精釀啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)分析設計

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【摘要】精釀啤酒處于快速發(fā)展趨勢，具有廣闊的市場空間。本文針對精釀啤酒生產(chǎn)小型化、個性化、間歇性、簡易化等特點，進行精釀啤酒生產(chǎn)對控制系統(tǒng)的需求分析，提出控制系統(tǒng)應具有的基本功能和特有功能，并介紹一種以觸摸屏和PLC為基礎的小型控制系統(tǒng)設計方案，為精釀啤酒糖化生產(chǎn)控制系統(tǒng)的研制奠定基礎。

【關鍵詞】精釀啤酒；需求分析；功能介紹；觸摸屏；PLC；設計方案

近年來，在啤酒產(chǎn)量總體趨于飽和的形勢下，作為啤酒市場高端產(chǎn)品的精釀啤酒卻處于快速發(fā)展的趨勢[1]，但國內精釀啤酒行業(yè)仍處于起步階段，國家對精釀行業(yè)的規(guī)范程度仍較低，其工藝技術和釀造設備均未形成較統(tǒng)一準入標準，其自動化程度和控制性能也各不相同[2]。本文將針對精釀啤酒生產(chǎn)的特點，分析生產(chǎn)對控制系統(tǒng)的要求，提出控制系統(tǒng)應具有的基本功能和特有功能，并介紹一種小型控制系統(tǒng)設計方案。

1需求分析

相較于工業(yè)啤酒，精釀啤酒的生產(chǎn)主要有小型化、個性化、間歇性、簡易化、高可靠等特點[3，4]。（1）小型化。精釀啤酒一般生產(chǎn)量在年產(chǎn)量在1000噸以下，均產(chǎn)自小型的生產(chǎn)線，目前國內主要分布在餐館、酒吧、西餐廳、娛樂城和高級酒店，以自給自足和內部消費為主[3]。小型的生產(chǎn)線一般具有占地少、設備小巧精致的特點，其對控制系統(tǒng)的要求自然也是結構簡單和占地小。（2）個性化。精釀啤酒生產(chǎn)設備因規(guī)模小、使用方法靈活，其在釀造品種的多樣化具有一定優(yōu)勢，同一套設備可根據(jù)需要釀造多種口味和風味的鮮啤，如香氣襲人的小麥啤酒、厚重的黑啤酒、琥珀啤酒，水果啤酒等等[3]。為適應精釀啤酒的個性化生產(chǎn)要求，其控制系統(tǒng)應能根據(jù)釀造品種自動修改生產(chǎn)控制參數(shù)。（3）間歇性。精釀啤酒因個性化生產(chǎn)的需求，一般是按批次間歇性生產(chǎn)，而不是像啤酒工廠一樣連續(xù)生產(chǎn)，故其控制系統(tǒng)應能滿足開關機時間短和分步間歇操作等要求。（4）簡易化。精釀啤酒生產(chǎn)設備的操作人員多為身兼數(shù)職，而非專職人員，故控制系統(tǒng)的操作界面應簡單且易于操作，提示信息應清晰準確。（5）高可靠。精釀啤酒生產(chǎn)單位一般缺少專業(yè)的維修人員和檢修流程，故對設備的可靠性有比較高的要求，控制系統(tǒng)應具有可靠性高、環(huán)境適應性強、維護簡便等特點。根據(jù)精釀啤酒的主要特點，精釀啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)應從結構簡單、性能可靠、操作簡便、易于維護、適應個性化生產(chǎn)等方面進行方案設計。

2系統(tǒng)功能

為實現(xiàn)對精釀啤酒生產(chǎn)過程的實時監(jiān)測和自動控制，以及針對精釀啤酒的生產(chǎn)特點，其生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)應具有以下功能：

2.1數(shù)據(jù)采集

作為基本功能，系統(tǒng)應能采集、監(jiān)測和顯示生產(chǎn)過程中的實時數(shù)據(jù)，并對關鍵數(shù)據(jù)進行記錄和存儲。實時采集的數(shù)據(jù)主要包括溫度、液位、流量及閥位信號。溫度信號主要為熱水罐溫度、糖化鍋溫度、煮沸鍋溫度、冰水溫度、冷卻后麥汁溫度、冰水罐溫度、發(fā)酵罐溫度、CIP清洗液罐溫度；液位信號主要為熱水罐液位、煮沸鍋液位；流量信號主要為熱水罐進水流量、糖化鍋進水流量、煮沸鍋進料流量、麥汁流量；閥位信號主要為各電動閥的閥位反饋。系統(tǒng)I/O采集點數(shù)如表1所示。 

2.2自動控制

作為基本功能，系統(tǒng)應能按設定程序、時間或操作指令自動執(zhí)行生產(chǎn)流程，并能按生產(chǎn)設定自動調節(jié)，控制溫度和溫升速率，以減少人工操作、提高控制精度和控制產(chǎn)品品質。主要自動控制功能應包括：（1）熱水罐溫度控制；（2）糖化鍋溫度控制；（3）糖化升溫控制；（4）煮沸鍋溫度控制；（5）麥汁冷卻控制；（6）糖化過程順序控制；（7）CIP清洗過程順序控制。

2.3暫停和跳轉

精釀啤酒一般是按批次間歇性生產(chǎn)，每批生產(chǎn)過程一般為5~8個小時，操作人員經(jīng)常為非專職人員，在生產(chǎn)過程中可能會遇到各種突發(fā)狀況，如：操作人員需要臨時離開、生產(chǎn)過程中意外停電、生產(chǎn)任務緊急取消等。為滿足靈活生產(chǎn)的需求和應對生產(chǎn)過程中的突發(fā)狀況，系統(tǒng)應具有在生產(chǎn)過程中隨時暫停、恢復和終止生產(chǎn)的功能，也應具有直接跳轉至某個中間生產(chǎn)過程的功能。（1）暫停。當操作人員點擊人機界面上的『暫?！话粹o后，系統(tǒng)可暫停整個生產(chǎn)過程，進入暫停狀態(tài)，所有設備均應保持暫停前一刻的狀態(tài)，順序控制子系統(tǒng)也應停留在當前流程，不會自動進入下一流程。（2）恢復。系統(tǒng)處于暫停狀態(tài)時，當操作人員點擊人機界面上的『恢復』按鈕后，系統(tǒng)可從暫停前狀態(tài)進入并繼續(xù)生產(chǎn)，順序控制子系統(tǒng)也應恢復正常。（3）終止。當操作人員點擊人機界面上的『終止』按鈕后，系統(tǒng)可直接終止本批次生產(chǎn)任務，進入待機狀態(tài)，所有設備也應恢復至初始狀態(tài)。（4）跳轉。當系統(tǒng)處于待機狀態(tài)時，操作人員點擊人機界面上的『跳轉』按鈕后，系統(tǒng)可直接跳轉至順序控制中的某個流程，無須按部就班從第一步開始一步一步執(zhí)行。

2.4人機對話

精釀啤酒的生產(chǎn)過程一般為半自動，中間某些過程需要操作人員手動執(zhí)行或人工干預，對于非專職的操作人員來說，良好的人機對話，可提高系統(tǒng)的可操作性，是系統(tǒng)的重要功能。系統(tǒng)的人機對話可分為操作提示、人工選擇人工確認三類。（1）操作提示。當某些過程需要手動操作時，人機界面應能彈出提示框，以提示和指導操作人員進行相關手動操作。比如：當糖化溫度達到要求時，系統(tǒng)應提示操作人員手動添加酒花。（2）人工選擇。當某些過程需要人工選擇時，系統(tǒng)應能彈出選擇對話框，以便操作人員來選擇。比如：當完成第一次洗糟后，操作人員可根據(jù)個人口味和第一次洗糟的情況選擇是進行二次洗糟還是結束洗糟流程，此時系統(tǒng)應彈出選擇對話框。（3）人工確認。當某些過程需要人工確認時，系統(tǒng)應能彈出確認對話框，以便人工確認某些條件已滿足可進行下一步操作，或以防誤操作而讓操作人員再次確認選擇和操作。比如：當操作人員點擊『終止』按鈕后，系統(tǒng)應彈出“是否要終止當前生產(chǎn)過程”的確認對話框，以防操作人員誤操作。

2.5報警聯(lián)鎖

對于生產(chǎn)過程中設備故障、操作失誤和實時數(shù)值超限等，系統(tǒng)應能及時發(fā)出警報，提醒操作人員注意或檢查。系統(tǒng)的報警可分為過程值超限報警、參數(shù)超限報警、設備故障報警、操作失誤報警、系統(tǒng)故障報警。（1）過程值超限報警。當過程參數(shù)實時值超過報警設定值時，系統(tǒng)應發(fā)出警報提示。如：當熱水罐液位超過高報值時，系統(tǒng)報警。（2）參數(shù)超限報警。當修改儀表或控制參數(shù)時，若輸入的數(shù)值超出該參數(shù)的范圍，系統(tǒng)應發(fā)出提醒。如：水泵手動頻率修改為100Hz時，系統(tǒng)判斷其數(shù)值超過0~50Hz的范圍則發(fā)出提醒。（3）設備故障報警。當系統(tǒng)直接檢測到設備故障時，系統(tǒng)應發(fā)出警報，如變頻器故障。當系統(tǒng)間接判斷出設備故障時，系統(tǒng)也應發(fā)出警報，如：系統(tǒng)發(fā)送關閉電動閥門指令后一段時間內未能檢測到閥門關到位的反饋信號，系統(tǒng)應判斷其設備發(fā)生故障并發(fā)出警報。（4）操作失誤報警。當系統(tǒng)成功執(zhí)行某項控制指令，但未達到預期效果時，系統(tǒng)應發(fā)出警報，如：系統(tǒng)打開了熱水罐進水電磁閥，但沒有檢測到進水流量，則可能是進水總閥未按要求操作規(guī)程提前手動打開或檢查導致，系統(tǒng)應發(fā)出警報并提示相應檢查。（5）系統(tǒng)故障報警。當控制系統(tǒng)檢測到自身故障時應發(fā)出報警和顯示故障代碼，以便聯(lián)系技術人員和準確鎖定故障原因，快速排除故障。當某些故障和報警發(fā)生時，系統(tǒng)除了發(fā)出警報提醒外，還應自動執(zhí)行聯(lián)鎖動作以保護生產(chǎn)和設備的處于相對安全狀態(tài)，從而避免造成事故的發(fā)生。如：當熱水罐液位高報時，系統(tǒng)可聯(lián)鎖關閉進水電磁閥而避免熱水罐的跑冒發(fā)生。

2.6生產(chǎn)配方

精釀啤酒的生產(chǎn)涉及的控制參數(shù)有很多，而不同品種啤酒的釀造過程需要不同的控制和設置參數(shù)，為避免更換品種時人工修改參數(shù)這種繁瑣且易錯的操作，系統(tǒng)應具有批量修改參數(shù)的配方功能。當需要釀造其他品種的啤酒時，操作人員可通過人機界面選擇該品種對應的配方，系統(tǒng)根據(jù)該品種配方的數(shù)據(jù)批量修改生產(chǎn)控制參數(shù)，并釀造出對應品種的啤酒。系統(tǒng)允許技術管理人員通過人機界面修改、保存生產(chǎn)配方。此外，系統(tǒng)還應具有按生產(chǎn)配方自動記錄生產(chǎn)批次和分類統(tǒng)計產(chǎn)量的功能。

3系統(tǒng)設計

3.1系統(tǒng)結構

精釀啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)由上位機、下位機、現(xiàn)場儀表及設備、以太網(wǎng)通訊等組成?？刂葡到y(tǒng)結構圖如圖1所示。

3.1.1上位機上位機人機對話界面選用和利時新一代大尺寸觸摸屏產(chǎn)品，型號為HT8F01T。該產(chǎn)品為高倍色彩顯示器，具有高質量立體感的顯示、畫面細膩真實、處理器穩(wěn)定高速，適合工業(yè)現(xiàn)場應用等特點。

3.1.2下位機下位機選用和利時新一代高性能小型一體化LE系列PLC，完成系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)控制和數(shù)據(jù)通訊等功能。中央控制器型號為LE5108，自帶USB存儲卡接口，方便加載用戶程序，RS-485接口提供應用程序的下載通道，支持對外部設備的訪問和PLC多機互聯(lián)，功能完善強大[5]。PLC的配置如表2所示。

3.1.3現(xiàn)場儀表及設備現(xiàn)場檢測儀表主要有檢測溫度信號的熱電阻、檢測液位信號的液位計和液位開關、檢測流量信號的流量計，現(xiàn)場控制設備主要有電磁閥、電動閥、水泵、攪拌機、篩板機。

3.1.4以太網(wǎng)通訊LE5403是LE系列PLC的以太網(wǎng)通訊擴展模塊，通過以太網(wǎng)交換機連接該模塊，可將LE小型PLC作為ModbusTCP從站連接到控制網(wǎng)絡中，通訊速率為10/100Mbps自適應。

3.2人機界面

通過對精釀啤酒生產(chǎn)過程的功能需求、控制要求和工藝流程的分析，設計觸摸屏上位機監(jiān)控系統(tǒng)界面，人機界面應由主畫面、熱水罐畫面、糖化鍋畫面、煮沸鍋畫面、CIP畫面、數(shù)據(jù)查詢畫面、曲線查詢畫面、設置畫面等組成[6]。主界面如圖2所示，CIP界面如圖3所示。

4結束語

近年來，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，可在上文所述精釀啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)的基礎上通過增加采集遠傳設備、租用云服務和借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)智能工業(yè)設備遠程監(jiān)控功能和管理服務。該功能和服務既可滿足生產(chǎn)企業(yè)對提高生產(chǎn)效率、管理水平的要求，也可滿足設備制造商對提高設備運維效率和售后服務水平的要求，是精釀啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)待開發(fā)設計的功能之一，是今后精釀啤酒行業(yè)設備制造和生產(chǎn)運營新的發(fā)展方向，也是系統(tǒng)結合當今科技創(chuàng)新和管理創(chuàng)新技術發(fā)展的必然結果。

參考文獻

[1]汪慧慧,李慶騰,秦方園,等.精釀啤酒工藝參數(shù)的優(yōu)化研究[J].科技經(jīng)濟導刊,2019,27(32):33-37.

[2]王蕾,薛一鳴,王杰,等.中國精釀啤酒現(xiàn)狀及發(fā)展[J].現(xiàn)代食品,2020(14):18-20.

[3]劉建.我國手工精釀啤酒發(fā)展現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢[J].吉林工程技術師范學院學報,2015(3):88-90.

[4]徐洋洋.精釀啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)的設計與研究[D].陜西科技大學,2017.

[5]LE系列可編程控制器硬件手冊[S].北京和利時智能技術有限公司,2018.

[6]HT8000使用手冊（C版）[S].北京和利時智能技術有限公司,2018.

作者：易豪武 李俊欣 易聯(lián)成 單位：中國輕工業(yè)廣州工程有限公司