啤酒生产过程自动控制系统设计优化

李金宝

摘要：啤酒生产过程自动控制系统设计优劣直接影响啤酒生产成本，啤酒生产控制精度，操作人员的体力劳动，生产效率和安全生产。本文从啤酒生产过程自动控制系统网络设计优化、设备联动、手自动切换、安全回路设计、建立温度控制虚拟仪器五个方面阐述了啤酒生产过程自动化控制系统设计优化的原因、方法。关键词：啤酒；自动控制系统；设计；优化

随着国家经济的发展和人民生活水平的改善，以及工厂自动化水平的逐步提高，我国啤酒工业也得到了空前发展，啤酒工业的发展对国民经济建设和发展起到了重要的促进作用。

尽管如此，我国的啤酒生产工业目前还存在许多不尽如人意的地方，①啤酒产品档次低，品种少；②能耗和原料消耗大；③很多企业为中小型啤酒厂，自控水平差，技术含量低，生产过程主要采用简单控制，甚至人工控制为主，这与高新技术飞速发展的今天极不相称：④管理水平欠佳，难以与国外企业进行竞争。

因此，如何提高产品的技术含量，提高生产过程的自动化水平，提高我国啤酒工业的综合实力，积极参与国际市场竞争成了一个刻不容缓的课题。当然，导致我国啤酒生产工业出现上述落后、被动状态的原因，既有工艺水平方面的原因，也有自动化水平等方面的原因，但是提高啤酒生产过程的自动化水平，将会是改变上述落后面貌的一个极其重要的措施。只有运用先进的自动化技术进行操作和管理，才能实现产品多元化，才能保证稳定、一致的产品质量，才能真正强化企业管理，降低成本，提高企业经济效益。针对我国啤酒生产过程自动控制系统设计水平落后的现状，本文对啤酒生产过程自动化控制系统设计进行深入研究，优化生产过程自动化控制系统设计，使其更加有利于啤酒生产过程，降低生产成本。啤酒生产过程一般不是一种恒定的稳态值，而是随时间变化的优化轨迹。例如，温度工艺曲线。啤酒生产过程是一类典型的间歇生产过程，按生产工艺划分为麦芽汁制备、啤酒发酵、啤酒过滤和啤酒灌装四大过程，每个过程中又包含许多生产子工序，其生产工艺多变、生产过程不连续、非稳态，工艺和对象特性多样、复杂，过程信息很不完备，这些特点使得优化啤酒生产过程自动控制系统设计具有相当大的难度。

1 啤酒生产控制系统的网络需要优化

1.1 啤酒生产控制系统网络缺陷

为了实现整套计算机综合自动化系统的可靠性和可操作性，一般啤酒生产控制系统的网络是以生产过程为单位来设计主控系统，最常見的完成整个啤酒生产过程的全自动控制，是由糖化过程的计算机控制系统和发酵过程的计算机控制系统两部分组成。从自动控制的角度来看，两个主控系统的控制行为存在明显的独立性，测控要求和控制策略也具有很大的差异。从信息交流和信息管理的角度看，二者表现出一定的相关性，两个主控系统将通过上层网络与领导部门及质量分析部门的管理计算机相连接。然而，整个自动控制系统的运行效率受限于以下两方面：一方面是PLC在可连接的操作站数量上的限制。另一方面是MPI通信速率的限制。

1.2 啤酒生产控制系统的网络优化措施

CAN总线控制系统是一种全数字化、全分散、全开放、可互操作和开放式互连的新一代控制系统。与传统的DCS（集散控制系统）相比，CAN总线控制系统具有可靠性高、可维护性好、成本低、实时性好、实现了控制管理一体化的结构体系等优点。CAN总线控制系统由监控计算机（上位机）、CAN总线和现场控制器（下位机）3部分构成。PLC作为下位机在啤酒发酵过程控制可分为检测部分和控制部分。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新3个阶段。

本文针对啤酒生产控制系统的网络缺陷，为了能适合大型啤酒生产过程综合自动控制系统的通信要求，提出了进一步在车间级和控制级中添加PLC全映射服务器，构成数据映射级的PLC全映射服务器新型网络模式。PLC全映射服务器实质是建立了操作站与PLC间以及操作站与操作站间一座高效通信的桥梁。为保证数据之间高效可靠的传输，PLC全映射服务器硬件设备采用工业服务器，服务器功能设计方面要具备以下两个方面：

一方面是具备可靠高效的远程传输方式。服务器给操作站发送数据采用重复广播发送模式；服务器还需具备远程转发功能，将操作站的指令通过服务器传导给PLC，并且对于远程转发的结果还应有快速远程回读功能，以提高指令发送的可靠性。

另一方面是具备高效的数据采样方式。PLC全映射服务器是对控制级多个PLC中各种数据的全部映射，所以高效的数据采样对保证数据实时性具有重要作用。

2 啤酒生产控制系统要实现设备联动

啤酒生产控制系统设置大量保护程序和各种联锁装置，并能及时报警，能够有效地保证了安全生产。在啤酒生产过程中，为了保证设备安全，大量设备之间存在联动互锁，而互锁的方式又各不相同。尽管啤酒生产过程的联动/联锁及顺序控制的目的明确，控制思想往往也很直接，但由于涉及面广、可靠性要求严格，具体实施也是极其复杂和困难的，而且这也是实现整个生产工程全自动化控制的关键所在。因此，为了保障生产设备的安全运行，啤酒生产控制系统制定了大量的联动互锁规则，并应用规则库进行查询管理。在啤酒生产过程中，管路中高速流动的流体所具有的惯性，各设备之间的联动、切换处理不当，其冲击力对阀门、泵造成的损坏将会非常严重，甚至影响管路的密封性，导致料液损失。因此，保证泵和阀门之间的安全联动，对保护生产设备、保障安全生产显得尤为重要。作者在200L啤酒中试生产实际运行过程中，不断试验、总结，得出以下结论。

2.1 阀门、泵之间的安全互锁规则

（1）阀门延时关闭，泵延时启动。当阀门需要关闭时，系统自动延时数秒，待管路中液体流速降低后再关闭阀门。可以明显减少流体对阀门的冲击力；当泵需要启动时，系统自动延时数秒，待泵出口段阀门完全打开后再启动泵，可以减少泵启动时所遏阻力。

（2）泵运转时需实时检测管路是否通畅，如果发现管路没有通畅时，泵自动停止，并提示警告。

（3）泵运转后实时监测管路流量，如果持续一段时间内管路中无显著流量则泵自动停止，并提示警告。

2.2 加热与温度的准确控制

在加热过程中，要实现温度的准确控制，则需要实现加热、搅拌、温度测定的高效衔接，料液的混合均匀程度、加热速度的快慢、温度测定的灵敏度等都会直接影响温度控制的准确性。

（1）启动加热，必须启动搅拌。通过搅拌，实现料液充分混合，使得测温元件能够在任一位置得出同一结论。

（2）温度控制与加热实现智能化。当加热到接近需要控制的温度点时，提前控制加热速度。

3 啤酒生产控制系统要实现手动、自动切换

3.1 啤酒生产控制系统手动、自动切换存在的问题

基于计算机的控制系统往往对开关量手自动操作切换的灵活性要求很高，要求对于每个阀、泵，在正常的自动运行状态下应能随时允许切换到手动状态，以满足特殊情况的需要，但是随之而来的是必须要考虑的安全问题，对阀泵的手动开关可能引起各种错误操作甚至危险情况。如何处理好安全与灵活两者之间的矛盾关系，就显得非常重要。

3.2 解決啤酒生产控制系统手动、自动切换问题的措施

（1）即在用户进行手动操作后，上位机软件立即自动检查该操作的安全性；

（2）如果发现为非法操作，容易导致危险后果的，如有料情况下的管道排放、管路的堵塞、管路的交叉等情况，则立即对用户进行提示警告，但决定权仍交给用户，这样使用户即能强制开关，又能避免误操作：

（3）当用户对设备进行手动操作后，下位机随时检查设备的返回状态，如检查阀泵动力线的畅通状况，如果发现处于不安全状态，则再次进行警告或强制处理。

4 啤酒生产控制系统要有安全回路设计

4.1 啤酒生产控制系统安全回路设计的作用

安全回路是能够独立于PLC系统运行的应急控制回路或后备手操系统。很多国家和国际组织发表的技术标准中均有明确的规定，安全回路设计要以确保人身安全为第一目标、保证设备运行安全为第二目标。一般来说，安全回路在以下几种情况下将发挥安全保护作用：①设备发生紧急异常状态时；②操作人员需要紧急干预时：⑧PLC失控时。

4.2 设计啤酒生产控制系统安全回路的任务

设计安全回路的一般性任务主要包括①为PLC定义故障形式、紧急处理要求和重新启动特性；②设计后备手操回路以提供对过程中重要设备的手动安全性干预手段；③确定控制回路与安全回路之间逻辑和操作上的互锁关系；④确定其它与安全和完善运行有关的要求。为简单起见，系统中主要采用后备手操的形式。

设计了啤酒生产控制系统安全回路后，当手自动切换开关打到自动状态时，负载由PLC直接控制，当手自动切换开关打到手动状态时。负载由手动操作操作按钮控制。对于某些关键回路，手动输出将反馈到PLC系统，而PLC的输出经过手动操作就可以方便地实现切换。

5 啤酒生产控制系统要建立温度控制虚拟仪器

温度、pH值、压力、浊度等关键参数的测量和控制，其中糊化锅、糖化锅、煮沸锅的温度控制以及发酵罐的温度控制是整个控制系统的控制难点，也是控制系统中最薄弱的环节。

啤酒发酵是一个复杂的生物化学反应过程。发酵过程是在大型啤酒发酵罐中进行，周期为12～18天的发酵过程中，根据酵母的活力，生长繁殖的速度，对发酵液提出不同的温度要求，发酵温度的控制是保证啤酒质量的主要因素，啤酒发酵车间通常有几十个体积为200～500m3的发酵罐，每个发酵罐不但有自身的温度、压力控制。还有倒罐、清洗、进出酒等复杂工序操作。由于生产工艺的多变性的。如果温度控制设计灵活性不够，实际使用时就需要大量人工干预，这会直接影响生产连续性和生产效率。

建立具有智能优化控制算法的温度控制虚拟仪器，提高温度控制精度。稳定的自动化控制系统能够提升我国啤酒工业的生产自动化水平、加大产品的科技含量：提高产品质量的一致性，降低啤酒的生产成本。

根据实际情况选用合适的传感器，采用的冷端补偿方式提高传感器的测量精度，结合啤酒发酵时的实际操作经验提出切合实际的系统控制器结构，并结合控制原则组建相应的温度控制硬件设备。选用合适的变送器将微弱的温度信号转换成工业标准信号源。利用PCI-6221即插即用的数据采集卡将标准的温度信号输入到计算的控制程序中，最后选择温度控制的最终执行机构，即电动调节阀，利用调节阔控制冷媒介质的流量从而调节发酵罐内的温度。

为满足温度控制器的实时性、灵活性和结构简单等要求，啤酒发酵温度控制系统通过传感器、变送器、数据采集卡等硬件设备，将采集的信号经过A/D转换后送入以LabVIEW为平台的虚拟仪器中，通过软件设计显示和记录实时温度信号，通过智能控制算法的输出控制信号调节电子调节阔的开关量，从而控制温度的高低。并利用PLC与LabVIEW的串口通信进一步提高发酵过程外围设备的自动化控制程度，减小操作人员的体力劳动。

以智能控制算法为理论依据、以虚拟仪器为控制平台建立的啤酒发酵温度控制系统，不但具有很好的智能性和灵活性，良好的稳定性，较高的控制精度；并且具有更加简单、实用的人机操作界面，整个系统也便于开发、调试和升级。

综上所述，通过优化啤酒生产控制系统的网络、实现设备联动、实现手自动转换、增加安全回路设计、建立温度控制虚拟仪器等措施，优化啤酒生产控制系统对于降低啤酒生产成本，提高啤酒生产控制精度，减小操作人员的体力劳动，提高生产效率，实现安全生产都将发挥重要作用。