精釀啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)
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【摘要】精釀啤酒處于快速發(fā)展趨勢(shì)，具有廣闊的市場(chǎng)空間。本文針對(duì)精釀啤酒生產(chǎn)小型化、個(gè)性化、間歇性、簡(jiǎn)易化等特點(diǎn)，進(jìn)行精釀啤酒生產(chǎn)對(duì)控制系統(tǒng)的需求分析，提出控制系統(tǒng)應(yīng)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(chǔ)的小型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，為精釀啤酒糖化生產(chǎn)控制系統(tǒng)的研制奠定基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】精釀啤酒；需求分析；功能介紹；觸摸屏；PLC；設(shè)計(jì)方案
近年來，在啤酒產(chǎn)量總體趨于飽和的形勢(shì)下，作為啤酒市場(chǎng)高端產(chǎn)品的精釀啤酒卻處于快速發(fā)展的趨勢(shì)[1]，但國(guó)內(nèi)精釀啤酒行業(yè)仍處于起步階段，國(guó)家對(duì)精釀行業(yè)的規(guī)范程度仍較低，其工藝技術(shù)和釀造設(shè)備均未形成較統(tǒng)一準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，其自動(dòng)化程度和控制性能也各不相同[2]。本文將針對(duì)精釀啤酒生產(chǎn)的特點(diǎn)，分析生產(chǎn)對(duì)控制系統(tǒng)的要求，提出控制系統(tǒng)應(yīng)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(shè)計(jì)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(gè)性化、間歇性、簡(jiǎn)易化、高可靠等特點(diǎn)[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(guó)內(nèi)主要分布在餐館、酒吧、西餐廳、娛樂城和高級(jí)酒店，以自給自足和內(nèi)部消費(fèi)為主[3]。小型的生產(chǎn)線一般具有占地少、設(shè)備小巧精致的特點(diǎn)，其對(duì)控制系統(tǒng)的要求自然也是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和占地小。（2）個(gè)性化。精釀啤酒生產(chǎn)設(shè)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(shì)，同一套設(shè)備可根據(jù)需要釀造多種口味和風(fēng)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(yīng)精釀啤酒的個(gè)性化生產(chǎn)要求，其控制系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)釀造品種自動(dòng)修改生產(chǎn)控制參數(shù)。（3）間歇性。精釀啤酒因個(gè)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(yīng)能滿足開關(guān)機(jī)時(shí)間短和分步間歇操作等要求。（4）簡(jiǎn)易化。精釀啤酒生產(chǎn)設(shè)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(yīng)簡(jiǎn)單且易于操作，提示信息應(yīng)清晰準(zhǔn)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(duì)設(shè)備的可靠性有比較高的要求，控制系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。根據(jù)精釀啤酒的主要特點(diǎn)，精釀啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)應(yīng)從結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、操作簡(jiǎn)便、易于維護(hù)、適應(yīng)個(gè)性化生產(chǎn)等方面進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。
2系統(tǒng)功能
為實(shí)現(xiàn)對(duì)精釀啤酒生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制，以及針對(duì)精釀啤酒的生產(chǎn)特點(diǎn)，其生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：
2.1數(shù)據(jù)采集
作為基本功能，系統(tǒng)應(yīng)能采集、監(jiān)測(cè)和顯示生產(chǎn)過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)。實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)主要包括溫度、液位、流量及閥位信號(hào)。溫度信號(hào)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(hào)主要為熱水罐液位、煮沸鍋液位；流量信號(hào)主要為熱水罐進(jìn)水流量、糖化鍋進(jìn)水流量、煮沸鍋進(jìn)料流量、麥汁流量；閥位信號(hào)主要為各電動(dòng)閥的閥位反饋。系統(tǒng)I/O采集點(diǎn)數(shù)如表1所示。
2.2自動(dòng)控制
作為基本功能，系統(tǒng)應(yīng)能按設(shè)定程序、時(shí)間或操作指令自動(dòng)執(zhí)行生產(chǎn)流程，并能按生產(chǎn)設(shè)定自動(dòng)調(diào)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(zhì)。主要自動(dòng)控制功能應(yīng)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(zhuǎn)
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(gè)小時(shí)，操作人員經(jīng)常為非專職人員，在生產(chǎn)過程中可能會(huì)遇到各種突發(fā)狀況，如：操作人員需要臨時(shí)離開、生產(chǎn)過程中意外停電、生產(chǎn)任務(wù)緊急取消等。為滿足靈活生產(chǎn)的需求和應(yīng)對(duì)生產(chǎn)過程中的突發(fā)狀況，系統(tǒng)應(yīng)具有在生產(chǎn)過程中隨時(shí)暫停、恢復(fù)和終止生產(chǎn)的功能，也應(yīng)具有直接跳轉(zhuǎn)至某個(gè)中間生產(chǎn)過程的功能。（1）暫停。當(dāng)操作人員點(diǎn)擊人機(jī)界面上的『暫?！话粹o后，系統(tǒng)可暫停整個(gè)生產(chǎn)過程，進(jìn)入暫停狀態(tài)，所有設(shè)備均應(yīng)保持暫停前一刻的狀態(tài)，順序控制子系統(tǒng)也應(yīng)停留在當(dāng)前流程，不會(huì)自動(dòng)進(jìn)入下一流程。（2）恢復(fù)。系統(tǒng)處于暫停狀態(tài)時(shí)，當(dāng)操作人員點(diǎn)擊人機(jī)界面上的『恢復(fù)』按鈕后，系統(tǒng)可從暫停前狀態(tài)進(jìn)入并繼續(xù)生產(chǎn)，順序控制子系統(tǒng)也應(yīng)恢復(fù)正常。（3）終止。當(dāng)操作人員點(diǎn)擊人機(jī)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(wù)，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，所有設(shè)備也應(yīng)恢復(fù)至初始狀態(tài)。（4）跳轉(zhuǎn)。當(dāng)系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，操作人員點(diǎn)擊人機(jī)界面上的『跳轉(zhuǎn)』按鈕后，系統(tǒng)可直接跳轉(zhuǎn)至順序控制中的某個(gè)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(jī)對(duì)話
精釀啤酒的生產(chǎn)過程一般為半自動(dòng)，中間某些過程需要操作人員手動(dòng)執(zhí)行或人工干預(yù)，對(duì)于非專職的操作人員來說，良好的人機(jī)對(duì)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(jī)對(duì)話可分為操作提示、人工選擇人工確認(rèn)三類。（1）操作提示。當(dāng)某些過程需要手動(dòng)操作時(shí)，人機(jī)界面應(yīng)能彈出提示框，以提示和指導(dǎo)操作人員進(jìn)行相關(guān)手動(dòng)操作。比如：當(dāng)糖化溫度達(dá)到要求時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)提示操作人員手動(dòng)添加酒花。（2）人工選擇。當(dāng)某些過程需要人工選擇時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能彈出選擇對(duì)話框，以便操作人員來選擇。比如：當(dāng)完成第一次洗糟后，操作人員可根據(jù)個(gè)人口味和第一次洗糟的情況選擇是進(jìn)行二次洗糟還是結(jié)束洗糟流程，此時(shí)系統(tǒng)應(yīng)彈出選擇對(duì)話框。（3）人工確認(rèn)。當(dāng)某些過程需要人工確認(rèn)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能彈出確認(rèn)對(duì)話框，以便人工確認(rèn)某些條件已滿足可進(jìn)行下一步操作，或以防誤操作而讓操作人員再次確認(rèn)選擇和操作。比如：當(dāng)操作人員點(diǎn)擊『終止』按鈕后，系統(tǒng)應(yīng)彈出“是否要終止當(dāng)前生產(chǎn)過程”的確認(rèn)對(duì)話框，以防操作人員誤操作。
2.5報(bào)警聯(lián)鎖
對(duì)于生產(chǎn)過程中設(shè)備故障、操作失誤和實(shí)時(shí)數(shù)值超限等，系統(tǒng)應(yīng)能及時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒操作人員注意或檢查。系統(tǒng)的報(bào)警可分為過程值超限報(bào)警、參數(shù)超限報(bào)警、設(shè)備故障報(bào)警、操作失誤報(bào)警、系統(tǒng)故障報(bào)警。（1）過程值超限報(bào)警。當(dāng)過程參數(shù)實(shí)時(shí)值超過報(bào)警設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)發(fā)出警報(bào)提示。如：當(dāng)熱水罐液位超過高報(bào)值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警。（2）參數(shù)超限報(bào)警。當(dāng)修改儀表或控制參數(shù)時(shí)，若輸入的數(shù)值超出該參數(shù)的范圍，系統(tǒng)應(yīng)發(fā)出提醒。如：水泵手動(dòng)頻率修改為100Hz時(shí)，系統(tǒng)判斷其數(shù)值超過0~50Hz的范圍則發(fā)出提醒。（3）設(shè)備故障報(bào)警。當(dāng)系統(tǒng)直接檢測(cè)到設(shè)備故障時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)發(fā)出警報(bào)，如變頻器故障。當(dāng)系統(tǒng)間接判斷出設(shè)備故障時(shí)，系統(tǒng)也應(yīng)發(fā)出警報(bào)，如：系統(tǒng)發(fā)送關(guān)閉電動(dòng)閥門指令后一段時(shí)間內(nèi)未能檢測(cè)到閥門關(guān)到位的反饋信號(hào)，系統(tǒng)應(yīng)判斷其設(shè)備發(fā)生故障并發(fā)出警報(bào)。（4）操作失誤報(bào)警。當(dāng)系統(tǒng)成功執(zhí)行某項(xiàng)控制指令，但未達(dá)到預(yù)期效果時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)發(fā)出警報(bào)，如：系統(tǒng)打開了熱水罐進(jìn)水電磁閥，但沒有檢測(cè)到進(jìn)水流量，則可能是進(jìn)水總閥未按要求操作規(guī)程提前手動(dòng)打開或檢查導(dǎo)致，系統(tǒng)應(yīng)發(fā)出警報(bào)并提示相應(yīng)檢查。（5）系統(tǒng)故障報(bào)警。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到自身故障時(shí)應(yīng)發(fā)出報(bào)警和顯示故障代碼，以便聯(lián)系技術(shù)人員和準(zhǔn)確鎖定故障原因，快速排除故障。當(dāng)某些故障和報(bào)警發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)除了發(fā)出警報(bào)提醒外，還應(yīng)自動(dòng)執(zhí)行聯(lián)鎖動(dòng)作以保護(hù)生產(chǎn)和設(shè)備的處于相對(duì)安全狀態(tài)，從而避免造成事故的發(fā)生。如：當(dāng)熱水罐液位高報(bào)時(shí)，系統(tǒng)可聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)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(shè)置參數(shù)，為避免更換品種時(shí)人工修改參數(shù)這種繁瑣且易錯(cuò)的操作，系統(tǒng)應(yīng)具有批量修改參數(shù)的配方功能。當(dāng)需要釀造其他品種的啤酒時(shí)，操作人員可通過人機(jī)界面選擇該品種對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)品種的啤酒。系統(tǒng)允許技術(shù)管理人員通過人機(jī)界面修改、保存生產(chǎn)配方。此外，系統(tǒng)還應(yīng)具有按生產(chǎn)配方自動(dòng)記錄生產(chǎn)批次和分類統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量的功能。
3系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
精釀啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)由上位機(jī)、下位機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)儀表及設(shè)備、以太網(wǎng)通訊等組成。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
3.1.1上位機(jī)上位機(jī)人機(jī)對(duì)話界面選用和利時(shí)新一代大尺寸觸摸屏產(chǎn)品，型號(hào)為HT8F01T。該產(chǎn)品為高倍色彩顯示器，具有高質(zhì)量立體感的顯示、畫面細(xì)膩真實(shí)、處理器穩(wěn)定高速，適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等特點(diǎn)。
3.1.2下位機(jī)下位機(jī)選用和利時(shí)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(hào)為L(zhǎng)E5108，自帶USB存儲(chǔ)卡接口，方便加載用戶程序，RS-485接口提供應(yīng)用程序的下載通道，支持對(duì)外部設(shè)備的訪問和PLC多機(jī)互聯(lián)，功能完善強(qiáng)大[5]。PLC的配置如表2所示。
3.1.3現(xiàn)場(chǎng)儀表及設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表主要有檢測(cè)溫度信號(hào)的熱電阻、檢測(cè)液位信號(hào)的液位計(jì)和液位開關(guān)、檢測(cè)流量信號(hào)的流量計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備主要有電磁閥、電動(dòng)閥、水泵、攪拌機(jī)、篩板機(jī)。
3.1.4以太網(wǎng)通訊LE5403是LE系列PLC的以太網(wǎng)通訊擴(kuò)展模塊，通過以太網(wǎng)交換機(jī)連接該模塊，可將LE小型PLC作為ModbusTCP從站連接到控制網(wǎng)絡(luò)中，通訊速率為10/100Mbps自適應(yīng)。
3.2人機(jī)界面
通過對(duì)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(shè)計(jì)觸摸屏上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面，人機(jī)界面應(yīng)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(shè)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(jié)束語
近年來，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(chǔ)上通過增加采集遠(yuǎn)傳設(shè)備、租用云服務(wù)和借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能工業(yè)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能和管理服務(wù)。該功能和服務(wù)既可滿足生產(chǎn)企業(yè)對(duì)提高生產(chǎn)效率、管理水平的要求，也可滿足設(shè)備制造商對(duì)提高設(shè)備運(yùn)維效率和售后服務(wù)水平的要求，是精釀啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)待開發(fā)設(shè)計(jì)的功能之一，是今后精釀啤酒行業(yè)設(shè)備制造和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)新的發(fā)展方向，也是系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)今科技創(chuàng)新和管理創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。
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作者：易豪武 李俊欣 易聯(lián)成 單位：中國(guó)輕工業(yè)廣州工程有限公司
