淺析啤酒企業(yè)閥陣及閥陣控制系統(tǒng)

張　亮，章　穎，劉　炯（內(nèi)蒙古靈奕高科技（集團）有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特010010）

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淺析啤酒企業(yè)閥陣及閥陣控制系統(tǒng)

張亮，章穎，劉炯
（內(nèi)蒙古靈奕高科技（集團）有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特010010）

摘要：隨著人民生活水平的提高，啤酒消費不斷增長，生產(chǎn)企業(yè)正在蓬勃興起。為滿足現(xiàn)代化大型啤酒企業(yè)生產(chǎn)的需求，配管系統(tǒng)趨于大型化、集中化。介紹啤酒企業(yè)配管系統(tǒng)的發(fā)展，并結(jié)合筆者工作中的一些經(jīng)驗和設(shè)計實例，探討閥陣配管系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：配管系統(tǒng)；雙座閥；閥陣；閥陣控制；啤酒

隨著人民生活水平的提高，啤酒的消費不斷擴大，如今，啤酒逐漸成為城市居民餐桌上的必需品。據(jù)相關(guān)資料顯示，中國啤酒業(yè)歷經(jīng)百余年發(fā)展，產(chǎn)銷量從建國初期的不足7000 t/年發(fā)展到2013年產(chǎn)銷量突破5000萬kL/年，增長了7000多倍。隨著釀酒工藝日臻完善，啤酒企業(yè)為了在市場上提高競爭實力，越來越重視啤酒的質(zhì)量及成本的管理與控制。

全國各地大規(guī)模的啤酒生產(chǎn)基地陸續(xù)建成并投入生產(chǎn)，而一些中小規(guī)模的啤酒廠也在不斷的改建和擴建。為了擴大規(guī)模，同時又便于管理，降低運營成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，啤酒企業(yè)中配管系統(tǒng)的大型化、集中化變得十分必要。作為現(xiàn)代配管系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——雙座閥的使用，是保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，達到生產(chǎn)最大化、操作最簡化的較好途徑。

本文就配管系統(tǒng)談起，在介紹雙座閥及其特點的基礎(chǔ)上，初步探討啤酒企業(yè)中針對閥陣及其控制系統(tǒng)的設(shè)計。

1　配管系統(tǒng)的發(fā)展

1.1啤酒生產(chǎn)工序及配管系統(tǒng)

啤酒生產(chǎn)大致可分為麥芽制造、啤酒釀造、啤酒灌裝3個主要過程。麥芽制造包括大麥貯存、大麥精選、浸麥、發(fā)芽、焙燥、貯存共6道工序。啤酒釀造包括原料粉碎、糖化、發(fā)酵、后酵、過濾共5道工序；主要是糖化、發(fā)酵、后酵3個工序。啤酒灌裝包括洗瓶、驗瓶、灌酒、殺菌、貼標(biāo)噴碼、裝箱入庫等工序。

隨著國外技術(shù)、設(shè)備的引入及釀酒工藝日臻完善，中國啤酒產(chǎn)品種類也日益多樣化、全面化。在啤酒的每個生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)設(shè)備周圍都排布著大量的管路，配管系統(tǒng)和設(shè)備是緊密聯(lián)系、密不可分的。生產(chǎn)規(guī)模越大，則配管系統(tǒng)越復(fù)雜。因此，配管系統(tǒng)是控制產(chǎn)品在各個部分間正確流動，保證產(chǎn)品質(zhì)量不被外部細菌、污物污染的關(guān)鍵。

同時，為確保生產(chǎn)過程中的設(shè)備、管路符合食品飲料行業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，需要對各部分設(shè)備及管路進行CIP清洗。如何在各生產(chǎn)步驟的時序不一致的情況下，在進行CIP清洗的過程中不影響其他工序流程，比如，發(fā)酵罐進酒完畢后需要及時CIP清洗進酒管線；此時，發(fā)酵好的啤酒由發(fā)酵罐輸送至過濾機的管線仍在源源不斷地進行啤酒的輸送。所以，配管系統(tǒng)既要控制產(chǎn)品和清洗液的流向，也必須保證清洗液不會泄漏至其他產(chǎn)品管路中。配管系統(tǒng)的上述作用，主要由閥門的控制來實現(xiàn)。

1.2啤酒企業(yè)配管系統(tǒng)的發(fā)展

由傳統(tǒng)的啤酒廠到現(xiàn)代化的大型啤酒企業(yè)，配管系統(tǒng)也經(jīng)歷了諸多的改變。由最初的完全手工操作的軟管系統(tǒng)，逐漸演變成為全自動控制，以雙座閥為主，配合其他閥門管路的閥陣系統(tǒng)。

1.2.1軟管系統(tǒng)

軟管系統(tǒng)是出現(xiàn)最早、設(shè)備最簡單的管路系統(tǒng)。通過人工以軟管連接不同的設(shè)備和管路，來實現(xiàn)流體的通路。

圖1　軟管系統(tǒng)

軟管系統(tǒng)的優(yōu)缺點如下。

優(yōu)點：最低技術(shù)和設(shè)備投入；工藝改變和擴展非常方便；最少的控制軟硬件需求；操作工的專業(yè)技能需求最少。

缺點：產(chǎn)品的重復(fù)穩(wěn)定性無法保證；設(shè)備清洗的時間和尺度無法把握；工藝管路無法與大氣隔絕；產(chǎn)品的安全性低，防混性差；產(chǎn)品和清洗液流失嚴(yán)重；大量的人力工作，生產(chǎn)效率低；無法實現(xiàn)自動控制。

由于以上原因，軟管系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)代質(zhì)量控制的要求，已被現(xiàn)代啤酒企業(yè)所淘汰。

1.2.2接管板系統(tǒng)

接管板系統(tǒng)是繼軟管系統(tǒng)后的第一個硬管系統(tǒng)。生產(chǎn)設(shè)備連接至一塊可選擇的切換板上，通過人工連接跨接管，形成流體通路。在切換板上安裝接近開關(guān)，實現(xiàn)對流路連接的反饋，來判斷連接的正確性。生產(chǎn)車間管路設(shè)備比較整潔，投入?yún)s不高。

雖然接管板系統(tǒng)在保證產(chǎn)品安全性方面存在一定的作用，但由于工藝管路與大氣相通，管路分支清洗較困難，以及較多的產(chǎn)品流失，使產(chǎn)品質(zhì)量控制存在一定的缺陷。另外，人工操作也影響了生產(chǎn)的效率。

在國內(nèi)現(xiàn)存的中小型啤酒廠中，接管板系統(tǒng)雖然得到廣泛的應(yīng)用，但其低擴展性、人工操作性也限制了企業(yè)向大型化、自動化的發(fā)展。

1.2.3三閥組防泄漏型閥門系統(tǒng)

三閥組防泄漏型閥門系統(tǒng)是在管路分支上安裝3個蝶閥的組合。液體需要切斷時，兩邊閥門關(guān)閉，中間閥門打開。如果兩邊閥門的密封圈有破損，泄漏的流體將從中間閥門流出，以避免不同流體的混合，同時也可以指示維護工人更換密封圈。相反，兩邊閥門打開，中間閥門關(guān)閉，實現(xiàn)管路的開通。只需要簡單蝶閥的組合，和必要的軟硬件控制，就能滿足企業(yè)全自動化的需求，并且保證產(chǎn)品的安全性。

圖2　接管板系統(tǒng)

圖3　三閥組防泄漏型閥門系統(tǒng)

但是，三閥組防泄漏型閥門系統(tǒng)對管路的安裝空間要求較大及控制比較復(fù)雜——需同時控制3個閥門，將大大增加投入、維護和運營成本。同時較低的系統(tǒng)擴展性，以及泄漏閥在線清洗困難等諸多問題也沒有得到徹底解決。

1.2.4閥陣管路系統(tǒng)

為了滿足生產(chǎn)工藝要求，又必須解決上述管路系統(tǒng)的矛盾，閥陣管路系統(tǒng)應(yīng)與而生。閥陣系統(tǒng)主要有如下特點。

首先，閥陣的全封閉設(shè)計，隔斷管路中液體與大氣的接觸，閥體無死角設(shè)計等保證了完美、快速CIP清洗，解決了在線清洗的問題，將產(chǎn)品染菌的概率降到最低。

其次，閥陣的緊湊性，可以使啤酒廠的空間得到很好的利用。閥門的集中安裝，一方面利用實現(xiàn)閥門的自動控制，另一方面在外觀上使啤酒生產(chǎn)車間更現(xiàn)代化，也便于閥門的維修管理。

圖4　閥陣系統(tǒng)

另外，閥陣可以在閥門供貨商的車間中組裝完畢，交貨后客戶只需要進行與其他管路的連接，就可以實現(xiàn)原設(shè)計的功能。因此，能夠縮短啤酒廠配管系統(tǒng)安裝的時間并提高安裝精度。

并且，在閥陣的設(shè)計中，為考慮今后企業(yè)生產(chǎn)的擴建，能夠預(yù)先準(zhǔn)備一定的擴展空間和功能，卻不會增加閥陣制造的成本，因此，也大大降低了擴建的成本。

2　閥陣及其控制系統(tǒng)

2.1閥陣的設(shè)計

閥陣就是由若干閥門和管路的連接，組成一個閥門陣列，實現(xiàn)流路轉(zhuǎn)換和其他特殊功能。閥陣的設(shè)計主要為閥門類型選擇及排列的設(shè)計。根據(jù)啤酒生產(chǎn)工藝的需求，在閥門類型的選擇中需根據(jù)功能、無菌、防水錘、體積等要求進行綜合考慮。目前啤酒企業(yè)閥陣系統(tǒng)中常用的閥門按照閥座可分為單座閥、雙座閥、蝶閥等；按照功能分類有截止閥、換向閥、無菌閥、防混閥等；按照閥型及其組合又可分為N型、L型、K型、D型、T型等及其組合TL、DE等類型。其中雙座雙密封防混閥的上下閥腔可以同時流通不同的流體，閥座間泄漏腔可以進行清洗，是啤酒生產(chǎn)線物料管路的最佳選擇；單座雙密封閥一般用在排空及氣體管線；CIP管路一般選擇防混閥。

雙座閥與三閥組防泄漏型閥門系統(tǒng)相比，存在下列無可比擬的優(yōu)越性：

（1）前者閥座上的3個密封圈，代替了后者的3個蝶閥，系統(tǒng)所需空間大為縮小。

（2）特殊的密封圈形狀，在提高衛(wèi)生性能的同時，又有效避免泄漏。

（3）直通型的閥腔，與管路三通相比，無任何清洗死角。

（4）球形閥腔，內(nèi)壁進行拋光處理，使流動阻力和流通面積的變化降至最小。

（5）直通型和單通型閥腔的組合，可滿足任何要求的管路流向。由單通型改為直通型，即可實現(xiàn)管路的擴展。

（6）閥腔可根據(jù)管路布置方向自由進行調(diào)整，即上下閥腔可以平行，也可以垂直或呈其他角度。

（7）只需要一個執(zhí)行器控制閥桿的提升和下降，就能達到后者3個閥門執(zhí)行器的作用，自動控制系統(tǒng)大大簡化。

（8）主要零部件都以卡箍進行連接，方便拆卸和維修。

（9）控制頭和執(zhí)行器可以根據(jù)要求選配，如果換成調(diào)節(jié)手柄就可以手動控制，減少設(shè)備投入。

（10）在控制頭內(nèi)加裝接近開關(guān)，可以隨時對閥門狀態(tài)進行反饋，避免誤操作。

（11）通過執(zhí)行器的反置，就可以實現(xiàn)閥門常開/常閉特性的變更，滿足各種系統(tǒng)要求。

（12）閥門關(guān)閉時，上下閥座由于彈簧的作用抵住下閥腔，同時上下閥座間的空隙形成泄漏腔。如果密封有破損，泄漏的液體將從泄漏腔流出，保障閥門安全性。

（13）閥門打開的瞬間，閥桿提升，下閥座抵住上閥座，泄漏腔關(guān)閉。

（14）閥門打開時，閥座提升至打開位置，上下閥腔連通。泄漏腔仍處于關(guān)閉狀態(tài)。

（15）閥門關(guān)閉并清洗時，打開的泄漏腔保證清洗液不會進入產(chǎn)品。同時，閥門上端可連接一根細小的CIP軟管，專門對泄漏腔進行清洗，以保證閥門的衛(wèi)生。

2.2閥陣控制系統(tǒng)設(shè)計

閥陣系統(tǒng)的運行與閥陣控制系統(tǒng)的配置有著密切的關(guān)系，根據(jù)閥門配置的不同，目前常用的閥陣控制系統(tǒng)有如下3種配置方案。

（1）閥陣控制系統(tǒng)方案1

該控制系統(tǒng)主要針對閥陣配置的閥門只配置了氣動頭的類型?？刂葡到y(tǒng)常用子站柜+DO/DI模塊+電磁先導(dǎo)閥+接近開關(guān)+氣源管+3芯電纜線的結(jié)構(gòu)。

方案1的具體設(shè)計：電磁先導(dǎo)閥安裝于現(xiàn)場子站柜中，每個閥門均需要從子站柜引2根氣源管到現(xiàn)場閥門上控制閥門開關(guān)，如果是帶自清洗的閥門，就需要從子站柜引3根氣源管到閥門處。每個閥門安裝2個接近開關(guān)，每個接近開關(guān)通過1根3芯的電纜線連接到子站柜內(nèi)。這樣，每個閥門需要敷設(shè)3根氣源管和2根三芯電纜線。假設(shè)1個閥陣雙座閥數(shù)量為36個，每個信號點按照就近接入子站原則計算，最少需要氣源管約4000 m，3芯電纜約3000 m，DO通道108個（32DO模塊4塊），DI通道72個（32DI模塊3塊），接近開關(guān)72個，電磁先導(dǎo)閥108個，1200×800×300尺寸的子站柜（最多放置先導(dǎo)閥64個，端子200節(jié)2個）2個，或者可認(rèn)為每20個閥陣雙座閥就需要1個1200×800×300的子站柜放置在閥陣附近。該方案的特點如下，缺點：所需要的氣源管和控制電纜的數(shù)量比較大，相關(guān)所需要的橋架和穿線管等材料的數(shù)量也很大；施工繁瑣、周期長；故障點多，后期維護工作量大；查錯、維修難度大；人工成本比較高；占用大量的DO/DI通道，需要的模塊數(shù)量多。優(yōu)點：各個閥門的供氣是獨立的先導(dǎo)閥控制，單個閥門供氣氣管出現(xiàn)破損，不會影響其他閥門的使用；各個閥位反饋信號是獨立接入系統(tǒng)的，單個線路出現(xiàn)問題不會影響其他信號的反饋。

圖5　方案1案例

（2）閥陣控制系統(tǒng)方案2

該控制系統(tǒng)主要針對閥陣配置的閥門除配置了氣動頭外，還配置含有電磁先導(dǎo)閥和閥位反饋的控制單元。控制系統(tǒng)常用子站柜+ DO/DI模塊+氣源管+多芯電纜線的結(jié)構(gòu)。

方案2的具體設(shè)計：因為電磁先導(dǎo)閥和閥位反饋集成在閥頭內(nèi)部，只需要從子站柜到閥門之間敷設(shè)1根總氣源管、1根多芯線發(fā)送控制信號和接收反饋信號即可?；蛘咴陂y陣附近設(shè)置1個總氣源箱給閥門供氣，在子站柜和閥門之間只需要敷設(shè)1根多芯電纜線即可。

方案2的缺點：各閥門供氣分支是聯(lián)通的，任何一根氣管出現(xiàn)破損，會引起其他閥門供氣壓力不足。當(dāng)然，針對這個問題，可以增加供氣主管來解決，但是這樣就會增加成本和故障點，對日后使用期間的檢修和維護也相對增加工作量；使用多芯線做控制和反饋，如果其中1芯或幾芯出現(xiàn)破損，則需要更換整根電纜。針對這個問題，在敷設(shè)電纜時可以考慮敷設(shè)X+N芯的方法，即實際使用X芯線，但敷設(shè)X+N芯線，留N芯做備用；另外該方案仍需要占用大量的DO/DI通道，需要的PLC模塊數(shù)量較多。

方案2的優(yōu)點：不需要柜內(nèi)的電磁先導(dǎo)閥，節(jié)省大量空間，即可以減少子站柜數(shù)量；節(jié)省大量氣源管；節(jié)省橋架、穿線管、輔材等材料；集成電磁先導(dǎo)閥和閥位反饋，故障率大大降低，減少了系統(tǒng)故障點，減少維修、維護點，即可減少維修、維護人員，從而降低維護成本。

圖6　方案2案例

（3）閥陣控制系統(tǒng)方案3

該控制系統(tǒng)主要針對閥陣配置的閥門除配置了氣動頭外，還配置了集成控制與反饋裝置并支持ASI現(xiàn)場總線協(xié)議的控制單元?？刂葡到y(tǒng)常用子站柜+總線模塊+氣源管+ASI總線電纜的結(jié)構(gòu)。

圖7　方案3案例

方案3的具體設(shè)計：因閥頭集成控制與反饋裝置并支持ASI現(xiàn)場總線協(xié)議，子站內(nèi)只需要安裝總線模塊，不需要DO/DI模塊，閥門的控制和反饋信號通過ASI總線發(fā)送和讀取，在子站柜和閥陣之間，只需要敷設(shè)1根ASI總線電纜即可，所有帶ASI總線閥頭的閥門都連接到ASI現(xiàn)場總線上即可，每個總線模塊最多可連接64個閥門?，F(xiàn)場硬管供總氣源，各個閥門在硬氣源管上單獨引一根氣管即可。

方案3的缺點：現(xiàn)場所有帶ASI總線閥頭的閥門都連接到1個或幾個總線模塊上，1個總線模塊最多可連接64個總線閥門，如果1條總線電纜出現(xiàn)破損，將導(dǎo)致這條總線上的其他閥門的控制和反饋信號出現(xiàn)問題。當(dāng)然，這里只是假設(shè)這種情況會出現(xiàn)，實際上這種問題出現(xiàn)的可能性是很小的。

方案3的優(yōu)點：不需要柜內(nèi)的電磁先導(dǎo)閥，不需要DO/DI模塊，只需要總線模塊，節(jié)省大量空間，可以最大程度上減少子站柜數(shù)量；不需要接近開關(guān)；節(jié)省大量氣源管；不需要敷設(shè)橋架，只需要敷設(shè)少量穿線管；不需要控制電纜，只需要敷設(shè)1條或幾條ASI總線電纜；減少維修、維護點，可減少維修、維護人員，從而降低維護成本；最大程度上體現(xiàn)美觀、簡約、高科技。

3　結(jié)論

閥陣系統(tǒng)是現(xiàn)代啤酒企業(yè)的靈魂。設(shè)計合理的閥陣，可以大大簡化配管的復(fù)雜程度，方便自控軟硬件的安裝調(diào)試，節(jié)約車間的生產(chǎn)面積，在降低企業(yè)前期投入和縮短企業(yè)建造周期等方面，其作用不可比擬。同時，雙座閥及閥陣系統(tǒng)的采用，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，減少了產(chǎn)品和清洗液的浪費，便于配管的維修和維護，也降低了啤酒企業(yè)的經(jīng)營管理成本。

參考文獻：

[1]程殿林.啤酒生產(chǎn)技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

Valve System &Valve Control System in Breweries

ZHANG Liang,ZHANG Yin and LIU Jiong
(Linyi Hightech Co.Ltd.,Huhhot,Inner Mongolia 010010,China)

Abstract:With social development,beer consumption keeps increasing continuously and breweries are booming.In order to meet beer production demands in large-scale breweries,large-scale and centralized pipework system is required.In this paper,the development of pipework system in breweries was introduced.Based on our experience and some design examples,valve system and its control system were discussed.

Key words:pipework system;double-seat valve;valve system;valve control;beer

作者簡介：張亮，男，高級工程師，碩士，主要從事自動化控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用。

收稿日期：2015-10-22

中圖分類號：TS262.5；TS262.54

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-9286（2016）02-0085-05

DOI：10.13746/j.njkj.2015408

優(yōu)先數(shù)字出版時間：2015-12-30；地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20151230.0900.001.html。