西門子PLC與組態(tài)王在葡萄酒發(fā)酵過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

方 赟，虎恩典，李 帥，李曉婷

FANG Yun，HU En-dian，LI Shuai，LI Xiao-ting

（寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，銀川 750021）

0 引言

近幾年，中國葡萄酒產(chǎn)業(yè)得到不斷發(fā)展，中國已成為一個(gè)葡萄酒的生產(chǎn)大國。怎樣提高葡萄酒的質(zhì)量，已經(jīng)成為制約葡萄酒產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心問題。在葡萄酒發(fā)酵過程中，酵母菌把葡萄汁中的還原糖發(fā)酵成酒精和二氧化碳，這是葡萄酒發(fā)酵的主要過程。在酒精發(fā)酵過程中，由于酵母菌的作用及其它微生物的活動(dòng)，還形成揮發(fā)酸、高級(jí)醇、脂肪酸、酯類等副產(chǎn)物，這類成分是葡萄酒二類香氣的主要構(gòu)成物[1]。控制葡萄酒的發(fā)酵過程平穩(wěn)地進(jìn)行，就能保證構(gòu)成二類香氣的成份在葡萄酒中處于最佳的協(xié)調(diào)和平衡狀態(tài)，從而提高葡萄酒的質(zhì)量。因此，本文所論述的葡萄酒發(fā)酵過程控制系統(tǒng)具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

根據(jù)生產(chǎn)要求和葡萄酒發(fā)酵的特點(diǎn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、新儀器儀表等，決定采用基于西門子PLC和組態(tài)王的PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)。

1 葡萄酒發(fā)酵過程

干紅葡萄酒的工藝流程如下[2]：葡萄原料→分選→除梗、破碎→加二氧化硫、酒精發(fā)酵→分離（或延長浸漬）→過濾、壓榨→換桶、后發(fā)酵→低溫貯藏→分離→下膠→分離→過濾→裝瓶。

分選最好在田間采收時(shí)進(jìn)行，進(jìn)廠以后應(yīng)注意分批破碎。除梗、破碎與入料在破碎站中完成，酒精發(fā)酵在發(fā)酵罐中進(jìn)行。本系統(tǒng)只研究干紅葡萄酒從分選到發(fā)酵過程的控制。

2 葡萄酒發(fā)酵控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成設(shè)計(jì)

該葡萄酒發(fā)酵控制系統(tǒng)采用西門子S7-414中央處理器（CPU型號(hào)為CPU414-3 PN/DP）做主控單元，ET-200S系列I/O數(shù)據(jù)采集和控制單元遍布整個(gè)廠區(qū)，通過一條PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線把主控單元和各I/O單元鏈接到一起。通過組態(tài)王6.53和PROFINET網(wǎng)絡(luò)，配以無縫連接的控制程序，確保該系統(tǒng)在整個(gè)葡萄酒生產(chǎn)過程中達(dá)到安全、高質(zhì)、高效、節(jié)能的目的。

2.1 控制系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)需要控制的對(duì)象如下：破碎站被控量有12條分揀輸送機(jī)、4臺(tái)破碎機(jī)、4臺(tái)螺旋機(jī)、4臺(tái)螺桿泵、4臺(tái)吸梗機(jī)和4個(gè)驗(yàn)糖辨別按鈕；4臺(tái)螺桿泵送出葡萄汁的流量、糖度；輸料管壓力；輔料添加；26個(gè)主管線分支閥；4個(gè)主管線單向閥；230個(gè)發(fā)酵罐入料閥門；115個(gè)發(fā)酵罐，被控量有溫度、液位、循環(huán)泵、刮渣；攪龍的啟停控制；2臺(tái)冷凍機(jī)，被控量有冷凍機(jī)進(jìn)水溫度、回水溫度、冷凍機(jī)工作狀態(tài)的反饋；空壓機(jī)工作狀態(tài)的反饋。所有的被控量都通過上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，其中，根據(jù)廠家需要和葡萄酒發(fā)酵的特點(diǎn)，對(duì)發(fā)酵罐的溫度用PID進(jìn)行控制，入料采用自動(dòng)選線控制，循環(huán)泵采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式。其余被控量通過上位機(jī)實(shí)時(shí)控制，用手動(dòng)達(dá)到相應(yīng)的控制目的。整套系統(tǒng)需要模擬量輸入247點(diǎn)，數(shù)字量輸入555點(diǎn)，數(shù)字量輸出643點(diǎn)。控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)組成

1）由于該控制系統(tǒng)需要管理和監(jiān)控的數(shù)據(jù)較多，所以將配置有組態(tài)王KingView軟件（無限點(diǎn)）的PG/PC作為服務(wù)器；另外為了實(shí)現(xiàn)對(duì)重要數(shù)據(jù)的同步實(shí)時(shí)監(jiān)控，將兩個(gè)客戶端PG/PC（客戶端1和客戶端2都配置有64點(diǎn)的組態(tài)王KingView軟件）通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接到局域網(wǎng)，使二者可以與服務(wù)器進(jìn)行通訊，從而起到實(shí)時(shí)監(jiān)控一部分重要數(shù)據(jù)的作用，減輕服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。

2）將調(diào)度室的PG/PC通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接到該局域網(wǎng)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控[3]。

2.2 控制系統(tǒng)選型及配置

西門子S7-400型PLC的CPU模塊的選擇主要考慮存儲(chǔ)容量、運(yùn)行速度、有無DP口、I/O模塊擴(kuò)展能力以及計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器的數(shù)量等指標(biāo)。綜合分析所要控制的對(duì)象及其要求，選用CPU414-3 PN/DP。電源模塊主要是為CPU及接口模塊供電，所以I/O模塊、接口模塊和CPU模塊所需電流之和應(yīng)小于電源模塊的額定電流。I/O模塊的選擇主要根據(jù)控制對(duì)象，同時(shí)還要留有10%～15%的余量。西門子S7-400 PLC與ET200S I/O模塊的配置如表1所示。

表1 西門子S7-400 PLC與ET200S I/O模塊的配置

上位機(jī)的配置如表2所示。

另外，根據(jù)實(shí)際要求，采用RPmag60系列智能型電磁流量計(jì)來測(cè)量螺桿泵送出葡萄汁的瞬時(shí)流量和累計(jì)流量；螺桿泵的運(yùn)行與否作為添加二氧化硫運(yùn)行的自動(dòng)啟停開關(guān)，以螺桿泵輸送葡萄汁的瞬時(shí)流量作為二氧化硫的添加基礎(chǔ)，以技術(shù)工藝室的工藝指令為添加依據(jù)，通過二氧化硫恒定流量輸出下自動(dòng)間斷控制實(shí)現(xiàn)定量添加。采用意大利SEKO公司專用泵控制輔料二氧化硫添加；采用SM-200在線驗(yàn)糖儀測(cè)定葡萄含糖量；采用Pt100鉑電阻檢測(cè)發(fā)酵罐的溫度；采用CTV-5系列靜壓式液位變送器檢測(cè)發(fā)酵罐的液位。

表2 上位機(jī)的配置

3 葡萄酒發(fā)酵控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用STEP7的結(jié)構(gòu)化編程方法進(jìn)行編程。系統(tǒng)的控制程序的程序結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中0B1、OB35是組織塊，0B1為主程序；FCX（X的值為1～17、19～22、25～27、32～34）是功能程序塊；FB59是STEP7軟件“標(biāo)準(zhǔn)庫PID控制”中的溫度控制器，DB11～DB52是FB59的背景數(shù)據(jù)塊[4]。

圖2 程序結(jié)構(gòu)

FC1～FC10、FC17、FC32、FC33、FC34為入料自動(dòng)選線控制；FC12和FC11將采集的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)模擬量“規(guī)范化”為0～150℃（溫度），0～15m（液位），0～1MPa（壓力），0～50m3/h（流量），0～30°（含糖量，1°＝10g/L），以上數(shù)值全為浮點(diǎn)數(shù)；FC16為軟手動(dòng)控制；FC19為通過螺桿泵反饋進(jìn)行主閥控制；FC20、FC21分別為打開和關(guān)閉循環(huán)電機(jī)控制；FC22為攪龍控制；FC25、FC26、FC27分別為冷媒回路錯(cuò)程序、熱媒回路錯(cuò)程序和循環(huán)回路錯(cuò)程序；OB35調(diào)用功能塊FB59進(jìn)行PID控制算法，其輸出控制每個(gè)罐的冷閥和熱閥；FC13為流量對(duì)應(yīng)到罐的子程序；FC14為將測(cè)得的糖信號(hào)對(duì)應(yīng)到罐上的程序；FC15為糖量轉(zhuǎn)換程序。PID控制算法的采樣時(shí)間為10秒。

3.1 入料自動(dòng)選線控制

在葡萄酒發(fā)酵之前，必須先將破碎完畢的葡萄送入發(fā)酵罐中（即入料），根據(jù)入料特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了葡萄酒發(fā)酵入料自動(dòng)選線控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 葡萄酒發(fā)酵入料自動(dòng)選線控制畫面

首先對(duì)發(fā)酵罐進(jìn)行編號(hào)（1～115），具體控制思路如下：

第一種控制方法：將115個(gè)罐按排分組，當(dāng)需要對(duì)某一排發(fā)酵罐入料時(shí)，只需用鼠標(biāo)將控制該組的泵和組別點(diǎn)亮（見圖3左側(cè)畫面），相關(guān)的泵和閥全部打開，即入料開始；

第二種控制方法：如需對(duì)罐進(jìn)行單個(gè)控制，用鼠標(biāo)直接點(diǎn)擊該罐的標(biāo)號(hào)即可（如圖3右側(cè)畫面）。

3.2 發(fā)酵罐溫度控制

紅葡萄酒的發(fā)酵溫度直接影響葡萄酒的感官質(zhì)量。溫度過低，紅葡萄皮中的丹寧、色素不能充分浸漬到酒里，影響成品酒的顏色和口味；溫度過高，使葡萄的果香遭受損失，影響成品酒香氣[5]。因此，應(yīng)嚴(yán)格的將發(fā)酵溫度控制在需要的范圍內(nèi)。

發(fā)酵罐溫度控制包括冷水閥門控制、熱水閥門控制、手自動(dòng)工作模式切換、溫度報(bào)警等功能。

發(fā)酵罐溫度控制采用帶死區(qū)的回差控制，設(shè)定一個(gè)上限SP1和一個(gè)下限SP2。當(dāng)溫度測(cè)量值PV大于上限SP1，并且與上限的差值大于死區(qū)的值的時(shí)候，打開冷媒模式。同理，當(dāng)溫度測(cè)量值PV小于下限SP2，且與下限的差值大于死區(qū)的值的時(shí)候，打開熱媒模式。控制過程如圖4所示。

圖4 發(fā)酵罐溫度控制的程序流程

工作站或工程師站登陸后，使用鼠標(biāo)在手動(dòng)和自動(dòng)之間切換實(shí)現(xiàn)軟手動(dòng)。軟手動(dòng)切換后可通過組態(tài)王人機(jī)界面的控制按鈕控制閥門。現(xiàn)場(chǎng)控制箱上帶有硬件手自動(dòng)轉(zhuǎn)換，切換后可用現(xiàn)場(chǎng)按鈕直接操作冷熱媒閥門的開關(guān)。

報(bào)警功能的啟用是在預(yù)定的控制功能和相關(guān)操作沒有按預(yù)期實(shí)現(xiàn)時(shí)予以啟動(dòng)。有以下兩種報(bào)警方式：

1）罐體邊的聲光報(bào)警，通過現(xiàn)場(chǎng)控制箱上的智能控制儀表，驅(qū)動(dòng)報(bào)警器實(shí)現(xiàn)溫度的報(bào)警。

2）統(tǒng)一的語音報(bào)警，由中央處理器運(yùn)算后得出的報(bào)警驅(qū)動(dòng)信息，驅(qū)動(dòng)提前錄制的報(bào)警語音文件，在語音播放喇叭中循環(huán)播放。

3.3 循環(huán)泵控制

根據(jù)原酒發(fā)酵工藝，在發(fā)酵過程中，需要不定時(shí)的將發(fā)酵罐中的發(fā)酵液進(jìn)行循環(huán)控制，以使其達(dá)到工藝要求。原酒循環(huán)泵控制通過系統(tǒng)中的比較變量計(jì)數(shù)器來選通計(jì)時(shí)器，通過計(jì)時(shí)器比較選通控制循環(huán)泵回路。按照預(yù)先設(shè)定好的運(yùn)行、靜置的時(shí)間自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行，直到達(dá)到預(yù)定時(shí)間或發(fā)酵結(jié)束或認(rèn)為干預(yù)，其控制過程如圖5所示。

圖5 循環(huán)泵控制的程序流程

3.4 上位機(jī)的組態(tài)

上位機(jī)管理及監(jiān)控系統(tǒng)用組態(tài)王KingView軟件編程實(shí)現(xiàn)。監(jiān)控對(duì)象有：破碎站（壓力、流量、報(bào)警、進(jìn)料系統(tǒng)等）；發(fā)酵罐（溫度、液位、流量、容量、冷閥、熱閥、氣囊閥、循環(huán)工藝、手自動(dòng)等）。

圖形畫面的建立：依照監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)步驟[6]，在確定了I/O點(diǎn)以及相關(guān)I/O設(shè)備的基本情況之后，就可以新建一個(gè)工程，然后根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的情況制作圖形畫面。這里建立的畫面主要有：車間總覽畫面、破碎站畫面圖、系統(tǒng)控制畫面、入料自動(dòng)選線控制畫面、數(shù)據(jù)總表、循環(huán)設(shè)定畫面、循環(huán)畫面、含糖量界面、運(yùn)行參數(shù)設(shè)定界面、歷史查詢畫面等。圖6為系統(tǒng)控制畫面。

圖6 系統(tǒng)控制畫面

4 結(jié)束語

該控制系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行近一年時(shí)間，實(shí)踐證明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行可靠，抗干擾能力強(qiáng)，很好的滿足了工藝要求。該系統(tǒng)的成功使用不僅使操作簡(jiǎn)單方便，同時(shí)保證了葡萄酒生產(chǎn)過程的清潔衛(wèi)生，優(yōu)化了生產(chǎn)工藝，提高了生產(chǎn)效率，給企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]李永鋒.葡萄酒廠發(fā)酵控制系統(tǒng)[J].中外葡萄與葡萄酒，2006,（2）：45-47.

[2]司合蕓.干紅葡萄酒關(guān)鍵工藝研究[J].江蘇：江南大學(xué),2006.

[3]北京亞控公司.組態(tài)王6.52使用手冊(cè)[Z].2006,999-1044.

[4]廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[5]王少華.葡萄酒釀造的工藝控制.葡萄栽培與釀酒,1994,（3）：26-32.

[6]袁秀英.組態(tài)控制技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004.