數字化建模與仿真技術在啤酒生產線上的應用

楊銓，辛華健，趙永信

（廣西工業職業技術學院,廣西南寧, 530200）

1 精釀啤酒生產技術發展現狀

由于我國機械制造業起步較晚，且底子薄，同時還受到其他國家在技術上的封鎖的影響，生產的產品品質與技術水平不高；擁有自主知識產權的產品太少；制造技術與工藝落后，結構也不夠合理；缺乏技術創新能力；并且在先進制造技術與生產管理方面存在一定不足。雖然在一定程度上，在機械質量、技術、項目、價格、研究和創新等多方面，不斷取得相應的進步，但與國外先進技術相比仍然有很大的差距。

（1）國外精釀啤酒的生產及發展現狀

在發達國家，啤酒行業的發展與其工業自動化的發展有著密不可分的聯系。國外啤酒生產的目前主要采用分布式與現場總線控制系統。其核心是利用先進的計算機網絡技術以及控制算法對啤酒生產過程進行自動控制與畫面監控。下位機控制單元一般采用PLC，上位機中除安裝有功能強大的組態軟件，其網絡中還兼容多種通訊協議（如TCP/IP 協議等）以便于數據的實時傳輸與管理，生產過程完全實現自動化、網絡化和信息化，系統較為先進。

（2）國內精釀啤酒的生產及發展現狀

我國經濟的快速發展使得人們的消費水平與生活質量有了顯著的提升，普通啤酒的口味已難以滿足人們對高品質生活的需求，因此精釀啤酒行業在國內的興起，目前國內大部分的精釀酒廠在啤酒自動化的生產控制中存在的難點主要集中在：行業規范與自動化程度低，控制系統柔性與開放性低，系統含滯后性與非線性控制等方面。

2 數字化設計與仿真技術在啤酒生產線的應用

啤酒生產工藝流程可以分為制麥、糖化、發酵、包裝四個工序，具體可以對應為原料粉碎>糊化>糖化>過濾>冷卻>發酵>包裝。在進行生產線三維建模前，需將其拆分為不同的零部件，以確定各零件相應的建模方法。通過對該設備的結構分析，可將該設備拆分成自吸式粉碎機、螺旋上料機、糊化罐、糖化罐、過濾槽、冷卻器、發酵罐等主要部分。麥芽、大米等原料由投料口或立倉經斗式提升機、螺旋輸送機等輸送到糖化樓頂部，經過去石、除鐵、定量、粉碎后，進入糊化鍋、糖化鍋糖化分解成醪液，經過濾槽/壓濾機過濾，然后加入酒花煮沸，去熱凝固物，冷卻分離[3]。數字化設計與仿真技術在啤酒生產工藝流程中的設計流程如下:

(1)首先打開SolidWorks軟件中的“零件”板塊，運用“零件”功能，設計啤酒生產工藝流程中所需設備的零部件模型。流程中糖化罐、糊化罐、螺旋上料機、自吸式粉碎機建模如下：

圖1 糖化罐

圖2 糊化罐

圖3 螺旋上料機

圖4 自吸式粉碎機

(2)當把所需零部件全部設計好以后，運用SolidWorks軟件中的“裝配體”功能實現零部件裝配為一個完整的功能設備。圖5展示了灌裝線裝配完成后的設備圖。

圖5 灌裝線裝配圖

(3)當所有設備設計完畢以后，運用SolidWorks軟件中的“裝配體”功能實現所有設備的裝配。設備組合以后，可以指定某一設備進行尺寸修改，三維模型會發生相應的改變，修改簡單快捷有效，節省大量時間精力，從而完成更好的設計。

3 啤酒生產線的仿真分析

針對啤酒生產線的實際工藝過程及設備的具體功能，對啤酒生產線進行仿真分析，首先需要利用SOLIDWORKS軟件搭建啤酒生產線的三維數字模型， 為了方便對三維模型進行機電概念設計（MCD）及虛擬仿真分析，需要把在SOLIDWORKS軟件中裝配好的啤酒生產線的三維數字模型轉換為PRT格式的NX文件，導入NX軟件中；其次對啤酒生產線進行機電概念設計（MCD）確定各運動部件之間的運動副關系及添加驅動控制；最后，通過虛擬PLC對NX中的虛擬啤酒生產線進行仿真控制分析[4]。

3.1 啤酒生產線的建模

通過數字化設計軟件SOLIDWORKS對產線進行了建模，在建模的過程中，主要是通過對實際啤酒生產線的設備進行設計模型，并利用SOLIDWORKS軟件把各模型進行裝配，使得整個數字模型的布局合理，并把SOLIDWORKS中的生產線 轉換為可以導入NX中的模型。

3.2 啤酒生產線的MCD設計

在上述模型中，啤酒生產流程已經建模完成，接下來，對啤酒生產線進行MCD設計，在MCD設計中主要是通過對啤酒灌裝線的運動流程來分析其運動副關系，并設置相應的運動副，如下圖6（a）所示，啤酒瓶經過洗瓶機清洗后，進入灌裝機把啤酒灌裝在啤酒瓶中，并且在灌裝機中灌裝啤酒后進行壓蓋機進行壓蓋，最后通過傳送帶進入風干機進行風干[5]。從整個啤酒灌裝線的工藝流程來看，傳輸啤酒瓶的傳輸鏈可以利用MCD中的傳輸面命令來設置其運行的速度和適量方向，在這條灌裝線中運動較為復雜的就是設計灌裝機和壓蓋機的運動副關系，從其工作流程來看，大多數旋轉的鉸鏈副、滑動副和固定副，其運動副關系如圖6（b）所示，在確定好運動副關系后就可以添加驅動控制，即位置控制和速度控制，并對這些驅動控制設置仿真序列，達到實現啤酒生產線的工藝流程仿真的目的[6]。

圖6 灌裝工藝流程及運動副關系

3.3 啤酒生產線的虛擬仿真分析

通過在MCD環境中設置外部信號配置，連接了一臺虛擬的PLC,利用PLC中的程序對啤酒生產線進行控制仿真，下圖7所示是MCD中的信號和外部信號，通過MCD中的OPC UA通信方式實現了MCD數字模型與虛擬PLC之間的信號映射，完成了虛擬仿真控制。在實際中結合虛擬環境的仿真和優化結果完成了生產系統的設計，在精釀啤酒生產中實現虛實結合的數字化雙胞胎技術應用。我們在模型上進行修改相關的參數進行仿真，在仿真中根據啤酒的工藝要求不斷調整參數，以達到最優的效果。

4 結語

SolidWorks、NX軟件功能強大，組件豐富全面，能根據客戶要求進行設備以及產線的仿真，操作簡單易于上手，在整個啤酒生產線設計過程中配件設計完全可編輯，零件設計、裝配設計、工程圖之間完全對應。在本設計中能根據要求做出啤酒灌裝的系統設計，選取對控制系統相對應的設備，然后畫出各階段的設備圖，列出信號對應的輸入端和輸出端的信號表，用軟件寫出控制系統的程序，系統能進行精準控制，通過先進的數字化軟件和仿真技術在精釀啤酒生產線中的應用，可以有效地提升生產線的生產工藝水平，大幅度降低生產線升級和優化帶來的成本，使得系統可靠性大大高,降低能耗,提高經濟效益，具有極其重要的現實意義。