Zusammenfassung: Die Biergärung ist ein entscheidender Schritt im Bierherstellungsprozess, insbesondere die Kontrolle von Temperatur und Druck. In diesem Beitrag wird die neu erschienene, auf WinCE basierende Wincon8000 von ICP DAY, die SPS und PC integriert, als Hauptsteuerung für ein verteiltes Netzwerk-Steuerungssystem auf Basis von Industrial Ethernet eingesetzt. Die Systementwicklung verbessert die Automatisierung und integriert verschiedene Informationen zur Steuerung des Produktionsprozesses. Das System zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit, hohe Leistung, verteilte Steuerung sowie zentrale Überwachungs- und Managementfunktionen aus. Es verwendet ein Steuerungsschema mit koordinierter Überwachung durch übergeordnete und untergeordnete Mikrocomputer, bestehend aus einer Systemingenieurstation und Feldsteuerstationen, um die vollautomatische Steuerung aller Gärtanks im Werk zu gewährleisten. Die Praxis hat gezeigt, dass das System eine hohe Störfestigkeit, einen stabilen Betrieb und eine benutzerfreundliche Oberfläche aufweist und sich daher für den breiten Einsatz in der Bierindustrie eignet. Schlüsselwörter: WinCon8000, Biergärung, NCS 1 Überblick China ist ein bedeutender Bierproduzent und -konsument mit Brauereien in fast jeder Stadt. Die Gärung ist ein entscheidender Faktor für die Qualität von Bierprodukten und wird im Allgemeinen durch die Kontrolle der Gärtemperatur gesteuert. Aufgrund der nichtlinearen, zeitverzögerten und trägheitsbedingten Eigenschaften des Gärprozesses stellt dessen präzise Steuerung eine der größten Herausforderungen im Bereich der Automatisierungstechnik dar und wird durch neue Technologien und Methoden stetig verbessert. Die Steuerungstechnik bildet die Grundlage für die Umsetzung von Steuerungsmethoden. Die Optimierung der Steuerung des Biergärungsprozesses ist eine effektive Maßnahme für den technologischen Fortschritt in der Brauindustrie. Sie ermöglicht die Steigerung der Produktausbeute und die Verbesserung der Produktqualität ohne erhöhten Rohstoff- und Energieverbrauch. Gleichzeitig werden die Arbeitsbelastung reduziert, die Arbeitsbedingungen verbessert und die Gärungstechnologie sowie das Produktionsmanagement optimiert. Daher besitzt eine optimierte Biergärungssteuerung ein hohes Anwendungspotenzial. Typischerweise findet die Gärung in der Brauindustrie in geschlossenen Behältern (Tanks) statt. Die Anzahl der Kontrollpunkte in jedem Tank ist relativ gering. Eine Brauerei verfügt jedoch üblicherweise über mehrere, weit verteilte Gärtanks. Um Systemressourcen optimal zu nutzen, ist der Einsatz eines Netzwerksteuerungssystems (NCS) auf Basis von Industrial Ethernet die beste Wahl. Aktuell werden SPSen (Speicherprogrammierbare Steuerungen) üblicherweise als Hauptsteuerung für die Bierfermentation eingesetzt. Herkömmliche SPSen lassen sich jedoch nur schwer mit Ethernet verbinden, und die Industrial-Ethernet-Schnittstellenmodule für SPSen sind teuer, was die Wirtschaftlichkeit des Steuerungssystems einschränkt. PC-basierte Steuerungssysteme sind hingegen deutlich einfacher, da Windows (einschließlich WinCE) und Linux Industrial Ethernet unterstützen. Die spezielle Architektur von PCs schränkt jedoch ihren Einsatz im Feld ein. Die Wincon8000 von ICP DAY ist eine PC-basierte SPS, die das benutzerfreundliche Betriebssystem WinCE nutzt, während ihre Hardwarearchitektur auf SPS basiert. Sie vereint die Vorteile von SPSen und PCs und ist somit die ideale Wahl für die Hauptsteuerung eines Bierfermentationssystems. 2. Strategien und Lösungen zur Steuerung der Bierfermentation : Während der Fermentation werden Prozessparameter wie Temperatur, Druck, Flüssigkeitsstand und Zykluszeit umfassend überwacht und gesteuert. Um die Zirkulation der Bierflüssigkeit im Tank zu gewährleisten und die Hefesedimentation in den verschiedenen Gärungsstadien zu fördern, wird üblicherweise ein dreistufiges Zwischenkühlungsverfahren zur Temperaturregelung der Bierflüssigkeit im Tank eingesetzt, wodurch ein Temperaturgradient von oben nach unten erzeugt wird. Temperaturmesspunkte befinden sich oben, in der Mitte und unten. Die Praxis hat gezeigt, dass die Installation von Verteilerventilen an den drei Kältemitteleinlässen und die entsprechende Anpassung des Verteilungsverhältnisses, wobei lediglich die Temperatur im mittleren Bereich als Regelparameter verwendet und der gesamte Kältemittelvolumenstrom im Einlassrohr geregelt wird, die prozessbedingten Regelungsanforderungen erfüllen können. Entsprechend den Anforderungen des Biergärungsprozesses variiert die Temperaturregelung während der verschiedenen Gärungsstadien und folgt im Allgemeinen einer Kurve mit 7–8 Segmenten. Der Wendepunkt von 12 °C auf 9 °C hängt vom Restzuckergehalt des Bieres ab, nicht von der Gärzeit. Derzeit gibt es in China jedoch kein geeignetes Online-Analysegerät – ein Saccharimeter – für die Bierfermentation. Dieses System verfügt über eine bewegliche Zeitkoordinatenfunktion in Kombination mit einer Probenahmeanalyse, um die Anforderungen an die Saccharimeterregelung zu erfüllen. Um die Temperaturvorgaben in den verschiedenen Lagerphasen des Bieres sicherzustellen, sind Alarme für obere und untere Grenzwerte von Temperatur und Druck vorgesehen. Ebenso sind Alarme für obere und untere Grenzwerte des Drucks in den verschiedenen Tankdruckphasen integriert. Jeder Tank ist mit einer Füllstandsanzeige ausgestattet, die zum Abfüllen und Dosieren des Fertigprodukts dient und gleichzeitig die Füllstandsänderungen während des Gärprozesses überwacht. Das Gesamtsystem verfügt zudem über Alarme bei Geräteunterbrechung, Stromausfall und Systemanomalien, die automatisch in den Offline-Betrieb schalten. Da die biochemischen Reaktionen während der Gärung stark träge, zeitlich veränderlich, stark nichtlinear gekoppelt und komplexe Prozesse mit mehreren Eingängen und Ausgängen sind, ist eine stabile Regelung erforderlich, um das Absterben von Mikroorganismen durch Fehlsteuerung zu verhindern. Die Temperaturregelung während der Lagerung liegt jedoch sehr nahe am Gefrierpunkt des Bieres, was leicht zu Vereisung der Tankwände führen kann. Während der normalen Produktion treten häufig Fehlfunktionen der Temperatursensoren auf. Beispielsweise kann der obere Messpunkt bei sinkendem Bierstand im Gärtank der Luft ausgesetzt sein oder Wasserdampf kann sich bei zu niedriger Gärtemperatur am Sensor kondensieren. Diese Probleme führen zu ungenauen Temperaturmessungen und erfordern daher einen fehlertoleranten Regler. Um die Biergärung effektiv zu steuern und die Sollwerte der Temperatur in den verschiedenen Lagerphasen sicherzustellen, wird die in Abbildung 1 dargestellte Temperaturregelungsstrategie angewendet. Das Regelungsschema ist in Abbildung 2 dargestellt, die Messpunkte für die Temperaturregelung in Abbildung 3. 3. Entwurf des Regelungssystems: Das gesamte Regelungssystem basiert auf einer verteilten Regelungsstrategie. Jede lokale Steuereinheit verwendet einen ICP Wincon8000 als Hauptregler und Industrial Ethernet als Datenübertragungsmedium. Dadurch entsteht ein NCS-System auf Basis von Industrial Ethernet. 3.1 Hauptregler der lokalen Steuereinheit: Für die Steuerung der Biergärung wurde das kompakte Embedded-Steuerungssystem WinCon-8331-G ausgewählt. Der WinCon-8000 verfügt über Steckplätze für Signalmodule und nutzt die gleiche Architektur wie SPSen und andere Regler. Die Host-Plattform besteht aus PC-Hardware und dem Betriebssystem WinCE, wodurch eine PC-basierte Umgebung geschaffen und gleichzeitig die Funktionalität von SPS-Steuersignalen bereitgestellt wird – eine Kombination aus PC und SPS mit doppelter Funktion. Die Signalmodule umfassen verschiedene Spezifikationen, darunter analoge und digitale Signale. ICP DAY stellt SDK-Bibliotheken für diese Signalmodule bereit. Die Signalsteuerung verwendet lediglich zwei Befehle: Lesen und Schreiben, ähnlich den einfachen und benutzerfreundlichen Befehlen zum Lesen und Schreiben von Dateidaten. Ursprünglich wurden Steuersignale über eine SPS gesteuert; da der WinCon-8000 jedoch über eine PC-Architektur verfügt, verwendet er selbstverständlich PC-Programmiersprachen. Der WinCon-8000 wird mit vorinstalliertem Windows CE.NET geliefert, was die Entwicklung von Steuerungsanwendungen mit Microsoft Embedded Visual C++, Visual Basic .NET oder Visual C# erheblich vereinfacht. Da Windows CE.NET ein leistungsstarkes Echtzeitsystem ist, unterstützt es die Verarbeitung verschiedener Prioritätsstufen und bietet deterministische Steuerung auf jeder Stufe, genau wie eine SPS. Darüber hinaus bietet Windows CE.NET gegenüber herkömmlichen SPS-Systemen zahlreiche Vorteile, darunter Netzwerkkommunikation, grafische Benutzeroberfläche, Datenverarbeitung, Verwaltung großer Speicherkapazitäten, Unterstützung gängiger PC-Schnittstellen und einfache Programmierung. Die Kombination von Windows CE.NET mit den ausgeprägten Echtzeiteigenschaften einer SPS ergibt eine leistungsstarke Steuerungslösung. Die WinCon-8000-Serie ist eine disklose Echtzeit-Steuerungsplattform, die eine leistungsstarke Integration von herkömmlicher SPS und Windows-PC darstellt. Analoges Eingangsmodul: ICPDAS I-8017MR 8K Analoges Eingangsmodul. Einzelkanal-Abfragemodus: 100 kHz; 8-Kanal-Scanmodus: 8 kHz; Eingangsbandbreite: 40 kHz; Auflösung: 14 Bit; Eingangstyp: Differenziell; Zweck: Primär für die Echtzeit-Erfassung von Temperatur, Druck, Füllstand und anderen Statusinformationen aus Biergärtanks. Digitales Eingangsmodul: ICPDAS I-8042 8K Digitales Eingangsmodul. Anzahl der digitalen Eingangskanäle: 16 Kanäle; 3750 V Isolation (externe Stromversorgung). Open-Collector-Ausgang: 125 mA/Kanal; Reaktionszeit: Maximal 0,1 ms; Zweck: Echtzeitsteuerung des Öffnens und Schließens von Ventilen, Echtzeitüberwachung von Flüssigkeitsstandalarmen usw. Zeit-/Zählmodul: ICPDAS I-8080 8K Zähl-/Frequenzmodul; Eingangsfrequenz: 0,3–1 kHz (Frequenzmodus), maximal 5 kHz (Zählmodus); Zweck: Echtzeitsteuerung des Gärzyklus. Ein schematisches Diagramm des gesamten verteilten Biergärungs-Steuerungssystems ist in Abbildung 4 dargestellt. 3.2 Zentrale Leitwarte: Die Biergärungs-Überwachungszentrale in der zentralen Leitwarte scannt und kommuniziert mittels Polling-Verfahren mit den lokalen Steuereinheiten der 12 Biergärtanks, um die Echtzeit-Status-Steuerungsparameter der 12 Biergärtanks zu erfassen und Echtzeit-Entscheidungen zu treffen. Sie kann außerdem den Betriebs- und Gesundheitszustand der 12 Wincon8000-Systeme in Echtzeit überwachen. ICP DAY stellt den OPC-Dienst des übergeordneten Rechners Wincon8000 bereit und vereinfacht so die Programmentwicklung erheblich. Die Überwachungszentrale im Kontrollraum nutzt Windows 2000 Server und SQL Server-Datenbankmanagement und lässt sich nahtlos in das MIS-System des Unternehmens integrieren. 4. Software-Design des Steuerungssystems Die Softwaremodule und Funktionen des Überwachungssystems für den Bierfermentationsprozess sind in Abbildung 5 dargestellt und lassen sich in drei Bereiche unterteilen: SPS-Software, Software für die Überwachungs- und Planungsebene sowie Software für die Produktionsmanagementebene. 4.1 Die WinCon8000-Software regelt die Temperatur des Fermenters gemäß den Prozesssteuerungsanweisungen der Planungs- und Überwachungsebene. Das Programm ist in fünf Module unterteilt: Datenerfassung: Dieses Modul erfasst Sensordaten aus dem Fermenter, filtert und standardisiert diese. Prozessfortschritt: Dieses Modul ermittelt den Fermentationsfortschritt anhand des Fermentationsprozesses, der Sensordaten und der Systemzeit. Temperaturregelung: Dieses Modul steuert das Öffnen und Schließen der Ventile mit einer bestimmten Regelrate entsprechend der Prozesstemperatur des jeweiligen Prozessabschnitts. Fehlerdiagnose: Dieses Modul diagnostiziert in Echtzeit Fehler des WinCon8000-Moduls sowie typische Sensorfehler. Netzwerkkommunikation: Dieses Modul kommuniziert passiv mit dem Überwachungs- und Planungsrechner. Die Entwicklung erfolgt hauptsächlich mit dem Embedded Visual C++-Entwicklungstool unter WinCE. Die von ICP DAY bereitgestellten API- und I/O-Steuerungs-DLLs werden für die analogen und digitalen Ein-/Ausgabemodule sowie die Kommunikation verwendet. Der Biergärungsprozess wird gemäß der Temperaturregelungsstrategie in Abbildung 1 und dem Temperaturregelungsschema in Abbildung 2 in Echtzeit überwacht. Echtzeit-Regelparameter, Überwachungsergebnisse und Informationen zum Status der Stromversorgung und der Kommunikation des WinCon8000 werden über die industrielle Ethernet-Schnittstelle an die zentrale Leitwarte übertragen. Die Temperaturregelung erfolgt mittels Fuzzy-gewichteter PID-Regelung. Der Fuzzy-gewichtete PID-Regler besteht aus zwei Ebenen: einem Fuzzy-gewichteten Regler oben und einem PID-Regler unten. Das Strukturblockdiagramm des Fuzzy-gewichteten PID-Temperaturregelungssystems ist in Abbildung 5 dargestellt. Der PID-Regler steuert das Regelobjekt direkt, während der Fuzzy-gewichtete Regler die PID-Parameter online anpasst. Dies verleiht dem PID-Regler adaptive Fähigkeiten und erhöht die Robustheit des Systems. Die Fuzzy-gewichtete PID-Regelungsstrategie ist in Abbildung 6 dargestellt. [ALIGN=CENTER] Abbildung 6: Strukturblockdiagramm des Fuzzy-gewichteten PID-Temperaturregelungssystems[/ALIGN] 4.2 Software für Steuerung und Planung Die Software für Überwachung und Planung dient dem Bediener als Plattform zur Überwachung des Fermentationsprozesses. Das Programm ist in fünf Module unterteilt: Aufgabenplanung: Implementiert die Online-Planung von Fermentationsaufgaben und weist diese den Fermentationsbehältern zu. Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI): Zeigt Echtzeitdaten des Fermentationsprozesses an, führt Prozessdatendateien aus, veröffentlicht Prozessdaten zeitgesteuert, fragt den Prozessstatus auf Änderungen ab und verarbeitet diese, speichert Daten zeitgesteuert, gibt Befehle aus und verarbeitet diese, fragt Vorabbefehle zeitgesteuert ab, verwaltet Benutzeranmeldung und Berechtigungsprüfung, initiiert den Systemneustart und generiert Protokolle der Steuerbefehlsausführung. Überwachungsprotokoll: Generiert und speichert Betriebsprotokolle der Bedieneraktionen auf der Überwachungsebene. Datenmanagement: Dieses Modul definiert die im System verwendeten Datenbanken, unterteilt in fünf Subdatenbanken: Echtzeitdatenbank, Prozessdatenbank, Aufgabendatenbank, Benutzerdatenbank und Betriebsprotokolldatenbank. Die Echtzeitdatenbank speichert wichtige Systeminformationen in Echtzeit und gewährleistet so die Systemwiederherstellung auch nach einem Stromausfall. Datenveröffentlichung: Dieses Modul speichert die aktuellen Prozessdaten jedes Fermentationstanks und stellt eine Schnittstelle für den Zugriff durch den Rechner der Produktionsleitung bereit. 4.3 Software der Produktionsmanagementebene Die Software der Produktionsmanagementebene bietet Benutzerschnittstellen für verschiedene Funktionsbereiche zur Verwaltung unterschiedlicher Informationen (z. B. Datenbanken) im Biergärungsprozess. Sie lässt sich in die folgenden fünf Module unterteilen: Benutzerverwaltung: Verwaltet Benutzer und Zugriffsrechte auf der Überwachungs- und Planungsebene. Protokollverwaltung: Ermöglicht das Anzeigen und Löschen von Betriebsprotokollen auf der Überwachungs- und Planungsebene. Prozessverwaltung: Dieses Modul bietet Funktionen zum Anzeigen, Bearbeiten, Ändern und Löschen von Gärprozessen. Mensch-Maschine-Schnittstelle: Dieses Modul zeigt aktuelle Prozessdaten und Statusinformationen für jeden Gärbehälter an. Datenveröffentlichung: Bietet eine Schnittstelle zur Fernveröffentlichung im Internet. 5. Fazit Die Entwicklung einer neuen, leistungsstarken und stabilen Industriesteuerung, die den Anforderungen moderner industrieller Steuerungstechnik entspricht, wird nicht nur die Leistung industrieller Steuerungssysteme verbessern, sondern auch eine neue Steuerungsmethode und eine neue Steuerungssystemarchitektur ermöglichen. WinCon8000 erfüllt die Anforderungen moderner Steuerungssysteme an Steuerungen. Es integriert SPS und PC und erfüllt somit die Anforderungen moderner vernetzter Steuerungssysteme. Dieses System ist ein typisches Anwendungsbeispiel. Die Systementwicklung ermöglicht einen höheren Automatisierungsgrad und die Integration verschiedener Informationen zur Steuerung des Produktionsprozesses. Das System zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit, hohe Leistungsfähigkeit, verteilte Steuerung, zentrale Überwachung und Managementfunktionen aus. Es nutzt ein Steuerungsschema mit koordinierter Überwachung durch übergeordnete und untergeordnete Mikrocomputer, bestehend aus einer Systemingenieurstation und Feldleitstellen, um die vollautomatische Steuerung aller Fermenter im Werk zu gewährleisten. Die Praxis hat gezeigt, dass das System eine hohe Störfestigkeit, einen stabilen Betrieb und eine benutzerfreundliche Oberfläche aufweist und sich daher für den breiten Einsatz in der Bierindustrie eignet.