基于solidworks建模技術的全自動啤酒生產線控制系統設計

楊銓，辛華健，李葉偉

（廣西工業職業技術學院，廣西 南寧 530200）

0 引言

隨著人民消費水平的日益提高，啤酒在人們的餐桌上消費量不斷創高，尤其是在夏季，啤酒的需求量更大，而這對啤酒的生產要求也越來越高。近年來，我國啤酒產量逐年下降，2017年為4401萬千升，2018年下降為3812.20萬千升，同比下滑13.4%，到了2019年，我國啤酒產量約為3765.3萬千升。而國外現狀，據相關公司對全球150多個國家和地區的統計數據，在2017年，全球啤酒產量約為1908.9億升；而2018年，得益于世界杯賽事，全球啤酒產量達1910.6億升，較2017年增長了0.6%。經調研發現，一些中小型酒廠普遍存在自控水平差，技術含量低，產品檔次低，品種單一，能耗和原料消耗大等各種問題，使得啤酒企業的優勝劣汰急劇加快，生存空間日益狹小。

基于solidworks建模的全自動啤酒罐裝生產線控制系統，主要是以提高機器的自動控制水平為目的。它利用solidworks建模，模型與實際生產完成一致，仿真與生產線管理系統相適應，模擬啤酒的生產控制流程。灌裝過程比較精確、嚴密，對實際啤酒工業生產產生巨大的作用。通過啤酒灌裝系統自動化控制，首先可以提高啤酒生產效率，減少人工操作，容易擴展，可以滿足客戶業務增長的需求；其次可以改良工作的條件，通過實現啤酒灌裝系統自動化控制后，生產現場不再需要人工進行手動操作，從而降低勞動成本。

1 啤酒生產主要控制系統設計

啤酒生產工藝流程可以分為制麥、糖化、發酵、包裝4個工序。現代化的啤酒廠一般已經不再設立麥芽車間，因此制麥部分也將逐步從啤酒生產工藝流程中剝離。

1.1 制麥PLC控制

原料麥芽、大米的粉碎的PLC控制主要包括麥芽、大米暫存倉高、低料位麥芽、大米計量、浸麥水溫度、流量調節、麥芽投料水溫度、流量調節、大米投料水溫度、流量調節、設備電機的啟停、狀態插板閥狀態開關等[1]。進入麥芽（大米）濕粉機的浸麥水的水溫，由PLC自動調節三通調節伐，改變冷熱水流量比，以維持浸麥水溫的恒定。根據進料量自動調進水量，以保證浸麥水的適當配比量。系統設浸麥水斷水聯鎖保護。主要聯鎖包括斷流報警；聯鎖物料、水、CIP、排污閥狀態、開、關、聯鎖；人機倒包聯系輸送帶堵料聯鎖；報警設備順序啟停聯鎖控制[2]。

1.2 糖化的PLC控制

糊化鍋、糖化鍋溫度智能串級控制，通過上段開關閥和下段比例閥調節進入夾套加熱器的蒸流流量[3]。糖化PLC控制包括蒸汽壓力控制；連續液位、空料位檢測、控制；攪拌控制（快慢轉或變頻控制）；糊化鍋溢鍋檢測、控制、報警；倒醪控制；閥門的開關和狀態反饋；電機的啟停和狀態反饋；加水溫度、流量調節。控制中主要聯鎖包括糊化鍋、糖化鍋溫度、壓力聯鎖；空料位與出料泵聯鎖；人孔蓋狀態、醪液下位與攪拌聯鎖；CIP閥與排污閥與物料過程的聯鎖；過程閥門和泵的開關順序聯鎖[4]。如圖1所示。

圖1 （糖化鍋）溫度、壓力串級控制

1.3 麥汁過濾的PLC控制

麥汁過濾主要控制內容洗糟水溫度、流量控制；過濾槽/麥汁收集器液位控制；過濾麥汁流量控制、計量過濾麥汁泵變頻控制；過濾槽洗糟控制；過濾槽耕刀、刮板升降控制（液壓系統）；過濾槽耕刀位置檢測；過濾槽耕糟控制；排糟控制（糟門電機、排糟電機）；糟相空料位檢測；人孔狀態檢測；物料閥、CIP閥、排污閥聯鎖控制及狀態[5]。主要聯鎖包括進出料閥門與糟門電機聯鎖；CIP閥、排污閥與過濾過程的聯鎖；進醪與糖化鍋的出醪流程聯鎖；出醪與煮沸鍋的進醪聯鎖；耕刀位置與液壓系統的聯鎖；排糟壓縮空氣壓力聯鎖。如圖2所示。

圖2 麥汁過濾槽控制模型

1.4 酵母擴培、儲存、投加的PLC控制

酵母擴培、儲存、投加的PLC控制包括自動清洗和蒸汽殺菌、麥汁進擴培罐計量、麥汁殺菌和冷卻、擴培罐的壓力控制（彈簧恒化調節閥）、擴培罐的液位控制、培養液的恒溫控制（氨冷卻降溫）、定時通風供氧、培養液壓出和回壓保種、儲存罐的壓力控制、儲存罐的氨冷卻降溫控制、儲存罐的液位控制、儲存罐的攪拌控制、酵母投料流量控制[6]。

2 啤酒生產控制系統建模設計

2.1 啤酒特性及灌裝控制系統的工藝要求

啤酒以小麥芽和大麥芽為主要原料，再加入酒花，經過糖化，又經酵母發酵作用，最后過濾操作而釀制成的一種酒精含量較低的飲料。由于啤酒對光和氧極端敏感，一旦二氧化碳流失，氧氣流入，其中有效成分會發生氧化，從而影響口味。因此，灌裝的啤酒具有阻氣性好、存放壽命長、透明度好、易回收等優點。啤酒灌裝的難度主要是因為微生物和代謝物中含有大量的二氧化碳和蛋白質。

灌裝過程中需要遵守的一些原則和要求首先是減少二氧化碳的損失，減少氧氣的接觸；然后在操作過程中不接觸菌類物質；最后包裝容器選擇綠色或棕色、密閉的瓶子，可以更好的避免在現代灌裝生產線的生產工作中，因灌裝不精準造成浪費。在罐裝生產過程中最主要的還是必須要保證定量灌裝的高精確性，而選擇稱重式灌裝能夠達到很高的精度，可使灌裝量的誤差保持在恰當的水平。

啤酒灌裝的控制采用可編程控制進行信號提取和控制，散裝進料采取兩級進料，粗進料時進料流量大，用短時間加入90%的公稱重量，細進料時進料流量低，5%至10%的額定重量，如果進料重量達到98%，則關閉精料閘門，而不是等到它達到100%，這樣可以保證速度和精度。也可以在系統啟動時錄入設置的定值，在傳感器的作用下判斷斗門是否到位，在調速系統下快、中、慢進料，加料信號結束后，進行穩定狀態判斷，從而進行實際測量，最后得到相關的誤差，在下一個循環進行補償校正[7]。

2.2 數字化自動啤酒生產線系統功能模型

如圖3、圖4、圖5和圖6所示，整個啤酒灌裝控制系統包含對空瓶卸箱、清洗、檢查，灌裝壓蓋，啤酒殺菌，貼標輸瓶，然后裝箱碼垛等。

圖3 啤酒灌裝控制系統示意圖

圖4 灌裝機底座效果圖

圖5 灌裝入瓶轉盤效果圖

圖6 啤酒發酵模型效果圖

卸箱系統：通過兩臺伺服驅動器和PLC控制水平、垂直運動。

洗瓶系統：進瓶端有三級升溫浸泡槽，清洗段采用堿液進行旋轉高壓噴射內壁和瓶底，除標裝置通過大流量葉輪泵將商標帶到圓筒過濾裝置中。

灌裝壓蓋系統：采用變頻器控制回轉酒缸的旋轉運動。灌裝前打開預抽真空閥，對酒缸槽位上的空瓶進行抽真空，再打開氣閥對瓶內充填CO2氣體，然后二次抽真空并充CO2，當瓶內壓力接近背壓時打開液閥，使酒液沿瓶壁進入瓶內，灌裝到需要液位后，電動控制壓蓋機升降實現壓蓋。

殺菌系統：采用隧道式巴氏殺菌對裝瓶后的啤酒進行噴林殺菌，控制PU值（殺菌強度）。主傳動電機帶動上下兩層輸瓶鏈網將瓶裝啤酒依次經過三個溫區的逐級升溫預熱、兩個溫區的殺菌和三個溫區的逐級降溫冷卻過程。

貼標系統：通過主/背標標閥、刮刀、吹氣電磁閥動作對整瓶貼主標和背標。

裝箱系統：通過兩臺伺服驅動器和PLC控制水平、垂直運動。

CIP系統：對洗瓶機、灌裝機等進行就地清洗。

3 基于solidworks建模技術的數字化啤酒生產線信息管理與控制的實現

solidworks是非標機械設計的主流軟件，有大量的輔助插件，比如管線插件，可以用于繪制化工管道和電氣管線，仿真插件可以制作簡單的動畫等。通過數字化設計軟件NX和SOLIWORS對產線進行建模，構建面向精釀啤酒生產的智慧工廠的數字化雙胞胎模型，建立了準確、高效的統一的制造資源模型，實現資源即服務，并以此為基礎建立智能應用系統。通過Plant Simulation實現對生產過程的虛擬和優化，最終在虛擬的環境中完成整個精釀啤酒生產系統的建模和生產線仿真（圖7），并結合虛擬環境的仿真和優化結果完成實際生產系統的設計，在精釀啤酒生產中實現虛實結合的數字化雙胞胎技術應用，能夠實現生產的資源的優化配置，優化生產活動計劃、提高生產過程控制精度。

圖7 啤酒生產線仿真效果

4 結論

利用Plant Simulation軟件實現對設計的啤酒生產線進行虛擬生產，并結合軟件對控制系統和控制工藝進行優化，將虛擬環境中設計和優化的工藝用于當前精釀啤酒生產線的設計和改造，形成實際系統的設計和改造方案，實現精釀啤酒生產虛實結合的數字化雙胞胎技術應用。通過數字化設計軟件NX和SOLIWORS對產線進行建模，構建面向精釀啤酒生產的智慧工廠的數字化雙胞胎模型，建立了準確、高效的統一的制造資源模型，實現資源即服務，并以此為基礎建立智能應用系統。自動灌裝控制系統可以減少人工成本，便于監控管理，從而提高了生產工作的效率。