基于PLC控制的白酒蒸餾監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

盧森幸，張浩強(qiáng)，蔡 柳,林彥伯，羅相巧，韋美良，周 志

(河池學(xué)院，廣西 宜州 546300)

0 引 言

白酒是中國(guó)特有的固態(tài)蒸餾酒，以富含淀粉質(zhì)的糧谷類為原料，以酒曲為糖化發(fā)酵劑，采用固態(tài)發(fā)酵方式，經(jīng)蒸餾、貯存和勾調(diào)而成的含酒精飲料[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和文化的發(fā)展，人們生活水平也得到顯著提升，對(duì)白酒的品質(zhì)追求提出了越來(lái)越高的要求。

提高白酒的品質(zhì)、增加白酒的產(chǎn)量成為所有釀酒企業(yè)的一致目標(biāo)。中國(guó)白酒企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中還存在諸多待改善的問(wèn)題，如多采用人工生產(chǎn)、依靠經(jīng)驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)環(huán)境衛(wèi)生條件較差、釀造過(guò)程管理比較粗放、能源消耗量大且浪費(fèi)多等[2]。對(duì)于釀酒的核心過(guò)程——甑桶蒸餾，仍然采用人工裝甑、餾酒[3]。白酒的自動(dòng)化釀造研究相對(duì)落后，部分學(xué)者開(kāi)展了單工藝環(huán)節(jié)或單體工藝設(shè)備的研究[4]。為了減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高白酒品質(zhì)和產(chǎn)量，各個(gè)白酒生產(chǎn)企業(yè)在白酒生產(chǎn)工藝流程當(dāng)中使用智能控制，自動(dòng)化技術(shù)完成白酒的釀造。大量的機(jī)械化和計(jì)算機(jī)技術(shù)在線過(guò)程控制在白酒生產(chǎn)過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用，很大程度上提高了白酒企業(yè)的生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)力。

筆者提出了基于PLC控制的白酒蒸餾監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)可以在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)白酒蒸餾過(guò)程中的進(jìn)氣壓力、管路壓力、冷凝壓力、冷凝溫度和酒精度數(shù)等參數(shù)；通過(guò)用PLC程序控制變頻器改變輸出電壓大小，用PLC程序控制電磁閥動(dòng)作，使白酒釀造過(guò)程中的壓力和溫度變化范圍滿足工藝需求，使白酒蒸餾過(guò)程中具有最優(yōu)的工藝參數(shù)，用自動(dòng)化生產(chǎn)減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約電能、增產(chǎn)增效。

1 白酒蒸餾監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)白酒生產(chǎn)過(guò)程的組成、特點(diǎn)及其控制要求，白酒蒸餾監(jiān)控系統(tǒng)采用分布控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，即集散控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)原則是分散控制、集中操作、分組管理、分而自治、綜合協(xié)調(diào)。系統(tǒng)從上到下分為綜合信息管理級(jí)、計(jì)算機(jī)監(jiān)管控制級(jí)和分散過(guò)程控制級(jí)3個(gè)控制級(jí)，如圖1所示。

圖1 白酒蒸餾監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖

分散過(guò)程控制級(jí)是集散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，用于直接控制生產(chǎn)過(guò)程。它由各工作站組成，每個(gè)工作站分別完成數(shù)據(jù)采集，如現(xiàn)場(chǎng)溫度、液位、重量、壓力等參數(shù)，同時(shí)順序控制或某一個(gè)被控制量的閉環(huán)控制等。分散過(guò)程控制級(jí)采集到的數(shù)據(jù)供計(jì)算機(jī)監(jiān)管控制級(jí)調(diào)用，各工作站接收計(jì)算機(jī)監(jiān)管控制級(jí)發(fā)送的信息，并以此完成相關(guān)的工作。白酒蒸餾監(jiān)控系統(tǒng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)主要用到的電氣控制元件有進(jìn)蒸汽控制閥、進(jìn)冷水控制閥、溫度調(diào)節(jié)器、皮帶速度調(diào)節(jié)器、變頻風(fēng)機(jī)、壓力變送器、溫度變送器、電磁閥等，如圖2所示。傳感器可以采集到現(xiàn)場(chǎng)溫度、液位、重量、壓力等參數(shù)，將這些參數(shù)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)送給變送器，變送器再將接收到的電信號(hào)變成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，通常為4～20 mA，再送給主控室處理，主控室根據(jù)白酒釀造工藝要求會(huì)按PLC程序規(guī)定控制各電磁閥動(dòng)作，完成白酒智能釀造?？刂葡到y(tǒng)主要使用的硬件包括PLC、觸摸屏、開(kāi)關(guān)電源、液位計(jì)、流量計(jì)、按鈕、中間繼電器等元器件[5]。為了使白酒釀造在安全可行的環(huán)境當(dāng)中進(jìn)行，系統(tǒng)同時(shí)設(shè)置手動(dòng)操作功能。

圖2 分散過(guò)程控制級(jí)硬件連接圖

計(jì)算機(jī)監(jiān)管控制級(jí)完成生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控和操作。該級(jí)根據(jù)綜合信息管理級(jí)的技術(shù)要求和通過(guò)分散過(guò)程控制級(jí)獲得的生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)，對(duì)分散過(guò)程控制級(jí)進(jìn)行最優(yōu)控制。該級(jí)能全面地反映各工作站的情況，提供充分的信息，本級(jí)操作員可以直接干預(yù)系統(tǒng)的運(yùn)行。分散過(guò)程控制級(jí)和計(jì)算機(jī)監(jiān)管控制級(jí)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

綜合信息管理級(jí)是整個(gè)系統(tǒng)的中樞。它根據(jù)計(jì)算機(jī)監(jiān)管控制級(jí)提供的信息及生產(chǎn)任務(wù)的要求、編制全面反映整個(gè)系統(tǒng)工作情況的報(bào)表、審核控制方案、選擇數(shù)學(xué)模型、制定最優(yōu)控制策略，并對(duì)下一級(jí)下達(dá)命令。

圖3 分散過(guò)程控制級(jí)和計(jì)算機(jī)監(jiān)管控制級(jí)結(jié)構(gòu)框圖

釀酒企業(yè)的技術(shù)人員和管理人員可以通過(guò)企業(yè)內(nèi)部建立的相應(yīng)局域網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程查看分散過(guò)程控制級(jí)各工作站的運(yùn)行情況，進(jìn)而動(dòng)態(tài)掌握白酒生產(chǎn)車間的詳細(xì)生產(chǎn)情況，并對(duì)白酒生產(chǎn)車間內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。根據(jù)管理需求，可以將綜合信息管理級(jí)在廣域網(wǎng)發(fā)布。

2 白酒蒸餾監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制配料過(guò)程

從圖4上甑配料系統(tǒng)的監(jiān)控界面中可以看出，根據(jù)釀酒技術(shù)人員設(shè)計(jì)好的工藝流程，最右側(cè)的酒醅用重量傳感器稱重后，由2個(gè)傳送帶傳送；粉糧用重量傳感器稱重后，由一個(gè)傳送帶傳送；谷殼用重量傳感器稱重后，和酒醅、粉糧三者按比例混入到提升網(wǎng)帶機(jī)中的傳送帶上的傳送裝置中。攪拌電機(jī)安裝在傳送帶上的傳送裝置中，當(dāng)酒醅、粉糧、谷殼在提升網(wǎng)帶機(jī)上傳送時(shí)，會(huì)被攪拌得更加均勻，使生產(chǎn)的白酒質(zhì)量符合工藝配方的要求。

在上甑配料系統(tǒng)的組態(tài)界面中，可以設(shè)置酒醅出料電機(jī)、粉糧出料電機(jī)、谷殼出料電機(jī)的出料速度值，在測(cè)試酒醅、粉糧、谷殼稱重重量時(shí)，可以使用手動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行單獨(dú)啟停來(lái)對(duì)稱重重量進(jìn)行控制。當(dāng)在正常生產(chǎn)當(dāng)中，所有網(wǎng)帶電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，網(wǎng)帶電機(jī)轉(zhuǎn)速嚴(yán)格按照工藝配比要求進(jìn)行設(shè)置，保證三種物料重量比符合工藝參數(shù)要求。當(dāng)酒醅、粉糧、谷殼任意一個(gè)稱重料倉(cāng)的料不足時(shí)，或者當(dāng)任意一個(gè)重量傳感器損壞影響稱重時(shí)，上甑配料系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止工作，保證進(jìn)入提升網(wǎng)帶機(jī)傳送裝置中的料不出現(xiàn)比例不符的現(xiàn)象，從而保證最終釀造出的白酒具有最佳品質(zhì)。

圖4 上甑配料系統(tǒng)的監(jiān)控界面

2.2 三蒸餾甑白酒的差壓蒸餾節(jié)能生產(chǎn)

“生香靠發(fā)酵，提香靠蒸餾”[6]，蒸餾就是利用母糟中各液體組分揮發(fā)性的不同，用加熱、汽化及冷凝的方法，將母糟中所含的乙醇及香味成分提取出來(lái)，并排除有害雜質(zhì)的操作，俗稱：“烤酒”。

蒸餾過(guò)程依據(jù)多年來(lái)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)所得到的釀酒工藝安排，通常分為三個(gè)階段，開(kāi)始階段所得到的酒為酒頭，酒的度數(shù)約為70°～80°，中間階段所得到的酒為酒身，酒的度數(shù)約為50°～60°，后期階段所得到的酒為酒尾，酒的度數(shù)約為40°～50°[7]。酒頭的雜味很重，由于度數(shù)太高，喝了以后會(huì)感覺(jué)到非常的辣嘴，加上過(guò)量的醛類物質(zhì)，對(duì)人的身體也有一定的傷害，所以白酒在釀造過(guò)程當(dāng)中需要進(jìn)行掐頭。酒身是一鍋酒當(dāng)中口感最佳的部分，可供正常飲用，且水和酒精分子具有最完美的融合，在這一階段的蒸餾中，需要進(jìn)行穩(wěn)火蒸餾，增加酒的香味，得到優(yōu)質(zhì)白酒。酒尾為渾濁的液體，口感非常的差，雜味也很大，不適合飲用，釀酒時(shí)要進(jìn)行去尾，由于酒尾當(dāng)中，含有較高沸點(diǎn)的物質(zhì)，所以要用猛火才能蒸出。

此系統(tǒng)采用三蒸餾甑白酒的差壓蒸餾節(jié)能生產(chǎn)方式，如圖5所示。

圖5 三蒸餾甑白酒的差壓蒸餾節(jié)能生產(chǎn)

頂部的成熟醪被成熟醪預(yù)熱器加熱后，進(jìn)入最左側(cè)的常壓蒸餾甑1，最左側(cè)的常壓蒸餾甑1通入較大流量的蒸汽，由成熟醪蒸出的酒汽進(jìn)入常壓甑再沸器進(jìn)行冷卻，酒汽冷卻后再進(jìn)入第一汽液分離器，第一汽液分離器底部的經(jīng)過(guò)冷凝的酒汽進(jìn)入常壓甑成品冷卻器，最后再進(jìn)入常壓甑酒箱。第一汽液分離器頂部的冷凝不夠的酒汽通過(guò)成熟醪預(yù)熱器對(duì)成熟醪進(jìn)行加熱，再經(jīng)過(guò)常壓甑冷凝器充分冷卻，最后通過(guò)常壓甑成品冷卻器進(jìn)入常壓甑酒箱。

常壓甑再沸器內(nèi)的部分未冷卻的高溫蒸汽流動(dòng)到左側(cè)閃蒸罐，對(duì)左側(cè)閃蒸罐內(nèi)的工藝水進(jìn)行加熱，左側(cè)閃蒸罐內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽給常壓蒸餾甑2進(jìn)行部分供熱，常壓蒸餾甑2同時(shí)通入較小流量的蒸汽進(jìn)行供熱。頂部的成熟醪被成熟醪預(yù)熱器加熱后，進(jìn)入常壓蒸餾甑2的右側(cè)，由成熟醪蒸出的酒汽進(jìn)入中間的負(fù)壓甑再沸器進(jìn)行冷卻，酒汽冷卻后再進(jìn)入第二汽液分離器，第二汽液分離器底部的經(jīng)過(guò)冷凝的酒汽進(jìn)入右側(cè)的常壓甑成品冷卻器，最后再進(jìn)入右側(cè)的常壓甑酒箱。第二汽液分離器頂部的冷凝不夠的酒汽通過(guò)右側(cè)的常壓甑冷凝器充分冷卻，最后通過(guò)右側(cè)的常壓甑成品冷卻器進(jìn)入右側(cè)的常壓甑酒箱。

負(fù)壓甑再沸器內(nèi)的部分未冷卻的高溫蒸汽流動(dòng)到右側(cè)的閃蒸罐，對(duì)右側(cè)閃蒸罐內(nèi)的工藝水進(jìn)行加熱，右側(cè)閃蒸罐內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽給最右側(cè)的負(fù)壓蒸餾甑進(jìn)行供熱，頂部的成熟醪被成熟醪預(yù)熱器加熱后，進(jìn)入最右側(cè)的負(fù)壓蒸餾甑，由成熟醪蒸出的酒汽進(jìn)入負(fù)壓甑冷凝器，再進(jìn)入第三汽液分離器，冷卻的酒汽進(jìn)入負(fù)壓甑成品冷卻器進(jìn)行冷卻，最后再進(jìn)入負(fù)壓甑酒箱。最右側(cè)真空泵產(chǎn)生負(fù)壓，促進(jìn)高溫蒸汽流動(dòng)，也可以排除第三汽液分離器酒汽含量較低的部分高溫尾汽。

供入較大蒸汽流量的左側(cè)常壓蒸餾甑，供入較小蒸汽流量和由左側(cè)閃蒸罐內(nèi)產(chǎn)生部分蒸汽流量的位于中間位置的常壓蒸餾甑，不供入蒸汽流量、僅靠真空泵和右側(cè)閃蒸罐供熱的負(fù)壓蒸餾甑，成熟醪經(jīng)成熟醪預(yù)熱器預(yù)熱后用三個(gè)蒸餾甑進(jìn)行蒸餾，達(dá)到能量耦合，降低能耗，節(jié)儉成本的目的。采用三蒸餾甑白酒的差壓蒸餾節(jié)能生產(chǎn)白酒，白酒香氣純正、清雅，口味口感醇和，酒體豐滿、諧調(diào)，余味爽凈[8]。

3 白酒蒸餾管理系統(tǒng)

白酒蒸餾管理系統(tǒng)使用的是組態(tài)王(KingView)軟件，應(yīng)用組態(tài)王構(gòu)建白酒蒸餾監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合系統(tǒng)外圍硬件，進(jìn)行潤(rùn)糧水用量、加漿水用量、酒醅消耗量、糧食消耗量、糧醅比、流酒溫度和曲用量等指標(biāo)數(shù)據(jù)的收集、分析與統(tǒng)計(jì)，完成白酒蒸餾過(guò)程控制，將白酒蒸餾工藝流程實(shí)現(xiàn)圖形化操作。根據(jù)白酒蒸餾過(guò)程進(jìn)行細(xì)分，提供細(xì)分控制畫(huà)面，模擬白酒蒸餾過(guò)程調(diào)節(jié)儀表和測(cè)量?jī)x表顯示、生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)態(tài)顯示、實(shí)時(shí)顯示使用狀態(tài)和流量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。

白酒蒸餾管理系統(tǒng)界面有二級(jí)菜單，第一級(jí)菜單有用戶、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和事件日志。用戶的子菜單有操作員和管理員，進(jìn)入后可以進(jìn)行登錄、權(quán)限設(shè)置等操作?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的子菜單有實(shí)時(shí)查尋和參數(shù)指標(biāo)設(shè)置，實(shí)時(shí)查尋進(jìn)入后可以完成常規(guī)查尋，也可以按條件查尋，參數(shù)指標(biāo)設(shè)置可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)參數(shù)的整定值設(shè)置，白酒蒸餾管理系統(tǒng)通過(guò)溫度、氣壓、酒精濃度等現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集潤(rùn)糧水用量、加漿水用量、酒醅消耗量、糧食消耗量、糧醅比、流酒溫度和曲用量等參數(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢與監(jiān)控。系統(tǒng)通過(guò)RS232、RS485通訊方式把控制站、PC機(jī)、智能調(diào)節(jié)器和其它測(cè)控裝置連接，把現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程控制連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)-遠(yuǎn)程雙控。系統(tǒng)應(yīng)用組態(tài)王的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布控件進(jìn)行Web發(fā)布，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的子菜單有趨勢(shì)曲線、棒圖和數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)以三種不同形式表達(dá)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，管理者可以直觀的進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，輕松獲得統(tǒng)計(jì)和分析結(jié)果，白酒蒸餾系統(tǒng)通過(guò)對(duì)生產(chǎn)狀況的參數(shù)進(jìn)行分析與設(shè)置，完成每甑潤(rùn)糧水用量、加漿水用量、酒醅消耗量、糧食消耗量和用曲量等指標(biāo)的實(shí)時(shí)消耗量和累計(jì)消耗數(shù)據(jù)的在線和追溯性查詢、分析、統(tǒng)計(jì)操作。事件日志的子菜單有日志、月日志、年日志，方便查尋和統(tǒng)計(jì)不同時(shí)間段的事件。圖6是白酒蒸餾車間組態(tài)王(KingView)界面，由總控制窗口、熱蒸汽進(jìn)氣PID控制器、冷卻塔冷水PID控制器、關(guān)鍵變量監(jiān)控窗口組成，實(shí)現(xiàn)了白酒裝甑過(guò)程中蒸汽與冷凝水的自動(dòng)控制及其遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖6 白酒蒸餾車間組態(tài)王界面

4 總 結(jié)

中國(guó)白酒釀造工藝過(guò)程粗話，勞動(dòng)強(qiáng)度大，隨著社會(huì)科技的發(fā)展，中國(guó)傳統(tǒng)白酒必須融入現(xiàn)代科技，走新型工業(yè)化和自動(dòng)化道路。此頂研究重點(diǎn)分別對(duì)白酒蒸餾監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、PLC控制配料過(guò)程、三蒸餾甑白酒的差壓蒸餾節(jié)能生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后對(duì)白酒蒸餾管理系統(tǒng)界面運(yùn)行進(jìn)行了介紹，實(shí)現(xiàn)了白酒生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高白酒生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。