数字化建模与仿真技术在啤酒生产线上的应用

杨铨，辛华健，赵永信

（广西工业职业技术学院,广西南宁, 530200）

1 精酿啤酒生产技术发展现状

由于我国机械制造业起步较晚，且底子薄，同时还受到其他国家在技术上的封锁的影响，生产的产品品质与技术水平不高；拥有自主知识产权的产品太少；制造技术与工艺落后，结构也不够合理；缺乏技术创新能力；并且在先进制造技术与生产管理方面存在一定不足。虽然在一定程度上，在机械质量、技术、项目、价格、研究和创新等多方面，不断取得相应的进步，但与国外先进技术相比仍然有很大的差距。

（1）国外精酿啤酒的生产及发展现状

在发达国家，啤酒行业的发展与其工业自动化的发展有着密不可分的联系。国外啤酒生产的目前主要采用分布式与现场总线控制系统。其核心是利用先进的计算机网络技术以及控制算法对啤酒生产过程进行自动控制与画面监控。下位机控制单元一般采用PLC，上位机中除安装有功能强大的组态软件，其网络中还兼容多种通讯协议（如TCP/IP 协议等）以便于数据的实时传输与管理，生产过程完全实现自动化、网络化和信息化，系统较为先进。

（2）国内精酿啤酒的生产及发展现状

我国经济的快速发展使得人们的消费水平与生活质量有了显著的提升，普通啤酒的口味已难以满足人们对高品质生活的需求，因此精酿啤酒行业在国内的兴起，目前国内大部分的精酿酒厂在啤酒自动化的生产控制中存在的难点主要集中在：行业规范与自动化程度低，控制系统柔性与开放性低，系统含滞后性与非线性控制等方面。

2 数字化设计与仿真技术在啤酒生产线的应用

啤酒生产工艺流程可以分为制麦、糖化、发酵、包装四个工序，具体可以对应为原料粉碎>糊化>糖化>过滤>冷却>发酵>包装。在进行生产线三维建模前，需将其拆分为不同的零部件，以确定各零件相应的建模方法。通过对该设备的结构分析，可将该设备拆分成自吸式粉碎机、螺旋上料机、糊化罐、糖化罐、过滤槽、冷却器、发酵罐等主要部分。麦芽、大米等原料由投料口或立仓经斗式提升机、螺旋输送机等输送到糖化楼顶部，经过去石、除铁、定量、粉碎后，进入糊化锅、糖化锅糖化分解成醪液，经过滤槽/压滤机过滤，然后加入酒花煮沸，去热凝固物，冷却分离[3]。数字化设计与仿真技术在啤酒生产工艺流程中的设计流程如下:

(1)首先打开SolidWorks软件中的“零件”板块，运用“零件”功能，设计啤酒生产工艺流程中所需设备的零部件模型。流程中糖化罐、糊化罐、螺旋上料机、自吸式粉碎机建模如下：

图1 糖化罐

图2 糊化罐

图3 螺旋上料机

图4 自吸式粉碎机

(2)当把所需零部件全部设计好以后，运用SolidWorks软件中的“装配体”功能实现零部件装配为一个完整的功能设备。图5展示了灌装线装配完成后的设备图。

图5 灌装线装配图

(3)当所有设备设计完毕以后，运用SolidWorks软件中的“装配体”功能实现所有设备的装配。设备组合以后，可以指定某一设备进行尺寸修改，三维模型会发生相应的改变，修改简单快捷有效，节省大量时间精力，从而完成更好的设计。

3 啤酒生产线的仿真分析

针对啤酒生产线的实际工艺过程及设备的具体功能，对啤酒生产线进行仿真分析，首先需要利用SOLIDWORKS软件搭建啤酒生产线的三维数字模型， 为了方便对三维模型进行机电概念设计（MCD）及虚拟仿真分析，需要把在SOLIDWORKS软件中装配好的啤酒生产线的三维数字模型转换为PRT格式的NX文件，导入NX软件中；其次对啤酒生产线进行机电概念设计（MCD）确定各运动部件之间的运动副关系及添加驱动控制；最后，通过虚拟PLC对NX中的虚拟啤酒生产线进行仿真控制分析[4]。

3.1 啤酒生产线的建模

通过数字化设计软件SOLIDWORKS对产线进行了建模，在建模的过程中，主要是通过对实际啤酒生产线的设备进行设计模型，并利用SOLIDWORKS软件把各模型进行装配，使得整个数字模型的布局合理，并把SOLIDWORKS中的生产线 转换为可以导入NX中的模型。

3.2 啤酒生产线的MCD设计

在上述模型中，啤酒生产流程已经建模完成，接下来，对啤酒生产线进行MCD设计，在MCD设计中主要是通过对啤酒灌装线的运动流程来分析其运动副关系，并设置相应的运动副，如下图6（a）所示，啤酒瓶经过洗瓶机清洗后，进入灌装机把啤酒灌装在啤酒瓶中，并且在灌装机中灌装啤酒后进行压盖机进行压盖，最后通过传送带进入风干机进行风干[5]。从整个啤酒灌装线的工艺流程来看，传输啤酒瓶的传输链可以利用MCD中的传输面命令来设置其运行的速度和适量方向，在这条灌装线中运动较为复杂的就是设计灌装机和压盖机的运动副关系，从其工作流程来看，大多数旋转的铰链副、滑动副和固定副，其运动副关系如图6（b）所示，在确定好运动副关系后就可以添加驱动控制，即位置控制和速度控制，并对这些驱动控制设置仿真序列，达到实现啤酒生产线的工艺流程仿真的目的[6]。

图6 灌装工艺流程及运动副关系

3.3 啤酒生产线的虚拟仿真分析

通过在MCD环境中设置外部信号配置，连接了一台虚拟的PLC,利用PLC中的程序对啤酒生产线进行控制仿真，下图7所示是MCD中的信号和外部信号，通过MCD中的OPC UA通信方式实现了MCD数字模型与虚拟PLC之间的信号映射，完成了虚拟仿真控制。在实际中结合虚拟环境的仿真和优化结果完成了生产系统的设计，在精酿啤酒生产中实现虚实结合的数字化双胞胎技术应用。我们在模型上进行修改相关的参数进行仿真，在仿真中根据啤酒的工艺要求不断调整参数，以达到最优的效果。

4 结语

SolidWorks、NX软件功能强大，组件丰富全面，能根据客户要求进行设备以及产线的仿真，操作简单易于上手，在整个啤酒生产线设计过程中配件设计完全可编辑，零件设计、装配设计、工程图之间完全对应。在本设计中能根据要求做出啤酒灌装的系统设计，选取对控制系统相对应的设备，然后画出各阶段的设备图，列出信号对应的输入端和输出端的信号表，用软件写出控制系统的程序，系统能进行精准控制，通过先进的数字化软件和仿真技术在精酿啤酒生产线中的应用，可以有效地提升生产线的生产工艺水平，大幅度降低生产线升级和优化带来的成本，使得系统可靠性大大高,降低能耗,提高经济效益，具有极其重要的现实意义。