基于solidworks建模技術(shù)的全自動(dòng)啤酒生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊銓?zhuān)寥A健，李葉偉

（廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530200）

0 引言

隨著人民消費(fèi)水平的日益提高，啤酒在人們的餐桌上消費(fèi)量不斷創(chuàng)高，尤其是在夏季，啤酒的需求量更大，而這對(duì)啤酒的生產(chǎn)要求也越來(lái)越高。近年來(lái)，我國(guó)啤酒產(chǎn)量逐年下降，2017年為4401萬(wàn)千升，2018年下降為3812.20萬(wàn)千升，同比下滑13.4%，到了2019年，我國(guó)啤酒產(chǎn)量約為3765.3萬(wàn)千升。而國(guó)外現(xiàn)狀，據(jù)相關(guān)公司對(duì)全球150多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在2017年，全球啤酒產(chǎn)量約為1908.9億升；而2018年，得益于世界杯賽事，全球啤酒產(chǎn)量達(dá)1910.6億升，較2017年增長(zhǎng)了0.6%。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，一些中小型酒廠普遍存在自控水平差，技術(shù)含量低，產(chǎn)品檔次低，品種單一，能耗和原料消耗大等各種問(wèn)題，使得啤酒企業(yè)的優(yōu)勝劣汰急劇加快，生存空間日益狹小。

基于solidworks建模的全自動(dòng)啤酒罐裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，主要是以提高機(jī)器的自動(dòng)控制水平為目的。它利用solidworks建模，模型與實(shí)際生產(chǎn)完成一致，仿真與生產(chǎn)線管理系統(tǒng)相適應(yīng)，模擬啤酒的生產(chǎn)控制流程。灌裝過(guò)程比較精確、嚴(yán)密，對(duì)實(shí)際啤酒工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生巨大的作用。通過(guò)啤酒灌裝系統(tǒng)自動(dòng)化控制，首先可以提高啤酒生產(chǎn)效率，減少人工操作，容易擴(kuò)展，可以滿足客戶(hù)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的需求；其次可以改良工作的條件，通過(guò)實(shí)現(xiàn)啤酒灌裝系統(tǒng)自動(dòng)化控制后，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不再需要人工進(jìn)行手動(dòng)操作，從而降低勞動(dòng)成本。

1 啤酒生產(chǎn)主要控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

啤酒生產(chǎn)工藝流程可以分為制麥、糖化、發(fā)酵、包裝4個(gè)工序?，F(xiàn)代化的啤酒廠一般已經(jīng)不再設(shè)立麥芽車(chē)間，因此制麥部分也將逐步從啤酒生產(chǎn)工藝流程中剝離。

1.1 制麥PLC控制

原料麥芽、大米的粉碎的PLC控制主要包括麥芽、大米暫存?zhèn)}高、低料位麥芽、大米計(jì)量、浸麥水溫度、流量調(diào)節(jié)、麥芽投料水溫度、流量調(diào)節(jié)、大米投料水溫度、流量調(diào)節(jié)、設(shè)備電機(jī)的啟停、狀態(tài)插板閥狀態(tài)開(kāi)關(guān)等[1]。進(jìn)入麥芽（大米）濕粉機(jī)的浸麥水的水溫，由PLC自動(dòng)調(diào)節(jié)三通調(diào)節(jié)伐，改變冷熱水流量比，以維持浸麥水溫的恒定。根據(jù)進(jìn)料量自動(dòng)調(diào)進(jìn)水量，以保證浸麥水的適當(dāng)配比量。系統(tǒng)設(shè)浸麥水?dāng)嗨?lián)鎖保護(hù)。主要聯(lián)鎖包括斷流報(bào)警；聯(lián)鎖物料、水、CIP、排污閥狀態(tài)、開(kāi)、關(guān)、聯(lián)鎖；人機(jī)倒包聯(lián)系輸送帶堵料聯(lián)鎖；報(bào)警設(shè)備順序啟停聯(lián)鎖控制[2]。

1.2 糖化的PLC控制

糊化鍋、糖化鍋溫度智能串級(jí)控制，通過(guò)上段開(kāi)關(guān)閥和下段比例閥調(diào)節(jié)進(jìn)入夾套加熱器的蒸流流量[3]。糖化PLC控制包括蒸汽壓力控制；連續(xù)液位、空料位檢測(cè)、控制；攪拌控制（快慢轉(zhuǎn)或變頻控制）；糊化鍋溢鍋檢測(cè)、控制、報(bào)警；倒醪控制；閥門(mén)的開(kāi)關(guān)和狀態(tài)反饋；電機(jī)的啟停和狀態(tài)反饋；加水溫度、流量調(diào)節(jié)。控制中主要聯(lián)鎖包括糊化鍋、糖化鍋溫度、壓力聯(lián)鎖；空料位與出料泵聯(lián)鎖；人孔蓋狀態(tài)、醪液下位與攪拌聯(lián)鎖；CIP閥與排污閥與物料過(guò)程的聯(lián)鎖；過(guò)程閥門(mén)和泵的開(kāi)關(guān)順序聯(lián)鎖[4]。如圖1所示。

圖1 （糖化鍋）溫度、壓力串級(jí)控制

1.3 麥汁過(guò)濾的PLC控制

麥汁過(guò)濾主要控制內(nèi)容洗糟水溫度、流量控制；過(guò)濾槽/麥汁收集器液位控制；過(guò)濾麥汁流量控制、計(jì)量過(guò)濾麥汁泵變頻控制；過(guò)濾槽洗糟控制；過(guò)濾槽耕刀、刮板升降控制（液壓系統(tǒng)）；過(guò)濾槽耕刀位置檢測(cè)；過(guò)濾槽耕糟控制；排糟控制（糟門(mén)電機(jī)、排糟電機(jī)）；糟相空料位檢測(cè)；人孔狀態(tài)檢測(cè)；物料閥、CIP閥、排污閥聯(lián)鎖控制及狀態(tài)[5]。主要聯(lián)鎖包括進(jìn)出料閥門(mén)與糟門(mén)電機(jī)聯(lián)鎖；CIP閥、排污閥與過(guò)濾過(guò)程的聯(lián)鎖；進(jìn)醪與糖化鍋的出醪流程聯(lián)鎖；出醪與煮沸鍋的進(jìn)醪聯(lián)鎖；耕刀位置與液壓系統(tǒng)的聯(lián)鎖；排糟壓縮空氣壓力聯(lián)鎖。如圖2所示。

圖2 麥汁過(guò)濾槽控制模型

1.4 酵母擴(kuò)培、儲(chǔ)存、投加的PLC控制

酵母擴(kuò)培、儲(chǔ)存、投加的PLC控制包括自動(dòng)清洗和蒸汽殺菌、麥汁進(jìn)擴(kuò)培罐計(jì)量、麥汁殺菌和冷卻、擴(kuò)培罐的壓力控制（彈簧恒化調(diào)節(jié)閥）、擴(kuò)培罐的液位控制、培養(yǎng)液的恒溫控制（氨冷卻降溫）、定時(shí)通風(fēng)供氧、培養(yǎng)液壓出和回壓保種、儲(chǔ)存罐的壓力控制、儲(chǔ)存罐的氨冷卻降溫控制、儲(chǔ)存罐的液位控制、儲(chǔ)存罐的攪拌控制、酵母投料流量控制[6]。

2 啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)

2.1 啤酒特性及灌裝控制系統(tǒng)的工藝要求

啤酒以小麥芽和大麥芽為主要原料，再加入酒花，經(jīng)過(guò)糖化，又經(jīng)酵母發(fā)酵作用，最后過(guò)濾操作而釀制成的一種酒精含量較低的飲料。由于啤酒對(duì)光和氧極端敏感，一旦二氧化碳流失，氧氣流入，其中有效成分會(huì)發(fā)生氧化，從而影響口味。因此，灌裝的啤酒具有阻氣性好、存放壽命長(zhǎng)、透明度好、易回收等優(yōu)點(diǎn)。啤酒灌裝的難度主要是因?yàn)槲⑸锖痛x物中含有大量的二氧化碳和蛋白質(zhì)。

灌裝過(guò)程中需要遵守的一些原則和要求首先是減少二氧化碳的損失，減少氧氣的接觸；然后在操作過(guò)程中不接觸菌類(lèi)物質(zhì)；最后包裝容器選擇綠色或棕色、密閉的瓶子，可以更好的避免在現(xiàn)代灌裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)工作中，因灌裝不精準(zhǔn)造成浪費(fèi)。在罐裝生產(chǎn)過(guò)程中最主要的還是必須要保證定量灌裝的高精確性，而選擇稱(chēng)重式灌裝能夠達(dá)到很高的精度，可使灌裝量的誤差保持在恰當(dāng)?shù)乃健?/p>

啤酒灌裝的控制采用可編程控制進(jìn)行信號(hào)提取和控制，散裝進(jìn)料采取兩級(jí)進(jìn)料，粗進(jìn)料時(shí)進(jìn)料流量大，用短時(shí)間加入90%的公稱(chēng)重量，細(xì)進(jìn)料時(shí)進(jìn)料流量低，5%至10%的額定重量，如果進(jìn)料重量達(dá)到98%，則關(guān)閉精料閘門(mén)，而不是等到它達(dá)到100%，這樣可以保證速度和精度。也可以在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)錄入設(shè)置的定值，在傳感器的作用下判斷斗門(mén)是否到位，在調(diào)速系統(tǒng)下快、中、慢進(jìn)料，加料信號(hào)結(jié)束后，進(jìn)行穩(wěn)定狀態(tài)判斷，從而進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，最后得到相關(guān)的誤差，在下一個(gè)循環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償校正[7]。

2.2 數(shù)字化自動(dòng)啤酒生產(chǎn)線系統(tǒng)功能模型

如圖3、圖4、圖5和圖6所示，整個(gè)啤酒灌裝控制系統(tǒng)包含對(duì)空瓶卸箱、清洗、檢查，灌裝壓蓋，啤酒殺菌，貼標(biāo)輸瓶，然后裝箱碼垛等。

圖3 啤酒灌裝控制系統(tǒng)示意圖

圖4 灌裝機(jī)底座效果圖

圖5 灌裝入瓶轉(zhuǎn)盤(pán)效果圖

圖6 啤酒發(fā)酵模型效果圖

卸箱系統(tǒng)：通過(guò)兩臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器和PLC控制水平、垂直運(yùn)動(dòng)。

洗瓶系統(tǒng)：進(jìn)瓶端有三級(jí)升溫浸泡槽，清洗段采用堿液進(jìn)行旋轉(zhuǎn)高壓噴射內(nèi)壁和瓶底，除標(biāo)裝置通過(guò)大流量葉輪泵將商標(biāo)帶到圓筒過(guò)濾裝置中。

灌裝壓蓋系統(tǒng)：采用變頻器控制回轉(zhuǎn)酒缸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。灌裝前打開(kāi)預(yù)抽真空閥，對(duì)酒缸槽位上的空瓶進(jìn)行抽真空，再打開(kāi)氣閥對(duì)瓶?jī)?nèi)充填CO2氣體，然后二次抽真空并充CO2，當(dāng)瓶?jī)?nèi)壓力接近背壓時(shí)打開(kāi)液閥，使酒液沿瓶壁進(jìn)入瓶?jī)?nèi)，灌裝到需要液位后，電動(dòng)控制壓蓋機(jī)升降實(shí)現(xiàn)壓蓋。

殺菌系統(tǒng)：采用隧道式巴氏殺菌對(duì)裝瓶后的啤酒進(jìn)行噴林殺菌，控制PU值（殺菌強(qiáng)度）。主傳動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)上下兩層輸瓶鏈網(wǎng)將瓶裝啤酒依次經(jīng)過(guò)三個(gè)溫區(qū)的逐級(jí)升溫預(yù)熱、兩個(gè)溫區(qū)的殺菌和三個(gè)溫區(qū)的逐級(jí)降溫冷卻過(guò)程。

貼標(biāo)系統(tǒng)：通過(guò)主/背標(biāo)標(biāo)閥、刮刀、吹氣電磁閥動(dòng)作對(duì)整瓶貼主標(biāo)和背標(biāo)。

裝箱系統(tǒng)：通過(guò)兩臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器和PLC控制水平、垂直運(yùn)動(dòng)。

CIP系統(tǒng)：對(duì)洗瓶機(jī)、灌裝機(jī)等進(jìn)行就地清洗。

3 基于solidworks建模技術(shù)的數(shù)字化啤酒生產(chǎn)線信息管理與控制的實(shí)現(xiàn)

solidworks是非標(biāo)機(jī)械設(shè)計(jì)的主流軟件，有大量的輔助插件，比如管線插件，可以用于繪制化工管道和電氣管線，仿真插件可以制作簡(jiǎn)單的動(dòng)畫(huà)等。通過(guò)數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件NX和SOLIWORS對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行建模，構(gòu)建面向精釀啤酒生產(chǎn)的智慧工廠的數(shù)字化雙胞胎模型，建立了準(zhǔn)確、高效的統(tǒng)一的制造資源模型，實(shí)現(xiàn)資源即服務(wù)，并以此為基礎(chǔ)建立智能應(yīng)用系統(tǒng)。通過(guò)Plant Simulation實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的虛擬和優(yōu)化，最終在虛擬的環(huán)境中完成整個(gè)精釀啤酒生產(chǎn)系統(tǒng)的建模和生產(chǎn)線仿真（圖7），并結(jié)合虛擬環(huán)境的仿真和優(yōu)化結(jié)果完成實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在精釀啤酒生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的數(shù)字化雙胞胎技術(shù)應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)的資源的優(yōu)化配置，優(yōu)化生產(chǎn)活動(dòng)計(jì)劃、提高生產(chǎn)過(guò)程控制精度。

圖7 啤酒生產(chǎn)線仿真效果

4 結(jié)論

利用Plant Simulation軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)的啤酒生產(chǎn)線進(jìn)行虛擬生產(chǎn)，并結(jié)合軟件對(duì)控制系統(tǒng)和控制工藝進(jìn)行優(yōu)化，將虛擬環(huán)境中設(shè)計(jì)和優(yōu)化的工藝用于當(dāng)前精釀啤酒生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和改造，形成實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改造方案，實(shí)現(xiàn)精釀啤酒生產(chǎn)虛實(shí)結(jié)合的數(shù)字化雙胞胎技術(shù)應(yīng)用。通過(guò)數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件NX和SOLIWORS對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行建模，構(gòu)建面向精釀啤酒生產(chǎn)的智慧工廠的數(shù)字化雙胞胎模型，建立了準(zhǔn)確、高效的統(tǒng)一的制造資源模型，實(shí)現(xiàn)資源即服務(wù)，并以此為基礎(chǔ)建立智能應(yīng)用系統(tǒng)。自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)可以減少人工成本，便于監(jiān)控管理，從而提高了生產(chǎn)工作的效率。