浅析啤酒企业阀阵及阀阵控制系统

张　亮，章　颖，刘　炯（内蒙古灵奕高科技（集团）有限责任公司，内蒙古呼和浩特010010）



浅析啤酒企业阀阵及阀阵控制系统

张亮，章颖，刘炯
（内蒙古灵奕高科技（集团）有限责任公司，内蒙古呼和浩特010010）

摘要：随着人民生活水平的提高，啤酒消费不断增长，生产企业正在蓬勃兴起。为满足现代化大型啤酒企业生产的需求，配管系统趋于大型化、集中化。介绍啤酒企业配管系统的发展，并结合笔者工作中的一些经验和设计实例，探讨阀阵配管系统及其控制系统。

关键词：配管系统；双座阀；阀阵；阀阵控制；啤酒

随着人民生活水平的提高，啤酒的消费不断扩大，如今，啤酒逐渐成为城市居民餐桌上的必需品。据相关资料显示，中国啤酒业历经百余年发展，产销量从建国初期的不足7000 t/年发展到2013年产销量突破5000万kL/年，增长了7000多倍。随着酿酒工艺日臻完善，啤酒企业为了在市场上提高竞争实力，越来越重视啤酒的质量及成本的管理与控制。

全国各地大规模的啤酒生产基地陆续建成并投入生产，而一些中小规模的啤酒厂也在不断的改建和扩建。为了扩大规模，同时又便于管理，降低运营成本，提高产品质量，啤酒企业中配管系统的大型化、集中化变得十分必要。作为现代配管系统的关键环节——双座阀的使用，是保证产品质量的同时，达到生产最大化、操作最简化的较好途径。

本文就配管系统谈起，在介绍双座阀及其特点的基础上，初步探讨啤酒企业中针对阀阵及其控制系统的设计。

1　配管系统的发展

1.1啤酒生产工序及配管系统

啤酒生产大致可分为麦芽制造、啤酒酿造、啤酒灌装3个主要过程。麦芽制造包括大麦贮存、大麦精选、浸麦、发芽、焙燥、贮存共6道工序。啤酒酿造包括原料粉碎、糖化、发酵、后酵、过滤共5道工序；主要是糖化、发酵、后酵3个工序。啤酒灌装包括洗瓶、验瓶、灌酒、杀菌、贴标喷码、装箱入库等工序。

随着国外技术、设备的引入及酿酒工艺日臻完善，中国啤酒产品种类也日益多样化、全面化。在啤酒的每个生产过程中，生产设备周围都排布着大量的管路，配管系统和设备是紧密联系、密不可分的。生产规模越大，则配管系统越复杂。因此，配管系统是控制产品在各个部分间正确流动，保证产品质量不被外部细菌、污物污染的关键。

同时，为确保生产过程中的设备、管路符合食品饮料行业卫生标准，需要对各部分设备及管路进行CIP清洗。如何在各生产步骤的时序不一致的情况下，在进行CIP清洗的过程中不影响其他工序流程，比如，发酵罐进酒完毕后需要及时CIP清洗进酒管线；此时，发酵好的啤酒由发酵罐输送至过滤机的管线仍在源源不断地进行啤酒的输送。所以，配管系统既要控制产品和清洗液的流向，也必须保证清洗液不会泄漏至其他产品管路中。配管系统的上述作用，主要由阀门的控制来实现。

1.2啤酒企业配管系统的发展

由传统的啤酒厂到现代化的大型啤酒企业，配管系统也经历了诸多的改变。由最初的完全手工操作的软管系统，逐渐演变成为全自动控制，以双座阀为主，配合其他阀门管路的阀阵系统。

1.2.1软管系统

软管系统是出现最早、设备最简单的管路系统。通过人工以软管连接不同的设备和管路，来实现流体的通路。

图1　软管系统

软管系统的优缺点如下。

优点：最低技术和设备投入；工艺改变和扩展非常方便；最少的控制软硬件需求；操作工的专业技能需求最少。

缺点：产品的重复稳定性无法保证；设备清洗的时间和尺度无法把握；工艺管路无法与大气隔绝；产品的安全性低，防混性差；产品和清洗液流失严重；大量的人力工作，生产效率低；无法实现自动控制。

由于以上原因，软管系统已不能满足现代质量控制的要求，已被现代啤酒企业所淘汰。

1.2.2接管板系统

接管板系统是继软管系统后的第一个硬管系统。生产设备连接至一块可选择的切换板上，通过人工连接跨接管，形成流体通路。在切换板上安装接近开关，实现对流路连接的反馈，来判断连接的正确性。生产车间管路设备比较整洁，投入却不高。

虽然接管板系统在保证产品安全性方面存在一定的作用，但由于工艺管路与大气相通，管路分支清洗较困难，以及较多的产品流失，使产品质量控制存在一定的缺陷。另外，人工操作也影响了生产的效率。

在国内现存的中小型啤酒厂中，接管板系统虽然得到广泛的应用，但其低扩展性、人工操作性也限制了企业向大型化、自动化的发展。

1.2.3三阀组防泄漏型阀门系统

三阀组防泄漏型阀门系统是在管路分支上安装3个蝶阀的组合。液体需要切断时，两边阀门关闭，中间阀门打开。如果两边阀门的密封圈有破损，泄漏的流体将从中间阀门流出，以避免不同流体的混合，同时也可以指示维护工人更换密封圈。相反，两边阀门打开，中间阀门关闭，实现管路的开通。只需要简单蝶阀的组合，和必要的软硬件控制，就能满足企业全自动化的需求，并且保证产品的安全性。

图2　接管板系统

图3　三阀组防泄漏型阀门系统

但是，三阀组防泄漏型阀门系统对管路的安装空间要求较大及控制比较复杂——需同时控制3个阀门，将大大增加投入、维护和运营成本。同时较低的系统扩展性，以及泄漏阀在线清洗困难等诸多问题也没有得到彻底解决。

1.2.4阀阵管路系统

为了满足生产工艺要求，又必须解决上述管路系统的矛盾，阀阵管路系统应与而生。阀阵系统主要有如下特点。

首先，阀阵的全封闭设计，隔断管路中液体与大气的接触，阀体无死角设计等保证了完美、快速CIP清洗，解决了在线清洗的问题，将产品染菌的概率降到最低。

其次，阀阵的紧凑性，可以使啤酒厂的空间得到很好的利用。阀门的集中安装，一方面利用实现阀门的自动控制，另一方面在外观上使啤酒生产车间更现代化，也便于阀门的维修管理。

图4　阀阵系统

另外，阀阵可以在阀门供货商的车间中组装完毕，交货后客户只需要进行与其他管路的连接，就可以实现原设计的功能。因此，能够缩短啤酒厂配管系统安装的时间并提高安装精度。

并且，在阀阵的设计中，为考虑今后企业生产的扩建，能够预先准备一定的扩展空间和功能，却不会增加阀阵制造的成本，因此，也大大降低了扩建的成本。

2　阀阵及其控制系统

2.1阀阵的设计

阀阵就是由若干阀门和管路的连接，组成一个阀门阵列，实现流路转换和其他特殊功能。阀阵的设计主要为阀门类型选择及排列的设计。根据啤酒生产工艺的需求，在阀门类型的选择中需根据功能、无菌、防水锤、体积等要求进行综合考虑。目前啤酒企业阀阵系统中常用的阀门按照阀座可分为单座阀、双座阀、蝶阀等；按照功能分类有截止阀、换向阀、无菌阀、防混阀等；按照阀型及其组合又可分为N型、L型、K型、D型、T型等及其组合TL、DE等类型。其中双座双密封防混阀的上下阀腔可以同时流通不同的流体，阀座间泄漏腔可以进行清洗，是啤酒生产线物料管路的最佳选择；单座双密封阀一般用在排空及气体管线；CIP管路一般选择防混阀。

双座阀与三阀组防泄漏型阀门系统相比，存在下列无可比拟的优越性：

（1）前者阀座上的3个密封圈，代替了后者的3个蝶阀，系统所需空间大为缩小。

（2）特殊的密封圈形状，在提高卫生性能的同时，又有效避免泄漏。

（3）直通型的阀腔，与管路三通相比，无任何清洗死角。

（4）球形阀腔，内壁进行抛光处理，使流动阻力和流通面积的变化降至最小。

（5）直通型和单通型阀腔的组合，可满足任何要求的管路流向。由单通型改为直通型，即可实现管路的扩展。

（6）阀腔可根据管路布置方向自由进行调整，即上下阀腔可以平行，也可以垂直或呈其他角度。

（7）只需要一个执行器控制阀杆的提升和下降，就能达到后者3个阀门执行器的作用，自动控制系统大大简化。

（8）主要零部件都以卡箍进行连接，方便拆卸和维修。

（9）控制头和执行器可以根据要求选配，如果换成调节手柄就可以手动控制，减少设备投入。

（10）在控制头内加装接近开关，可以随时对阀门状态进行反馈，避免误操作。

（11）通过执行器的反置，就可以实现阀门常开/常闭特性的变更，满足各种系统要求。

（12）阀门关闭时，上下阀座由于弹簧的作用抵住下阀腔，同时上下阀座间的空隙形成泄漏腔。如果密封有破损，泄漏的液体将从泄漏腔流出，保障阀门安全性。

（13）阀门打开的瞬间，阀杆提升，下阀座抵住上阀座，泄漏腔关闭。

（14）阀门打开时，阀座提升至打开位置，上下阀腔连通。泄漏腔仍处于关闭状态。

（15）阀门关闭并清洗时，打开的泄漏腔保证清洗液不会进入产品。同时，阀门上端可连接一根细小的CIP软管，专门对泄漏腔进行清洗，以保证阀门的卫生。

2.2阀阵控制系统设计

阀阵系统的运行与阀阵控制系统的配置有着密切的关系，根据阀门配置的不同，目前常用的阀阵控制系统有如下3种配置方案。

（1）阀阵控制系统方案1

该控制系统主要针对阀阵配置的阀门只配置了气动头的类型。控制系统常用子站柜+DO/DI模块+电磁先导阀+接近开关+气源管+3芯电缆线的结构。

方案1的具体设计：电磁先导阀安装于现场子站柜中，每个阀门均需要从子站柜引2根气源管到现场阀门上控制阀门开关，如果是带自清洗的阀门，就需要从子站柜引3根气源管到阀门处。每个阀门安装2个接近开关，每个接近开关通过1根3芯的电缆线连接到子站柜内。这样，每个阀门需要敷设3根气源管和2根三芯电缆线。假设1个阀阵双座阀数量为36个，每个信号点按照就近接入子站原则计算，最少需要气源管约4000 m，3芯电缆约3000 m，DO通道108个（32DO模块4块），DI通道72个（32DI模块3块），接近开关72个，电磁先导阀108个，1200×800×300尺寸的子站柜（最多放置先导阀64个，端子200节2个）2个，或者可认为每20个阀阵双座阀就需要1个1200×800×300的子站柜放置在阀阵附近。该方案的特点如下，缺点：所需要的气源管和控制电缆的数量比较大，相关所需要的桥架和穿线管等材料的数量也很大；施工繁琐、周期长；故障点多，后期维护工作量大；查错、维修难度大；人工成本比较高；占用大量的DO/DI通道，需要的模块数量多。优点：各个阀门的供气是独立的先导阀控制，单个阀门供气气管出现破损，不会影响其他阀门的使用；各个阀位反馈信号是独立接入系统的，单个线路出现问题不会影响其他信号的反馈。

图5　方案1案例

（2）阀阵控制系统方案2

该控制系统主要针对阀阵配置的阀门除配置了气动头外，还配置含有电磁先导阀和阀位反馈的控制单元。控制系统常用子站柜+ DO/DI模块+气源管+多芯电缆线的结构。

方案2的具体设计：因为电磁先导阀和阀位反馈集成在阀头内部，只需要从子站柜到阀门之间敷设1根总气源管、1根多芯线发送控制信号和接收反馈信号即可。或者在阀阵附近设置1个总气源箱给阀门供气，在子站柜和阀门之间只需要敷设1根多芯电缆线即可。

方案2的缺点：各阀门供气分支是联通的，任何一根气管出现破损，会引起其他阀门供气压力不足。当然，针对这个问题，可以增加供气主管来解决，但是这样就会增加成本和故障点，对日后使用期间的检修和维护也相对增加工作量；使用多芯线做控制和反馈，如果其中1芯或几芯出现破损，则需要更换整根电缆。针对这个问题，在敷设电缆时可以考虑敷设X+N芯的方法，即实际使用X芯线，但敷设X+N芯线，留N芯做备用；另外该方案仍需要占用大量的DO/DI通道，需要的PLC模块数量较多。

方案2的优点：不需要柜内的电磁先导阀，节省大量空间，即可以减少子站柜数量；节省大量气源管；节省桥架、穿线管、辅材等材料；集成电磁先导阀和阀位反馈，故障率大大降低，减少了系统故障点，减少维修、维护点，即可减少维修、维护人员，从而降低维护成本。

图6　方案2案例

（3）阀阵控制系统方案3

该控制系统主要针对阀阵配置的阀门除配置了气动头外，还配置了集成控制与反馈装置并支持ASI现场总线协议的控制单元。控制系统常用子站柜+总线模块+气源管+ASI总线电缆的结构。

图7　方案3案例

方案3的具体设计：因阀头集成控制与反馈装置并支持ASI现场总线协议，子站内只需要安装总线模块，不需要DO/DI模块，阀门的控制和反馈信号通过ASI总线发送和读取，在子站柜和阀阵之间，只需要敷设1根ASI总线电缆即可，所有带ASI总线阀头的阀门都连接到ASI现场总线上即可，每个总线模块最多可连接64个阀门。现场硬管供总气源，各个阀门在硬气源管上单独引一根气管即可。

方案3的缺点：现场所有带ASI总线阀头的阀门都连接到1个或几个总线模块上，1个总线模块最多可连接64个总线阀门，如果1条总线电缆出现破损，将导致这条总线上的其他阀门的控制和反馈信号出现问题。当然，这里只是假设这种情况会出现，实际上这种问题出现的可能性是很小的。

方案3的优点：不需要柜内的电磁先导阀，不需要DO/DI模块，只需要总线模块，节省大量空间，可以最大程度上减少子站柜数量；不需要接近开关；节省大量气源管；不需要敷设桥架，只需要敷设少量穿线管；不需要控制电缆，只需要敷设1条或几条ASI总线电缆；减少维修、维护点，可减少维修、维护人员，从而降低维护成本；最大程度上体现美观、简约、高科技。

3　结论

阀阵系统是现代啤酒企业的灵魂。设计合理的阀阵，可以大大简化配管的复杂程度，方便自控软硬件的安装调试，节约车间的生产面积，在降低企业前期投入和缩短企业建造周期等方面，其作用不可比拟。同时，双座阀及阀阵系统的采用，保证了产品的质量，减少了产品和清洗液的浪费，便于配管的维修和维护，也降低了啤酒企业的经营管理成本。

参考文献：

[1]程殿林.啤酒生产技术[M].北京：化学工业出版社,2005.

Valve System &Valve Control System in Breweries

ZHANG Liang,ZHANG Yin and LIU Jiong
(Linyi Hightech Co.Ltd.,Huhhot,Inner Mongolia 010010,China)

Abstract:With social development,beer consumption keeps increasing continuously and breweries are booming.In order to meet beer production demands in large-scale breweries,large-scale and centralized pipework system is required.In this paper,the development of pipework system in breweries was introduced.Based on our experience and some design examples,valve system and its control system were discussed.

Key words:pipework system;double-seat valve;valve system;valve control;beer

作者简介：张亮，男，高级工程师，硕士，主要从事自动化控制系统的研究与应用。

收稿日期：2015-10-22

中图分类号：TS262.5；TS262.54

文献标识码：A

文章编号：1001-9286（2016）02-0085-05

DOI：10.13746/j.njkj.2015408

优先数字出版时间：2015-12-30；地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20151230.0900.001.html。