关于啤酒酿造过程PLC自动控制系统的研究

阮文韬

（成都纺织高等专科学校电气信息工程学院，四川成都611731）

关于啤酒酿造过程PLC自动控制系统的研究

阮文韬

（成都纺织高等专科学校电气信息工程学院，四川成都611731）

针对我国啤酒酿造的实际生产设备、酿造工艺控制的现状和需求进行了详细的分析。对目前国内发酵工艺控制设备和系统存在的问题，结合企业的实际生产状况、综合实力与未来发展方向，提出一种基于PROFIBUS-DP现场总线技术的啤酒酿造PLC控制系统。即基于PROFIBUS-DP总线技术将啤酒生产设备串联到同一个控制平台中，采用PLC主站和分布式I/O从站控制架构，提高啤酒工艺的自动化和智能控制水平。从仿真结果可以看出本系统改进控制算法的控制器可以有效弥合传统PID控制器的不足。

PROFIBUS；PLC；啤酒酿造；总线技术

啤酒是在世界范围内流行的饮品之一，一般是由大麦或者其他谷物为原材料酿造而成，具体工艺包括麦芽准备、原料的糖化、发酵等［1］。国外啤酒产业发展比较早，其生产和推广的过程都比较规范，在二十世纪初啤酒传入我国，目前我国啤酒的产量和销量都位居世界前列，但由于国内啤酒生产设备大部分处于半自动水平以下，啤酒加工工艺的精确性和稳定性受到影响，因此一直处于依靠价格优势占领低端市场的状态，同时我国人均啤酒消费量较发达国家还是处于比较低的水平，因此我国啤酒产业还具有很大的发展空间［2-3］。

啤酒的发源地在巴比伦，在德国得到发展壮大，德国的工业4.0的理念运用到啤酒产业中，使啤酒生产呈现自动化、定制化和智能化的特点，效率和效益都有了很大的提高，智能化的特点也越来越明显［4］。我国目前国内啤酒各个工序的设备都具备自动控制装置，但是大部分都没有闭环控制特性，因此对于啤酒加工工艺偏差的反应不够敏感，严重影响啤酒加工过程控制精度，随着智能化生产成为我国工业企业转型升级的一个重要技术趋势，现有的啤酒生产设备和生产线的水平远远不能满足生产规模扩大的需求，对于传统啤酒生产加工设备的智能化改造成为啤酒企业转型的重要课题［5］。

总线控制成为智能制造的重要技术依托之一，PROFIBUS现场总线是一种源于欧洲的开源的、独立的通信系统技术，应用广泛且技术稳定［6］。本文基于PROFIBUS现场总线技术，对我国啤酒酿造过程PLC自动控制系统进行研究，目的是实现啤酒酿造的智能化生产、合理优化啤酒的工艺需要和提高啤酒的质量。

1　啤酒酿造过程的现场总线控制系统

1.1传统CIMS体系结构

计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS）是指通过计算机硬件及软件设施，同时综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将与生产相关的要素和信息与物流有机集成并优化运行的集成系统［7］。传统CIMS体系结构可根据生产管理需要分为五个层面：第一层为工厂层，即从企业管理总体的角度设定CIMS的整体架构；第二层为车间层，主要关注车间生产线及准备与其相关的具体业务；第三层为业务级别层，即为单个工序功能的实现；第四层为工作站层，主要监控工序实现过程和信息集成系统；第五层为现场级，是总线和设备连接的部分。

这种架构最大的特点是设备接口与控制装置之间是一一对应的关系，这样就使信息管理系统与现场设备的硬件接口的数量比较庞大。这就导致传统CIMS架构虽然信息化程度越来越高，但是整个架构存在一定的明显的缺陷：第一、信息集成能力不强；第二、系统开源性较差，新功能模块的补充比较困难；第三、不同功能模块之间兼容性不好，集成性差；第四、可靠性存在风险；第五、可维护性差。

1.2现场总线技术以及PROFIBUS-DP现场总线

现场总线技术应用于生产线设备管理的总体架构设计为：首先基于串行通信接口将所有在线的设备接口串联起来，然后用通信电缆将现场设备连接，替代原有的I/O信号，实现设备信号的实时传输；最后将车间级别的总线控制系统和企业级别的信息化系统集成，实现整个企业信息的数字化。不同设备的通讯方式有所不同，因此不同设备的信息在同一总线上传输的前提是对通讯方式进行定义，实现信息的流畅传输，以及体现通讯协议的作用。现场总线标准问题是解决以上问题的一种方式，有标准总线标准和非标准总线协议，后者一般是出于企业技术保密或者产品独特性的考虑，但是很容易造成产品通用性下降。

1995年，啤酒生产酿造现场总线正式提出采用PROFIBUS现场总线，并迅速得到市场的认可，而中国是在1997年才开始开展PROFIBUS的推广和应用［8］。PROFIBUS协议和CAN总线架构相似，其具体结构如图1所示。

图1　PROFIBUS的协议结构Fig.1Protocol architecture of PROFIBUS

由图1可知，PROFIBUS协议结构总共四层，最底层是物理层，主要与硬件及底层软件相关；中间层有两层，一是数据链路层，用于明确数据传输的具体规定；另一层是应用层，用于实现具体的功能；最顶层是用户层，用于实现具体的业务，包括DP和FMS的RS485传输、PA的IEC1158-2传输以及光纤传输。

在PROFIBUS现场总线中，PROFIBUS-DP的应用最广。该协议可将PLC设备与I/O接口串结起来，实现设备与系统之间的信息交互。上位机按照系统时钟向设备发送各种功能指令，同时对设备的功能执行效果进行监控，对于执行过程中的偏差进行修正以及错误进行处理，保证加工过程在正常的轨迹上运行。

2　啤酒酿造过程PLC自动控制系统设计

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一种利用可编程存储器内部存储程序执行逻辑运算、顺序控制、计算等操作指令，通过条件控制生产过程的一类计算机［9］。在啤酒实际生产过程中，利用PLC对生产线现场的智能化改造是最容易实施的。啤酒酿造过程中，尤其是发酵罐区环境较为潮湿，故对仪表及控制器的要求比较高。PLC产品的平均故障间隔时间一般可达到5年以上，因此是一种高度可靠的工业产品，同时能够大大提高生产设备的运行效率。啤酒发酵过程控制系统方案明确需要升级功能，表1为系统的功能模块配置组合。

表1　控制系统模块配置Table 1Control system module configuration

如表1所示进行组合，并对每个功能设置相应的I/0接口，用于实现设备数据的实时传输，考到未来可能需要扩展一定的功能，因此系统设计时应设置不同的扩展接口，在本系统中，总的控制I/O接口近300个。传统硬件设备是通过硬件开关控制，若对设备硬件接口进行升级，则需要对硬件系统进行重新组合，通过内部嵌入软件的方式重新优化设备参数，并对每个输入、输出参数的物理地址和I/O接口进行定义，为未来更高层次的开发打好硬件基础。

具体操作为首先应在管理器中建立一个名叫“啤酒酿制”的新项目，在硬件列表中选择进入硬件组态窗口，并在机架中添加电源模块。在网络对象中选择“PROFIBUS”，设置速率为1.5 Mbit/s，总线行规为DP，传输速率和总线行规将用于整个PROFIBUS子网络系统。

3　基于啤酒酿制的PLC软件设计

啤酒酿造最关键的参数是啤酒发酵罐内部温度和压力，本系统就是将这些数值转换成电信号通过通讯接口传递出来。图2为系统基本的程序流程图。

如图2所示啤酒酿制的PLC软件设计具体步骤为：首先对设备传输进行初始化，比如上电处理、通讯接口模块初始化、系统时钟初始化、存储器和寄存器的初始化等；然后提取目标参数的数值，啤酒酿制的时间指标是发酵时间，成分指标是糖度、双乙酞含量，温度是发酵罐上、中、下3个段的温度，系统需要将所有需要参数通过传感器采集出来，并将之转换成可以处理的格式，这也是整个系统最基础和最重要的工作；之后是计算温度设定值；最后是将实际测试到的参数和目标设定值进行对比，例如确定温度偏差大小是否在要求的工艺误差范围内，若超出范围，则通过反馈机制对执行机构进行微调，直至关键参数的数值在规定范围内。另外，为了实现在出现紧急情况时能够对生产线进行中断，本系统设定了自动中断方法和人工中断方法，操作人员可以自主选择系统运行模式。

4　模糊智能PID算法和控制系统仿真

传统PID（Proportion Integration Differentiation）控制器作为一种经典的控制理论和控制方法，仍广泛应用于多个领域，它的特点如下：第一，算法框架简单，易于实现，经过多年的市场锤炼获得了较高的认可度；第二，控制效果比较可靠，但是应用范围有所局限，仅适用于一阶、二阶系统；第三，复杂或者高阶系统处理能力不足，处理非线性、时变等复杂系统，PID算法的可靠性和实效性不尽如人意。在此背景下，模糊理论被引入到控制系统的设计中，模糊控制理论可以有效弥补传统PID控制算法的缺陷和不足，面对复杂高阶的系统模糊理论控制效果比较好，可靠性也较PID算法有明显提升，同时对于未知的非线性系统的处理，模糊控制算法有明显的优势。通过调整模糊算法的加权系数，进而影响目标设定参数的加权系统的大小，可以实现跟踪设定值、降低外界信号干扰的目的，达到最优效果。

本系统中引入人工智能方法，使算法具有人的记忆策略，对信息的价值进行甄别，使干扰数据噪声被过滤掉，同时对PID的执行算法进行优化，运用智能积分策略降低系统稳态偏差。因此，本系统提出和采用模糊智能PID控制算法。

在算法模拟过程中，系统采集的准备阶段参数不用处理，等待系统进入啤酒酿造的正常状态之后再开始启动模式，目的是提高系统运算精度和效率，4个保温阶段控制相对容易些，采用常规PID控制，两个降温阶段采用本系统提出的模糊智能PID控制理念。

根据模型进行Matlab仿真试验，数学模型的传递函数为：

发酵及双乙酞还原阶段：

比例、积分、微分因子分别：Kp=0.889 5，Ki=0.025 4，Kd=0.012 7。

仿真结果曲线如图3所示。

图3　啤酒酿制控制系统仿真曲线Fig.3Simulation curve of beer brewing process control

从仿真结果不难看出，控制曲线与工艺曲线基本吻合，整个控制过程及时、准确的跟踪了工艺曲线要求，曲线拟合之后没有产生超调，误差值±0.5℃，可以满足工艺控制的需要。

5　结语

啤酒工业作为我国食品产业中的一个重要分支，其发展速度和为我国带来的经济效益都十分可观，但我国啤酒生产工艺与发达国家相比仍存在一定局限性。本文以我国目前常见啤酒发酵过程为背景，对啤酒发酵过程的自动化控制系统和温度控制策略进行研究，并提出一种基于PROFIBUS现场总线技术的啤酒酿造过程PLC自动控制系统，这对未来我国啤酒酿造工艺利用高新技术，提高产品质量具有一定的现实意义。

［1］吴作明，杨弘惟.基于PROFIBUS-DP过程现场总线的木器生产车间分布式PLC控制系统［J］.天津理工学院学报，2002，18（1）：65-67

［2］刘星桥，凌俊杰，高健，等.基于PROFIBUS现场总线的装箱机械手控制系统［J］.电气传动，2005，35（9）：58-61

［3］沈明，余和清.基于ProfiBus现场总线的汽车涂装线网络自动控制系统［J］.自动化技术与应用，2008，27（8）：131-134

［4］苗志全，周春来，张波.基于PROFIBUS现场总线的井下铁路信号PLC控制系统的研究［J］.煤矿机械，2009，30（2）：67-69

［5］朱家骏.基于HACCP体系的酒店餐饮食品安全管理研究-《以金华某四星级酒店为例》［J］.卷宗，2016，6（1）：67-69

［6］贺禹.PLC控制系统与现场总线技术结合的通信技术研究［J］.自动化与仪器仪表，2015，17（9）：84-86

［7］王兴海，王树威，陈靖.基于PROFIBUS现场总线技术的测量和监控系统［J］.科技导报，2006，24（8）：53-55

［8］徐操.基于PROFIBUS-DP的铺排船PLC控制系统的研究［J］.软件导刊，2006，34（7）：38-39

［9］周宝林，朱建跃，蔡宁生，等.过程控制系统中PID控制器参数优化的研究［J］.电力与能源，2001，22（5）：194-197

Research of PLC Control System of Beer Brewing Process

RUAN Wen-tao
（School of Electrical and Information Engineering，Chengdu Textile College，Chengdu 611731，Sichuan，China）

The actual production equipment of the beer brewing，Chinese brewing process control situation and demand were analyzed in detail.A PROFIBUS-DP fieldbus brewing PLC control system was proposed based on the present domestic fermentation process control devices situation，existing problems，combining the actual production situation of enterprises，comprehensive strength and the future development direction.The beer production equipment based on PROFIBUS-DP fieldbus technology was adapted into a control platform.The PLC master station and distributed I/O from station control architecture was used for improving the level of beer process automation and intelligent control.The simulation results showed the improvement of control algorithm of controller，which can effectively bridge the shortcomings of traditional PID controller.

PROFIBUS；PLC；beer brewing process；bus-technology

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.20.026

四川省教育厅重点科研项目（12ZA03）

阮文韬（1982—），女（汉），讲师，硕士，研究方向：检测技术与自动化装置。

2016-06-22