7A 驅動連接，實現糖化生產過程的實時數據采集和監控。每個人根據不同的用戶名和密碼登錄對應不同的權限[4]，工藝員權限可以修改配方和工藝參數，操作員只能執行工藝，過客只能瀏覽顯示界面而不能進行任何操作。

上位機顯示界面根據功能和生產流程，分別如圖2～圖9所示。

圖2 糊化鍋和糖化鍋顯示界面Fig.2 Display interface of rice cooker and mash tun

圖3 過濾槽顯示界面Fig.3 Lauter tun display interface

圖4 暫存罐顯示界面Fig.4 Wort pre-run buffer tand display interface

圖5 煮沸鍋顯示界面Fig.5 Work kettle display interface

圖6 沉淀槽顯示界面Fig.6 Whirlpool display interface

各界面顯示所有的測控點。模擬量輸入點主要包括溫度、壓力、液位（也采用壓力計算出）、流速、電導率（CIP 里測定酸堿濃度）等；數字量輸入點主要包括閥反饋、溢鍋信號、空罐檢測（音叉）、人孔反饋、空開反饋、交流接觸器反饋、變頻器反饋。模擬量輸出點主要是控制調節閥（控制蒸汽、水、醪液）和變頻器（控制水泵、電機）；數字量輸出點主要是控制閥、交流接觸器（控制水泵、電機）。

圖7 水系統顯示界面Fig.7 Water system display interface

圖8 CIP 顯示界面Fig.8 CIP display interface

圖9 總配方顯示界面Fig.9 Whole recipe display interface

顯示界面簡潔美觀，操作方便靈活。點擊各界面的對象名稱，就會自動切換到相應界面。

界面上所有執行器都有自動和手動2 種模式。在自動模式下，操作員根據生產計劃選擇啤酒工藝后，系統按工藝自動運行，對各種參數（溫度、流量、時間等）進行控制，滿足條件后自動轉到下一步，操作員只需進行監視，無需操作。少數需要人工判定的步驟（該鍋槽需要等待其他鍋槽，或操作員需人工測定醪液參數），系統自動彈出對話框，提醒操作員完成相關操作后點擊確定跳轉到下一步。對比傳統的手動或半自動生產方式，現在每班操作工只需2 人即可，效率、生產品質和穩定性均大為提高。

在現場測控設備出現故障需要檢修時，操作員應對相應界面的執行器進行手動操作，以保證生產繼續進行，待故障設備恢復正常后即可轉回自動模式。

該自控系統擁有完善的操作和報警記錄，iFIX通過開放數據庫連接ODBC （open database connectivity）對SQL 數據庫進行數據存儲和讀取[4]。iFIX自己也帶有實時數據庫和歷史數據庫，用于保存溫度、流量等數值，以便事后查閱進行質量追溯。

3 下位機編程

下位機編程軟件為STEP7 V5.5 SP4，用于西門子300和400 系列PLC。在硬件組態里可以靈活設定子站模塊的I/O 地址，從而極大簡化了編程的工作量，也有利于項目的移植。

程序分為組織塊OB，功能塊FB和FC，數據塊DB。所有程序都是在各OB 塊里調用的，分為主循環控制組織塊OB1，按固定間隔時間運行的OB35（用于對運行對時間有嚴格要求的PID 程序等），錯誤和故障處理OB 程序（處理硬件錯誤等）[5]。

該糖化車間項目按功能和生產工藝，將各鍋槽分別編制FC 塊。另外，還有一些輔助程序，包括將外設數據傳輸到DB 塊，對溫度等原始數據進行線性化處理，等。一些重要的功能如耕刀升降等，也單獨編制了FC 塊。DB 塊的規劃主要根據功能和作用分類集中，還要考慮到與上位機的通訊，比如所有模擬量輸入放在一個單獨的DB 塊內，接收上位機工藝指令和設定值也單獨存放到一個DB 塊內。

為了現場調試和后期維護，編程中應特別注意：對一個數據進行賦值操作，不要分散在各處應該集中，盡量少用上升/下降沿對數據進行置位復位。

4 生產過程中的異常及其處理

上位機和下位機合理分工，利用各自優勢，提高了系統穩定性。上位機控制整個運行配方，運行到某一步則將其指令如“糖化鍋加熱”及相關參數（加熱目標溫度）下傳至PLC；由PLC 判斷是否滿足運行條件（相關鍋槽的狀態、閥的狀態），如果條件滿足則PLC 執行相關動作如開閥和泵等，并根據條件（溫度達到設定值）判定該步聚運行結束，反饋給上位機；上位機再自動跳轉到下一步工藝，并下傳指令和參數，如此循環往復運行。

各鍋槽和閥泵等設置了明確的互鎖條件。比如，糖化鍋出料要求物料下一鍋槽的過濾槽必需具備進料條件，同時閥門等條件必須具備，如果排污閥開啟或者反饋異常，則PLC 不會出料，可以避免醪液排地溝的風險。這與傳統的人工操作相比較，可靠性和安全性大為提高。

運行工藝時，有互鎖條件的閥在界面上都有提示，操作工即使手動也無法打開。

在生產過程中，如果有儀器出現異常，比如閥反饋或者溫度計損壞，界面會出現警報，提醒相關設備進行維修，待其正常后繼續往下運行。

5 現場安裝調試過程中的注意事項

由于新啤酒廠的建設為了趕工期，各施工隊同時交叉施工，現場環境復雜。糖化車間一般高度約在8 m，自上而下依次為土建施工、入戶管道（蒸汽管道等）、糖化物料管道和鍋槽（涉及各種安裝焊接包括各種傳感器底座的焊接及安裝）、自控系統安裝焊接線槽和布線、后期管道和鍋槽的保溫、地面瓷磚鋪貼等。各施工單位一般是搭建腳手架進行高空作業，存在高空墜物傷人或人員跌落的風險。施工一般安排在生產淡季的冬季進行，車間氣溫較低。為應對上述因素，施工人員應該配備安全帶、頭盔、口罩、安全鞋等防護裝備。

一些現場儀表（流量計、電導率儀、溫度計等）的安裝位置在滿足測量準確的前提下，盡量不安裝在高空，以便于日后參數的設置和數據的觀測。現場客戶為趕工期常要求乙方連夜安裝調試，因此需要合理分配人員和時間，準備照明和施工臨時電源，夜里盡量多做地面工作，把高空作業安排到白天進行。

在最后通電調試階段，須反復檢查接線無錯誤之后再通電。通電前，確保電柜和現場都有人員值守并保證通訊（對講機或手機）暢通，然后逐一通電，邊通電邊觀察，一旦發現異常立即通知相關人員切斷電源。對電機、水泵等，要點動觀測，調整為正轉。

應重點關注過濾槽的耕刀升降旋轉系統。如果耕刀升降超出極限位置高度，將嚴重損壞過濾槽。調試時，需要設備廠家、低壓電工，PLC 工程師一起，緊密配合調試。首先應將耕刀手搖至中間安全位置，再點動確定升降方向是否正確，然后調試保護措施。一般是，三重檢測保護和一重執行保護：編碼器輸出連續高度、行程開關確定極限位保護（信號串接到交流接觸器的控制回路）、接近開關確定工作點位及極限位保護、增加總交流接觸器確保能正常分斷電路。只要嚴格按照上述步驟調試，確保所有保護措施都起作用，即可保證耕刀正常運行。生產過程中，上述任何保護措施出現故障，應立即暫停生產待維修正常后再繼續生產。即使生產正常，也應定期核查保護措施。

糖化系統中需要控制的參數較多，主要是溫度、流速等，通常采用PID 控制。系統輸出到發酵車間的醪液溫度、流速非常重要，溫度通常要求控制在8 ℃左右，流速在600 kL/h 左右。流速控制相對容易，而溫度控制精度一般要求為±0．5 ℃或者更高。由于系統的大滯后性以及現場的波動，普通的PID 控制無法達到控制要求，故在此采用了預判趨勢主動抗干擾加分階段自動調整PID 系數的方式，結果取得了較為理想的控溫效果。

6 結語

糖化車間自動化控制系統，是啤酒廠較為復雜的控制系統，設備和管道多，傳感器和執行器多（閥門、電機、水泵等），工藝步驟多，參數復雜，安裝調試工作量大且有一定的危險性。該糖化車間項目在安裝調試期間嚴格遵守各項制度，與啤酒廠及其他施工方密切合作，使生產線按時順利投產。該控制系統自動化程度高，實現了減員增效的既定目標，同時系統運行穩定可靠，在保證糖化生產質量的同時大幅提高了生產效率，達到8 鍋·次/d，獲得了廠家的好評。