基于OPC的啤酒巴氏灭菌机PU实时控制系统设计

杨清艳 - 张魁榜 - 陈荣娜 - 袁家宝 -

(1. 安徽建筑大学机械与电气工程学院，安徽 合肥 230601；2. 安徽省六安恒源机械有限公司博士后工作站，安徽 六安 237100；3. 合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009) (1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei, Anhui 230601, China; 2. ThePostdoctoral Workstation of Anhui Province Lu'an Hengyuan Machinery Co., Ltd., Lu’an, Anhui 237100, China; 3. School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei, Anhui 230009, China)

基于OPC的啤酒巴氏灭菌机PU实时控制系统设计

杨清艳1,2YANGQing-yan1,2张魁榜3ZHANGKui-bang3陈荣娜2CHENRong-na2袁家宝2YUANJia-bao2

(1. 安徽建筑大学机械与电气工程学院，安徽 合肥 230601；2. 安徽省六安恒源机械有限公司博士后工作站，安徽 六安 237100；3. 合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009) (1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei,Anhui230601,China; 2.ThePostdoctoralWorkstationofAnhuiProvinceLu'anHengyuanMachineryCo.,Ltd.,Lu’an,Anhui237100,China; 3.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei,Anhui230009,China)

针对以往啤酒巴氏灭菌机PU控制过程中偶然出现的控制系统与Wincc之间偶尔出现通讯冲突的问题，提出了基于OPC和Wincc的啤酒巴氏灭菌机PU自动控制系统；用VC++ 编写OPC客户端，并以Wincc作为OPC服务器，实现Wincc与VC++客户端的数据交换。为了实现PU的智能控制，首先建立隧道式杀菌机啤酒PU值与喷淋嘴温度之间的数学模型；并且用高级语言编写啤酒杀菌过程中的PU控制算法；对经OPC通道传入PU控制系统的实时数据进行模拟、分析、计算出控制各温区的喷淋嘴温度值；最后再将控制数据传送给底层设备，达到对啤酒杀菌机实时自动控制调节的目的。运行试验表明，基于OPC和Wincc的啤酒杀菌机PU控制系统能够有效地对杀菌过程中的喷淋嘴温度进行控制并提高杀菌准确度，也提高了啤酒杀菌过程中的效益。

隧道杀菌机；VC++；PU；啤酒杀菌；OPC

啤酒生产过程中，巴氏杀菌是不可缺少的一道工序[1-2]。目前多采用隧道式杀菌机对啤酒进行杀菌处理，但杀菌机各温区喷淋嘴温度的设定常依靠经验。如果喷淋嘴的温度过高，进而使得各温区温度过高影响啤酒的口感，使啤酒失去原本的味道，且啤酒颜色比正常色更深，还容易在杀菌过程中出现爆瓶；但是如果杀菌机各温区温度过低，会降低杀菌效果，并引起生物混浊。因此杀菌过程中喷淋嘴的温度控制直接关系到杀菌机中各个啤酒瓶的PU值(巴氏灭菌单位，一个PU值的定义为： 在60 ℃下经历1 min所引起的灭菌效应为一个巴氏杀菌单位)。而目前杀菌机原本的控制系统未能实现PU的智能调节，需要设计开发第三方的控制系统——PU控制系统，而PU控制系统智能地根据实时的PU值反调节喷淋嘴水温的关键是：PU控制系统与杀菌机之间进行数据的实时交互。

有学者[3-4]采用密切监控喷淋嘴温度的方法对杀菌机进行结构改进，但难以控制突发情况下的PU值波动。本试验拟采用C++语言编写程序对杀菌机啤酒的PU值进行控制，底层设备的控制还是原系统，为解决杀菌过程中PU控制系统与杀菌机控制系统之间数据传输出现冲突的问题，提出了用VC++编写OPC客户端，以Wincc作为底层设备控制软件，在其上编写OPC服务器，通过OPC通道实现PU控制系统与设备控制系统间的数据传输。

1 隧道式杀菌机数学模型

隧道式杀菌机的啤酒杀菌过程为：啤酒瓶在杀菌机中经历了11个不同水温喷淋换热区(Ⅰ～Ⅺ)，其中前7区为喷淋加热，后4区为喷淋冷却，其简化物理模型见图1。在实际生产过程中，即使是在同一台杀菌机相同的温区及喷淋嘴温度设置值条件下，由于瓶型、环境等的差异都可能造成啤酒最终的PU值不同。因此需要研究杀菌机喷淋嘴温度设定值与啤酒瓶瓶型、环境、PU值之间的关系，并依据啤酒瓶瓶型、环境、啤酒的PU值反过来设定杀菌机各个温区喷淋嘴设定温度。

1. 冷缓冲槽 2. 热缓冲槽 3. 预缓冲槽 4. 小水箱 5. 冷水泵 6. 热水泵 7. 换热器 8. 角座阀

图1 巴氏杀菌系统结构图

Figure 1 Pasteurization system structure

衡量隧道式啤酒杀菌机效果的主要参数为杀菌之后的啤酒最高温度、啤酒PU值以及产量，其中啤酒最高温度和啤酒PU值是经过杀菌机之后啤酒质量的重要参数。

根据研究者[5-8]有关隧道杀菌机能量模型的研究，Dilay 等[9]将隧道式杀菌系统划分为N个立体单元。本研究参考文献[9]将每一个立体单元分为3个系统：由喷淋嘴产生的空气/水雾系统(系统1)、瓶子系统(系统2)、水系统(系统3)，见图2。

1.1 水雾系统热力学数学模型

1.1.1 空气/水雾系统的传热计算 根据图2及热力学第一定律可以得空气/水雾系统的热传导公式为：

图2 系统1、2、3示意图Figure 2 Schematic diagram of systems 1, 2, and 3

(1)

式中：

cwa——水的比热，J/(kg·K)；

cp,f——空气/水雾在恒定压力时的比热，J/(kg·K)；

cv,f——空气/水雾在恒定体积时的比热，J/(kg·K)；

mf——空气/水雾在体积元的质量，kg；

Tin,wa——进水温度(Tin,wa=Tset)，℃；

Ti——第i个VE的温度，℃；

Ti+1——第i+1个VE的温度，℃；

Ti-1——第i-1个VE的温度，℃。

第i个VE内系统1与外界环境之间的传热速率可以计算为：

(2)

式中：

Uw,i——空气/水雾与环境之间的传热系数，W/(m2·℃)；

T——外部环境温度，℃。

(3)

式中：

kw——壁材料的热传导系数，W/(m·℃)；

δw——壁厚，m；

kins——绝燃材料的热传导系数，W/(m·℃)；

δ——绝燃材料的壁厚，m；

h——隧道壁外的对流传热系数，W/(m2·℃)；

hint——空气/水雾与墙之间的对流传热系数，W/(m2·℃)。

(4)

(5)

式中：

ρf——空气/水雾密度，kg/m3；

As——隧道的垂直面积，由空气/水雾所占的体积决定，m2。

如果i=1，mi-1=mn；如果i=n，mi+1=m1。

VE之间的ui，通过使用二维域的连续性方程分析估计。

(6)

式中：

v——在垂直方向的空气/水雾速度，m/s。

(7)

(8)

1.1.2 空气/水雾系统与瓶子之间的传热计算 空气/水雾系统与瓶子之间的传热速率可以计算为：

(9)

式中：

Ab——一个VE里总的外部表面积，m2；

Tb,i——内部瓶子温度，℃；

αi——空气/水雾和瓶子之间的对流传导系数，W/(m2·℃)。

1.2 瓶子系统热力学模型

1.2.1 啤酒瓶总的传热分析 对于瓶子系统，根据热力学第定律可得其热传导公式为：

(10)

式中：

c——整个瓶子的热传导系数，J/(kg·K)；

mb,i——整个装啤酒的啤酒瓶质量，kg。

1.2.2 啤酒瓶内部传热分析 将一啤酒瓶放入隧道式杀菌机中加热，啤酒瓶受杀菌机喷淋嘴内喷淋水的加热作用，热量从啤酒瓶外表面向中心逐步扩散直至稳定。

图3显示了啤酒瓶加热过程的温度变化情况。当τ=0时，啤酒瓶处于均匀温度(t=t0)下，随着时间()的增加啤酒瓶温度开始变化，而后中心温度也逐步升高。当τ→时，啤酒瓶温度将与环境温度拉平，非稳态导热过程结束。根据热力学定义得出，当物体系统的外热阻远大于它的内热阻时，环境与物体表面间的温度变化远大于物体内的温度变化，可以认为物体内的温度分布几乎是均匀一致的。于是可以把物体内热阻忽略。而对于啤酒瓶，其属于薄壁件，其内热阻远小于外部热阻，在杀菌机系统内升温和降温的过程，根据热力学定律的计算非稳态导热的线算图，可以计算为以下过程。

图3 啤酒瓶加热过程示意图Figure 3 Schematic diagram of heating of beer bottle

图4 啤酒瓶在杀菌机里的系统示意图Figure 4 Sketch map of beer bottle in sterilizer

(11)

由于物体的内部热阻远小于外部热阻，将其忽略，可认为温度与坐标无关，所以式(11)中温度的二阶导数项2t为0。于是将式(11)转化为：

(12)

式中：

在啤酒瓶表面交换的热源可以看作是物体的体积热源，即

(13)

将上式(13)整理代入式(12)中可以得出：

(14)

初始条件为

τ=0，T=Tb,0。

引入过余温度θ=Tb,i-Ti方程与初始条件变为：

τ=0,θ=θ0。

分离变量积分并代入初始条件得出：

(15)

因此就有:

(16)

式中：

Tb,0——初始温度，℃。

由式(16)可见物体温度随时间的推移逐步趋于环境温度。

1.3 水系统热力学数学模型

根据图2及热力学第一定律可得水系统热传导公式为：

(17)

2 啤酒杀菌机PU自动控制总体架构

根据建立的啤酒杀菌过程数学模型，开发基于OPC客户端的啤酒杀菌机PU自动控制系统，该系统是在VS 2010开发环境中用C++语言编写。本系统产生啤酒温度、啤酒PU值以及喷淋嘴设定温度的方式：通过人机交互界面，输入啤酒瓶的参数、杀菌机各区参数、杀菌机实时理论PU值、杀菌机运行参数，根据啤酒杀菌工艺模块算法，经过计算、处理自动生成与啤酒PU值对应的杀菌机各区喷淋嘴温度设定值，在PU控制系统软件上计算出整个隧道杀菌机里各个啤酒瓶的理论啤酒温度、理论啤酒PU值，为了方便显示将所有的啤酒温度值和PU值连接为曲线。但需要实时采集现场设备各区的温度值。该设备依靠S7-300PLC收集数据，通过Wincc的OPC服务器与C++的OPC客户端进行数据交换。图5为基于OPC客户端的啤酒杀菌机PU自动控制总体架构。

图5 啤酒杀菌机PU自动控制总体架构Figure 5 Automatic control system of PU for beer sterilizer

2.1 基于VC++的OPC客户端的设计与实现

OPC服务器支持自动化接口和定制接口2种[10]。通过对比两种接口的优缺点(见表1)，优先选择定制接口。通过该接口能够发挥OPC服务器的最佳性能[11]。

表1 OPC访问接口的对比Table 1 Comparison of OPC access interfaces

在VC++平台上编写OPC客户端软件的一般流程包括服务器的连接、变量组的初始化以及数据项的读写操作，见图6。

图6 OPC客户端编程流程Figure 6 OPC client programming flow

具体开发过程中的部分代码：

(1) 初始化COM库

HRESULT hr;

// Make sure COM is initialized:

hr = CoInitialize ( NULL );

if (hr !=S_OK)

{ MessageBox(_T("com库初始化失败"),_T("提醒"));

opcflag=0;

return}

else

{ MessageBox(_T("com库已经初始化！),_T("提醒"));

opcflag=1;

}

(2) 连接OPC服务器

hr=CLSIDFromProgID(L"OPCServer.WinCC",&clsid);

if (hr !=S_OK)

{MessageBox(_T("获取CLSID失败"),_T("提醒"));

opcflag=0;

CoUninitialize();

return;}

else

{MessageBox(_T("获取CLSID成功"),_T("提醒"));

opcflag=1;}

hr = CoCreateInstance (clsid, NULL,CLSCTX_SERVER, IID_IOPCServer,(void **)&m_IOPCServer);

if (hr != S_OK)

{ MessageBox(_T("创建OPC服务器失败"),_T("提醒"));

opcflag=0;

m_IOPCServer=NULL;

CoUninitialize();

return;}

else

{MessageBox(_T("OPC成功"),_T("提醒"));

opcflag=1;

}

(3) 创建OPC组对象

hr=m_IOPCServer->AddGroup(L"grp1",TRUE,500,1,&TimeBias,&PercentDeadband,LOCALE_ID,&m_GrpSrvHandle,&AA,IID_IOPCItemMgt,(LPUNKNOWN*)&m_IOPCItemMgt);

if(hr== OPC_S_UNSUPPORTEDRATE )

{

MessageBox(_T("求的刷新速度与实际的刷新速率不一致"),_T("提醒"));

opcflag=0;

}

else

if (FAILED(hr))

{ MessageBox(_T("不能为服务器添加GREAP 对象"),_T("提醒"));

opcflag=0;

m_IOPCServer->Release();

m_IOPCServer=NULL;

CoUninitialize();

return;

}

(4) 创建OPC数据项对象

OPCTr01[0].szAccessPath =L"";

OPCTr01[0].szItemID =L"R_Move_time" ;//szItemID;

OPCTr01[0].bActive =TRUE;

OPCTr01[0].hClient =1;

OPCTr01[0].dwBlobSize =0;

OPCTr01[0].pBlob =NULL;

OPCTr01[0].vtRequestedDataType =0;

(5) 完成OPC服务器连接、创建OPC组和数据项对象后，OPC客户端和OPC服务器即可进行数据的读写交互操作。

OPCHANDLE *phServer;

HRESULT *pErrors;

VARIANT values[11];

HRESULT r1;

LPWSTR ErrorStr;

CString szOut;

if(m_pErrors[0] != S_OK)

{MessageBox(_T("OPC Item不可用，不能用同步读功能！ "),_T("提醒"));

return;}

phServer= new OPCHANDLE [11];

for(int i=1;i<=11;i++)

{phServer[i-1]=m_ItemResult[i].hServer;}

UpdateData(TRUE);

for (int j=0;j<=9;j++)

{if(writeTflag==0)

{W_T_Zn[j]= SetT[j];

values[j].vt =VT_R8;

values[j].dblVal=W_T_Zn[j];

}

}

2.2 OPC与Wincc的实时通讯

Wincc是西门子公司开发的组态软件，集成了许多先进技术，如SCADA、组态、OPC、脚本语言等。Wincc的开放性很高，全面支持OPC，用户可以将Wincc的OPC通道当作OPC Server，通过编写OPC客户端，实现Wincc与OPC客户端的通讯[12-13]。本研究用Wincc作为OPC的服务器，在OPC客户端中连接服务器，实现数据的实时读写操作。Wincc数据组及数据的建立过程见图7、8。

图7 Wincc数据组的建立Figure 7 Establishment of data groups on Wincc

图8 Wincc数据的建立Figure 8 Establishment of data on Wincc

3 系统测试

为了验证系统的运行及OPC数据读写的情况，测试了2种不同的情况：① 杀菌机正常运行时，查看OPC客户端与服务器之间的数据传输；② 杀菌机出现异常(停机)时，检测OPC客户端对此情况的反应控制，调节喷淋嘴温度的设定值，以及将此数据通过OPC通道传给Wincc端，最终达到控制设备的喷淋嘴温度。图9为Wincc端控制设备界面图，此界面为杀菌机控制界面端，PU控制系统将计算出的杀菌机中各个啤酒瓶的实时啤酒温度和PU值，以及各喷淋嘴的设定温度通过OPC传入此系统，另外此系统获得的各个温区的喷淋水温度，通过OPC传入PU控制系统，通过以上对隧道杀菌机能量模型的建立所推导的数学模型进行实时的啤酒温度和PU值的计算。

图9 Wincc端控制设备界面图Figure 9 Interface diagram of Wincc control device

3.1 测试正常情况下系统软件运行情况

图10 为正常情况下数据的传输界面图。图10(a)中通过OPC通道获取啤酒PU控制系统中，通过PU数学模型实时计算出的杀菌机中每个啤酒瓶的实时温度和PU值，并显示在Wincc设备控制界面上。对比图10(a)与(b)可知，两者的数据一致。验证了OPC通道数据传输及PU控制数学模型的正确性。

图10 正常情况下数据的传输Figure 10 Data transmission under normal conditions

3.2 停机状态下系统软件实际运行情况

图11 为停机情况下数据的传输界面图。设备停机时为了避免杀菌机中的啤酒累加PU值造成PU值超过预期值，啤酒PU控制系统会对喷淋嘴温度的设定值进行调整。由图11可知，啤酒的实时温度曲线和PU值曲线一致，说明OPC通道数据传输正确。

4 结论

针对以往依靠经验来设定杀菌机各个温区喷淋嘴温度值的不足，本研究根据热力学定理构建了杀菌机杀菌过程的数学模型，实现了根据理论啤酒PU值逆向设定杀菌机各温区喷淋嘴温度值的自动设定；并结合VC++将所构建啤酒杀菌过程的数学模型，编制为啤酒PU控制智能化系统；最后针对以往的设备控制系统Wincc与PU控制系统之间数据传输的冲突问题，用VC++语言开发了OPC客户端，将Wincc作为OPC服务器，实现了OPC客户端与服务器的实时通讯。实践表明，OPC技术能很好地实现本PU控制系统与杀菌机系统的数据通信，系统能够安全稳定地运行，开发相对简单，且成本较低，所设计的基于VC++的啤酒杀菌机PU控制系统可以实现对杀菌过程的自动化控制，而且杀菌后啤酒满足质量要求，降低水资源的浪费，提高了经济效益。

图11 停机状态下的数据传输Figure 11 Data transmission under unnormal conditions

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DesignofPUrealtimecontrolsystemforbeerpasteurizationmachinebasedonOPC

The occasional communication conflict between PU control system and Wincc in the process of PU control for the beer pasteurization machine were investigated in this study. The sterilization machine automatic PU control system were put forward based on OPC and Wincc. Use the C++ to write OPC client and the Wincc as OPC server to realize the data exchange between Wincc and C++ client. In order to realize the intelligent control of PU, the mathematical model between the PU value of the tunnel sterilizer and the temperature of the nozzle was established, and then the PU control algorithm in the process of beer sterilization was written in high-level language. Moreover, the real-time data transmitted to the PU control software by OPC channel to simulate was used to analyze and calculate the temperature of the spray nozzle to control the temperature of each zone for sterilizer. Finally, the control data was transmitted to the bottom equipment, realizing the real-time automatic control and adjustment of the beer sterilizer. The operation test showed that PU OPC and Wincc beer sterilization machine control system could effectively control and improve the accuracy of sterilization, and increase the beer sterilization process benefit.

Sterilization machine; VC++; PU; Beer sterilization; OPC

2016年度第一批校引进人才及博士启动基金项目(编号：2016-108)

杨清艳，女，安徽建筑大学讲师，博士。

张魁榜(1987—)，男，合肥工业大学讲师，博士。

E-mail:zhangkuibang@qq.com

2017—07—05

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.09.024