精酿啤酒生产控制系统分析设计

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【摘要】精酿啤酒处于快速发展趋势，具有广阔的市场空间。本文针对精酿啤酒生产小型化、个性化、间歇性、简易化等特点，进行精酿啤酒生产对控制系统的需求分析，提出控制系统应具有的基本功能和特有功能，并介绍一种以触摸屏和PLC为基础的小型控制系统设计方案，为精酿啤酒糖化生产控制系统的研制奠定基础。

【关键词】精酿啤酒；需求分析；功能介绍；触摸屏；PLC；设计方案

近年来，在啤酒产量总体趋于饱和的形势下，作为啤酒市场高端产品的精酿啤酒却处于快速发展的趋势[1]，但国内精酿啤酒行业仍处于起步阶段，国家对精酿行业的规范程度仍较低，其工艺技术和酿造设备均未形成较统一准入标准，其自动化程度和控制性能也各不相同[2]。本文将针对精酿啤酒生产的特点，分析生产对控制系统的要求，提出控制系统应具有的基本功能和特有功能，并介绍一种小型控制系统设计方案。

1需求分析

相较于工业啤酒，精酿啤酒的生产主要有小型化、个性化、间歇性、简易化、高可靠等特点[3，4]。（1）小型化。精酿啤酒一般生产量在年产量在1000吨以下，均产自小型的生产线，目前国内主要分布在餐馆、酒吧、西餐厅、娱乐城和高级酒店，以自给自足和内部消费为主[3]。小型的生产线一般具有占地少、设备小巧精致的特点，其对控制系统的要求自然也是结构简单和占地小。（2）个性化。精酿啤酒生产设备因规模小、使用方法灵活，其在酿造品种的多样化具有一定优势，同一套设备可根据需要酿造多种口味和风味的鲜啤，如香气袭人的小麦啤酒、厚重的黑啤酒、琥珀啤酒，水果啤酒等等[3]。为适应精酿啤酒的个性化生产要求，其控制系统应能根据酿造品种自动修改生产控制参数。（3）间歇性。精酿啤酒因个性化生产的需求，一般是按批次间歇性生产，而不是像啤酒工厂一样连续生产，故其控制系统应能满足开关机时间短和分步间歇操作等要求。（4）简易化。精酿啤酒生产设备的操作人员多为身兼数职，而非专职人员，故控制系统的操作界面应简单且易于操作，提示信息应清晰准确。（5）高可靠。精酿啤酒生产单位一般缺少专业的维修人员和检修流程，故对设备的可靠性有比较高的要求，控制系统应具有可靠性高、环境适应性强、维护简便等特点。根据精酿啤酒的主要特点，精酿啤酒生产控制系统应从结构简单、性能可靠、操作简便、易于维护、适应个性化生产等方面进行方案设计。

2系统功能

为实现对精酿啤酒生产过程的实时监测和自动控制，以及针对精酿啤酒的生产特点，其生产过程控制系统应具有以下功能：

2.1数据采集

作为基本功能，系统应能采集、监测和显示生产过程中的实时数据，并对关键数据进行记录和存储。实时采集的数据主要包括温度、液位、流量及阀位信号。温度信号主要为热水罐温度、糖化锅温度、煮沸锅温度、冰水温度、冷却后麦汁温度、冰水罐温度、发酵罐温度、CIP清洗液罐温度；液位信号主要为热水罐液位、煮沸锅液位；流量信号主要为热水罐进水流量、糖化锅进水流量、煮沸锅进料流量、麦汁流量；阀位信号主要为各电动阀的阀位反馈。系统I/O采集点数如表1所示。 

2.2自动控制

作为基本功能，系统应能按设定程序、时间或操作指令自动执行生产流程，并能按生产设定自动调节，控制温度和温升速率，以减少人工操作、提高控制精度和控制产品品质。主要自动控制功能应包括：（1）热水罐温度控制；（2）糖化锅温度控制；（3）糖化升温控制；（4）煮沸锅温度控制；（5）麦汁冷却控制；（6）糖化过程顺序控制；（7）CIP清洗过程顺序控制。

2.3暂停和跳转

精酿啤酒一般是按批次间歇性生产，每批生产过程一般为5~8个小时，操作人员经常为非专职人员，在生产过程中可能会遇到各种突发状况，如：操作人员需要临时离开、生产过程中意外停电、生产任务紧急取消等。为满足灵活生产的需求和应对生产过程中的突发状况，系统应具有在生产过程中随时暂停、恢复和终止生产的功能，也应具有直接跳转至某个中间生产过程的功能。（1）暂停。当操作人员点击人机界面上的『暂停』按钮后，系统可暂停整个生产过程，进入暂停状态，所有设备均应保持暂停前一刻的状态，顺序控制子系统也应停留在当前流程，不会自动进入下一流程。（2）恢复。系统处于暂停状态时，当操作人员点击人机界面上的『恢复』按钮后，系统可从暂停前状态进入并继续生产，顺序控制子系统也应恢复正常。（3）终止。当操作人员点击人机界面上的『终止』按钮后，系统可直接终止本批次生产任务，进入待机状态，所有设备也应恢复至初始状态。（4）跳转。当系统处于待机状态时，操作人员点击人机界面上的『跳转』按钮后，系统可直接跳转至顺序控制中的某个流程，无须按部就班从第一步开始一步一步执行。

2.4人机对话

精酿啤酒的生产过程一般为半自动，中间某些过程需要操作人员手动执行或人工干预，对于非专职的操作人员来说，良好的人机对话，可提高系统的可操作性，是系统的重要功能。系统的人机对话可分为操作提示、人工选择人工确认三类。（1）操作提示。当某些过程需要手动操作时，人机界面应能弹出提示框，以提示和指导操作人员进行相关手动操作。比如：当糖化温度达到要求时，系统应提示操作人员手动添加酒花。（2）人工选择。当某些过程需要人工选择时，系统应能弹出选择对话框，以便操作人员来选择。比如：当完成第一次洗糟后，操作人员可根据个人口味和第一次洗糟的情况选择是进行二次洗糟还是结束洗糟流程，此时系统应弹出选择对话框。（3）人工确认。当某些过程需要人工确认时，系统应能弹出确认对话框，以便人工确认某些条件已满足可进行下一步操作，或以防误操作而让操作人员再次确认选择和操作。比如：当操作人员点击『终止』按钮后，系统应弹出“是否要终止当前生产过程”的确认对话框，以防操作人员误操作。

2.5报警联锁

对于生产过程中设备故障、操作失误和实时数值超限等，系统应能及时发出警报，提醒操作人员注意或检查。系统的报警可分为过程值超限报警、参数超限报警、设备故障报警、操作失误报警、系统故障报警。（1）过程值超限报警。当过程参数实时值超过报警设定值时，系统应发出警报提示。如：当热水罐液位超过高报值时，系统报警。（2）参数超限报警。当修改仪表或控制参数时，若输入的数值超出该参数的范围，系统应发出提醒。如：水泵手动频率修改为100Hz时，系统判断其数值超过0~50Hz的范围则发出提醒。（3）设备故障报警。当系统直接检测到设备故障时，系统应发出警报，如变频器故障。当系统间接判断出设备故障时，系统也应发出警报，如：系统发送关闭电动阀门指令后一段时间内未能检测到阀门关到位的反馈信号，系统应判断其设备发生故障并发出警报。（4）操作失误报警。当系统成功执行某项控制指令，但未达到预期效果时，系统应发出警报，如：系统打开了热水罐进水电磁阀，但没有检测到进水流量，则可能是进水总阀未按要求操作规程提前手动打开或检查导致，系统应发出警报并提示相应检查。（5）系统故障报警。当控制系统检测到自身故障时应发出报警和显示故障代码，以便联系技术人员和准确锁定故障原因，快速排除故障。当某些故障和报警发生时，系统除了发出警报提醒外，还应自动执行联锁动作以保护生产和设备的处于相对安全状态，从而避免造成事故的发生。如：当热水罐液位高报时，系统可联锁关闭进水电磁阀而避免热水罐的跑冒发生。

2.6生产配方

精酿啤酒的生产涉及的控制参数有很多，而不同品种啤酒的酿造过程需要不同的控制和设置参数，为避免更换品种时人工修改参数这种繁琐且易错的操作，系统应具有批量修改参数的配方功能。当需要酿造其他品种的啤酒时，操作人员可通过人机界面选择该品种对应的配方，系统根据该品种配方的数据批量修改生产控制参数，并酿造出对应品种的啤酒。系统允许技术管理人员通过人机界面修改、保存生产配方。此外，系统还应具有按生产配方自动记录生产批次和分类统计产量的功能。

3系统设计

3.1系统结构

精酿啤酒生产控制系统由上位机、下位机、现场仪表及设备、以太网通讯等组成。控制系统结构图如图1所示。

3.1.1上位机上位机人机对话界面选用和利时新一代大尺寸触摸屏产品，型号为HT8F01T。该产品为高倍色彩显示器，具有高质量立体感的显示、画面细腻真实、处理器稳定高速，适合工业现场应用等特点。

3.1.2下位机下位机选用和利时新一代高性能小型一体化LE系列PLC，完成系统所需的数据采集、生产控制和数据通讯等功能。中央控制器型号为LE5108，自带USB存储卡接口，方便加载用户程序，RS-485接口提供应用程序的下载通道，支持对外部设备的访问和PLC多机互联，功能完善强大[5]。PLC的配置如表2所示。

3.1.3现场仪表及设备现场检测仪表主要有检测温度信号的热电阻、检测液位信号的液位计和液位开关、检测流量信号的流量计，现场控制设备主要有电磁阀、电动阀、水泵、搅拌机、筛板机。

3.1.4以太网通讯LE5403是LE系列PLC的以太网通讯扩展模块，通过以太网交换机连接该模块，可将LE小型PLC作为ModbusTCP从站连接到控制网络中，通讯速率为10/100Mbps自适应。

3.2人机界面

通过对精酿啤酒生产过程的功能需求、控制要求和工艺流程的分析，设计触摸屏上位机监控系统界面，人机界面应由主画面、热水罐画面、糖化锅画面、煮沸锅画面、CIP画面、数据查询画面、曲线查询画面、设置画面等组成[6]。主界面如图2所示，CIP界面如图3所示。

4结束语

近年来，随着工业互联网技术的发展，可在上文所述精酿啤酒生产控制系统的基础上通过增加采集远传设备、租用云服务和借助工业互联网技术，实现智能工业设备远程监控功能和管理服务。该功能和服务既可满足生产企业对提高生产效率、管理水平的要求，也可满足设备制造商对提高设备运维效率和售后服务水平的要求，是精酿啤酒生产控制系统待开发设计的功能之一，是今后精酿啤酒行业设备制造和生产运营新的发展方向，也是系统结合当今科技创新和管理创新技术发展的必然结果。

参考文献

[1]汪慧慧,李庆腾,秦方园,等.精酿啤酒工艺参数的优化研究[J].科技经济导刊,2019,27(32):33-37.

[2]王蕾,薛一鸣,王杰,等.中国精酿啤酒现状及发展[J].现代食品,2020(14):18-20.

[3]刘建.我国手工精酿啤酒发展现状与未来发展趋势[J].吉林工程技术师范学院学报,2015(3):88-90.

[4]徐洋洋.精酿啤酒生产控制系统的设计与研究[D].陕西科技大学,2017.

[5]LE系列可编程控制器硬件手册[S].北京和利时智能技术有限公司,2018.

[6]HT8000使用手册（C版）[S].北京和利时智能技术有限公司,2018.

作者：易豪武 李俊欣 易联成 单位：中国轻工业广州工程有限公司