泓格WinCon8000在啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)的應用

摘要：啤酒發(fā)酵是啤酒生產(chǎn)過程非常重要的環(huán)節(jié)，特別對發(fā)酵過程中溫度、壓力的控制尤其重要。應用泓格公司新近面世的WinCE－Based，集PLC與PC于一體的Wincon8000作主控器，構成了一基于工業(yè)Ethernet的分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的研制可提高自動化程度和集成各種信息，控制生產(chǎn)工藝。具有可靠性高，性能高，分散控制，集中監(jiān)視和管理功能。該系統(tǒng)采用上、下位微機協(xié)調(diào)監(jiān)控的控制方案，由系統(tǒng)工程師站和現(xiàn)場控制站組成，對全廠發(fā)酵罐實行全自動控制。生產(chǎn)實踐證明，該系統(tǒng)抗干擾能力強，運行穩(wěn)定，用戶界面友好，可在啤酒行業(yè)推廣應用。

1 概述
我國是啤酒生產(chǎn)和消費大國，幾乎每個城市均有啤酒廠，發(fā)酵是影響啤酒工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素， 對它的控制一般通過控制發(fā)酵溫度來實現(xiàn)。由于該過程具有非線性、時間滯后和大慣性等特征， 發(fā)酵過程的精密控制是自動控制領域的較難解決問題之一， 不斷地隨著控制領域新技術新方法的涌現(xiàn)而改進。控制技術是控制方法實施的物理載體， 改進啤酒發(fā)酵生產(chǎn)過程控制是釀造業(yè)技術進步的有效措施，它可以在不增加原材料及動力消耗的前提下，增加產(chǎn)品產(chǎn)量、提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時還可以減輕勞動強度、改善工作條件、提高發(fā)酵工藝水平及生產(chǎn)管理水平。因此，啤酒優(yōu)化發(fā)酵控制具有很大的應用價值。通常，釀造業(yè)的發(fā)酵是在密閉的容器(罐)中進行的，每個罐的控制點數(shù)相對集中，但數(shù)量不多，而一個啤酒釀造廠一般有多個發(fā)酵罐，且分布又比較廣，為避免系統(tǒng)資源浪費，采用基于工業(yè)Ethernet的方式的NCS（網(wǎng)絡控制系統(tǒng)）是其最佳的選擇。目前，用于啤酒發(fā)酵控制的主控器一般采用PLC，但由于傳統(tǒng)的PLC實現(xiàn)基于Ethernet的連接不僅困難，而且PLC的工業(yè)Ethernet接口模塊價格較高，使控制系統(tǒng)的經(jīng)濟性受到了一定了限制，而基于PC的控制系統(tǒng)由于Windows（含WinCE）以及Linux操作系統(tǒng)對工業(yè)Ethernet的支持，使得PC—Based的NCS系統(tǒng)變得十分簡單。但由于PC特殊的架構，使得基于PC的控制系統(tǒng)在現(xiàn)場級應用受到了一定的限制。泓格公司的Wincon8000是一款PC－Based的PLC，即其操作系統(tǒng)使用的易于使用的WinCE，而硬件架構是基于PLC的，他即PLC與PC于一身，兼具PLC和PC的特點，是啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)主控器較為理想的選擇。

2 啤酒發(fā)酵控制策略與方案
對發(fā)酵過程中溫度、壓力、液位、周期等工藝參數(shù)進行全方位檢測控制。為了使罐內(nèi)酒液循環(huán)并有利于不同發(fā)酵期的酵母沉淀，一般采用分三段間冷方式，控制罐內(nèi)酒液溫度，使之形成自上而下的溫度梯度。在上、中、下分別設有溫度檢測點。實踐證明，三段冷媒入口裝設分配閥，并適當調(diào)節(jié)分配比，只以中段溫度為被控參數(shù)，并控制冷媒于管入口總流量可以達到工藝提出的控制要求。
按啤酒發(fā)酵工藝要求，整個發(fā)酵過程的溫度控制在不同發(fā)酵時期是不同的，一般為7～8段折線。其中從12℃保溫向9℃下降的轉(zhuǎn)折點取決于酒液殘?zhí)橇慷蝗Q于發(fā)酵時間。但目前國內(nèi)尚無適合啤酒發(fā)酵生產(chǎn)的在線分析儀－糖度計，此系統(tǒng)具有時間坐標可移動的功能，與取樣分析相結合，實現(xiàn)糖度控制的要求。
為了保證貯酒在不同階段的溫度設定值，設有溫度的上下限報警，為了保證罐內(nèi)壓力在不同階段的壓力設定值，設有壓力的上下限報警。每個罐設有液位指示，可以作為裝酒和成品計量用，還可以了解整個發(fā)酵過程的液位變化。整個系統(tǒng)還設有儀表斷線報警、電源掉電報警，系統(tǒng)異常報警使與子自動切換。
由于發(fā)酵過程中的生化反應是大慣性、時變強非線性耦合的多輸入多輸出， 要求控制平穩(wěn)，以免控制不當造成微生物死亡，而貯酒階段控制溫度又很接近啤酒的冰點， 及易造成啤酒罐壁結冰。在正常生產(chǎn)中， 溫度傳感器經(jīng)常出現(xiàn)一些“故障”， 如由于當發(fā)酵罐中啤酒液面下降時上溫度點時常會暴露在空氣中， 當發(fā)酵溫度過低時空氣中的水蒸氣凝結在傳感器上等，這些都會使溫度測量不準確，這就要求控制器有容錯控制的能力。為了實現(xiàn)啤酒發(fā)酵的有效控制，保證貯酒在不同階段的溫度設定值，對其溫度控制采用圖1所示的溫控策略。其控制方案見圖2所示。溫度控制測點見圖3所示。

3 控制系統(tǒng)設計
整個控制系統(tǒng)采用分布式的控制策略方式，每個現(xiàn)地控制單元以泓格Wincon8000為主控制器，并采用工業(yè)Ethernet作為數(shù)據(jù)傳輸載體，構成了以工業(yè)Ethernet的NCS系統(tǒng)

3．1 現(xiàn)地控制單元
·主控制器：根據(jù)啤酒發(fā)酵控制對現(xiàn)地控制單元的要求，選擇WinCon－8331－G緊湊型嵌入式控制系統(tǒng)。WinCon-8000具有信號模塊插槽，與PLC等控制器相同的架構，主機為PC硬件及WinCE操作系統(tǒng)，如此巧妙地變成使用PC的環(huán)境，但是具有PLC控制信號的功能，此為一機兩面的“PC＋PLC”組合體。信號模塊包含模擬量信號（Analog）、開關量信號（Digital）等多種規(guī)格的產(chǎn)品。泓格公司對于這些信號模塊提供SDK的鏈接庫，信號控制的設計就是讀取及寫入等兩種指令，如同有關檔案數(shù)據(jù)處理也是Read、Write等指令一樣的簡單易用。原本控制信號是要透過PLC來控制，如今WinCON-8000為PC的架構，設計方式當然就是使用PC的程序語言。在WinCon8000內(nèi)部預裝Windows CE.NET，可以使控制系統(tǒng)非常容易的使用Microsoft　Embedded Visual C++，Visual Basic.NET或是Visual C#來開發(fā)控制應用程序。由于Windows CE. NET是個強實時系統(tǒng)，它支持處理不同等級的優(yōu)先權轉(zhuǎn)換，并給這一等級提供確定的控制，就象PLC一樣。此外，Windows CE. NET較傳統(tǒng)的PLC系統(tǒng)而言有一系列的優(yōu)點，包括網(wǎng)絡通訊，圖形用戶界面，信息處理，大容量存儲管理，支持標準的PC接口和編程的易用性等。Windows CE.NET加上PLC的強實時特性，就產(chǎn)生了一個強有力的控制解決方案。WinCon-8000系列是一個無盤的實時控制平臺，它是傳統(tǒng)的PLC和Windows PC機的強強整合體。
模擬量控制模塊：ICPDAS I-8017MR 8K模擬量輸入模塊
·單通道查詢模式：100KHz；
·8通道掃描模式：8KHz；
·.輸入帶寬：40KHz；
·分辨率：14位；
·.輸入類型：差分；
目的：主要實時采集啤酒發(fā)酵罐的溫度、壓力、液位等狀態(tài)信息。
開關量控制模塊：ICPDAS I-8042 8K開關量模塊
·開關量輸入通道數(shù)：16Chans；
·開關量輸入通道數(shù)：16Chans；
·3750V隔離(外供電)；
·.集電極開路輸出：125mA/通道；
·.響應時間：最快0.1ms；
目的：實時控制閥的開啟與關閉，實時監(jiān)測液位的報警液位等。
定時/計數(shù)模塊：ICPDAS I-8080 8K計數(shù)/頻率模塊
·輸入頻率：0.3～1KHz(頻率模式)、.最大5KHz(計數(shù)模式)
目的：實時控制發(fā)酵周期。
整個分布式啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)的示意圖見圖4所示。


3．2 中控室設備
中控室啤酒發(fā)酵監(jiān)控中心采用輪巡方式對12個啤酒發(fā)酵罐的現(xiàn)地控制單元進行掃描通信，獲取12個啤酒發(fā)酵罐的實時狀態(tài)控制參數(shù)，并對其實時判斷，并可對12個Wincon8000的運行狀態(tài)及其健康狀態(tài)進行實時監(jiān)測。泓格公司提供了Wincon8000的上位機OPC服務，因此程序設計變得十分簡單。中控室的監(jiān)控中心采用Windows2000 Server，并采用SQL Server數(shù)據(jù)庫管理技術，并可與企業(yè)的MIS系統(tǒng)進行無縫連接。

4 控制系統(tǒng)軟件設計
啤酒發(fā)酵過程監(jiān)控系統(tǒng)軟件模塊及功能的劃分如圖5所示， 可以分為3 部分： PLC 軟件、監(jiān)控調(diào)度層軟件、生產(chǎn)管理層軟件。


4．1 WinCon8000 軟件
按照調(diào)度監(jiān)控層下達的工藝控制發(fā)酵罐的溫度， 程序可以分為5個模塊：
數(shù)據(jù)采集：該模塊采樣發(fā)酵罐的傳感器數(shù)據(jù)，進行濾波并和標讀變換。
工藝進度：該模塊根據(jù)發(fā)酵工藝、傳感器數(shù)據(jù)和系統(tǒng)時間， 判斷發(fā)酵的進度。
溫度控制：按照所處工藝段的工藝溫度以一定的控制率控制閥門的開關。
故障診斷：該模塊主要實時的診斷WinCon8000模塊的故障， 傳感器的典型故障。
網(wǎng)絡通訊：該模塊負責與監(jiān)控調(diào)度層計算機通訊， 處于被動通訊方式。
這部分的設計，主要在基于WinCE的操作系統(tǒng)中，利用Embedded Visual C++開發(fā)工具，利用泓格公司提供的API和控制I/O的DLL完成對模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊以及通信的功能。按照圖1的溫度控制策略以及圖2的溫度控制方案實施對啤酒發(fā)酵過程的實時監(jiān)控，并將實時控制參數(shù)、實時監(jiān)測結果以及對Wincon8000的某些特性監(jiān)測，如電源、通信等狀態(tài)信息通過工業(yè)Ethernet接口實時上傳到中控室內(nèi)。溫度控制采用模糊加權PID控制方法。模糊加權PID控制器由兩級控制器組成，上一級為模糊加權控制器，下一級為PID 控制器，模糊加權PID溫控系統(tǒng)的結構框圖如圖5所示。圖中的PID控制器直接對被控對象實施控制，而模糊加權控制器則用來在線調(diào)整PID 參數(shù)，使PID控制器具有自適應能力，增強系統(tǒng)的魯棒性。模糊加權PID控制策略見圖6所示。


圖6：模糊加權PID溫控系統(tǒng)的結構框圖
4．2 控調(diào)度層軟件　
監(jiān)控調(diào)度層計算機軟件是操作員監(jiān)控發(fā)酵過程的操作平臺。程序分為5 個模塊：
任務調(diào)度：實現(xiàn)發(fā)酵任務的在線調(diào)度， 給發(fā)酵罐下達發(fā)酵任務。
人機接口：實現(xiàn)顯示發(fā)酵過程實時數(shù)據(jù)， 執(zhí)行工藝數(shù)據(jù)文件、定時過程數(shù)據(jù)發(fā)布、定時查詢工藝狀態(tài)有無變化及其處理、定時保存數(shù)據(jù)、發(fā)布命令及處理、定時預命令查詢、用戶登錄及權限校驗、系統(tǒng)重啟動初始化、生成控制命令操作日志。
監(jiān)控日志：把操作工人的在監(jiān)控層的操作生成操作日志保存。
數(shù)據(jù)管理：該模塊定義了系統(tǒng)中使用的數(shù)據(jù)庫， 分為5 個子數(shù)據(jù)庫： 實時數(shù)據(jù)庫、工藝數(shù)據(jù)庫、任務數(shù)據(jù)庫、用戶數(shù)據(jù)庫、操作日志數(shù)據(jù)庫。其中實時數(shù)據(jù)庫實時保存系統(tǒng)的一些重要信息， 這樣即使系統(tǒng)非正常掉電情況下， 重啟動系統(tǒng)也能恢復系統(tǒng)的執(zhí)行狀態(tài)。
數(shù)據(jù)發(fā)布：該模塊保存著當前各發(fā)酵罐的過程數(shù)據(jù)， 并提供生產(chǎn)管理層計算機的訪問的接口。
4．3 生產(chǎn)管理層軟件　
生產(chǎn)管理層計算機軟件提供不同職能部門對啤酒發(fā)酵過程中的不同信息(即數(shù)據(jù)庫) 進行管理的用戶接口。可分為下列5 個模塊：
用戶管理：用于管理監(jiān)控調(diào)度層用戶和操作權限。
日志管理：對監(jiān)控調(diào)度層操作日志查看刪除。
工藝管理：該對發(fā)酵工藝的查看、編輯、修改、刪除等功能。
人機接口：該模塊提供對各發(fā)酵罐當前過程數(shù)據(jù)及一些狀態(tài)的顯示。
數(shù)據(jù)發(fā)布：向Internet 提供遠程發(fā)布接口。

5結束語
一種新的性能優(yōu)良、穩(wěn)定性高、符合現(xiàn)代工業(yè)控制要求的工業(yè)控制器的誕生，不僅會提高工業(yè)控制系統(tǒng)的性能，還會給工業(yè)控制提供一種新的控制方式和新的控制系統(tǒng)體系。WinCon8000體現(xiàn)了現(xiàn)代控制系統(tǒng)對控制器的要求。他集PLC與PC于一體，符合現(xiàn)代控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化的要求。本系統(tǒng)便是其中一個較為典型的應用實例。系統(tǒng)的研制可提高自動化程度和集成各種信息，控制生產(chǎn)工藝。具有可靠性高，性能高，分散控制，集中監(jiān)視和管理功能。該系統(tǒng)采用上、下位微機協(xié)調(diào)監(jiān)控的控制方案，由系統(tǒng)工程師站和現(xiàn)場控制站組成，對全廠發(fā)酵罐實行全自動控制。生產(chǎn)實踐證明，該系統(tǒng)抗干擾能力強，運行穩(wěn)定，用戶界面友好，可在啤酒行業(yè)推廣應用