泓格WinCon8000在啤酒发酵控制系统的应用

摘要：啤酒发酵是啤酒生产过程非常重要的环节，特别对发酵过程中温度、压力的控制尤其重要。应用泓格公司新近面世的WinCE－Based，集PLC与PC于一体的Wincon8000作主控器，构成了一基于工业Ethernet的分布式网络控制系统。系统的研制可提高自动化程度和集成各种信息，控制生产工艺。具有可靠性高，性能高，分散控制，集中监视和管理功能。该系统采用上、下位微机协调监控的控制方案，由系统工程师站和现场控制站组成，对全厂发酵罐实行全自动控制。生产实践证明，该系统抗干扰能力强，运行稳定，用户界面友好，可在啤酒行业推广应用。 1  概述 我国是啤酒生产和消费大国，几乎每个城市均有啤酒厂，发酵是影响啤酒工业产品质量的重要因素， 对它的控制一般通过控制发酵温度来实现。由于该过程具有非线性、时间滞后和大惯性等特征， 发酵过程的精密控制是自动控制领域的较难解决问题之一， 不断地随着控制领域新技术新方法的涌现而改进。控制技术是控制方法实施的物理载体， 改进啤酒发酵生产过程控制是酿造业技术进步的有效措施，它可以在不增加原材料及动力消耗的前提下，增加产品产量、提高产品质量，同时还可以减轻劳动强度、改善工作条件、提高发酵工艺水平及生产管理水平。因此，啤酒优化发酵控制具有很大的应用价值。通常，酿造业的发酵是在密闭的容器(罐)中进行的，每个罐的控制点数相对集中，但数量不多，而一个啤酒酿造厂一般有多个发酵罐，且分布又比较广，为避免系统资源浪费，采用基于工业Ethernet的方式的NCS（网络控制系统）是其最佳的选择。目前，用于啤酒发酵控制的主控器一般采用PLC，但由于传统的PLC实现基于Ethernet的连接不仅困难，而且PLC的工业Ethernet接口模块价格较高，使控制系统的经济性受到了一定了限制，而基于PC的控制系统由于Windows（含WinCE）以及Linux操作系统对工业Ethernet的支持，使得PC—Based的NCS系统变得十分简单。但由于PC特殊的架构，使得基于PC的控制系统在现场级应用受到了一定的限制。泓格公司的Wincon8000是一款PC－Based的PLC，即其操作系统使用的易于使用的WinCE，而硬件架构是基于PLC的，他即PLC与PC于一身，兼具PLC和PC的特点，是啤酒发酵控制系统主控器较为理想的选择。 2  啤酒发酵控制策略与方案 对发酵过程中温度、压力、液位、周期等工艺参数进行全方位检测控制。为了使罐内酒液循环并有利于不同发酵期的酵母沉淀，一般采用分三段间冷方式，控制罐内酒液温度，使之形成自上而下的温度梯度。在上、中、下分别设有温度检测点。实践证明，三段冷媒入口装设分配阀，并适当调节分配比，只以中段温度为被控参数，并控制冷媒于管入口总流量可以达到工艺提出的控制要求。 按啤酒发酵工艺要求，整个发酵过程的温度控制在不同发酵时期是不同的，一般为7～8段折线。其中从12℃保温向9℃下降的转折点取决于酒液残糖量而不取决于发酵时间。但目前国内尚无适合啤酒发酵生产的在线分析仪－糖度计，此系统具有时间坐标可移动的功能，与取样分析相结合，实现糖度控制的要求。 为了保证贮酒在不同阶段的温度设定值，设有温度的上下限报警，为了保证罐内压力在不同阶段的压力设定值，设有压力的上下限报警。每个罐设有液位指示，可以作为装酒和成品计量用，还可以了解整个发酵过程的液位变化。整个系统还设有仪表断线报警、电源掉电报警，系统异常报警使与子自动切换。 由于发酵过程中的生化反应是大惯性、时变强非线性耦合的多输入多输出， 要求控制平稳，以免控制不当造成微生物死亡，而贮酒阶段控制温度又很接近啤酒的冰点， 及易造成啤酒罐壁结冰。在正常生产中， 温度传感器经常出现一些“故障”， 如由于当发酵罐中啤酒液面下降时上温度点时常会暴露在空气中， 当发酵温度过低时空气中的水蒸气凝结在传感器上等，这些都会使温度测量不准确，这就要求控制器有容错控制的能力。为了实现啤酒发酵的有效控制，保证贮酒在不同阶段的温度设定值，对其温度控制采用图1所示的温控策略。其控制方案见图2所示。温度控制测点见图3所示。 3 控制系统设计 整个控制系统采用分布式的控制策略方式，每个现地控制单元以泓格Wincon8000为主控制器，并采用工业Ethernet作为数据传输载体，构成了以工业Ethernet的NCS系统

3．1 现地控制单元 � 主控制器：根据啤酒发酵控制对现地控制单元的要求，选择WinCon－8331－G紧凑型嵌入式控制系统。WinCon-8000具有信号模块插槽，与PLC等控制器相同的架构，主机为PC硬件及WinCE操作系统，如此巧妙地变成使用PC的环境，但是具有PLC控制信号的功能，此为一机两面的“PC＋PLC”组合体。信号模块包含模拟量信号（Analog）、开关量信号（Digital）等多种规格的产品。泓格公司对于这些信号模块提供SDK的链接库，信号控制的设计就是读取及写入等两种指令，如同有关档案数据处理也是Read、Write等指令一样的简单易用。原本控制信号是要透过PLC来控制，如今WinCON-8000为PC的架构，设计方式当然就是使用PC的程序语言。在WinCon8000内部预装Windows CE.NET，可以使控制系统非常容易的使用Microsoft　Embedded Visual C  ，Visual Basic.NET或是Visual C#来开发控制应用程序。由于Windows CE. NET是个强实时系统，它支持处理不同等级的优先权转换，并给这一等级提供确定的控制，就象PLC一样。此外，Windows CE. NET较传统的PLC系统而言有一系列的优点，包括网络通讯，图形用户界面，信息处理，大容量存储管理，支持标准的PC接口和编程的易用性等。Windows CE.NET加上PLC的强实时特性，就产生了一个强有力的控制解决方案。WinCon-8000系列是一个无盘的实时控制平台，它是传统的PLC和Windows PC机的强强整合体。 模拟量控制模块：ICPDAS I-8017MR 8K模拟量输入模块 � 单通道查询模式：100KHz； � 8通道扫描模式：8KHz； � .输入带宽：40KHz； � 分辨率：14位； � .输入类型：差分； 目的：主要实时采集啤酒发酵罐的温度、压力、液位等状态信息。 开关量控制模块：ICPDAS I-8042 8K开关量模块 � 开关量输入通道数：16Chans； � 开关量输入通道数：16Chans； � 3750V隔离(外供电)； � .集电极开路输出：125mA/通道； � .响应时间：最快0.1ms； 目的：实时控制阀的开启与关闭，实时监测液位的报警液位等。 定时/计数模块：ICPDAS I-8080 8K计数/频率模块 � 输入频率：0.3～1KHz(频率模式)、.最大5KHz(计数模式) 目的：实时控制发酵周期。    整个分布式啤酒发酵控制系统的示意图见图4所示。

3．2  中控室设备    中控室啤酒发酵监控中心采用轮巡方式对12个啤酒发酵罐的现地控制单元进行扫描通信，获取12个啤酒发酵罐的实时状态控制参数，并对其实时判断，并可对12个Wincon8000的运行状态及其健康状态进行实时监测。泓格公司提供了Wincon8000的上位机OPC服务，因此程序设计变得十分简单。中控室的监控中心采用Windows2000 Server，并采用SQL Server数据库管理技术，并可与企业的MIS系统进行无缝连接。 4  控制系统软件设计 啤酒发酵过程监控系统软件模块及功能的划分如图5所示， 可以分为3 部分： PLC 软件、监控调度层软件、生产管理层软件。

4．1 WinCon8000 软件 按照调度监控层下达的工艺控制发酵罐的温度， 程序可以分为5个模块：  数据采集：该模块采样发酵罐的传感器数据，进行滤波并和标读变换。  工艺进度：该模块根据发酵工艺、传感器数据和系统时间， 判断发酵的进度。  温度控制：按照所处工艺段的工艺温度以一定的控制率控制阀门的开关。  故障诊断：该模块主要实时的诊断WinCon8000模块的故障， 传感器的典型故障。  网络通讯：该模块负责与监控调度层计算机通讯， 处于被动通讯方式。 这部分的设计，主要在基于WinCE的操作系统中，利用Embedded Visual C  开发工具，利用泓格公司提供的API和控制I/O的DLL完成对模拟量输入模块、数字量输入/输出模块以及通信的功能。按照图1的温度控制策略以及图2的温度控制方案实施对啤酒发酵过程的实时监控，并将实时控制参数、实时监测结果以及对Wincon8000的某些特性监测，如电源、通信等状态信息通过工业Ethernet接口实时上传到中控室内。温度控制采用模糊加权PID控制方法。模糊加权PID控制器由两级控制器组成，上一级为模糊加权控制器，下一级为PID 控制器，模糊加权PID温控系统的结构框图如图5所示。图中的PID控制器直接对被控对象实施控制，而模糊加权控制器则用来在线调整PID 参数，使PID控制器具有自适应能力，增强系统的鲁棒性。模糊加权PID控制策略见图6所示。

图6：模糊加权PID温控系统的结构框图 4．2  控调度层软件　 监控调度层计算机软件是操作员监控发酵过程的操作平台。程序分为5 个模块：  任务调度：实现发酵任务的在线调度， 给发酵罐下达发酵任务。  人机接口：实现显示发酵过程实时数据， 执行工艺数据文件、定时过程数据发布、定时查询工艺状态有无变化及其处理、定时保存数据、发布命令及处理、定时预命令查询、用户登录及权限校验、系统重启动初始化、生成控制命令操作日志。  监控日志：把操作工人的在监控层的操作生成操作日志保存。  数据管理：该模块定义了<< p="">