摘要：啤酒發酵是啤酒生產過程非常重要的環節，特別對發酵過程中溫度、壓力的控制尤其重要。應用泓格公司新近面世的WinCE－Based，集PLC 與PC 于一體的Wincon8000 作主控器，構成了一基于工業Ethernet 的分布式網絡控制系統。系統的研制可提高自動化程度和集成各種信息，控制生產工藝。具有可靠性高，性能高，分散控制，集中監視和管理功能。該系統采用上、下位微機協調監控的控制方案，由系統工程師站和現場控制站組成，對全廠發酵罐實行全自動控制。生產實踐證明，該系統抗干擾能力強，運行穩定，用戶界面友好，可在啤酒行業推廣應用。 關鍵詞：WinCon8000 啤酒發酵 NCS 1 概述 我國是啤酒生產和消費大國，幾乎每個城市均有啤酒廠，發酵是影響啤酒工業產品質量的重要因素， 對它的控制一般通過控制發酵溫度來實現。由于該過程具有非線性、時間滯后和大慣性等特征， 發酵過程的精密控制是自動控制領域的較難解決問題之一， 不斷地隨著控制領域新技術新方法的涌現而改進。控制技術是控制方法實施的物理載體， 改進啤酒發酵生產過程控制是釀造業技術進步的有效措施，它可以在不增加原材料及動力消耗的前提下，增加產品產量、提高產品質量，同時還可以減輕勞動強度、改善工作條件、提高發酵工藝水平及生產管理水平。因此，啤酒優化發酵控制具有很大的應用價值。通常，釀造業的發酵是在密閉的容器（罐）中進行的，每個罐的控制點數相對集中，但數量不多，而一個啤酒釀造廠一般有多個發酵罐，且分布又比較廣，為避免系統資源浪費，采用基于工業Ethernet的方式的NCS（網絡控制系統）是其最佳的選擇。目前，用于啤酒發酵控制的主控器一般采用PLC，但由于傳統的PLC實現基于Ethernet的連接不僅困難，而且PLC的工業Ethernet接口模塊價格較高，使控制系統的經濟性受到了一定了限制，而基于PC的控制系統由于Windows（含WinCE）以及Linux操作系統對工業Ethernet的支持，使得PC—Based的NCS系統變得十分簡單。但由于PC特殊的架構，使得基于PC的控制系統在現場級應用受到了一定的限制。泓格公司的Wincon8000是一款PC－Based的PLC，即其操作系統使用的易于使用的WinCE，而硬件架構是基于PLC的，他即PLC與PC于一身，兼具PLC和PC的特點，是啤酒發酵控制系統主控器較為理想的選擇。 2 啤酒發酵控制策略與方案 對發酵過程中溫度、壓力、液位、周期等工藝參數進行全方位檢測控制。為了使罐內酒液循環并有利于不同發酵期的酵母沉淀，一般采用分三段間冷方式，控制罐內酒液溫度，使之形成自上而下的溫度梯度。在上、中、下分別設有溫度檢測點。實踐證明，三段冷媒入口裝設分配閥，并適當調節分配比，只以中段溫度為被控參數，并控制冷媒于管入口總流量可以達到工藝提出的控制要求。 按啤酒發酵工藝要求，整個發酵過程的溫度控制在不同發酵時期是不同的，一般為7～8段折線。其中從12℃保溫向9℃下降的轉折點取決于酒液殘糖量而不取決于發酵時間。但目前國內尚無適合啤酒發酵生產的在線分析儀－糖度計，此系統具有時間坐標可移動的功能，與取樣分析相結合，實現糖度控制的要求。 為了保證貯酒在不同階段的溫度設定值，設有溫度的上下限報警，為了保證罐內壓力在不同階段的壓力設定值，設有壓力的上下限報警。每個罐設有液位指示，可以作為裝酒和成品計量用，還可以了解整個發酵過程的液位變化。整個系統還設有儀表斷線報警、電源掉電報警，系統異常報警使與子自動切換。 由于發酵過程中的生化反應是大慣性、時變強非線性耦合的多輸入多輸出， 要求控制平穩，以免控制不當造成微生物死亡，而貯酒階段控制溫度又很接近啤酒的冰點， 及易造成啤酒罐壁結冰。在正常生產中， 溫度傳感器經常出現一些“故障”， 如由于當發酵罐中啤酒液面下降時上溫度點時常會暴露在空氣中， 當發酵溫度過低時空氣中的水蒸氣凝結在傳感器上等，這些都會使溫度測量不準確，這就要求控制器有容錯控制的能力。為了實現啤酒發酵的有效控制，保證貯酒在不同階段的溫度設定值，對其溫度控制采用圖1 所示的溫控策略。其控制方案見圖2 所示。溫度控制測點見圖3 所示。 3 控制系統設計 整個控制系統采用分布式的控制策略方式，每個現地控制單元以泓格Wincon8000 為主控制器，并采用工業Ethernet 作為數據傳輸載體，構成了以工業Ethernet 的NCS 系統。 [align=center] 圖1：啤酒溫控、壓控策略 圖2：啤酒溫控、壓控方案 圖3：啤酒發酵測點[/align] 3．1 現地控制單元 􀂾 主控制器：根據啤酒發酵控制對現地控制單元的要求，選擇WinCon－8331－G 緊湊型嵌入式控制系統。WinCon-8000 具有信號模塊插槽，與PLC 等控制器相同的架構，主機為PC 硬件及WinCE 操作系統，如此巧妙地變成使用PC 的環境，但是具有PLC控制信號的功能，此為一機兩面的“PC＋PLC”組合體。信號模塊包含模擬量信號（Analog）、開關量信號（Digital）等多種規格的產品。泓格公司對于這些信號模塊提供SDK 的鏈接庫，信號控制的設計就是讀取及寫入等兩種指令，如同有關檔案數據處理也是Read、Write 等指令一樣的簡單易用。原本控制信號是要透過PLC 來控制，如今WinCON-8000 為PC 的架構，設計方式當然就是使用PC 的程序語言。在WinCon8000 內部預裝Windows CE.NET，可以使控制系統非常容易的使用Microsoft Embedded Visual C++，Visual Basic.NET 或是Visual C#來開發控制應用程序。由于Windows CE. NET 是個強實時系統，它支持處理不同等級的優先權轉換，并給這一等級提供確定的控制，就象PLC 一樣。此外，Windows CE. NET 較傳統的PLC 系統而言有一系列的優點，包括網絡通訊，圖形用戶界面，信息處理，大容量存儲管理，支持標準的PC 接口和編程的易用性等。Windows CE.NET 加上PLC 的強實時特性，就產生了一個強有力的控制解決方案。WinCon-8000 系列是一個無盤的實時控制平臺，它是傳統的PLC 和Windows PC 機的強強整合體。 模擬量控制模塊：ICPDAS I-8017MR 8K 模擬量輸入模塊 􀂗 單通道查詢模式：100KHz； 􀂗 8 通道掃描模式：8KHz； 􀂗 .輸入帶寬：40KHz； 􀂗 分辨率：14 位； 􀂗 .輸入類型：差分； 目的：主要實時采集啤酒發酵罐的溫度、壓力、液位等狀態信息。 􀂾 開關量控制模塊：ICPDAS I-8042 8K 開關量模塊 􀂗 開關量輸入通道數：16Chans； 􀂗 開關量輸入通道數：16Chans； 􀂗 3750V 隔離（外供電）； 􀂗 .集電極開路輸出：125mA/通道； 􀂗 .響應時間：最快0.1ms； 目的：實時控制閥的開啟與關閉，實時監測液位的報警液位等。 􀂾 定時/計數模塊：ICPDAS I-8080 8K 計數/頻率模塊 􀂗 輸入頻率：0.3～1KHz（頻率模式）、.最大5KHz（計數模式） 目的：實時控制發酵周期。 整個分布式啤酒發酵控制系統的示意圖見圖4 所示。 [align=center] 圖4：分布式啤酒發酵控制系統[/align] 3．2 中控室設備 中控室啤酒發酵監控中心采用輪巡方式對12個啤酒發酵罐的現地控制單元進行掃描通信，獲取12個啤酒發酵罐的實時狀態控制參數，并對其實時判斷，并可對12個Wincon8000的運行狀態及其健康狀態進行實時監測。泓格公司提供了Wincon8000的上位機OPC服務，因此程序設計變得十分簡單。中控室的監控中心采用Windows2000 Server，并采用SQL Server數據庫管理技術，并可與企業的MIS系統進行無縫連接。 4 控制系統軟件設計 啤酒發酵過程監控系統軟件模塊及功能的劃分如圖5所示， 可以分為3 部分： PLC 軟件、監控調度層軟件、生產管理層軟件。 [align=center] 圖5：系統軟件架構[/align] 4．1 WinCon8000 軟件 按照調度監控層下達的工藝控制發酵罐的溫度， 程序可以分為5個模塊： 􀂾 數據采集：該模塊采樣發酵罐的傳感器數據，進行濾波并和標讀變換。 􀂾 工藝進度：該模塊根據發酵工藝、傳感器數據和系統時間， 判斷發酵的進度。 􀂾 溫度控制：按照所處工藝段的工藝溫度以一定的控制率控制閥門的開關。 􀂾 故障診斷：該模塊主要實時的診斷WinCon8000模塊的故障， 傳感器的典型故障。 􀂾 網絡通訊：該模塊負責與監控調度層計算機通訊， 處于被動通訊方式。 這部分的設計，主要在基于WinCE的操作系統中，利用Embedded Visual C++開發工具，利用泓格公司提供的API和控制I/O的DLL完成對模擬量輸入模塊、數字量輸入/輸出模塊以及通信的功能。按照圖1的溫度控制策略以及圖2的溫度控制方案實施對啤酒發酵過程的實時監控，并將實時控制參數、實時監測結果以及對Wincon8000的某些特性監測，如電源、通信等狀態信息通過工業Ethernet接口實時上傳到中控室內。溫度控制采用模糊加權PID控制方法。模糊加權PID控制器由兩級控制器組成，上一級為模糊加權控制器，下一級為PID控制器，模糊加權PID溫控系統的結構框圖如圖5所示。圖中的PID控制器直接對被控對象實施控制，而模糊加權控制器則用來在線調整PID 參數，使PID控制器具有自適應能力，增強系統的魯棒性。模糊加權PID控制策略見圖6所示。 [align=center] 圖6：模糊加權PID溫控系統的結構框圖[/align] 4．2 控調度層軟件 監控調度層計算機軟件是操作員監控發酵過程的操作平臺。程序分為5 個模塊： 􀂾 任務調度：實現發酵任務的在線調度， 給發酵罐下達發酵任務。 􀂾 人機接口：實現顯示發酵過程實時數據， 執行工藝數據文件、定時過程數據發布、定時查詢工藝狀態有無變化及其處理、定時保存數據、發布命令及處理、定時預命令查詢、用戶登錄及權限校驗、系統重啟動初始化、生成控制命令操作日志。 􀂾 監控日志：把操作工人的在監控層的操作生成操作日志保存。 􀂾 數據管理：該模塊定義了系統中使用的數據庫， 分為5 個子數據庫： 實時數據庫、工藝數據庫、任務數據庫、用戶數據庫、操作日志數據庫。其中實時數據庫實時保存系統的一些重要信息，這樣即使系統非正常掉電情況下， 重啟動系統也能恢復系統的執行狀態。 􀂾 數據發布：該模塊保存著當前各發酵罐的過程數據， 并提供生產管理層計算機的訪問的接口。 4．3 生產管理層軟件 生產管理層計算機軟件提供不同職能部門對啤酒發酵過程中的不同信息（即數據庫） 進行管理的用戶接口。可分為下列5 個模塊： 􀂾 用戶管理：用于管理監控調度層用戶和操作權限。 􀂾 日志管理：對監控調度層操作日志查看刪除。 􀂾 工藝管理：該對發酵工藝的查看、編輯、修改、刪除等功能。 􀂾 人機接口：該模塊提供對各發酵罐當前過程數據及一些狀態的顯示。 􀂾 數據發布：向Internet 提供遠程發布接口。 5 結束語 一種新的性能優良、穩定性高、符合現代工業控制要求的工業控制器的誕生，不僅會提高工業控制系統的性能，還會給工業控制提供一種新的控制方式和新的控制系統體系。WinCon8000 體現了現代控制系統對控制器的要求。他集PLC 與PC 于一體，符合現代控制系統網絡化的要求。本系統便是其中一個較為典型的應用實例。系統的研制可提高自動化程度和集成各種信息，控制生產工藝。具有可靠性高，性能高，分散控制，集中監視和管理功能。該系統采用上、下位微機協調監控的控制方案，由系統工程師站和現場控制站組成，對全廠發酵罐實行全自動控制。生產實踐證明，該系統抗干擾能力強，運行穩定，用戶界面友好，可在啤酒行業推廣應用。