白酒酿造控制系统的设计

姜丽华，蒋　伟，刘登峰，徐保国

(江南大学物联网工程学院，江苏无锡　214122)

0　引言

国际上有六大蒸馏酒，采用纯液态发酵、釜式或塔式蒸馏技术，技术成熟，已实现规模化自动化生产。中国白酒以粮食为原料，大部分采用传统的固态发酵，固态甑桶蒸馏，台湾金门酒业及国内的河套酒业率先推进了清香型酿酒自动化生产，但仍以手工半自动化生产模式为主，不能够在行业内实现产业化推广。为了提高浓香型白酒的质量和产量，在保持浓香型白酒传统生产工艺的前提下，提出了一种以LabVIEW[1]为开发平台，基于PROFIBUS现场总线[2]、PLC、变频器和智能仪表等现代测控技术的浓香型白酒酿造过程控制系统。系统采用OPC技术[3]对PLC、智能仪表、变频器的数据进行采集与处理，实现了对整个酿酒过程中各工艺单元的信息采集、分析、曲线显示、报表打印等功能，并能够对电机、阀门等进行自动控制。

图1　白酒酿造系统硬件结构图

1　系统结构

根据浓香型白酒酿造工艺的特点，结合GIPS和CIMS的结构模式，将控制系统模型分为三层：现场控制层、中央控制室层和远端监控层。白酒酿造系统硬件结构图如图1所示。安装在现场的各类传感器采集包括流量、温度、开度、液位等信息，经变送器信号转换后传递给PLC，在接受到采集的数据后，PLC通过PROFIBUS现场总线上传至上位机。其中部分需要现场仪表方式显示的信息，如出酒温度、摊凉温度、蒸汽开度、冷凝开度等，可直接通过智能仪表的RS485总线[4]接口传递至工控机。工控机及PLC可根据接收到的用户指令和预设的控制任务，直接控制现场各类泵、阀门、电机等执行机构。

另外，系统内置GSM[5]无线模块，管理人员不仅可以通过手机短信的方式查询当前系统参数，如流量、温度、开度、液位等实时数值，还可以发送控制指令+设备名称来启动或停止目标设备。另外，当系统运行发生故障时，如温度偏离控制要求、出料口堵塞等，GSM无线模块能将故障信息发短信通知班次、车间负责人，使信息能及时反馈，操作人员及时作出决策，安全可靠。

2　系统软件设计

2．1LabVIEW与PLC通信

LabVIEW集成了当前测控领域中多种先进的开发软件，可通过多种方案实现对PLC的访问。系统通过Datasocket[6]技术完成对OPC Server的访问，进而实现labVIEW与PLC的间接通信。Datasocket是基于TCP/IP协议并对其进行高度封装，面向测量和自动化应用，用于共享和发布实时数据，是一种易用的高性能数据交换编程接口。为了实现上位机软件LabVIEW与PLC进行通信，首先要通过SIMATIC．NET软件在上位机上建立OPC Server，然后通过以太网通信介质，使OPC Server中的数据与PLC寄存器中的数据建立起映射关系，再利用LabVIEW读写OPC Server中的数据，LabVIEW与PLC通信连接如图2所示。

图2　LabVIEW与PLC通信连接

Datasocket的体系结构是客户机/服务器模式，以URL的方式访问服务器数据项目，访问OPC的URL基本结构为：

OPC：//主机名//OPC 服务器名/数据项目，LabVIEW读取PLC存储器数据的程序框图如图3所示，其中localhost为通用主机名，connection是组态MPI现场总线时定义的连接名，PIW32为所需读取的存储区地址，其他均可视为固定格式。

图3　LabVIEW读取PLC存储器数据的程序框图

2．2LabVIEW与智能仪表通信

系统利用标准串口通讯函数在VC++中开发动态链接库函数(DLL)供LabVIEW调用实现串口通讯。串口通讯函数流程图如图4所示，在成功打开串口后，通过SetCommTimeouts()、SetCommState()这两个函数分别对串口设备控制块(DCB)和超时控制结构(COMMTIMEOUTS)进行配置后就可以读写串口了。

图4　串口读写智能仪表流程图

LabVIEW中调用动态链接库是通过调用库函数(Call，ibrary Function，CLF)节点实现的，位于“函数→互连接口→库与可执行程序”中，使用前首先需要对其进行配置，需要注意的是在配置窗口中函数部分需将线程设置为在任意线程中运行，否则程序在读写串口时将独占线程，致使LabVIEW程序中其他线程无法运行进而易导致程序卡死。配置好的节点如图5所示，各输入输出的数据类型和含义与DLL中定义的导出函数一致。

图5　LabVIEW读取智能仪表数据

2．3数据存储

使用数据库可以方便地实现数据的存储、管理和条件查询。LabVIEW可以通过LabSQL工具包[7]实现对数据库的访问。LabSQL是一个免费的、跨平台和多数据库的LabVIEW数据量访问工具，可以访问任何基于OBDC的数据库，包括SQ、Server、Acess、Sybase和MySQL等。LabSQL与数据库之间是通过OBDC连接的，所以在使用LabSQL之前首先应该在操作系统的OBDC数据源中创建一个数据源名DSN(data source name)。LabVIEW实现对SQL数据库的查询的程序框图如图6所示。

图6　LabVIEW读取数据库程序框图

LabSQL对数据库操作的一般步骤为：连接数据库；连接记录集，对表进行各种操作；断开记录集；断开数据库。

2．4控制系统界面设计

上位机通过CP5612卡和RS485串口分别采集PLC和智能仪表中的数据，对数据进行处理后将结果实时地显示在人机操作界面，并将数据存于后台的数据库中，白酒酿造控制系统主界面如图7所示。在该界面上显示了流量、蒸汽开度、出酒温度、黄水酒尾罐液位等所有实时参数，以及阀门开关情况、物料各参数变化。同时用户还可以通过该界面手动打开或关闭阀门及设置控制任务，全方位实时了解和控制整个白酒酿造过程运行状态。

图7　白酒酿造控制系统主界面

3　总结

系统利用先进的LabVIEW组态软件、工控机、可编程控制器PLC S7-315及温湿度、液位、称重及其它传感器和智能仪表，结合传统工艺，在分析其主要控制参数和控制原理的基础上，提出了酿酒自动化连续发酵、连续蒸粮、馏酒等过程的计算机控制系统设计方案。实现对白酒生产过程的有效监控，同时系统强大的数据采集功能，为后续白酒酿造工艺机理研究及自动化系统全面升级提供了足够的数据驱动。

系统的研究应用顺应中国白酒的研究发展方面，满足企业可持续发展要求，将会有力地推动企业酿酒自动化化生产发展，有着广阔的发展前景。系统已经通过测试，可以稳定的完成浓香型白酒酿造过程实时远程监控，具有可靠性好、经济效应高、实用性强和界面清晰美观等特点。

参考文献：

[1]宋敦波．基于LabVIEW的工业现场测控系统设计与实现．计算机测量与控制，2010，18(7)：1528-1530．

[2]李建平，石奋苏．基于Profibus-DP总线的污水处理系统．微计算机信息，2009，25(8-1)：52-54．

[3]闫静，袁佳毅，郭卉，等．基于LabVIEW和OPC技术的蒸发冷却内冷电机数据监测系统．仪表技术与传感器，2012，(11)：37-39．

[4]毛德平，凌有铸．一种基于RS 485总线的温度、湿度测控系统．现代电子技术，2007(2)：168-170．

[5]刘西秀，张民，刘勇，等．GSM技术在远程监控系统中的应用．仪表技术与传感器，2012(10)：79-84．

[6]许爱强，李佳，陈玉良，等．DataSocket在远程测试与诊断系统中的应用．电子设计工程，2011，19(24)：130-132．

[7]尹技虎，王峰．基于LabSQL的LabVIEW数据库访问技术．仪表技术，2011(4)：55-62．