基于LabVIEW的白酒自動化裝甑蒸餾監(jiān)控系統(tǒng)

楊亞茹，劉登峰，徐國強，丁志國，3，徐保國（.江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無錫4000；.無錫美湖信息科技有限公司，江蘇無錫4000；3.蘭卡斯特大學(xué)計算機通信學(xué)院，英國蘭卡斯特LA 4YW）

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基于LabVIEW的白酒自動化裝甑蒸餾監(jiān)控系統(tǒng)

楊亞茹1，劉登峰1，徐國強2，丁志國1，3，徐保國1
（1.江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無錫214000；2.無錫美湖信息科技有限公司，江蘇無錫214000；3.蘭卡斯特大學(xué)計算機通信學(xué)院，英國蘭卡斯特LA1 4YW）

摘要：針對白酒裝甑蒸餾工段生產(chǎn)技術(shù)落后、勞動生產(chǎn)率低等問題，設(shè)計了基于LabVIEW的白酒自動化裝甑蒸餾監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了白酒裝甑過程中蒸汽壓力與冷凝水的自動控制。該系統(tǒng)以LabVIEW為開發(fā)平臺，介紹了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵模塊的實現(xiàn)。經(jīng)過酒廠實際運行測試，證明該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對白酒裝甑蒸餾過程中的各參數(shù)進行監(jiān)控，且提高了出酒率及優(yōu)質(zhì)酒率，同時具有很強的穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵詞：白酒裝甑蒸餾；LabVIEW；蒸汽壓力；接酒溫度；監(jiān)控系統(tǒng)；白酒

優(yōu)先數(shù)字出版時間：2016-03-23；地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20160323.1526.005.html。

中國白酒作為我國傳統(tǒng)的釀造行業(yè)，擁有悠久的釀造歷史。隨著社會的進步，科技的發(fā)展，目前，我國各大酒廠仍以手工半機械化生產(chǎn)模式為主，相對落后，并且對于釀酒的核心過程——甑桶蒸餾，仍然采用人工裝甑、餾酒［1-2］。其中，傳統(tǒng)手工裝甑及餾酒全靠人工和工人積累的經(jīng)驗，培養(yǎng)一個好的釀酒師需要數(shù)年，而且人工操作環(huán)境差，勞動強度大。因此，實現(xiàn)機械化裝甑蒸餾是亟需解決的問題。

根據(jù)白酒裝甑蒸餾工藝要求及特點，結(jié)合近年來高速發(fā)展的計算機控制技術(shù)［3-4］，本研究設(shè)計了一套以Lab-VIEW為開發(fā)平臺，基于FCS現(xiàn)場總線、PLC、智能儀表等現(xiàn)代測控技術(shù)的自動化裝甑蒸餾監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合機械設(shè)備和六自由度工業(yè)機器人，實現(xiàn)機械化替代人工作業(yè)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

整個白酒裝甑蒸餾監(jiān)控系統(tǒng)由蒸汽進汽壓力監(jiān)控過程和冷凝溫度監(jiān)控過程構(gòu)成，并且與六自由度工業(yè)機器人配合完成裝甑蒸餾。

（1）安裝在甑桶蒸汽進口處的壓力傳感器，實時檢測蒸汽壓力，轉(zhuǎn)化為4～20 mA信號，智能儀表采集到壓力信號后通過RS-485總線的方式上傳至機器人自動裝甑系統(tǒng)上位機，系統(tǒng)結(jié)合機器人運行情況與工藝的同時，通過PID算法實時調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥開度大小，進而控制蒸汽流量以滿足裝甑工藝要求［5］。

（2）開始蒸酒時，通過RS-485通訊方式將安裝在冷凝器出酒口上Pt-100溫度傳感器測量到的出酒溫度傳送給上位機。上位機根據(jù)理想出酒溫度并通過PID算法來調(diào)節(jié)冷水調(diào)節(jié)閥開度大小，進而控制冷水流速，使出酒溫度達到理想溫度，最終得到高出酒率和高優(yōu)質(zhì)酒率。

其中白酒裝甑蒸餾監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖1。

圖1　　白酒裝甑蒸餾監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

蒸汽進汽壓力和冷凝溫度這兩個監(jiān)控過程由工控機、西門子PLC、智能儀表、各傳感器以及執(zhí)行閥門等組成。由于白酒裝甑蒸餾是食品生產(chǎn)過程，并且其中的酒精等物質(zhì)還存在著易燃、易爆等特性，所以在設(shè)備選型的過程中必須考慮到設(shè)備的衛(wèi)生等級和防爆等級等因素，并且整個生產(chǎn)環(huán)境灰塵大，濕度大，還必須考慮一些儀器設(shè)備的防塵、防水且易檢修維護等。

（1）壓力變送器：用于測量進汽口的蒸汽壓力，由于蒸汽壓力范圍普遍在0～5 MPa，屬于中壓，因此選用E+ H的P40-P200A30型壓力傳感器。

（2）溫度傳感器：用于測量冷凝器白酒流出溫度，選用精度高、穩(wěn)定性好、可靠性強、產(chǎn)品壽命長等優(yōu)點的Pt-100鉑電阻。

（3）調(diào)節(jié)閥：一個用于調(diào)節(jié)蒸汽進汽流量，能夠滿足在飽和熱蒸汽的壓力下可以正常工作，還有一個用于調(diào)節(jié)冷水進水流量，調(diào)節(jié)冷凝器中酒精蒸氣冷凝溫度。因此，選用體積小、精度高、死區(qū)小、使用壽命長等優(yōu)點的氣動調(diào)節(jié)閥XSL-202XLS2-POT。

其中系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖見圖2。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件部分采用的LabVIEW是擁有強大通信功能的應(yīng)用軟件，串行通信、DataSocket技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等使得虛擬技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)化虛擬測視控制系統(tǒng)，實現(xiàn)用戶自定義解決方案。利用Lab-VIEW編寫的系統(tǒng)，可以直觀地顯示現(xiàn)場裝甑蒸餾情況［6］。上位機首先通過CP5621卡和RS-485串口采集PLC、智能儀表中的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理后將結(jié)果實時地在軟件界面上顯示，并將數(shù)據(jù)存于后臺的數(shù)據(jù)庫中，以便用戶查看與總結(jié)，并及時發(fā)現(xiàn)故障隱患。白酒裝甑蒸餾監(jiān)控系統(tǒng)的主界面見圖3，該界面顯示了蒸汽開度、蒸汽壓力、冷凝開度、出酒溫度等所有實時參數(shù)，同時用戶還可以通過該界面手動打開或關(guān)閉閥門及設(shè)置控制任務(wù)，還可實現(xiàn)手動設(shè)定出酒溫度目標值等操作。

圖2　　白酒裝甑蒸餾監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3　白酒裝甑蒸餾監(jiān)控系統(tǒng)主界面

3.1蒸汽進汽壓力控制

上甑速度對出酒產(chǎn)質(zhì)量有很大的影響，而上甑速度的快慢又由上甑蒸汽壓力的大小決定，因此，在整個裝甑蒸餾過程中，汽壓不能忽大忽小，否則會破壞甑桶內(nèi)各層汽液相平衡，降低蒸餾效果，裝甑不勻造成窩酒等，必須滿足工藝要求，才能既提高出酒率，又能產(chǎn)出更多高品質(zhì)酒［7］。根據(jù)工藝要求，我們設(shè)計出如圖4所示的控制程序框圖，設(shè)置好PID控制器的各項參數(shù)，根據(jù)實時采集到的蒸汽壓力與其目標值相比較，進而控制蒸汽開度，最終控制蒸汽壓力，其中某一時刻蒸汽壓力歷史數(shù)據(jù)見圖5。

按白酒工藝，裝甑用汽要緩慢調(diào)節(jié)，做到“兩小一大”。開始裝甑時，甑底醅料薄，容易跑酒，用汽量要??；隨著料層加厚，上汽阻力增大，要防治壓汽，用汽量宜大；裝甑快結(jié)束時，因上下汽路已通，用汽量要小。在蒸餾過程中，要做到緩汽蒸餾，大汽追尾?，F(xiàn)場實時采集到的蒸汽瞬時流量見圖6，其中由于裝甑時要與六自由度工業(yè)機器人配合運行，蒸汽瞬時流量比人工操作時偏大，蒸酒時整體穩(wěn)定，最后再進行大汽追尾。

圖4　熱蒸汽進汽壓力控制程序框圖

圖5　蒸汽壓力歷史數(shù)據(jù)

圖6　蒸汽瞬時流量歷史數(shù)據(jù)

3.2冷凝溫度控制

接酒溫度不宜太高或太低，以30℃左右為宜。因為接酒溫度較高時，雖然可揮發(fā)硫化氫及乙醛等雜質(zhì)，但同時也會散失所需要的香味成分。由于溫度調(diào)節(jié)過程是一個變化比較慢的過程，而且冷凝器的作用只為酒精蒸氣可以冷凝成液態(tài)，但是為了提高優(yōu)質(zhì)酒率，且酒蒸氣不穩(wěn)定，仍采用PID控制器來調(diào)節(jié)冷凝水閥門的開度，從而控制冷凝水流速，最終使出酒溫度接近目標值。其中，冷凝溫度控制程序框圖如圖7所示，與蒸汽壓力控制的程序框圖相似。

圖7　冷凝溫度控制程序框圖

根據(jù)圖8出酒溫度鍋內(nèi)溫度歷史數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當溫度超過酒蒸氣沸點78.5℃時，即在有酒蒸氣出現(xiàn)階段，出酒溫度基本穩(wěn)定在30℃左右，滿足工藝要求；而在酒尾階段，尤其在鍋內(nèi)溫度達到100℃時，此時蒸汽中乙醇含量為0，因此酒廠無需大動干戈對這部分酒蒸氣進行優(yōu)化控制。

圖8　出酒溫度鍋內(nèi)溫度歷史數(shù)據(jù)

4機器人裝甑與人工裝甑效果對比

為了驗證所設(shè)計的配合于六自由度工業(yè)機器人的自動化裝甑效果優(yōu)于人工裝甑，我們進行了對比實驗。為了方便比較，我們進行多組實驗對比，并確保每甑酒醅用量相同為3 t，比較2種裝甑方式對于粉糧、稻殼、曲粉、水電、出酒率以及優(yōu)質(zhì)酒率的影響。每4甑為一組，機器人裝甑與人工裝甑分別進行40組實驗，并對40組實驗所得數(shù)據(jù)求取平均值。在實驗運行期間，系統(tǒng)均穩(wěn)定運行，且符合工藝要求。其中每組輔料及水電使用情況見表1，一級酒、二級酒、三級酒、出酒率及優(yōu)質(zhì)酒率見表2。

由表1可以看出，對于粉糧及稻殼的使用，機器人裝甑比人工裝甑每一甑平均多出100 kg左右，曲粉及電量基本相同，但是機器人裝甑用水比人工裝甑用水少用近一半。而由表2可以看出，不管是一級酒、二級酒、三級酒還是出酒率，機器人裝甑比人工裝甑都有所提高，優(yōu)質(zhì)酒率及出酒率分別提高10.5%和11.4%。尤其是一級酒率，提高18%。該結(jié)果對于酒廠來說意義非凡。

表1　輔料及水電使用情況

5　結(jié)論

本研究設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于LabVIEW的白酒自動化裝甑蒸餾監(jiān)控系統(tǒng)，成功應(yīng)用于今世緣酒廠，系統(tǒng)運行期間穩(wěn)定、可靠，且該系統(tǒng)大大減輕了工作人員的工作強度，并將出酒率及優(yōu)質(zhì)酒率分別提高到21%和39%，對于推進我國白酒全面機械化生產(chǎn)的發(fā)展有重要意義。

本設(shè)計的創(chuàng)新點：基于LabVIEW開發(fā)平臺，結(jié)合PLC、智能儀表等現(xiàn)代控制技術(shù)設(shè)計開發(fā)了白酒裝甑蒸餾監(jiān)控系統(tǒng)。本文根據(jù)白酒裝甑蒸餾的工藝要求，設(shè)計了相應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)與軟件系統(tǒng)。

參考文獻：

［1］趙德義，韓斌，李建剛，等.自動化系統(tǒng)在山東景芝酒業(yè)白酒生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.釀酒科技，2014（6）：91-94.

［2］龍村.茅臺酒蒸餾過程蒸汽壓力和接酒溫度的自動控制應(yīng)用研究［J］.中國管理信息化，2012，15（14）：72-74.

［3］陳樹，徐國強，熊偉麗，等. LabVIEW平臺下的黃酒發(fā)酵控制系統(tǒng)［J］.計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20（6）：126-128.

［4］Liu D，Xiong W，Xu G，et al.An automated system for monitoring and controlling of rice wine fermentation［C］//2012 ASABEAnnual International Meeting. Dallas：American Society of Agricultural and Biological Engineers，2012：3643-3651.

［5］李冬輝，許弋慧.基于模糊控制的蒸餾管路壓力系統(tǒng)研究［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2014（3）：49-51.

［6］阮奇楨.我和LabVIEW：一個NI工程師的十年編程經(jīng)驗［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［7］李大和，李國紅.上甑蒸餾技術(shù)與白酒產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)系［J］.釀酒科技，2012（1）：65-66.

中圖分類號：TS262.3；TS261.3；TS261.4；TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1001-9286（2016）05-0092-04

基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目（21276111）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助（JUSRP51510）。

收稿日期：2016-01-12；修回日期：2016-03-02

作者簡介：楊亞茹（1991-），女，江蘇無錫人，在讀碩士研究生，主要研究方向為控制理論與控制過程，E-mail：529002429@qq.com。

通訊作者：徐保國（1950-），男，江蘇淮陰人，教授，主要研究方向為工業(yè)過程控制及自動化，E-mail：xbg@jiangnan.edu.cn。

LabVIEW-based Automated Monitoring System for Steamer-Filling & Distillation

YANG Yaru1，LIU Dengfeng1，XU Guoqiang2，DING Zhiguo1，3and XU Baoguo1
（1.School of Internet of Things Engineering，Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu 214000；2. Wuxi Meihu Information Technology Co. Ltd.，Wuxi，Jiangsu 214000，China；3. School of Computing and Communications，Lancaster University，Lancaster，LA1 4YW，UK）

Abstract：To solve the problems of backward production technology and low labor productivity，we designed an automated monitoring system for steamer-filling & distillation of Baijiu. Such system was developed with LabVIEW and it could control steam pressure and condensate water automatically. In this paper，the overall structure of the system and the realization of key modules were introduced. The practical operation of such system in distilleries proved that it could achieve the monitoring of each parameter in steamer-filling & distillation process，and it could enhance liquor yield and high quality rate，and it had strong stability and reliability.

Key words：steamer-filling & distillation of Baijiu；LabVIEW；steam pressure；liquor-picking temperature；monitoring system；Baijiu