当啤酒罐装监控系统的设计与开发

啤酒罐装监控系统的设计与开发

[摘要] 本文分析了啤酒罐装工艺，提出了啤酒罐装过程监控系统的结构组成，用组态王5.1的开发系统设计了其应用软件，并对部分软件做了解释。

近年来，我国的啤酒需求量日趋增长，为适应这一市场需求，国内各啤酒生产厂家都在努力扩大生产规模，降低生产成本，提高生产质量。随着啤酒生产规模的不断扩大，过程参数和控制回路逐渐增多，对企业的综合信息管理，生产过程的自动化控制提出了更高的要求，使得目前生产线采用人工巡视各个控制点的情况，发现问题再加以手工调节的方式远远不能满足啤酒生产规模日益增大，罐装质量、罐装精度日益提高的要求（这样的人工巡检存在一定的不确定因素，如操作人员发现问题的时间延迟、眼睛观察的误差、工人的心等都影响罐装过程各参数的精确度）。因此开发啤酒罐装生产线的自动监控系统显得尤为重要。

鉴于上述原因，我们研制并开发了"啤酒罐装过程的监控系统"，该系统为集团络通信技术、监控技术、监测技术于一体的计算机监控系统。各测控点的过程参数、生产流程的动态图形以及动态图像实时显示在罐装监视操作站的计算机屏幕上，各级调节决策人员可以及时了解生产作业进程情况，理顺各个生产环节，统计分析每日的生产进度，准确判断事故发生的原因，提高劳动生产率。通过该系统的形象直观、人机交互的工作方式可提高对突发事件的监视、识别能力。

1． 啤酒的罐装工艺

啤酒是一种含气饮料，为了防止罐装过程中CO2气体的损失，在罐装过程中所采用的罐装方法为等压罐装法，即先向包装容器中充气，使容器内压力与贮液缸内的液体灌入容器内。贮液缸是全封闭的，它由贮液室、背压气室、回气室三室组成。在往贮液缸内输送液体之前，先往贮液缸内通入压缩气体（无菌空气或CO2），使贮液缸的气室保持一定的压力（0.1~0.9Mpa），该气体压力必须等于或稍高于液体物料中CO2溶解量的饱和压力，使料中的CO2溶解。等压罐装法可以减少CO2的损失，保持含气饮料的风味和质量，并能防止罐装中过量泛泡，保证包装剂量准确。大型较为先进的罐装设备都采用了旋转型全自动罐装压盖机。其罐装过程是：空瓶经过全自动清洗机清洗完毕，通过传送带输到罐装区，进入罐装压盖机的运转流程，在星型拨轮的作用下，瓶子经历了上升、密封、充CO2气体、灌入啤酒、下降等过程，再经过星型拨轮的工作，进入压盖机进行压盖，然后通过传送带送出罐装区。

在罐装过程中的一些技术参数指标是：

啤酒的最高罐装温度为4℃；

通用型啤酒瓶的罐装压力不低于0.5Mpa，啤酒专用型的罐装压力不低于0.35Mpa；

包装过程中瓶损率低于0.5%；

CO2损失率不大于0.1；

压盖合格率不低于99.5%；

控制系统应保证无瓶和破瓶不罐装；

压盖工位无瓶不下盖。

2、系统的结构设计

啤酒罐装生产线由监视操作站、现场计算机服务器、数据I/O控制板、PLC、传感器、变送器、执行机构等组成，如图1所示。

该系统的工作原理是：将传感器、接近开关现场仪表的数据上传给PLC或数据测控板，经Geomagic Freeform 2017 混合设计软件过预定的程序控制或算法调节来控制执行机构的工作，已达到闭环反馈控制的目的。同时，PLC或数据I/O测控板内的实时数据也会经现场计算机服务器和监视工作站之间的通信，将实时数据送入监视工作站，在监视工作站的监控画面上实时显示出来。该系统可以运行在Ethernet络结构和TCP/IP络协议的上，使用户能实现上、下位机以及更高层次的厂级局域或广域。该系统采用了双机热备份技术，所谓双机热备就是主机和从机通过TCP/IP络连接，正常情况下主机处于工作状态，从机处于监视状态，一旦从机发现主机异常，从机将会在很短的时间内代替主机，进行实时监控并保存历史数据，当主机修复，重新启动后，从机监测到初级的恢复，会自动将主机丢失的数据拷贝给主机。同时从机将重新处于监视状态。

3、监控系统的软件设计

本监控系统集数据采集与控制于一体，上位灌装监视操作站上运行的画面是采用组态软件KingView5.1版开发的应用程序。

（1） 组态王软件简介

组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司，它提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了多种硬件驱动程序，它运行在Windows98/NT环境下，具有强大的图形功能，丰富的动画连接方式，实时数据库操作能力，强大的语言编程、快捷方便的动态数据交换（DDE）和与外部设备之间进行的数据交换（I/O）服务。"组态王"软件包由工程浏览器（TouchExplore）和画面运行系统（TouchView）两部分组成。

工程浏览器为开发环境，它的功能是开发监控画面，将所需监控的工艺流程模拟于开发平台上，并将各自的属性进行设置和将其相应的数据动态连接。

画面运行系统为过程监控环境，将工程浏览器中开发的监控画面与实时数据建立连接，并依据各自的数据进行动态交换，以显示现场的进展状况，并可动态改变程序中的预设值。其数据处理流程如图2所示。

（2）系统软件的设计过程

在现代集成监控系统中，要求任何大中型控制系统具备形象、直观、良好的人机交互界面。我们充分利用了KingView5.1版的功能，按照系统的监控要求构造了系统工程图形，设计了监控画面。在罐装生产监视站上运行的监控系统，由若干个监测画面组成。我们本着方便、实用、功能完善的思想编写。其系统框图如图3所示。

a. 罐装监控主画面的设计

根据啤酒罐装的工艺流程，利用KingView5.1提供的丰富的图库和工具，绘出形象直观的罐装生产主画面，从主画面上可以显示系统的概况，如啤酒罐装机贮液缸内压力、液位，送酒阀的开度，操作员的操作级别，贮液缸内压力、液位的实时变化曲线、棒图等。

b. 构造数据库

在构造数据库之前，首先要对外部数据交换设备（如I/O板卡，PLC智能仪表，智能模块等）进行设置，设置这些外部设备的通信方式、设备地址及设备的逻辑名，然后构造数据库。在构造数据库时，可以根据传感器、驱动器等数据变量I/O输入输出交换的类型。定义为内存离散变量、I/O离散变量、内存实型变量、I/O整型变量、内存字符串变量、I/O字符串变量等。在本系统中将贮液缸内的液位、压力定义为I/O实型变量，并与输入设备相连接接收传感器输入的信号。

c. 建立动画连接

为了实时监测啤酒罐装生产过程各个变量的变化情况，需要建立画面的图素与数据库之间的相对关系，如建立贮液缸内液位、压力随着数据库中相应变量的变化关系，这样就可实时地将传感器上取得的数据在罐装监视操作站地屏幕上显示出来，形象直观地反映出罐装生产过程中各控制点的状态。

d. 建立报警窗口

报警窗口用以反映变量的不正常变化，自动对需要报警的变量进行监测，当发生异常时，要在报警窗口中显示出来。报警窗口分为实时报警窗口和历史报警窗口，实时报警窗口只显示当时的报警事件，要查阅历史报警事件只能通过历史报警窗口。

报警功能根据9 专用工具 1套罐装过程中贮液缸内的液压、压力等输入量的高低，与系统预设值相比较的偏差、变化率等因素的变化进行报警，并将报警的原因、报警信息连同操作者的姓名及操作过程同时记录下来，以便事后追忆和分析，利用组态王提供的多种报警方式可以方便地实现上述报警功能。

e. 建立趋势曲线

趋势曲线用来反映数据变量随时间的变化情况，能细致地描绘出生产过程值的每次变化，并以曲线方式显示一段时间内的生产状态和趋势。趋势曲线分实时趋势曲线和历史趋势曲线，实时趋势曲线上的数据随时间的变化一目了然，能快速反应数据变量的新变化；历史趋势曲线则完成6.1 制耳率测定历史数据的察看工作，在罐装监控系统中建立了贮液缸内液位、压力的实时趋势曲线和历史趋势曲线。

f. 系统参数设置

为了满足全自动罐装压盖机在不同条件下可以罐装多种饮料以及罐装参数实时调整的要求，在罐装监控系统中设计了系统的参数设置界面，通过该界面可以选择罐装饮料的种类设置，进行贮液缸内压力、液位的设置、全自动罐装压盖机主电机转速等参数设置。

g. 生成数据报告

数据报告是对生产过程中变量状态的纪录和反映，它以一定的格式输出用户指定的变量值和其他信息。通过数据报告可以了解生产过程中变量状态信息、啤酒的生产情况，将所需要的报告打印出来，可方便的进行查询和分析。利用KingView 5.1可以设计实时数据报告和历史数据报告两种形式。实时数据报告可以实时地将当前数据变量安指定报告格式生成报告文件；历史数据报告用以数据纪录文件的变量值，用户可以把过去一段时间内的历史数据变量取出，生成一个数据报告文件。

h. 安全防护设计

为了增强系统工程的安全性，防止人为造成的生产事故，对罐装生产监控系统的一些操作权限大于系统设置的权限时，此操作者对于系统的操作才是合法的。

4、结束语

本文在理解啤酒罐装生产工艺和控制要求的前提下，提出了罐装监控系统的结构组成及其软件设计方法。利用KingView 5.1以搭"积木"式的系统集成方法，减少开发费用、缩短系统开发周期。该系统可以使操作人员亲身感受到监测参数变化的同时又能实时动态观看现场的实际环境情况，与单纯的仪表参数监测相比，该系统界面友好、形象直观。通过人机交互方式，可以提高罐装操作人员的反应速度，更加有效、可靠地起到监测管理、安全生产、预防事故发生的作用，并可提高劳动生产率，节省人力和物力，其应用前景是十分广阔这次启动会还表露的。