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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(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(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(zhuǎn)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『暫停』按鈕后，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(zhuǎn)。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(zhuǎn)』按鈕后，系統(tǒng)可直接跳轉(zhuǎn)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(jié)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(nèi)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(jié)構(gòu)
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(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)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(jié)合當今科技創(chuàng)新和管理創(chuàng)新技術發(fā)展的必然結(jié)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
