SIEMENS BRAUMAT 系统在百威啤酒扩建项目中的应用

[摘 要]：在武汉百威啤酒扩建项目中，采用了SIMENS BRAUMAT控制系统。BRAUMAT控制系统在啤酒饮料过程控制行业中的稳定性、开放性、灵活性及强大BATCH&RECIPE功能在该项目中得到了充分体现。本文简要介绍了该项目的系统结构及组态，并结合啤酒控制的工艺特点，对控制系统控制策略进行了必要的阐述。 关键词：BRAUMAT BATCH控制 顺序链 配方 1 前言 Braumat控制系统是SIEMENS专门面向食品饮料等过程控制行业开发的全集成控制系统。在现场控制层采用现场总线的控制方式，通过工业以太网与Braumat系统进行数据的交换。该系统具有强大的Batch&Recipe功能，针对食品饮料行业的工艺特点，将每部分的控制都包含在一个个的顺序链中，使得操作人员的工作非常有针对性且易操作。同时，Braumat系统具有良好的数据记录功能，通过所对应的Batch&order No．，可以查询每个顺序链中每步每个参数的历史记录，为工厂数据管理和错误原因查找提供了平台。Braumat还提供了数据导出功能，可以将系统中的数据在以太网层提供给其它系统，这就为建立ERP／MES系统提供了数据来源，可以更好的实现生产级到管理级的整个信息系统最优化。 2 项目介绍 武汉百威啤酒有限公司是由美国安海斯-布希啤酒有限公司全额投资，生产百威系列品牌啤酒。近几年，武汉百威在中国的销售量不断上升，原有产量已不能满足要求。扩建工程分为两期，一期已于2004年12月投入使用，产量由25万吨／年提高到32万吨／年；二期将于2005年12月底投入运行，产量将近一步提高到40万吨／年。 3 Braumat控制系统介绍 武汉百威的两次扩建由德国Zimmer公司提供工艺，由SIEMENS提供Braumat控制系统，整个酿造系统可以分为糖化和发酵两大部分。糖化部分完成的功能是将大麦原料通过粉碎，加湿，糊化，过滤，煮沸，回旋沉淀，冷却后将麦汁送到发酵；发酵部分完成的功能有麦汁发酵，离心，冷却，过滤，添加，稀释，最后将新鲜啤酒送到包装去。 针对控制对象的特点及结合以前系统，在糖化工段添加了一个CPU416-2，在发酵工段添加了三个CPU416-2和一个CPU315-2，整个新增系统的I／O超过3000点，系统结构如图3-1所示。 3．1 PLC层的控制 在PLC层，系统硬件配置和所有的标准SIEMENS项目一样进行；对PLC软件上采用STEP7／STEP5来进行编程的。有所不同于标准的STEP7／STEP5项目，Braumat系统已经预先在STEP7／STEP5项目中写好了一定的结构。工程师只需在相应的块中来进行开发，而且不需要考虑系统块与块的之间的关联，大大简化了开发的周期。同时，为系统维护带了极大的方便。在进行编程时，需要考虑到的是由于系统事先对结构进行了定义，一些块号以及中间变量是被系统定义过的，如果用户使用不当，会带来些意外的后果。这里将对一个Sequ(顺序链)和一个BOP(执行步骤)的结构进行介绍，以期有帮助性的了解。 我们知道在标准的STEP7项目中，FB1030是可以被编程者生成并进行调用的。但在Braumat系统中，FB1001-FB1064被系统定义成了64个Sequ，不能由编程者来生成。同时，它们由系统在每次扫描OB1时，由系统自动调用。在Network1中，可以看到M643．5被系统定义成了SEQU30的满足运行条件标志位，当该标志为TRUE时，该顺序链才允许被运行。编程时，可以根据工艺的要求，来对条件进行增减以满足控制要求。在Network2，3中，M101．4被系统定义成BOP是否以运行的标志位。在有些情况下，某些控制需要在BOP执行之前完成，某些控制需要在BOP执行之后来完成。另外，根据工艺要求，可以在该FB中添加具体的控制语句来实现最终的要求。 3．1．2 BOP的结构 在Braumat控制系统中，FC1001-FC1999这999个FC块被系统定义成BOP。编程时，不必考虑一个Sequ中，BOP之间的连接转移问题，在每一个BOP中，只需要编写该步骤中具体的控制细节。但这里需要注意的是，在BOP的结构中，最后一个Network是被作为该BOP的结束段落。如果该段落最后的RLO结果为True，系统则认为该BOP已经执行结束，从而转到下一个BOP中去执行。 同时，Braumat系统还提供了许多常用的功能，预先封装在了相对应的块中，使得编程者不需要进行这些重复性的劳动，只需结合Braumat系统，进行相对应的配置即可获得。这种结构，使得编程时，不用考虑系统结构的搭建，只需对具体工艺细节来进行编写；同时，还为程序的编写，提供了很大的灵活性，稳定性。 3．2监控层的控制 在上位监控机上，Braumat控制系统通过工业以太网与多个PLC进行通讯。Braumat系统在结构上可以分为系统功能部分和系统通讯部分，如图3-2和图3-3所示。系统功能部分包括画面监控、配方编辑、顺序链控制、批次表的编写、历史数据库编辑、Batch纪录、系统设定等；系统通讯部分包括Sever与PLC的数据通讯，以及Sever与Client之间的数据通讯。无论Sever还是Client，系统在运行时，两个部分都必须保持运行状态。整个控制系统一般包括一个Sever、一个Standby Sever及多个Client。 3．2．1 Barumat系统中的BOP、SEQU、RECIPE之间的衔接 BOP所指的是每一个具体的控制步骤，对某个设备的控制可以在这里来完成；多个BOP组成一个SEQU(顺序链)；配方可由一个或多个SEQU来构成。三者之间的数据流如图3—4所示。 针对食品饮料行业基本上都是过程控制的特点，可以把每一段工序编写成一个SEQU来进行控制。同时配方系统将这样多个SEQU连接在一起，组成一个配方。这样当地一个顺序链启动后，根据配方的组成，在相应的BOP，相对应的顺序链将会自动启并保持一致的Batch No．&Order No．直至最后一个Sequ的BOP执行完毕，如图3-5所示的是一个糖化工段的部分配方。这里需要注意的是，在第一个Sequ中必须包含一个STATR步骤以及在最后一个Sequ中包含一个END步骤。这两个步骤不需要编写具体程序，只是作为一个配方的开头和结尾标志。 对于不同的品牌，需要不同的配方来进行控制。其中，可能有很多BOP，甚至Sequ是一致的，只是在某些参数的控制点上有所不同。Braumat系统的配方编辑功能提供了重复使用Bop及Sequ的功能，在设定默认参数时，采用不同的数值来达到控制的要求。如图3-6所示的是一个配方中的参数化，根据不同的品牌，用户可以设定不同的参数来进行控制。在每一个BOP中，最多可以有13个参数参与其中的控制，并可以依据其中的参数作为BOP转移的条件。 3．2．2 Barumat系统运行中过程中监控 Braumat系统除了提供常规的画面监控外，针对过程控制系统顺序链的特点，提供了顺序链监控窗口，使操作人员可以非常直观、简便的看到系统的运行状态及进行操作，如图3—7所示的顺序链监控窗口。 根据用户要求，可以对顺序链进行分类，使得操作、监视更加具有针对性。同时，在顺序链运行时，在下面的参数列表中，针对系统的运行状态，对参数进行修改，以达到控制的要求。 3．2．3 Barumat系统提供的其它主要功能 除了上述的功能外，Braumat系统还提供了以下一些功能： 1)Batch纪录功能。该功能可以纪录系统Sequ运行中每一个BOP的参数设定值和实际值，并提供依据Batch No．和Order No．进行查询。用户依据此功能，可以很容易、快捷的查询到想要看到的运行参数，从而对产品品质了如指掌。 2)批次表编辑功能。该功能允许系统事先设定所需要运行的配方及Batch No．和Order No．并根据实际需要，选择对应的启动方式。包括，立即启动，时间到启动，条件满足启动等多种方式。 3)曲线在线显示功能。在系统运行时，根据归档曲线分组的不同，将相应运行中的曲线进行历史纪录并根据Batch No．和Order No．进行显示。这样的纪录方式，使得系统只在需要纪录时才进行，从而节约了PC及网络资源。 4)常用功能参数化。在底层PLC中，Braumat系统已经预先封装了许多功能块，我们只需在上位监控机上，对不同的功能块进行参数化，即可实现不同的控制功能，从而将其加入到我们的控制中来。这样可以大大缩短我们的开发时间，并为系统的维护带来方便。 4 扩建项目中的问题及解决 4．1新旧系统中的兼容性 扩建之前的系统是1998年完成的，且底层全部采用S5的控制系统。此次扩建均采用S7，这就造成了数据格式的不统一。在进行某些数据处理时，需要对其进行S5到S7或S5到S7的转化。另外，以前系统中只有S5之间的数据通信。加入S7后，涉及多个S5与S7之间及S7、S5与Braumat系统的通信。这就要求不但要在新加入的S7中进行通信定义，还需要对以前S5的通信定义进行修改，最后通过在Braumat中的参数化进行对应的配置，来实现相互的数据通信。 4．2 Braumat系统的优化以达到最佳的控制策略 在该项目中，控制基本采用顺序链的方式进行。如何最大限度的对配方进行优化，达到最佳的生产效果，是工厂最为关心的问题之一。为了满足这个要求，我们结合工艺特点，通过对比测试，对顺序链的启动点进行适当调整；同时，对每一个：BOP的参数进行优化，在其运行<