基于solidworks建模技术的全自动啤酒生产线控制系统设计
时间：2023-02-22 15:10:07 来源：千叶帆 本文已影响人
杨铨，辛华健，李叶伟
（广西工业职业技术学院，广西 南宁 530200）
随着人民消费水平的日益提高，啤酒在人们的餐桌上消费量不断创高，尤其是在夏季，啤酒的需求量更大，而这对啤酒的生产要求也越来越高。近年来，我国啤酒产量逐年下降，2017年为4401万千升，2018年下降为3812.20万千升，同比下滑13.4%，到了2019年，我国啤酒产量约为3765.3万千升。而国外现状，据相关公司对全球150多个国家和地区的统计数据，在2017年，全球啤酒产量约为1908.9亿升；
而2018年，得益于世界杯赛事，全球啤酒产量达1910.6亿升，较2017年增长了0.6%。经调研发现，一些中小型酒厂普遍存在自控水平差，技术含量低，产品档次低，品种单一，能耗和原料消耗大等各种问题，使得啤酒企业的优胜劣汰急剧加快，生存空间日益狭小。
基于solidworks建模的全自动啤酒罐装生产线控制系统，主要是以提高机器的自动控制水平为目的。它利用solidworks建模，模型与实际生产完成一致，仿真与生产线管理系统相适应，模拟啤酒的生产控制流程。灌装过程比较精确、严密，对实际啤酒工业生产产生巨大的作用。通过啤酒灌装系统自动化控制，首先可以提高啤酒生产效率，减少人工操作，容易扩展，可以满足客户业务增长的需求；
其次可以改良工作的条件，通过实现啤酒灌装系统自动化控制后，生产现场不再需要人工进行手动操作，从而降低劳动成本。
啤酒生产工艺流程可以分为制麦、糖化、发酵、包装4个工序。现代化的啤酒厂一般已经不再设立麦芽车间，因此制麦部分也将逐步从啤酒生产工艺流程中剥离。
1.1 制麦PLC控制
原料麦芽、大米的粉碎的PLC控制主要包括麦芽、大米暂存仓高、低料位麦芽、大米计量、浸麦水温度、流量调节、麦芽投料水温度、流量调节、大米投料水温度、流量调节、设备电机的启停、状态插板阀状态开关等[1]。进入麦芽（大米）湿粉机的浸麦水的水温，由PLC自动调节三通调节伐，改变冷热水流量比，以维持浸麦水温的恒定。根据进料量自动调进水量，以保证浸麦水的适当配比量。系统设浸麦水断水联锁保护。主要联锁包括断流报警；
联锁物料、水、CIP、排污阀状态、开、关、联锁；
人机倒包联系输送带堵料联锁；
报警设备顺序启停联锁控制[2]。
1.2 糖化的PLC控制
糊化锅、糖化锅温度智能串级控制，通过上段开关阀和下段比例阀调节进入夹套加热器的蒸流流量[3]。糖化PLC控制包括蒸汽压力控制；
连续液位、空料位检测、控制；
搅拌控制（快慢转或变频控制）；
糊化锅溢锅检测、控制、报警；
倒醪控制；
阀门的开关和状态反馈；
电机的启停和状态反馈；
加水温度、流量调节。控制中主要联锁包括糊化锅、糖化锅温度、压力联锁；
空料位与出料泵联锁；
人孔盖状态、醪液下位与搅拌联锁；
CIP阀与排污阀与物料过程的联锁；
过程阀门和泵的开关顺序联锁[4]。如图1所示。
图1 （糖化锅）温度、压力串级控制
1.3 麦汁过滤的PLC控制
麦汁过滤主要控制内容洗糟水温度、流量控制；
过滤槽/麦汁收集器液位控制；
过滤麦汁流量控制、计量过滤麦汁泵变频控制；
过滤槽洗糟控制；
过滤槽耕刀、刮板升降控制（液压系统）；
过滤槽耕刀位置检测；
过滤槽耕糟控制；
排糟控制（糟门电机、排糟电机）；
糟相空料位检测；
人孔状态检测；
物料阀、CIP阀、排污阀联锁控制及状态[5]。主要联锁包括进出料阀门与糟门电机联锁；
CIP阀、排污阀与过滤过程的联锁；
进醪与糖化锅的出醪流程联锁；
出醪与煮沸锅的进醪联锁；
耕刀位置与液压系统的联锁；
排糟压缩空气压力联锁。如图2所示。
图2 麦汁过滤槽控制模型
1.4 酵母扩培、储存、投加的PLC控制
酵母扩培、储存、投加的PLC控制包括自动清洗和蒸汽杀菌、麦汁进扩培罐计量、麦汁杀菌和冷却、扩培罐的压力控制（弹簧恒化调节阀）、扩培罐的液位控制、培养液的恒温控制（氨冷却降温）、定时通风供氧、培养液压出和回压保种、储存罐的压力控制、储存罐的氨冷却降温控制、储存罐的液位控制、储存罐的搅拌控制、酵母投料流量控制[6]。
2.1 啤酒特性及灌装控制系统的工艺要求
啤酒以小麦芽和大麦芽为主要原料，再加入酒花，经过糖化，又经酵母发酵作用，最后过滤操作而酿制成的一种酒精含量较低的饮料。由于啤酒对光和氧极端敏感，一旦二氧化碳流失，氧气流入，其中有效成分会发生氧化，从而影响口味。因此，灌装的啤酒具有阻气性好、存放寿命长、透明度好、易回收等优点。啤酒灌装的难度主要是因为微生物和代谢物中含有大量的二氧化碳和蛋白质。
灌装过程中需要遵守的一些原则和要求首先是减少二氧化碳的损失，减少氧气的接触；
然后在操作过程中不接触菌类物质；
最后包装容器选择绿色或棕色、密闭的瓶子，可以更好的避免在现代灌装生产线的生产工作中，因灌装不精准造成浪费。在罐装生产过程中最主要的还是必须要保证定量灌装的高精确性，而选择称重式灌装能够达到很高的精度，可使灌装量的误差保持在恰当的水平。
啤酒灌装的控制采用可编程控制进行信号提取和控制，散装进料采取两级进料，粗进料时进料流量大，用短时间加入90%的公称重量，细进料时进料流量低，5%至10%的额定重量，如果进料重量达到98%，则关闭精料闸门，而不是等到它达到100%，这样可以保证速度和精度。也可以在系统启动时录入设置的定值，在传感器的作用下判断斗门是否到位，在调速系统下快、中、慢进料，加料信号结束后，进行稳定状态判断，从而进行实际测量，最后得到相关的误差，在下一个循环进行补偿校正[7]。
2.2 数字化自动啤酒生产线系统功能模型
如图3、图4、图5和图6所示，整个啤酒灌装控制系统包含对空瓶卸箱、清洗、检查，灌装压盖，啤酒杀菌，贴标输瓶，然后装箱码垛等。
图3 啤酒灌装控制系统示意图
图4 灌装机底座效果图
图5 灌装入瓶转盘效果图
图6 啤酒发酵模型效果图
卸箱系统：通过两台伺服驱动器和PLC控制水平、垂直运动。
洗瓶系统：进瓶端有三级升温浸泡槽，清洗段采用碱液进行旋转高压喷射内壁和瓶底，除标装置通过大流量叶轮泵将商标带到圆筒过滤装置中。
灌装压盖系统：采用变频器控制回转酒缸的旋转运动。灌装前打开预抽真空阀，对酒缸槽位上的空瓶进行抽真空，再打开气阀对瓶内充填CO2气体，然后二次抽真空并充CO2，当瓶内压力接近背压时打开液阀，使酒液沿瓶壁进入瓶内，灌装到需要液位后，电动控制压盖机升降实现压盖。
杀菌系统：采用隧道式巴氏杀菌对装瓶后的啤酒进行喷林杀菌，控制PU值（杀菌强度）。主传动电机带动上下两层输瓶链网将瓶装啤酒依次经过三个温区的逐级升温预热、两个温区的杀菌和三个温区的逐级降温冷却过程。
贴标系统：通过主/背标标阀、刮刀、吹气电磁阀动作对整瓶贴主标和背标。
装箱系统：通过两台伺服驱动器和PLC控制水平、垂直运动。
CIP系统：对洗瓶机、灌装机等进行就地清洗。
solidworks是非标机械设计的主流软件，有大量的辅助插件，比如管线插件，可以用于绘制化工管道和电气管线，仿真插件可以制作简单的动画等。通过数字化设计软件NX和SOLIWORS对产线进行建模，构建面向精酿啤酒生产的智慧工厂的数字化双胞胎模型，建立了准确、高效的统一的制造资源模型，实现资源即服务，并以此为基础建立智能应用系统。通过Plant Simulation实现对生产过程的虚拟和优化，最终在虚拟的环境中完成整个精酿啤酒生产系统的建模和生产线仿真（图7），并结合虚拟环境的仿真和优化结果完成实际生产系统的设计，在精酿啤酒生产中实现虚实结合的数字化双胞胎技术应用，能够实现生产的资源的优化配置，优化生产活动计划、提高生产过程控制精度。
图7 啤酒生产线仿真效果
利用Plant Simulation软件实现对设计的啤酒生产线进行虚拟生产，并结合软件对控制系统和控制工艺进行优化，将虚拟环境中设计和优化的工艺用于当前精酿啤酒生产线的设计和改造，形成实际系统的设计和改造方案，实现精酿啤酒生产虚实结合的数字化双胞胎技术应用。通过数字化设计软件NX和SOLIWORS对产线进行建模，构建面向精酿啤酒生产的智慧工厂的数字化双胞胎模型，建立了准确、高效的统一的制造资源模型，实现资源即服务，并以此为基础建立智能应用系统。自动灌装控制系统可以减少人工成本，便于监控管理，从而提高了生产工作的效率。
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