阮文韜

（成都紡織高等?？茖W(xué)校電氣信息工程學(xué)院，四川成都611731）

關(guān)于啤酒釀造過程PLC自動控制系統(tǒng)的研究

阮文韜

（成都紡織高等?？茖W(xué)校電氣信息工程學(xué)院，四川成都611731）

針對我國啤酒釀造的實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備、釀造工藝控制的現(xiàn)狀和需求進(jìn)行了詳細(xì)的分析。對目前國內(nèi)發(fā)酵工藝控制設(shè)備和系統(tǒng)存在的問題，結(jié)合企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)狀況、綜合實(shí)力與未來發(fā)展方向，提出一種基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)的啤酒釀造PLC控制系統(tǒng)。即基于PROFIBUS-DP總線技術(shù)將啤酒生產(chǎn)設(shè)備串聯(lián)到同一個(gè)控制平臺中，采用PLC主站和分布式I/O從站控制架構(gòu)，提高啤酒工藝的自動化和智能控制水平。從仿真結(jié)果可以看出本系統(tǒng)改進(jìn)控制算法的控制器可以有效彌合傳統(tǒng)PID控制器的不足。

PROFIBUS；PLC；啤酒釀造；總線技術(shù)

啤酒是在世界范圍內(nèi)流行的飲品之一，一般是由大麥或者其他谷物為原材料釀造而成，具體工藝包括麥芽準(zhǔn)備、原料的糖化、發(fā)酵等［1］。國外啤酒產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較早，其生產(chǎn)和推廣的過程都比較規(guī)范，在二十世紀(jì)初啤酒傳入我國，目前我國啤酒的產(chǎn)量和銷量都位居世界前列，但由于國內(nèi)啤酒生產(chǎn)設(shè)備大部分處于半自動水平以下，啤酒加工工藝的精確性和穩(wěn)定性受到影響，因此一直處于依靠價(jià)格優(yōu)勢占領(lǐng)低端市場的狀態(tài)，同時(shí)我國人均啤酒消費(fèi)量較發(fā)達(dá)國家還是處于比較低的水平，因此我國啤酒產(chǎn)業(yè)還具有很大的發(fā)展空間［2-3］。

啤酒的發(fā)源地在巴比倫，在德國得到發(fā)展壯大，德國的工業(yè)4.0的理念運(yùn)用到啤酒產(chǎn)業(yè)中，使啤酒生產(chǎn)呈現(xiàn)自動化、定制化和智能化的特點(diǎn)，效率和效益都有了很大的提高，智能化的特點(diǎn)也越來越明顯［4］。我國目前國內(nèi)啤酒各個(gè)工序的設(shè)備都具備自動控制裝置，但是大部分都沒有閉環(huán)控制特性，因此對于啤酒加工工藝偏差的反應(yīng)不夠敏感，嚴(yán)重影響啤酒加工過程控制精度，隨著智能化生產(chǎn)成為我國工業(yè)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的一個(gè)重要技術(shù)趨勢，現(xiàn)有的啤酒生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線的水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大的需求，對于傳統(tǒng)啤酒生產(chǎn)加工設(shè)備的智能化改造成為啤酒企業(yè)轉(zhuǎn)型的重要課題［5］。

總線控制成為智能制造的重要技術(shù)依托之一，PROFIBUS現(xiàn)場總線是一種源于歐洲的開源的、獨(dú)立的通信系統(tǒng)技術(shù)，應(yīng)用廣泛且技術(shù)穩(wěn)定［6］。本文基于PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)，對我國啤酒釀造過程PLC自動控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，目的是實(shí)現(xiàn)啤酒釀造的智能化生產(chǎn)、合理優(yōu)化啤酒的工藝需要和提高啤酒的質(zhì)量。

1　啤酒釀造過程的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

1.1傳統(tǒng)CIMS體系結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS）是指通過計(jì)算機(jī)硬件及軟件設(shè)施，同時(shí)綜合運(yùn)用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)，將與生產(chǎn)相關(guān)的要素和信息與物流有機(jī)集成并優(yōu)化運(yùn)行的集成系統(tǒng)［7］。傳統(tǒng)CIMS體系結(jié)構(gòu)可根據(jù)生產(chǎn)管理需要分為五個(gè)層面：第一層為工廠層，即從企業(yè)管理總體的角度設(shè)定CIMS的整體架構(gòu)；第二層為車間層，主要關(guān)注車間生產(chǎn)線及準(zhǔn)備與其相關(guān)的具體業(yè)務(wù)；第三層為業(yè)務(wù)級別層，即為單個(gè)工序功能的實(shí)現(xiàn)；第四層為工作站層，主要監(jiān)控工序?qū)崿F(xiàn)過程和信息集成系統(tǒng)；第五層為現(xiàn)場級，是總線和設(shè)備連接的部分。

這種架構(gòu)最大的特點(diǎn)是設(shè)備接口與控制裝置之間是一一對應(yīng)的關(guān)系，這樣就使信息管理系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備的硬件接口的數(shù)量比較龐大。這就導(dǎo)致傳統(tǒng)CIMS架構(gòu)雖然信息化程度越來越高，但是整個(gè)架構(gòu)存在一定的明顯的缺陷：第一、信息集成能力不強(qiáng)；第二、系統(tǒng)開源性較差，新功能模塊的補(bǔ)充比較困難；第三、不同功能模塊之間兼容性不好，集成性差；第四、可靠性存在風(fēng)險(xiǎn)；第五、可維護(hù)性差。

1.2現(xiàn)場總線技術(shù)以及PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)線設(shè)備管理的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)為：首先基于串行通信接口將所有在線的設(shè)備接口串聯(lián)起來，然后用通信電纜將現(xiàn)場設(shè)備連接，替代原有的I/O信號，實(shí)現(xiàn)設(shè)備信號的實(shí)時(shí)傳輸；最后將車間級別的總線控制系統(tǒng)和企業(yè)級別的信息化系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)信息的數(shù)字化。不同設(shè)備的通訊方式有所不同，因此不同設(shè)備的信息在同一總線上傳輸?shù)那疤崾菍νㄓ嵎绞竭M(jìn)行定義，實(shí)現(xiàn)信息的流暢傳輸，以及體現(xiàn)通訊協(xié)議的作用?，F(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)問題是解決以上問題的一種方式，有標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)總線協(xié)議，后者一般是出于企業(yè)技術(shù)保密或者產(chǎn)品獨(dú)特性的考慮，但是很容易造成產(chǎn)品通用性下降。

1995年，啤酒生產(chǎn)釀造現(xiàn)場總線正式提出采用PROFIBUS現(xiàn)場總線，并迅速得到市場的認(rèn)可，而中國是在1997年才開始開展PROFIBUS的推廣和應(yīng)用［8］。PROFIBUS協(xié)議和CAN總線架構(gòu)相似，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)Fig.1Protocol architecture of PROFIBUS

由圖1可知，PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)總共四層，最底層是物理層，主要與硬件及底層軟件相關(guān)；中間層有兩層，一是數(shù)據(jù)鏈路層，用于明確數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w規(guī)定；另一層是應(yīng)用層，用于實(shí)現(xiàn)具體的功能；最頂層是用戶層，用于實(shí)現(xiàn)具體的業(yè)務(wù)，包括DP和FMS的RS485傳輸、PA的IEC1158-2傳輸以及光纖傳輸。

在PROFIBUS現(xiàn)場總線中，PROFIBUS-DP的應(yīng)用最廣。該協(xié)議可將PLC設(shè)備與I/O接口串結(jié)起來，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)之間的信息交互。上位機(jī)按照系統(tǒng)時(shí)鐘向設(shè)備發(fā)送各種功能指令，同時(shí)對設(shè)備的功能執(zhí)行效果進(jìn)行監(jiān)控，對于執(zhí)行過程中的偏差進(jìn)行修正以及錯(cuò)誤進(jìn)行處理，保證加工過程在正常的軌跡上運(yùn)行。

2　啤酒釀造過程PLC自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一種利用可編程存儲器內(nèi)部存儲程序執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)算等操作指令，通過條件控制生產(chǎn)過程的一類計(jì)算機(jī)［9］。在啤酒實(shí)際生產(chǎn)過程中，利用PLC對生產(chǎn)線現(xiàn)場的智能化改造是最容易實(shí)施的。啤酒釀造過程中，尤其是發(fā)酵罐區(qū)環(huán)境較為潮濕，故對儀表及控制器的要求比較高。PLC產(chǎn)品的平均故障間隔時(shí)間一般可達(dá)到5年以上，因此是一種高度可靠的工業(yè)產(chǎn)品，同時(shí)能夠大大提高生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行效率。啤酒發(fā)酵過程控制系統(tǒng)方案明確需要升級功能，表1為系統(tǒng)的功能模塊配置組合。

表1　控制系統(tǒng)模塊配置Table 1Control system module configuration

如表1所示進(jìn)行組合，并對每個(gè)功能設(shè)置相應(yīng)的I/0接口，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，考到未來可能需要擴(kuò)展一定的功能，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)設(shè)置不同的擴(kuò)展接口，在本系統(tǒng)中，總的控制I/O接口近300個(gè)。傳統(tǒng)硬件設(shè)備是通過硬件開關(guān)控制，若對設(shè)備硬件接口進(jìn)行升級，則需要對硬件系統(tǒng)進(jìn)行重新組合，通過內(nèi)部嵌入軟件的方式重新優(yōu)化設(shè)備參數(shù)，并對每個(gè)輸入、輸出參數(shù)的物理地址和I/O接口進(jìn)行定義，為未來更高層次的開發(fā)打好硬件基礎(chǔ)。

具體操作為首先應(yīng)在管理器中建立一個(gè)名叫“啤酒釀制”的新項(xiàng)目，在硬件列表中選擇進(jìn)入硬件組態(tài)窗口，并在機(jī)架中添加電源模塊。在網(wǎng)絡(luò)對象中選擇“PROFIBUS”，設(shè)置速率為1.5 Mbit/s，總線行規(guī)為DP，傳輸速率和總線行規(guī)將用于整個(gè)PROFIBUS子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3　基于啤酒釀制的PLC軟件設(shè)計(jì)

啤酒釀造最關(guān)鍵的參數(shù)是啤酒發(fā)酵罐內(nèi)部溫度和壓力，本系統(tǒng)就是將這些數(shù)值轉(zhuǎn)換成電信號通過通訊接口傳遞出來。圖2為系統(tǒng)基本的程序流程圖。

如圖2所示啤酒釀制的PLC軟件設(shè)計(jì)具體步驟為：首先對設(shè)備傳輸進(jìn)行初始化，比如上電處理、通訊接口模塊初始化、系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、存儲器和寄存器的初始化等；然后提取目標(biāo)參數(shù)的數(shù)值，啤酒釀制的時(shí)間指標(biāo)是發(fā)酵時(shí)間，成分指標(biāo)是糖度、雙乙酞含量，溫度是發(fā)酵罐上、中、下3個(gè)段的溫度，系統(tǒng)需要將所有需要參數(shù)通過傳感器采集出來，并將之轉(zhuǎn)換成可以處理的格式，這也是整個(gè)系統(tǒng)最基礎(chǔ)和最重要的工作；之后是計(jì)算溫度設(shè)定值；最后是將實(shí)際測試到的參數(shù)和目標(biāo)設(shè)定值進(jìn)行對比，例如確定溫度偏差大小是否在要求的工藝誤差范圍內(nèi)，若超出范圍，則通過反饋機(jī)制對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)，直至關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)值在規(guī)定范圍內(nèi)。另外，為了實(shí)現(xiàn)在出現(xiàn)緊急情況時(shí)能夠?qū)ιa(chǎn)線進(jìn)行中斷，本系統(tǒng)設(shè)定了自動中斷方法和人工中斷方法，操作人員可以自主選擇系統(tǒng)運(yùn)行模式。

4　模糊智能PID算法和控制系統(tǒng)仿真

傳統(tǒng)PID（Proportion Integration Differentiation）控制器作為一種經(jīng)典的控制理論和控制方法，仍廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，它的特點(diǎn)如下：第一，算法框架簡單，易于實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過多年的市場錘煉獲得了較高的認(rèn)可度；第二，控制效果比較可靠，但是應(yīng)用范圍有所局限，僅適用于一階、二階系統(tǒng)；第三，復(fù)雜或者高階系統(tǒng)處理能力不足，處理非線性、時(shí)變等復(fù)雜系統(tǒng)，PID算法的可靠性和實(shí)效性不盡如人意。在此背景下，模糊理論被引入到控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，模糊控制理論可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)PID控制算法的缺陷和不足，面對復(fù)雜高階的系統(tǒng)模糊理論控制效果比較好，可靠性也較PID算法有明顯提升，同時(shí)對于未知的非線性系統(tǒng)的處理，模糊控制算法有明顯的優(yōu)勢。通過調(diào)整模糊算法的加權(quán)系數(shù)，進(jìn)而影響目標(biāo)設(shè)定參數(shù)的加權(quán)系統(tǒng)的大小，可以實(shí)現(xiàn)跟蹤設(shè)定值、降低外界信號干擾的目的，達(dá)到最優(yōu)效果。

本系統(tǒng)中引入人工智能方法，使算法具有人的記憶策略，對信息的價(jià)值進(jìn)行甄別，使干擾數(shù)據(jù)噪聲被過濾掉，同時(shí)對PID的執(zhí)行算法進(jìn)行優(yōu)化，運(yùn)用智能積分策略降低系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差。因此，本系統(tǒng)提出和采用模糊智能PID控制算法。

在算法模擬過程中，系統(tǒng)采集的準(zhǔn)備階段參數(shù)不用處理，等待系統(tǒng)進(jìn)入啤酒釀造的正常狀態(tài)之后再開始啟動模式，目的是提高系統(tǒng)運(yùn)算精度和效率，4個(gè)保溫階段控制相對容易些，采用常規(guī)PID控制，兩個(gè)降溫階段采用本系統(tǒng)提出的模糊智能PID控制理念。

根據(jù)模型進(jìn)行Matlab仿真試驗(yàn)，數(shù)學(xué)模型的傳遞函數(shù)為：

發(fā)酵及雙乙酞還原階段：

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

仿真結(jié)果曲線如圖3所示。

圖3　啤酒釀制控制系統(tǒng)仿真曲線Fig.3Simulation curve of beer brewing process control

從仿真結(jié)果不難看出，控制曲線與工藝曲線基本吻合，整個(gè)控制過程及時(shí)、準(zhǔn)確的跟蹤了工藝曲線要求，曲線擬合之后沒有產(chǎn)生超調(diào)，誤差值±0.5℃，可以滿足工藝控制的需要。

5　結(jié)語

啤酒工業(yè)作為我國食品產(chǎn)業(yè)中的一個(gè)重要分支，其發(fā)展速度和為我國帶來的經(jīng)濟(jì)效益都十分可觀，但我國啤酒生產(chǎn)工藝與發(fā)達(dá)國家相比仍存在一定局限性。本文以我國目前常見啤酒發(fā)酵過程為背景，對啤酒發(fā)酵過程的自動化控制系統(tǒng)和溫度控制策略進(jìn)行研究，并提出一種基于PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)的啤酒釀造過程PLC自動控制系統(tǒng)，這對未來我國啤酒釀造工藝?yán)酶咝录夹g(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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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

四川省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目（12ZA03）

阮文韜（1982—），女（漢），講師，碩士，研究方向：檢測技術(shù)與自動化裝置。

2016-06-22