基于PLC 的啤酒糖化控制系统设计与实现

贾 义，盖国权，王 坤，崔利军，白明明，耿鹏远

（1.内蒙古电力（集团）有限责任公司 锡林郭勒电业局，内蒙古 锡林浩特 026000；2.内蒙古电力（集团）有限责任公司 巴彦淖尔电业局，内蒙古 巴彦淖尔 015000）

随着社会的进步，人对健康越来越重视，烈酒的饮用量逐步减少，取而代之的是啤酒，这样就促进了啤酒行业的迅速发展。啤酒的质量和口味是消费者的首选目标，所以，保证啤酒质量稳定并不断改进技术是赢得企业竞争的必要手段。

目前，我国是世界最大的啤酒生产国，但与世界先进水平相比，我国啤酒的风味、质量与稳定性仍存在一些不足，严重阻碍了我国啤酒行业的快速发展与整体水平的提高[1-2]。本文就某啤酒厂生产自动控制系统的设计经验论述PLC 在糖化工艺中的应用。

1 控制系统的整体构建方案

糖化工艺的主要组成部分有糊化锅、糖化锅、煮沸锅、过滤槽、沉淀槽（三锅两槽），工艺主路线主要由锅、槽、打料泵、各种阀门以及工艺管路组成。

整个过程的特点是：1）各个工序如糊化、糖化、过滤、煮沸以及沉淀是离散的，在时间上还是交叉进行的；2）模拟量较多，如温度、压力等，而且开关量的控制也较多，有搅拌电机、打料泵、各种工艺阀门的控制等，并且二者是相互耦合的控制关系；3）存在难以检测的参数，检测仪表不过关[3]。

由于在整个控制过程中被控数量较多、生产设备较大、工艺管路复杂，为了经常改换生产品种进而满足市场多样化的需求，控制方式需要经常方便灵活地变化，所以，需要通过增加测控系统的复杂性来适应生产工艺的多样性，测控系统的总体结构采用分层式集散控制系统[4-6]，其结构如图1 所示。

2 整体程序结构及控制算法

2.1 程序结构

为了便于程序管理，程序结构采用模块化结构，所有数据都存储在共享数据块中，每个功能可以独立完成自己的控制逻辑，且所有功能在组织块OB35（循环中断组织块）中调用[7-8]，各功能的调用顺序决定整个程序的执行顺序。整体程序结构如图2 所示。

2.2 控制算法

由于在啤酒糖化工艺控制过程中，温度是主要的控制参数，但由于控制设备很庞大，存在很大的纯滞后特性和惯性，从扰动出现到调节过程结束需要相当长的时间。另外生产设备的体积巨大，整个反应过程复杂，数学模型十分复杂，由于Bang-Bang 控制较好地解决了控制偏差较大时的快速跟踪问题，所以系统在设计时，采用的控制算法是Bang-Bang 结合改进PID 算法[9]。这种算法具体可表示为：

图1 糖化过程控制系统的总体结构Fig.1 Overall structure of saccharification process control system

图2 整体程序结构Fig.2 Overall program structure

式中：u（k）为PID 输出的控制信号；umxa为最大开度输出信号；umin为最小开度输出信号；eb为设定的临界值；e（k）、e0分别为误差、死区带。

当偏差大于Bang-Bang 控制设置的临界值时，启动Bang-Bang 控制实现快速跟踪，当偏差小于临界值时，采用常规的带死区增量式PID 算法进行控制。

3 糊化锅的控制

温度控制是糊化锅控制的主要任务。糊化锅一般采用常压敞口容器，为了检测和控制糊化锅内物料的温度，在锅体上安装铂电阻和3个夹套加热带，用加热蒸汽调节阀配合气动球阀共同控制锅内物料的温度，蒸汽为热源。由于糊化锅的体积较大，具有大时滞性和非线性的特点[10]。

温度控制曲线呈折线形的，最高温度较高，可达（甚至超过）100 ℃，如果控制不当的话会产生溢锅现象，而且整个升温过程和所需时间都有严格的要求，为了在升温过程中使醪液的温度分布均匀且避免溢锅现象的发生，应把搅拌开到最大。

3.1 糊化锅所需的控制信号及控制方法

糊化锅一共有34个控制点，其中用于控制开关阀泵的信号有12 点，用于反映设备运行状态的检测信号有12 点，1个糊化锅报警灯的控制信号，锅体照明灯，1个液位开关检测信号，控制蒸汽调节阀的输出，控制变频器的信号，检测搅拌电机的运行状态，1个倒醪泵控制信号，糊化锅内醪液温度和液位的检测以及对供汽管路的压力检测。

对糊化锅内醪液的温度控制是糊化锅的主要控制任务。体积大是糊化锅的特点，在整个控温过程中必然会表现出很大的惯性[11]，因此，常规的PID 控制不能满足时间要求，并且超调也很大，考虑到这个问题，系统采用控制蒸汽调节阀后压力恒定的办法，用压力变送器检测蒸汽调节阀后压力，同时采用设置的提前量对调节阀提前保持上一次开度的办法，这样就使整个升温过程平稳，并且大时滞性也得到了较好的解决，对蒸汽调节阀的控制框图如图3 所示。

图3 糊化锅温度控制框图Fig.3 Block diagram of mash copper temperature control

图中：r′（k）为蒸汽压力给定值；e′（k）为给定蒸汽压力与检测阀后蒸汽压力的偏差值；r（k）为糊化锅温度给定值；e（k）为给定糊化锅温度与检测糊化锅温度的偏差值；u（k）为调节控制后的调节阀的开度；u′（k）为调节控制后的阀后蒸汽压力；c（k）为调节阀动作后糊化锅内的温度值。通过上位机设置的给定值对搅拌电机进行控制。

3.2 模块的选择

糊化锅、糖化锅的控制和部分检测模块安装在3 号子站中（3 号子站指的是该子站的IP 地址是3，即名称为PCB01的子站），其中，糊化锅液位信号和糊化锅蒸汽管道压力信号连接本站8 路的模拟量输入模块；蒸汽调节阀的控制信号连接本站4 路的模拟量输出模块；糊化锅温度信号连接在4 号子站（即PCB02）8 路的RTD 模拟量输入模块；变频器控制信号连接在8 号子站（即CC01）4 路的模拟量输出模块；本站中阀门、电机和报警灯控制信号选用32 路数字量输出模块；用于反映阀门和电机等设备的状态信号的模块选用32 路数字量输入模块。所以，用于糊化锅的控制的模块为：1个32 路的DO 模块、1个32 路的DI 模块、1个8 路的AI 模块和1个4路的AO 模块。

3.3 控制流程

糊化锅的控制主要包括启动糊化锅、米浆受入、加热、保温、煮沸、合醪出醪、冲水出料、排污、检测、结束几个步骤。在时间中断组织块OB35 中，只要时间到，系统就会自动调用一次糊化锅的控制块FC101，并且依次扫描每个步骤的信号状态，只要符合条件，该工艺步骤的操作就会被执行。糊化锅的整体控制流程如图4 所示。

图4 糊化锅控制流程图Fig.4 Flow chart of mash copper control

4 控制效果

以糊化锅为例，采用以上的控制算法，在上位机的监控软件中获得的历史曲线如图5 所示，图中褐色的曲线为糊化锅的实际温度曲线，黑色曲线为糊化锅工艺设定的温度曲线。由于糊化锅的体积较大，属于惯性环节，存在着较大的滞后性。在图中，控制曲线升温过程比较平缓，且跟踪效果良好，只是跳段时出现的超调量相对较大，但是控制的效果可以很好地满足控制工艺的要求。

图5 糊化锅温度控制效果曲Fig.5 Effect curve of mash copper temperature control

5 结束语

本系统是以PLC为基础且结合理论比较成熟的DCS 系统，控制算法采用Bang-Bang 结合改进PID 算法。本系统的出发点考虑到实际生产应用，并没有深入地分析、研究控制系统的结构特点和数学模型。现场总线系统FCS 在稳定性和独立性方面占很强的优势，控制系统的设计上表现出了极大的发展潜力，都占有一定的优势。在控制算法上，学习能力很强，参数易于整定，该论文可以向这个方向进行改进。

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