李金寶

摘要：啤酒生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)劣直接影響啤酒生產(chǎn)成本，啤酒生產(chǎn)控制精度，操作人員的體力勞動，生產(chǎn)效率和安全生產(chǎn)。本文從啤酒生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計優(yōu)化、設(shè)備聯(lián)動、手自動切換、安全回路設(shè)計、建立溫度控制虛擬儀器五個方面闡述了啤酒生產(chǎn)過程自動化控制系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化的原因、方法。關(guān)鍵詞：啤酒；自動控制系統(tǒng)；設(shè)計；優(yōu)化

隨著國家經(jīng)濟的發(fā)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(yè)也得到了空前發(fā)展，啤酒工業(yè)的發(fā)展對國民經(jīng)濟建設(shè)和發(fā)展起到了重要的促進作用。

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

因此，如何提高產(chǎn)品的技術(shù)含量，提高生產(chǎn)過程的自動化水平，提高我國啤酒工業(yè)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(dāng)然，導(dǎo)致我國啤酒生產(chǎn)工業(yè)出現(xiàn)上述落后、被動狀態(tài)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(chǎn)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(shù)進行操作和管理，才能實現(xiàn)產(chǎn)品多元化，才能保證穩(wěn)定、一致的產(chǎn)品質(zhì)量，才能真正強化企業(yè)管理，降低成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。針對我國啤酒生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)設(shè)計水平落后的現(xiàn)狀，本文對啤酒生產(chǎn)過程自動化控制系統(tǒng)設(shè)計進行深入研究，優(yōu)化生產(chǎn)過程自動化控制系統(tǒng)設(shè)計，使其更加有利于啤酒生產(chǎn)過程，降低生產(chǎn)成本。啤酒生產(chǎn)過程一般不是一種恒定的穩(wěn)態(tài)值，而是隨時間變化的優(yōu)化軌跡。例如，溫度工藝曲線。啤酒生產(chǎn)過程是一類典型的間歇生產(chǎn)過程，按生產(chǎn)工藝劃分為麥芽汁制備、啤酒發(fā)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(chǎn)子工序，其生產(chǎn)工藝多變、生產(chǎn)過程不連續(xù)、非穩(wěn)態(tài)，工藝和對象特性多樣、復(fù)雜，過程信息很不完備，這些特點使得優(yōu)化啤酒生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)設(shè)計具有相當(dāng)大的難度。

1 啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)需要優(yōu)化

1.1 啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)缺陷

為了實現(xiàn)整套計算機綜合自動化系統(tǒng)的可靠性和可操作性，一般啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)是以生產(chǎn)過程為單位來設(shè)計主控系統(tǒng)，最常見的完成整個啤酒生產(chǎn)過程的全自動控制，是由糖化過程的計算機控制系統(tǒng)和發(fā)酵過程的計算機控制系統(tǒng)兩部分組成。從自動控制的角度來看，兩個主控系統(tǒng)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(xiàn)出一定的相關(guān)性，兩個主控系統(tǒng)將通過上層網(wǎng)絡(luò)與領(lǐng)導(dǎo)部門及質(zhì)量分析部門的管理計算機相連接。然而，整個自動控制系統(tǒng)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(shù)量上的限制。另一方面是MPI通信速率的限制。

1.2 啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化措施

CAN總線控制系統(tǒng)是一種全數(shù)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(tǒng)。與傳統(tǒng)的DCS（集散控制系統(tǒng)）相比，CAN總線控制系統(tǒng)具有可靠性高、可維護性好、成本低、實時性好、實現(xiàn)了控制管理一體化的結(jié)構(gòu)體系等優(yōu)點。CAN總線控制系統(tǒng)由監(jiān)控計算機（上位機）、CAN總線和現(xiàn)場控制器（下位機）3部分構(gòu)成。PLC作為下位機在啤酒發(fā)酵過程控制可分為檢測部分和控制部分。當(dāng)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(zhí)行和輸出刷新3個階段。

本文針對啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)缺陷，為了能適合大型啤酒生產(chǎn)過程綜合自動控制系統(tǒng)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(wù)器，構(gòu)成數(shù)據(jù)映射級的PLC全映射服務(wù)器新型網(wǎng)絡(luò)模式。PLC全映射服務(wù)器實質(zhì)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(shù)據(jù)之間高效可靠的傳輸，PLC全映射服務(wù)器硬件設(shè)備采用工業(yè)服務(wù)器，服務(wù)器功能設(shè)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(wù)器給操作站發(fā)送數(shù)據(jù)采用重復(fù)廣播發(fā)送模式；服務(wù)器還需具備遠程轉(zhuǎn)發(fā)功能，將操作站的指令通過服務(wù)器傳導(dǎo)給PLC，并且對于遠程轉(zhuǎn)發(fā)的結(jié)果還應(yīng)有快速遠程回讀功能，以提高指令發(fā)送的可靠性。

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

2 啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)要實現(xiàn)設(shè)備聯(lián)動

啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)置大量保護程序和各種聯(lián)鎖裝置，并能及時報警，能夠有效地保證了安全生產(chǎn)。在啤酒生產(chǎn)過程中，為了保證設(shè)備安全，大量設(shè)備之間存在聯(lián)動互鎖，而互鎖的方式又各不相同。盡管啤酒生產(chǎn)過程的聯(lián)動/聯(lián)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(yán)格，具體實施也是極其復(fù)雜和困難的，而且這也是實現(xiàn)整個生產(chǎn)工程全自動化控制的關(guān)鍵所在。因此，為了保障生產(chǎn)設(shè)備的安全運行，啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)制定了大量的聯(lián)動互鎖規(guī)則，并應(yīng)用規(guī)則庫進行查詢管理。在啤酒生產(chǎn)過程中，管路中高速流動的流體所具有的慣性，各設(shè)備之間的聯(lián)動、切換處理不當(dāng)，其沖擊力對閥門、泵造成的損壞將會非常嚴(yán)重，甚至影響管路的密封性，導(dǎo)致料液損失。因此，保證泵和閥門之間的安全聯(lián)動，對保護生產(chǎn)設(shè)備、保障安全生產(chǎn)顯得尤為重要。作者在200L啤酒中試生產(chǎn)實際運行過程中，不斷試驗、總結(jié)，得出以下結(jié)論。

2.1 閥門、泵之間的安全互鎖規(guī)則

（1）閥門延時關(guān)閉，泵延時啟動。當(dāng)閥門需要關(guān)閉時，系統(tǒng)自動延時數(shù)秒，待管路中液體流速降低后再關(guān)閉閥門?？梢悦黠@減少流體對閥門的沖擊力；當(dāng)泵需要啟動時，系統(tǒng)自動延時數(shù)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(zhuǎn)時需實時檢測管路是否通暢，如果發(fā)現(xiàn)管路沒有通暢時，泵自動停止，并提示警告。

（3）泵運轉(zhuǎn)后實時監(jiān)測管路流量，如果持續(xù)一段時間內(nèi)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(zhǔn)確控制

在加熱過程中，要實現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確控制，則需要實現(xiàn)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(zhǔn)確性。

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

（2）溫度控制與加熱實現(xiàn)智能化。當(dāng)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(chǎn)控制系統(tǒng)要實現(xiàn)手動、自動切換

3.1 啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)手動、自動切換存在的問題

基于計算機的控制系統(tǒng)往往對開關(guān)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(tài)下應(yīng)能隨時允許切換到手動狀態(tài)，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(guān)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(guān)系，就顯得非常重要。

3.2 解決啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)為非法操作，容易導(dǎo)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(quán)仍交給用戶，這樣使用戶即能強制開關(guān)，又能避免誤操作：

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

4 啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)要有安全回路設(shè)計

4.1 啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)安全回路設(shè)計的作用

安全回路是能夠獨立于PLC系統(tǒng)運行的應(yīng)急控制回路或后備手操系統(tǒng)。很多國家和國際組織發(fā)表的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中均有明確的規(guī)定，安全回路設(shè)計要以確保人身安全為第一目標(biāo)、保證設(shè)備運行安全為第二目標(biāo)。一般來說，安全回路在以下幾種情況下將發(fā)揮安全保護作用：①設(shè)備發(fā)生緊急異常狀態(tài)時；②操作人員需要緊急干預(yù)時：⑧PLC失控時。

4.2 設(shè)計啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)安全回路的任務(wù)

設(shè)計安全回路的一般性任務(wù)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(shè)計后備手操回路以提供對過程中重要設(shè)備的手動安全性干預(yù)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(guān)系；④確定其它與安全和完善運行有關(guān)的要求。為簡單起見，系統(tǒng)中主要采用后備手操的形式。

設(shè)計了啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)安全回路后，當(dāng)手自動切換開關(guān)打到自動狀態(tài)時，負(fù)載由PLC直接控制，當(dāng)手自動切換開關(guān)打到手動狀態(tài)時。負(fù)載由手動操作操作按鈕控制。對于某些關(guān)鍵回路，手動輸出將反饋到PLC系統(tǒng)，而PLC的輸出經(jīng)過手動操作就可以方便地實現(xiàn)切換。

5 啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)要建立溫度控制虛擬儀器

溫度、pH值、壓力、濁度等關(guān)鍵參數(shù)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(fā)酵罐的溫度控制是整個控制系統(tǒng)的控制難點，也是控制系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。

啤酒發(fā)酵是一個復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)過程。發(fā)酵過程是在大型啤酒發(fā)酵罐中進行，周期為12～18天的發(fā)酵過程中，根據(jù)酵母的活力，生長繁殖的速度，對發(fā)酵液提出不同的溫度要求，發(fā)酵溫度的控制是保證啤酒質(zhì)量的主要因素，啤酒發(fā)酵車間通常有幾十個體積為200～500m3的發(fā)酵罐，每個發(fā)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(fù)雜工序操作。由于生產(chǎn)工藝的多變性的。如果溫度控制設(shè)計靈活性不夠，實際使用時就需要大量人工干預(yù)，這會直接影響生產(chǎn)連續(xù)性和生產(chǎn)效率。

建立具有智能優(yōu)化控制算法的溫度控制虛擬儀器，提高溫度控制精度。穩(wěn)定的自動化控制系統(tǒng)能夠提升我國啤酒工業(yè)的生產(chǎn)自動化水平、加大產(chǎn)品的科技含量：提高產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，降低啤酒的生產(chǎn)成本。

根據(jù)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(jié)合啤酒發(fā)酵時的實際操作經(jīng)驗提出切合實際的系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)，并結(jié)合控制原則組建相應(yīng)的溫度控制硬件設(shè)備。選用合適的變送器將微弱的溫度信號轉(zhuǎn)換成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號源。利用PCI-6221即插即用的數(shù)據(jù)采集卡將標(biāo)準(zhǔn)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(zhí)行機構(gòu)，即電動調(diào)節(jié)閥，利用調(diào)節(jié)闊控制冷媒介質(zhì)的流量從而調(diào)節(jié)發(fā)酵罐內(nèi)的溫度。

為滿足溫度控制器的實時性、靈活性和結(jié)構(gòu)簡單等要求，啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)通過傳感器、變送器、數(shù)據(jù)采集卡等硬件設(shè)備，將采集的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入以LabVIEW為平臺的虛擬儀器中，通過軟件設(shè)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(diào)節(jié)電子調(diào)節(jié)闊的開關(guān)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(fā)酵過程外圍設(shè)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(jù)、以虛擬儀器為控制平臺建立的啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)，不但具有很好的智能性和靈活性，良好的穩(wěn)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(tǒng)也便于開發(fā)、調(diào)試和升級。

綜上所述，通過優(yōu)化啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)、實現(xiàn)設(shè)備聯(lián)動、實現(xiàn)手自動轉(zhuǎn)換、增加安全回路設(shè)計、建立溫度控制虛擬儀器等措施，優(yōu)化啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)對于降低啤酒生產(chǎn)成本，提高啤酒生產(chǎn)控制精度，減小操作人員的體力勞動，提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)安全生產(chǎn)都將發(fā)揮重要作用。