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：该模块定义了系统中使用的数据库， 分为5 个子数据库： 实时数据库、工艺数据库、任务数据库、用户数据库、操作日志数据库。其中实时数据库实时保存系统的一些重要信息， 这样即使系统非正常掉电情况下， 重启动系统也能恢复系统的执行状态。
数据发布：该模块保存着当前各发酵罐的过程数据， 并提供生产管理层计算机的访问的接口。
4．3 生产管理层软件　
生产管理层计算机软件提供不同职能部门对啤酒发酵过程中的不同信息(即数据库) 进行管理的用户接口。可分为下列5 个模块：
用户管理：用于管理监控调度层用户和操作权限。
日志管理：对监控调度层操作日志查看删除。
工艺管理：该对发酵工艺的查看、编辑、修改、删除等功能。
人机接口：该模块提供对各发酵罐当前过程数据及一些状态的显示。
数据发布：向Internet 提供远程发布接口。

5结束语
一种新的性能优良、稳定性高、符合现代工业控制要求的工业控制器的诞生，不仅会提高工业控制系统的性能，还会给工业控制提供一种新的控制方式和新的控制系统体系。WinCon8000体现了现代控制系统对控制器的要求。他集PLC与PC于一体，符合现代控制系统网络化的要求。本系统便是其中一个较为典型的应用实例。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