基于LabVIEW的白酒自动化装甑蒸馏监控系统

杨亚茹，刘登峰，徐国强，丁志国，3，徐保国（.江南大学物联网工程学院，江苏无锡4000；.无锡美湖信息科技有限公司，江苏无锡4000；3.兰卡斯特大学计算机通信学院，英国兰卡斯特LA 4YW）



基于LabVIEW的白酒自动化装甑蒸馏监控系统

杨亚茹1，刘登峰1，徐国强2，丁志国1，3，徐保国1
（1.江南大学物联网工程学院，江苏无锡214000；2.无锡美湖信息科技有限公司，江苏无锡214000；3.兰卡斯特大学计算机通信学院，英国兰卡斯特LA1 4YW）

摘要：针对白酒装甑蒸馏工段生产技术落后、劳动生产率低等问题，设计了基于LabVIEW的白酒自动化装甑蒸馏监控系统，实现了白酒装甑过程中蒸汽压力与冷凝水的自动控制。该系统以LabVIEW为开发平台，介绍了系统的整体结构以及关键模块的实现。经过酒厂实际运行测试，证明该系统可以实现对白酒装甑蒸馏过程中的各参数进行监控，且提高了出酒率及优质酒率，同时具有很强的稳定性和可靠性。

关键词：白酒装甑蒸馏；LabVIEW；蒸汽压力；接酒温度；监控系统；白酒

优先数字出版时间：2016-03-23；地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20160323.1526.005.html。

中国白酒作为我国传统的酿造行业，拥有悠久的酿造历史。随着社会的进步，科技的发展，目前，我国各大酒厂仍以手工半机械化生产模式为主，相对落后，并且对于酿酒的核心过程——甑桶蒸馏，仍然采用人工装甑、馏酒［1-2］。其中，传统手工装甑及馏酒全靠人工和工人积累的经验，培养一个好的酿酒师需要数年，而且人工操作环境差，劳动强度大。因此，实现机械化装甑蒸馏是亟需解决的问题。

根据白酒装甑蒸馏工艺要求及特点，结合近年来高速发展的计算机控制技术［3-4］，本研究设计了一套以Lab-VIEW为开发平台，基于FCS现场总线、PLC、智能仪表等现代测控技术的自动化装甑蒸馏监控系统，结合机械设备和六自由度工业机器人，实现机械化替代人工作业。

1系统总体设计

整个白酒装甑蒸馏监控系统由蒸汽进汽压力监控过程和冷凝温度监控过程构成，并且与六自由度工业机器人配合完成装甑蒸馏。

（1）安装在甑桶蒸汽进口处的压力传感器，实时检测蒸汽压力，转化为4～20 mA信号，智能仪表采集到压力信号后通过RS-485总线的方式上传至机器人自动装甑系统上位机，系统结合机器人运行情况与工艺的同时，通过PID算法实时调节蒸汽调节阀开度大小，进而控制蒸汽流量以满足装甑工艺要求［5］。

（2）开始蒸酒时，通过RS-485通讯方式将安装在冷凝器出酒口上Pt-100温度传感器测量到的出酒温度传送给上位机。上位机根据理想出酒温度并通过PID算法来调节冷水调节阀开度大小，进而控制冷水流速，使出酒温度达到理想温度，最终得到高出酒率和高优质酒率。

其中白酒装甑蒸馏监控系统架构图见图1。

图1　　白酒装甑蒸馏监控系统架构图

2系统硬件设计

蒸汽进汽压力和冷凝温度这两个监控过程由工控机、西门子PLC、智能仪表、各传感器以及执行阀门等组成。由于白酒装甑蒸馏是食品生产过程，并且其中的酒精等物质还存在着易燃、易爆等特性，所以在设备选型的过程中必须考虑到设备的卫生等级和防爆等级等因素，并且整个生产环境灰尘大，湿度大，还必须考虑一些仪器设备的防尘、防水且易检修维护等。

（1）压力变送器：用于测量进汽口的蒸汽压力，由于蒸汽压力范围普遍在0～5 MPa，属于中压，因此选用E+ H的P40-P200A30型压力传感器。

（2）温度传感器：用于测量冷凝器白酒流出温度，选用精度高、稳定性好、可靠性强、产品寿命长等优点的Pt-100铂电阻。

（3）调节阀：一个用于调节蒸汽进汽流量，能够满足在饱和热蒸汽的压力下可以正常工作，还有一个用于调节冷水进水流量，调节冷凝器中酒精蒸气冷凝温度。因此，选用体积小、精度高、死区小、使用寿命长等优点的气动调节阀XSL-202XLS2-POT。

其中系统硬件结构图见图2。

3系统软件设计

本系统软件部分采用的LabVIEW是拥有强大通信功能的应用软件，串行通信、DataSocket技术、网络协议等使得虚拟技术与网络技术相结合，构成了网络化虚拟测视控制系统，实现用户自定义解决方案。利用Lab-VIEW编写的系统，可以直观地显示现场装甑蒸馏情况［6］。上位机首先通过CP5621卡和RS-485串口采集PLC、智能仪表中的数据，对数据进行处理后将结果实时地在软件界面上显示，并将数据存于后台的数据库中，以便用户查看与总结，并及时发现故障隐患。白酒装甑蒸馏监控系统的主界面见图3，该界面显示了蒸汽开度、蒸汽压力、冷凝开度、出酒温度等所有实时参数，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，还可实现手动设定出酒温度目标值等操作。

图2　　白酒装甑蒸馏监控系统硬件结构图

图3　白酒装甑蒸馏监控系统主界面

3.1蒸汽进汽压力控制

上甑速度对出酒产质量有很大的影响，而上甑速度的快慢又由上甑蒸汽压力的大小决定，因此，在整个装甑蒸馏过程中，汽压不能忽大忽小，否则会破坏甑桶内各层汽液相平衡，降低蒸馏效果，装甑不匀造成窝酒等，必须满足工艺要求，才能既提高出酒率，又能产出更多高品质酒［7］。根据工艺要求，我们设计出如图4所示的控制程序框图，设置好PID控制器的各项参数，根据实时采集到的蒸汽压力与其目标值相比较，进而控制蒸汽开度，最终控制蒸汽压力，其中某一时刻蒸汽压力历史数据见图5。

按白酒工艺，装甑用汽要缓慢调节，做到“两小一大”。开始装甑时，甑底醅料薄，容易跑酒，用汽量要小；随着料层加厚，上汽阻力增大，要防治压汽，用汽量宜大；装甑快结束时，因上下汽路已通，用汽量要小。在蒸馏过程中，要做到缓汽蒸馏，大汽追尾。现场实时采集到的蒸汽瞬时流量见图6，其中由于装甑时要与六自由度工业机器人配合运行，蒸汽瞬时流量比人工操作时偏大，蒸酒时整体稳定，最后再进行大汽追尾。

图4　热蒸汽进汽压力控制程序框图

图5　蒸汽压力历史数据

图6　蒸汽瞬时流量历史数据

3.2冷凝温度控制

接酒温度不宜太高或太低，以30℃左右为宜。因为接酒温度较高时，虽然可挥发硫化氢及乙醛等杂质，但同时也会散失所需要的香味成分。由于温度调节过程是一个变化比较慢的过程，而且冷凝器的作用只为酒精蒸气可以冷凝成液态，但是为了提高优质酒率，且酒蒸气不稳定，仍采用PID控制器来调节冷凝水阀门的开度，从而控制冷凝水流速，最终使出酒温度接近目标值。其中，冷凝温度控制程序框图如图7所示，与蒸汽压力控制的程序框图相似。

图7　冷凝温度控制程序框图

根据图8出酒温度锅内温度历史数据可以发现，当温度超过酒蒸气沸点78.5℃时，即在有酒蒸气出现阶段，出酒温度基本稳定在30℃左右，满足工艺要求；而在酒尾阶段，尤其在锅内温度达到100℃时，此时蒸汽中乙醇含量为0，因此酒厂无需大动干戈对这部分酒蒸气进行优化控制。

图8　出酒温度锅内温度历史数据

4机器人装甑与人工装甑效果对比

为了验证所设计的配合于六自由度工业机器人的自动化装甑效果优于人工装甑，我们进行了对比实验。为了方便比较，我们进行多组实验对比，并确保每甑酒醅用量相同为3 t，比较2种装甑方式对于粉粮、稻壳、曲粉、水电、出酒率以及优质酒率的影响。每4甑为一组，机器人装甑与人工装甑分别进行40组实验，并对40组实验所得数据求取平均值。在实验运行期间，系统均稳定运行，且符合工艺要求。其中每组辅料及水电使用情况见表1，一级酒、二级酒、三级酒、出酒率及优质酒率见表2。

由表1可以看出，对于粉粮及稻壳的使用，机器人装甑比人工装甑每一甑平均多出100 kg左右，曲粉及电量基本相同，但是机器人装甑用水比人工装甑用水少用近一半。而由表2可以看出，不管是一级酒、二级酒、三级酒还是出酒率，机器人装甑比人工装甑都有所提高，优质酒率及出酒率分别提高10.5%和11.4%。尤其是一级酒率，提高18%。该结果对于酒厂来说意义非凡。

表1　辅料及水电使用情况

5　结论

本研究设计并实现了一种基于LabVIEW的白酒自动化装甑蒸馏监控系统，成功应用于今世缘酒厂，系统运行期间稳定、可靠，且该系统大大减轻了工作人员的工作强度，并将出酒率及优质酒率分别提高到21%和39%，对于推进我国白酒全面机械化生产的发展有重要意义。

本设计的创新点：基于LabVIEW开发平台，结合PLC、智能仪表等现代控制技术设计开发了白酒装甑蒸馏监控系统。本文根据白酒装甑蒸馏的工艺要求，设计了相应的硬件结构与软件系统。

参考文献：

［1］赵德义，韩斌，李建刚，等.自动化系统在山东景芝酒业白酒生产中的应用［J］.酿酒科技，2014（6）：91-94.

［2］龙村.茅台酒蒸馏过程蒸汽压力和接酒温度的自动控制应用研究［J］.中国管理信息化，2012，15（14）：72-74.

［3］陈树，徐国强，熊伟丽，等. LabVIEW平台下的黄酒发酵控制系统［J］.计算机系统应用，2011，20（6）：126-128.

［4］Liu D，Xiong W，Xu G，et al.An automated system for monitoring and controlling of rice wine fermentation［C］//2012 ASABEAnnual International Meeting. Dallas：American Society of Agricultural and Biological Engineers，2012：3643-3651.

［5］李冬辉，许弋慧.基于模糊控制的蒸馏管路压力系统研究［J］.仪表技术与传感器，2014（3）：49-51.

［6］阮奇桢.我和LabVIEW：一个NI工程师的十年编程经验［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2009.

［7］李大和，李国红.上甑蒸馏技术与白酒产质量的关系［J］.酿酒科技，2012（1）：65-66.

中图分类号：TS262.3；TS261.3；TS261.4；TP273

文献标识码：A

文章编号：1001-9286（2016）05-0092-04

基金项目：国家自然科学基金面上项目（21276111）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（JUSRP51510）。

收稿日期：2016-01-12；修回日期：2016-03-02

作者简介：杨亚茹（1991-），女，江苏无锡人，在读硕士研究生，主要研究方向为控制理论与控制过程，E-mail：529002429@qq.com。

通讯作者：徐保国（1950-），男，江苏淮阴人，教授，主要研究方向为工业过程控制及自动化，E-mail：xbg@jiangnan.edu.cn。

LabVIEW-based Automated Monitoring System for Steamer-Filling & Distillation

YANG Yaru1，LIU Dengfeng1，XU Guoqiang2，DING Zhiguo1，3and XU Baoguo1
（1.School of Internet of Things Engineering，Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu 214000；2. Wuxi Meihu Information Technology Co. Ltd.，Wuxi，Jiangsu 214000，China；3. School of Computing and Communications，Lancaster University，Lancaster，LA1 4YW，UK）

Abstract：To solve the problems of backward production technology and low labor productivity，we designed an automated monitoring system for steamer-filling & distillation of Baijiu. Such system was developed with LabVIEW and it could control steam pressure and condensate water automatically. In this paper，the overall structure of the system and the realization of key modules were introduced. The practical operation of such system in distilleries proved that it could achieve the monitoring of each parameter in steamer-filling & distillation process，and it could enhance liquor yield and high quality rate，and it had strong stability and reliability.

Key words：steamer-filling & distillation of Baijiu；LabVIEW；steam pressure；liquor-picking temperature；monitoring system；Baijiu