丁惠忠，陳凱峰

（1.沙洲職業(yè)工學(xué)院 電子信息工程系，江蘇蘇州 215000；2.江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，江蘇南通 215000）

0 引言

啤酒發(fā)酵過(guò)程中的溫度控制是決定啤酒口感的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的啤酒溫度控制方法是利用人工手動(dòng)控制冷媒閥的開度，通過(guò)調(diào)節(jié)冷媒的流量來(lái)控制發(fā)酵溫度，不僅工作量大、工作效率低，而且此過(guò)程還有一定的時(shí)滯性，控制精度也很難保證。因此，尋求一種高效的啤酒發(fā)酵溫度控制策略成為當(dāng)前研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。

徐玲等［1］采用具有Smith預(yù)估功能的免疫模糊PID控制器對(duì)啤酒發(fā)酵溫度進(jìn)行控制，利用生物免疫算法進(jìn)行PID參數(shù)的在線自適應(yīng)調(diào)整，大大縮短了溫度的調(diào)節(jié)時(shí)間。李鑫等［2］在控制系統(tǒng)中引入論域伸縮因子，設(shè)計(jì)變論域模糊PID控制器，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線精細(xì)整定，提高了控制精度。尚繼良等［3］提出一種多變量解耦控制器的設(shè)計(jì)方法，以補(bǔ)償器消除系統(tǒng)各輸入輸出間的相互耦合和關(guān)聯(lián)，有效解決多變量強(qiáng)耦合的啤酒發(fā)酵溫度控制問題。呂寧等［4］為更好地控制發(fā)酵溫度，提出分階段的遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制算法，用以優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值，從而克服了溫度階段性改變對(duì)控制器穩(wěn)定性的影響，抗干擾能力得到加強(qiáng)。MEIRONKE［5］為控制啤酒發(fā)酵溫度，利用超聲多普勒技術(shù)研究了發(fā)酵液流動(dòng)與溫度場(chǎng)的關(guān)系，通過(guò)優(yōu)化發(fā)酵罐的形狀，實(shí)現(xiàn)溫度精準(zhǔn)控制。

以上研究取得了一定的控制效果，但多數(shù)成果以理論研究為主，缺乏試驗(yàn)測(cè)試，需要進(jìn)一步驗(yàn)證理論研究的正確性。本文以提高響應(yīng)速度和控制精度，以及節(jié)約成本為設(shè)計(jì)原則，針對(duì)啤酒發(fā)酵溫度控制過(guò)程時(shí)滯性大、非線性以及受環(huán)境因素影響大等問題，利用模糊控制魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，將模糊推理技術(shù)與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種基于PLC的啤酒發(fā)酵溫度模糊PID控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)發(fā)酵溫度數(shù)據(jù)的監(jiān)控和預(yù)警。同時(shí)，將該系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際啤酒發(fā)酵溫度控制過(guò)程，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的可行性及有效性。

1 啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PLC控制器中的PID控制單元，具有響應(yīng)速度快、控制精度高以及易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在過(guò)程控制領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用［6-7］，因此系統(tǒng)采用PLC作為控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用觸摸屏作為上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和控制，硬件結(jié)構(gòu)主要由溫度傳感器、發(fā)酵罐、按鈕開關(guān)、冷媒閥、狀態(tài)指示燈、PLC控制單元以及觸摸屏等部分組成，如圖1所示。

圖1 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Temperature control system structure

2 啤酒發(fā)酵溫度控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主要元件及參數(shù)

2.1.1 PLC的選擇

由于啤酒發(fā)酵的不穩(wěn)定性和外界干擾等因素影響，PLC控溫系統(tǒng)需要兼顧響應(yīng)速度與系統(tǒng)穩(wěn)定性，故選用西門子S7-1516-3-PN/DP，具體性能指標(biāo)和參數(shù)如表1所示。PLC控制器滿足啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)的需要，并且方便后續(xù)升級(jí)換代，具有功能豐富、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)［8-9］，其I/O分配如表2所示。

表1 PLC控制器性能指標(biāo)和參數(shù)Tab.1 Performance indexes and parameters of PLC controller

表2 啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)I/O表Tab.2 I/O table of beer fermentation temperature control system

2.1.2 溫度傳感器的選擇

選擇速靈科RSDS5型溫度傳感器對(duì)發(fā)酵溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。采用DS18B20不銹鋼材質(zhì)防水探頭，其控制精度為±0.1 ℃，量程為-20～60 ℃，具有精度高和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，適合多種溫度采集測(cè)量場(chǎng)合使用。

2.2 控制流程分析

2.2.1 發(fā)酵溫度控制原則

啤酒的發(fā)酵過(guò)程是將麥芽汁轉(zhuǎn)化為啤酒的主要過(guò)程。主要工藝是控制啤酒的發(fā)酵溫度，進(jìn)而控制發(fā)酵過(guò)程中所需要的糖度和雙乙酰濃度［10-12］。不同發(fā)酵階段，發(fā)酵所需的溫度不同，為保持發(fā)酵工藝的有效性，發(fā)酵時(shí)長(zhǎng)通常為24 h，共分為包括AB、BC、CD、DE、EF、FG 在內(nèi)的 6個(gè)階段，溫度誤差要求控制在≤0.5 ℃范圍內(nèi)。發(fā)酵過(guò)程的溫度變化如圖2所示。

圖2 啤酒發(fā)酵溫度控制階段Fig.2 Beer fermentation temperature control stage

AB工藝：自然升溫階段，依靠發(fā)酵液的發(fā)酵升溫；BC工藝：主酵階段，控制溫度12 ℃，會(huì)釋放出大量的熱；CD工藝：后酵階段，通過(guò)冷媒降溫，降溫速率為3 ℃/h；DE 工藝：還原階段，控制溫度6 ℃；EF工藝：貯酒階段，通過(guò)冷媒降溫，降溫速率為1.75 ℃/h；FG工藝：低溫貯酒階段，控制溫度在-1 ℃左右。

2.2.2 啤酒發(fā)酵溫度控制流程

鑒于啤酒發(fā)酵非線性、時(shí)滯性以及不確定因素多等特點(diǎn)，為保證發(fā)酵罐內(nèi)部溫度均勻，將發(fā)酵罐分為上、中、下3個(gè)部分，并在3個(gè)部分分別放置溫度傳感器和冷媒閥，如圖3所示。

圖3 發(fā)酵溫度控制示意圖Fig.3 Schematic diagram of fermentation temperature control

將設(shè)定溫度和實(shí)際溫度之間的差值作為參數(shù)指標(biāo)向控制器發(fā)出指令，控制冷媒閥的開度，利用冷媒進(jìn)入發(fā)酵罐的體積改變啤酒發(fā)酵的溫度。其具體控制過(guò)程如下：

（1）初始化。復(fù)位冷媒閥，設(shè)定溫度值歸零，根據(jù)需要選擇手動(dòng)程序或自動(dòng)程序。（2）溫度傳感器轉(zhuǎn)換。通過(guò)模擬量0～27 648將溫度傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為-20～60 ℃。（3）設(shè)定各階段發(fā)酵溫度。通過(guò)上位機(jī)或觸摸屏設(shè)定啤酒發(fā)酵的溫度，自動(dòng)程序?qū)凑諉?dòng)時(shí)間自行更改設(shè)定溫度值。（4）溫度控制。系統(tǒng)實(shí)時(shí)將設(shè)定溫度與實(shí)際溫度進(jìn)行對(duì)比，并將溫度差作為控制模糊自適應(yīng)PID控制器的輸出，對(duì)冷媒閥的開度進(jìn)行控制。（5）發(fā)酵罐狀態(tài)。冷媒閥的開口控制冷媒的流量，改變發(fā)酵罐的狀態(tài)。

具體的溫度控制流程如圖4所示，其中Δt為設(shè)定溫度和實(shí)際溫度之間的差值，即：

圖4 模糊PID溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of fuzzy PID temperature control system

式中 t0——設(shè)定發(fā)酵溫度，℃；

t1——實(shí)際發(fā)酵溫度，℃。

在溫度控制過(guò)程中，實(shí)時(shí)將|Δt|與閾值0.5 ℃進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)滿足溫度要求，即-0.5 ℃＜Δt＜0.5 ℃時(shí)，不對(duì)冷媒控制閥開度進(jìn)行控制，并繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。當(dāng)|Δt|≥0.5 ℃時(shí)，則不滿足溫度控制條件，若Δt≤-0.5 ℃，則表示實(shí)際溫度高于設(shè)定溫度0.5 ℃以上，此時(shí)控制器發(fā)出指令，使冷媒控制閥開度增大，增加進(jìn)入發(fā)酵罐的冷媒體積，使發(fā)酵溫度下降，直至滿足條件；若Δt≥0.5 ℃，則表示實(shí)際溫度低于設(shè)定溫度0.5 ℃以上，此時(shí)控制器發(fā)出指令，使冷媒控制閥開度減小，減少進(jìn)入發(fā)酵罐的冷媒體積，使發(fā)酵溫度升高，直至滿足條件。

2.3 模糊自適應(yīng)PID控制

2.3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)PID是一種基于比例—積分—微分的控制方式［14］，即：

式中 u（t）——輸出信號(hào)；

TD——微分常數(shù)；

TI——積分常數(shù)；

e（t）——偏差信號(hào)；

Kp——比例系數(shù)。

PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，但是由于控制器參數(shù)不能隨環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)整，因此只能用于參數(shù)固定、對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合。為提高時(shí)變系統(tǒng)的控制精度，學(xué)者們不斷尋求將智能控制與PID控制相結(jié)合的策略。研究表明模糊自適應(yīng)PID控制器具有較高的控制精度［13］。本文基于PLC將傳統(tǒng)PID與模糊算法相結(jié)合，將其應(yīng)用于啤酒釀造系統(tǒng)中，對(duì)發(fā)酵溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制?？刂破饕詫?shí)際溫度和設(shè)定溫度的偏差及偏差變化作為輸入變量，PID 的 3個(gè)參數(shù) KP、Ki、Kd作為輸出變量?？刂葡到y(tǒng)包括模糊控制器和PLC的自適應(yīng)控制器，對(duì)執(zhí)行元件冷媒閥進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制，以滿足不同條件下系統(tǒng)對(duì)PID控制器參數(shù)的要求［14-17］。

2.3.2 模糊控制規(guī)則

將輸入輸出變量模糊化，通過(guò)溫度傳感器采集發(fā)酵罐的實(shí)際溫度，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到偏差e及偏差變化率ec，基本論域設(shè)為{-5，-4，-3，-2，-1，0}，3 個(gè)輸出變量 Kp、Ki、Kd的模糊子集記為 {NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，代表 {負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，分別量化為［-0.3，0.3］，［-0.6，0.6］，［-6，6］區(qū)間。量化因子的取值分別為0.75和7.5，比例因子的取值為130，選擇三角形隸屬函數(shù)來(lái)獲取e及ec的隸屬度賦值表。制定具體的參數(shù)模糊規(guī)則表，如表3-5所示。

表3 Kp模糊規(guī)則表Tab.3 Fuzzy rule table of Kp

表4 Ki模糊規(guī)則表Tab.4 Fuzzy rule table of Ki

表5 Kd模糊規(guī)則表Tab.5 Fuzzy rule table of Kd

根據(jù)以上規(guī)則在線調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，使系統(tǒng)的實(shí)際輸入與設(shè)定值一致：

式中 Kp，Ki，Kd——表示 PID 參數(shù)的初始值。

2.4 關(guān)鍵控制過(guò)程分析

2.4.1 模式選擇程序

當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，設(shè)備開始運(yùn)轉(zhuǎn)。用戶根據(jù)需要選擇手動(dòng)控制或自動(dòng)控制。手動(dòng)模式下，用戶自行設(shè)定溫度；自動(dòng)模式下，系統(tǒng)將按照各時(shí)間段對(duì)應(yīng)的最佳溫度進(jìn)行設(shè)定。

在手動(dòng)控制和自動(dòng)控制選擇完畢時(shí)，開始計(jì)時(shí)，24 h為1個(gè)周期。

2.4.2 傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序

上罐溫度傳感器A/D轉(zhuǎn)換程序如下：

中罐溫度傳感器A/D轉(zhuǎn)換程序如下：

下罐溫度傳感器A/D轉(zhuǎn)換程序如下：

2.4.3 PID控制程序

將溫度傳感器數(shù)據(jù)和設(shè)定溫度進(jìn)行對(duì)比，控制冷媒閥的開關(guān)，通過(guò)開關(guān)頻率控制冷媒的流量。

上罐的溫度控制程序如下：

中罐的溫度控制程序如下：

下罐的溫度控制程序如下：

2.4.4 自動(dòng)模式預(yù)設(shè)程序

自動(dòng)控制模式將在0～4 h自然升溫，在4～8 h保持為12 ℃，在8～10 h降溫到6 ℃，在10～16 h保持為6 ℃，在16～20 h降溫到-1 ℃，在20～24 h保持為-1 ℃。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

以某酒廠的釀造設(shè)備為演示平臺(tái)，其發(fā)酵罐采用圓柱錐形結(jié)構(gòu)，罐體為密閉式，發(fā)酵罐總?cè)莘e為400 m3，罐體總高度為21 m，直徑為6.8 m，錐底角為70 °，錐高與直徑比為3：1。罐身帶有冷卻夾套，可以分段冷卻。罐體分為上罐、中罐和下罐3層結(jié)構(gòu)，其中上罐和下罐的高度都是4 m，中罐為13 m，溫度傳感器和冷媒閥分別置于3部分結(jié)構(gòu)的中間位置。軟件系統(tǒng)為西門子HMI軟件，對(duì)發(fā)酵溫度控制過(guò)程進(jìn)行功能演示。在初始狀態(tài)時(shí)，設(shè)定溫度為0 ℃。

在設(shè)備工作過(guò)程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集發(fā)酵的溫度參數(shù)，通過(guò)人機(jī)界面顯示，當(dāng)溫度超出范圍要求時(shí)提供警告提示。工作人員通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，以使發(fā)酵過(guò)程達(dá)到預(yù)期效果。在升溫階段，依靠發(fā)酵液分解產(chǎn)生熱量，完成升溫過(guò)程，如圖5（a）所示。在降溫階段，冷媒進(jìn)入反應(yīng)罐，降低發(fā)酵液的溫度，如圖5（b）所示。冷媒控制閥的開閉時(shí)機(jī)以及開度大小由模糊PID控制器根據(jù)溫度差的大小決定。

圖5 啤酒發(fā)酵過(guò)程演示結(jié)果Fig.5 Demonstration results of beer fermentation process

從仿真結(jié)果可以看出，在升溫和降溫階段，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示反應(yīng)罐不同位置的溫度，且溫度變化速度和數(shù)值基本一致，沒有時(shí)滯性，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠有效控制啤酒發(fā)酵溫度變化，控制精度高，響應(yīng)速度快。

3.2 測(cè)試

為檢驗(yàn)溫度控制的精度，將系統(tǒng)用于該設(shè)備的溫度控制過(guò)程，環(huán)境溫度為8 ℃，在24 h內(nèi)每隔2 h對(duì)反應(yīng)罐的上、中、下3個(gè)位置的溫度進(jìn)行測(cè)量及記錄。不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的設(shè)定溫度分別為10，12，12，12，6，6，6，6，2.5，-1，-1，-1 ℃。為驗(yàn)證控溫系統(tǒng)的精度，在自動(dòng)測(cè)量溫度的同時(shí)，采用人工使用紅外測(cè)溫儀對(duì)相同位置進(jìn)行測(cè)溫，并與系統(tǒng)顯示的溫度進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 溫度測(cè)試結(jié)果Tab.6 Temperature test results

結(jié)果顯示：基于PLC的啤酒發(fā)酵溫度模糊PID控制系統(tǒng)能夠有效控制發(fā)酵溫度，與人工紅外測(cè)溫?cái)?shù)值非常接近，最大誤差的絕對(duì)值僅為0.4 ℃，控制精度達(dá)到95%以上。所用控制方法魯棒性好、控制精度高，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可行、有效，能夠滿足使用需求。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)一種基于PLC的啤酒發(fā)酵溫度模糊控制系統(tǒng)，利用仿真和試驗(yàn)測(cè)試的方法進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠有效控制啤酒發(fā)酵溫度變化，系統(tǒng)控制精度高，響應(yīng)速度快。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有魯棒性好、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。研究有較好的理論價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可以對(duì)啤酒發(fā)酵進(jìn)行溫度控制。