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设计与动态数据交换技术应用研究 第5页

更新时间:2008-6-13:  来源:毕业论文

可视化组态的啤酒生产工艺流程监控系统

3章 啤酒工艺生产概况

目前,国内啤酒生产中,灌装生产几乎所有厂家都使用自动化程度较高的灌装线, 糖化、发酵、清酒工段的控制水平大体上可分为四个大的档次。

3.1 目前国内啤酒厂家生产控制水平

3.1.1 完全手动操作方式

其主要特点为操作阀门为手动阀门。生产过程中的模拟量信号采用常规分散仪表进行采集,然后集中或现场显示,操作人员在现场或操作盘( ) 上控制电设备的启停,阀门由工人到现场操作,这种方式下啤酒生产的控制完全是由人工操作.生产工艺参数得不到可靠执行,一致性较差,而且工人的劳动强度很大,不可能采用较复杂的先进工艺生产啤酒(例低压煮沸工艺) ,原材料利用率低,产品能耗大,生产成本较高。因国情需要(第一次建设资金投入较少) 日前许多中、小型啤酒厂家还在使用。

3.1.2 集中手动控制方式

以马赛克模拟屏为代表,与控制方式一相比,其主要特点为阀门多采用气动或电动自动阀门;与控制方式三相比,系统的自动化程度较低。一般控制室设有马赛克模拟屏或上位机,在模拟屏或上位机上显示各种生产工艺过程参数和电机、阀门的开启状态 ,对生产过程进行监控 ,操作人员根据显示的参数与工艺参数对比,在模拟屏或操作台上遥控阀门开启和电机启停从而满足工艺要求,生产中的关键数据由人工记录。但一定的提高 ,但波动仍然很大 ,啤酒质量与口味也有较大的波动,工人的劳动强度也比较大。这种方案的投入较少,适合于稳定单一变化很少的工艺。 目前国内中小型啤酒厂较多采用: 

3.1.3  PC+ 数据采集插卡方式

以工业 P C+ 各种数据采集卡为代表。 与控制方式二相比,系统自动化程度较高;与控制方式四相比,其主要特点是下位机中没有采用 P L C,系统的可靠性 相对较差。生产过程控制中的各种信号在外围通过相应的变送器送入插在工业 P C机插槽中的数据采集卡,在PC机画面上显示各种生产过程参数 , 同时控制阀门与泵、电机等设备的启停来满足工艺生产要求,目前国内不少啤酒厂发酵车间采用这类系统进行控制一般在 P C机上运行Window95操作系统.可在一定程度上解决啤酒生产过程控制问题,但存在以下缺点:

     系统的可靠性差;

     画面呆版, 缺乏一般工控组态软件灵活的程序脚本控制功能.同时系统本身的安全性较差,难以建立有效的操作等级与权限制度, 易受到病毒及操作者的恶意攻击

    系统的可扩充性差。由于节省了下位机PLC,与方式四相比,这种控制方式的价格适中,但牺牲的是系统的可靠性。由于啤酒厂糖化车间生产过程较快。生产过程控制的短时间停顿即意味着锅或槽中物料的浪费,建议糖化车间不要使用这种控制方式。 

3.1.4 分布式控制方式

采用先进的计算机控制技术与多层次网络结构+先进控制算法对生产工序进行自动控制 ,与控制方式三相比. 主要特点为采用 PLC作下位机,系统的可靠性很高。目前有DCS (分布式控制系统 ) 控制系统与FCS (现场总线控制系统 ) 控制系统两种 (由于 FCS控制系统单个控制单元的能力较弱,对复杂控制算法,推荐使用DCS系统) ,在这种控制方式中,下位机网络中控制单元一般采用P L C,其可靠性非常高(一般可连续可靠工作20) ,性能稳定,上位机网络可兼容多种通讯协议( T CP/IP协议) ,且上位机实时数据库支持ODBC数据访问,便于下一步与管理网络的联结 ,有效的克服了 PC+ 数据采集卡控制方式的缺点。

按照工艺参数与流程要求,对物料粉碎系统( 大米与麦芽)、糖化系统(糊化、糖化、过滤、煮沸、沉淀)、薄板冷却系统、供水系统、洗涤( CIP ) 系统、发酵罐发酵系统、 酵母扩培系统等工艺过程 中的各种泵 、搅拌电机 、电动或气动阀门等开关量和温度 、压力、液位 、流量 、浊度 、电导率等模拟量进行监测控制能记录完整的生产工艺数据,在电子模拟屏(与传统模拟屏相比有很多优点)或计算机屏幕上显示工艺流程中各阀门,电机的运行状况,同时对各种超 、欠压 、温度超限、阀门故障 、液位超限进行声光报警。并且设有“自动”和“手动” 两种状态 。即当现场出现故障或要对工艺进行人工干预时,可将开关转换到“手动” 状态。对各种执行机构进行手动操作 ,这样技术人员可以设定新的参数,操作人员可以在现场处理紧急问题。从而达到了理想的效果。这种控制方式是国内啤酒生产控制发展的主流方向,主要缺点为一次投入资金较大,已成为国内较有实力的啤酒厂家的首选控制方案。

3.2啤酒生产过程综合自动化系统

通常,可把一个除原料加工以外的、完整的啤酒生产过程分为麦汁制备、啤酒酿造和灌装三大过程。其中,麦汁制备过程主要包括了粉碎、糊化、糖化、过滤、煮沸、澄清与冷却以及 CIP等生产工序; 啤酒酿造过程主要包括了麦汁充氧/酵母添加、酵母培养/酵母扩培、酵母回收、啤酒发酵、CO2回收、啤酒处理、清酒以及C I P等工序,其他辅助工序还有脱氧水制备、热水制备、CIP液制备、冷冻、空气压缩等等。其中对产量和质量起着关键性作用的主要是麦汁制备和啤酒酿造两大过程。

啤酒生产过程综合自动化系统,采用先进控制技术计算机技术、网络技术和现代测量技术,实现了纯生啤酒生产线自麦汁制备投料开始至啤酒灌装前的过程全自动及全过程联动联锁控制。该系统针对啤酒生产设备与工艺特点,在实现啤酒生产过程自动化的同时,实现工艺优化,降低生产成本,实现了生产过程的快速稳定控制,获得了较大的经济效益。4章 啤酒生产控制系统设计

在前面几章介绍完啤酒监控系统的主要的设计思路和所用软件的特点等,本章就开始详细的介绍啤酒工艺监控系统的设计方法和步骤。

4.1  啤酒生产控制系统的主要功能及设计思想

在力控6.0设计的啤酒生产的监控系统中主要设计了啤酒的主生产线路,监控整个生产线路的运行和异常情况,为了应急一些突发现象,故有专门的“停止”按钮。同时,在主要生产线外还另外设计了两个小的监控画面---糖化锅和煮沸锅,由于这两个过程中的生产过程要严密的监控,否则会影响啤酒的质量。

另外在整个监控画面中还建立了趋势曲线页面、事件记录、报警页面三个监控页面,以便用来更方便的了解生产过程中的各个容器的液位、温度等实时数据的变化。

在整个啤酒生产流程线上采用的是系统自动控制,只有在发现异常是才人为的进行更正。主要设计思路是:原料储存仓是主要储存小麦和大米,其正常的储存量上整个仓的液位的35%60%,超过或者低于正常值,会自动进料。

当系统开始运行后,阀门1会自动打开,麦芽在送入酿造车间之前,先被送到粉碎塔。在这里,麦芽经过轻压粉碎进入糖化锅,并同时注入水,制成酿造用麦芽。

5S后,阀门2打开,阀门1关闭,同时向糊化锅注入水和大米粒进行糊化处理,糊化处理即将粉碎的麦芽/谷粒与水在糊化锅中混合。糊化锅是一个巨大的回旋金属容器,装有热水与蒸汽入口,搅拌装置如搅拌棒、搅拌桨或螺旋桨,以及大量的温度与控制装置。在糊化锅中,麦芽和水经加热后沸腾,这是天然酸将难溶性的淀粉和蛋白质转变成为可溶性的麦芽提取物,称作"麦芽汁"

在过5S后,阀门3打开,阀门2关闭,麦芽汁被送至称作分离塔的滤过槽。因为麦芽汁在被泵入煮沸锅之前需先在过滤槽中去除其中的麦芽皮壳。同时阀门1打开,进行下一次的糖化动作。

在过5S后,阀门4打开,阀门3关闭,并加入酒花和糖到煮沸锅,在煮沸锅中,混合物被煮沸以吸取酒花的味道,并起色和消毒。

5S后,阀门5打开,阀门4关闭,加入酒花的麦芽汁被泵入回旋沉淀槽以去处不需要的酒花剩余物和不溶性的蛋白质。

5S后,阀门6打开,阀门5关闭,洁净的麦芽汁从回旋沉淀槽中泵出后,被送入热交换器冷却。

随后,麦芽汁中被加入酵母,开始进入发酵的程序。在发酵的过程中,人工培养的酵母将麦芽汁中可发酵的糖份转化为酒精和二氧化碳,生产出啤酒。发酵在八个小时内发生并以加快的速度进行,积聚一种被称作"皱沫"的高密度泡沫。这种泡沫在第3或第4天达到它的最高阶段。从第5天开始,发酵的速度有所减慢,皱沫开始散布在麦芽汁表面,必须将它撇掉。酵母在发酵完麦芽汁中所有可供发酵的物质后,就开始在容器底部形成一层稠状的沉淀物。随之温度逐渐降低,在8-10天后发酵就完全结束了。整个过程中,需要对温度和压力做严格的控制。当然啤酒的不同、生产工艺的不同,导致发酵的时间也不同。通常,贮藏啤酒的发酵过程需要大约6天,淡色啤酒为5天左右。由于时间的限制,本次设计是演示画面,为了方便的看到演示结果,故都用的模拟时间[2]

5S后,阀门8打开,阀门6关闭,生成物"嫩啤酒"被泵入后熟化罐中。在此,剩余的酵母和不溶性蛋白质进一步沉淀下来,使啤酒的风格逐渐成熟。成熟的时间随啤酒品种的不同而异,一般在7-21天。经过后发酵而成熟的啤酒在过滤机中将所有剩余的酵母和不溶性蛋白质滤去,就成为待包装的清酒。

当阀门10打开后,就进行消毒、包装、运输了。由于时间的限制这部分就没有详细的画出。 

4.2  啤酒生产控制系统人机操作界面及功能设计

为了方便的进入各个画面,先设计一个主画面,以便更加方便的进行使用该监视系统。进入力控的开发系统后,可以为每个工程建立无限数目的画面,在每个画面上可以组态相互关联的静态或动态图形。这些画面是由力控开发系统提供的丰富的图形对象组成的。开发系统提供了文本、直线、矩形、圆角矩形、圆形、多边形等基本图形对象,同时还提供了增强型按钮、实时\历史趋势曲线、实时\历史报警、实时\历史报表等组件。开发系统还提供了在工程窗口中复制、删除、对齐、打成组等编辑操作,提供对图形对象的颜色、线型、填充属性等操作工具。

4.2.1 主画面的设计

进入开发环境 Draw 后,首先需要创建一个新窗口。选择“文件[F]/新建”命令出现“窗口属性”对话框,如下图所示:

若图片无法显示请联系QQ752018766

4.1 “窗口属性”对话框

输入流程图画面的标题名称,也命名为“储罐液位监控示例”。单击按钮“背景色”,出现调色板,选择其中的一种颜色作为窗口背景色。最后单击“确认”按钮退出对话框。

现在,在屏幕上有了一个窗口,还应看见 Draw的工具箱。  如果想要显示网格,激活 Draw 菜单命令“查看/网格”。如下图所示:

若图片无法显示请联系QQ752018766

4.2 Draw 菜单

由于主画面只是一个引导画面,只需利用精灵库插入一些图片做一些引导即可,做好后的界面如下图:

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