基于PLC 的啤酒糖化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賈 義，蓋國(guó)權(quán)，王 坤，崔利軍，白明明，耿鵬遠(yuǎn)

（1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 錫林郭勒電業(yè)局，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000；2.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 巴彥淖爾電業(yè)局，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000）

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人對(duì)健康越來(lái)越重視，烈酒的飲用量逐步減少，取而代之的是啤酒，這樣就促進(jìn)了啤酒行業(yè)的迅速發(fā)展。啤酒的質(zhì)量和口味是消費(fèi)者的首選目標(biāo)，所以，保證啤酒質(zhì)量穩(wěn)定并不斷改進(jìn)技術(shù)是贏得企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的必要手段。

目前，我國(guó)是世界最大的啤酒生產(chǎn)國(guó)，但與世界先進(jìn)水平相比，我國(guó)啤酒的風(fēng)味、質(zhì)量與穩(wěn)定性仍存在一些不足，嚴(yán)重阻礙了我國(guó)啤酒行業(yè)的快速發(fā)展與整體水平的提高[1-2]。本文就某啤酒廠生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)論述PLC 在糖化工藝中的應(yīng)用。

1 控制系統(tǒng)的整體構(gòu)建方案

糖化工藝的主要組成部分有糊化鍋、糖化鍋、煮沸鍋、過(guò)濾槽、沉淀槽（三鍋兩槽），工藝主路線主要由鍋、槽、打料泵、各種閥門以及工藝管路組成。

整個(gè)過(guò)程的特點(diǎn)是：1）各個(gè)工序如糊化、糖化、過(guò)濾、煮沸以及沉淀是離散的，在時(shí)間上還是交叉進(jìn)行的；2）模擬量較多，如溫度、壓力等，而且開關(guān)量的控制也較多，有攪拌電機(jī)、打料泵、各種工藝閥門的控制等，并且二者是相互耦合的控制關(guān)系；3）存在難以檢測(cè)的參數(shù)，檢測(cè)儀表不過(guò)關(guān)[3]。

由于在整個(gè)控制過(guò)程中被控?cái)?shù)量較多、生產(chǎn)設(shè)備較大、工藝管路復(fù)雜，為了經(jīng)常改換生產(chǎn)品種進(jìn)而滿足市場(chǎng)多樣化的需求，控制方式需要經(jīng)常方便靈活地變化，所以，需要通過(guò)增加測(cè)控系統(tǒng)的復(fù)雜性來(lái)適應(yīng)生產(chǎn)工藝的多樣性，測(cè)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)采用分層式集散控制系統(tǒng)[4-6]，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 整體程序結(jié)構(gòu)及控制算法

2.1 程序結(jié)構(gòu)

為了便于程序管理，程序結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)，所有數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在共享數(shù)據(jù)塊中，每個(gè)功能可以獨(dú)立完成自己的控制邏輯，且所有功能在組織塊OB35（循環(huán)中斷組織塊）中調(diào)用[7-8]，各功能的調(diào)用順序決定整個(gè)程序的執(zhí)行順序。整體程序結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2.2 控制算法

由于在啤酒糖化工藝控制過(guò)程中，溫度是主要的控制參數(shù)，但由于控制設(shè)備很龐大，存在很大的純滯后特性和慣性，從擾動(dòng)出現(xiàn)到調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。另外生產(chǎn)設(shè)備的體積巨大，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜，數(shù)學(xué)模型十分復(fù)雜，由于Bang-Bang 控制較好地解決了控制偏差較大時(shí)的快速跟蹤問(wèn)題，所以系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，采用的控制算法是Bang-Bang 結(jié)合改進(jìn)PID 算法[9]。這種算法具體可表示為：

圖1 糖化過(guò)程控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of saccharification process control system

圖2 整體程序結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall program structure

式中：u（k）為PID 輸出的控制信號(hào)；umxa為最大開度輸出信號(hào)；umin為最小開度輸出信號(hào)；eb為設(shè)定的臨界值；e（k）、e0分別為誤差、死區(qū)帶。

當(dāng)偏差大于Bang-Bang 控制設(shè)置的臨界值時(shí)，啟動(dòng)Bang-Bang 控制實(shí)現(xiàn)快速跟蹤，當(dāng)偏差小于臨界值時(shí)，采用常規(guī)的帶死區(qū)增量式PID 算法進(jìn)行控制。

3 糊化鍋的控制

溫度控制是糊化鍋控制的主要任務(wù)。糊化鍋一般采用常壓敞口容器，為了檢測(cè)和控制糊化鍋內(nèi)物料的溫度，在鍋體上安裝鉑電阻和3個(gè)夾套加熱帶，用加熱蒸汽調(diào)節(jié)閥配合氣動(dòng)球閥共同控制鍋內(nèi)物料的溫度，蒸汽為熱源。由于糊化鍋的體積較大，具有大時(shí)滯性和非線性的特點(diǎn)[10]。

溫度控制曲線呈折線形的，最高溫度較高，可達(dá)（甚至超過(guò)）100 ℃，如果控制不當(dāng)?shù)脑挄?huì)產(chǎn)生溢鍋現(xiàn)象，而且整個(gè)升溫過(guò)程和所需時(shí)間都有嚴(yán)格的要求，為了在升溫過(guò)程中使醪液的溫度分布均勻且避免溢鍋現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)把攪拌開到最大。

3.1 糊化鍋所需的控制信號(hào)及控制方法

糊化鍋一共有34個(gè)控制點(diǎn)，其中用于控制開關(guān)閥泵的信號(hào)有12 點(diǎn)，用于反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)信號(hào)有12 點(diǎn)，1個(gè)糊化鍋報(bào)警燈的控制信號(hào)，鍋體照明燈，1個(gè)液位開關(guān)檢測(cè)信號(hào)，控制蒸汽調(diào)節(jié)閥的輸出，控制變頻器的信號(hào)，檢測(cè)攪拌電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，1個(gè)倒醪泵控制信號(hào)，糊化鍋內(nèi)醪液溫度和液位的檢測(cè)以及對(duì)供汽管路的壓力檢測(cè)。

對(duì)糊化鍋內(nèi)醪液的溫度控制是糊化鍋的主要控制任務(wù)。體積大是糊化鍋的特點(diǎn)，在整個(gè)控溫過(guò)程中必然會(huì)表現(xiàn)出很大的慣性[11]，因此，常規(guī)的PID 控制不能滿足時(shí)間要求，并且超調(diào)也很大，考慮到這個(gè)問(wèn)題，系統(tǒng)采用控制蒸汽調(diào)節(jié)閥后壓力恒定的辦法，用壓力變送器檢測(cè)蒸汽調(diào)節(jié)閥后壓力，同時(shí)采用設(shè)置的提前量對(duì)調(diào)節(jié)閥提前保持上一次開度的辦法，這樣就使整個(gè)升溫過(guò)程平穩(wěn)，并且大時(shí)滯性也得到了較好的解決，對(duì)蒸汽調(diào)節(jié)閥的控制框圖如圖3 所示。

圖3 糊化鍋溫度控制框圖Fig.3 Block diagram of mash copper temperature control

圖中：r′（k）為蒸汽壓力給定值；e′（k）為給定蒸汽壓力與檢測(cè)閥后蒸汽壓力的偏差值；r（k）為糊化鍋溫度給定值；e（k）為給定糊化鍋溫度與檢測(cè)糊化鍋溫度的偏差值；u（k）為調(diào)節(jié)控制后的調(diào)節(jié)閥的開度；u′（k）為調(diào)節(jié)控制后的閥后蒸汽壓力；c（k）為調(diào)節(jié)閥動(dòng)作后糊化鍋內(nèi)的溫度值。通過(guò)上位機(jī)設(shè)置的給定值對(duì)攪拌電機(jī)進(jìn)行控制。

3.2 模塊的選擇

糊化鍋、糖化鍋的控制和部分檢測(cè)模塊安裝在3 號(hào)子站中（3 號(hào)子站指的是該子站的IP 地址是3，即名稱為PCB01的子站），其中，糊化鍋液位信號(hào)和糊化鍋蒸汽管道壓力信號(hào)連接本站8 路的模擬量輸入模塊；蒸汽調(diào)節(jié)閥的控制信號(hào)連接本站4 路的模擬量輸出模塊；糊化鍋溫度信號(hào)連接在4 號(hào)子站（即PCB02）8 路的RTD 模擬量輸入模塊；變頻器控制信號(hào)連接在8 號(hào)子站（即CC01）4 路的模擬量輸出模塊；本站中閥門、電機(jī)和報(bào)警燈控制信號(hào)選用32 路數(shù)字量輸出模塊；用于反映閥門和電機(jī)等設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)的模塊選用32 路數(shù)字量輸入模塊。所以，用于糊化鍋的控制的模塊為：1個(gè)32 路的DO 模塊、1個(gè)32 路的DI 模塊、1個(gè)8 路的AI 模塊和1個(gè)4路的AO 模塊。

3.3 控制流程

糊化鍋的控制主要包括啟動(dòng)糊化鍋、米漿受入、加熱、保溫、煮沸、合醪出醪、沖水出料、排污、檢測(cè)、結(jié)束幾個(gè)步驟。在時(shí)間中斷組織塊OB35 中，只要時(shí)間到，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)調(diào)用一次糊化鍋的控制塊FC101，并且依次掃描每個(gè)步驟的信號(hào)狀態(tài)，只要符合條件，該工藝步驟的操作就會(huì)被執(zhí)行。糊化鍋的整體控制流程如圖4 所示。

圖4 糊化鍋控制流程圖Fig.4 Flow chart of mash copper control

4 控制效果

以糊化鍋為例，采用以上的控制算法，在上位機(jī)的監(jiān)控軟件中獲得的歷史曲線如圖5 所示，圖中褐色的曲線為糊化鍋的實(shí)際溫度曲線，黑色曲線為糊化鍋工藝設(shè)定的溫度曲線。由于糊化鍋的體積較大，屬于慣性環(huán)節(jié)，存在著較大的滯后性。在圖中，控制曲線升溫過(guò)程比較平緩，且跟蹤效果良好，只是跳段時(shí)出現(xiàn)的超調(diào)量相對(duì)較大，但是控制的效果可以很好地滿足控制工藝的要求。

圖5 糊化鍋溫度控制效果曲Fig.5 Effect curve of mash copper temperature control

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)是以PLC為基礎(chǔ)且結(jié)合理論比較成熟的DCS 系統(tǒng)，控制算法采用Bang-Bang 結(jié)合改進(jìn)PID 算法。本系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)考慮到實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，并沒(méi)有深入地分析、研究控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和數(shù)學(xué)模型?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)FCS 在穩(wěn)定性和獨(dú)立性方面占很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上表現(xiàn)出了極大的發(fā)展?jié)摿Γ颊加幸欢ǖ膬?yōu)勢(shì)。在控制算法上，學(xué)習(xí)能力很強(qiáng)，參數(shù)易于整定，該論文可以向這個(gè)方向進(jìn)行改進(jìn)。

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