（检测技术与自动化装置专业论文）啤酒酿造过程信息集成与信息优化管理技术研究.pdf

摘要 摘要 啤酒企业的生产是一个系统庞大、涉及面广、影响因素复杂的系统，它包括 制麦、糖化、发酵、罐装四大工序以及公用工程等辅助设施。对啤酒酿造过程实 施信息集成、能源管理和优化控制整体管控一体化解决方案，在国外很少见，在 国内还没有先例。实施上述整体解决方案需要对所有工艺、能耗、质量和管理数 据进行有效集成和整合，需要提供统一的集成化企业模型描述和实现技术，需要 能源负荷预测、以及能源系统优化等一系列能源管理技术。 本文正是在这一背景下开展对啤酒酿造过程信息集成与信息优化管理技术 的研究。本文的主要研究工作有： 1 ) 企业建模是分析企业现状、优化企业流程的重要工具，是构建高效企业 信息管理系统的基础。为此，本文基于a r i s 和u m l 研究了集成化企业 全生命周期模型的建立，初步构建了啤酒企业模型。 2 ) 针对啤酒企业复杂的异构环境，对异构控制网络、数据采集接口、实时 数据库与关系数据库的异构访问进行了研究，建立了基于以太网、o p c 数据采集接口、a d o 异构数据库访问的管控一体化平台。 3 ) 为了实现对啤酒企业水、电、蒸汽三种能耗进行预测，建立了基于b p 神经网络和自适应遗传算法的能耗预测模型。通过仿真计算，结果表明 该预测模型的的预测结果具备一定的精度，具有一定的可行性和有效 性。 4 ) 以质量跟踪和设备管理为例，开发了啤酒生产管控一体化系统模块，包 括系统数据概念模型设计、数据表设计、u m l 类图设计、功能实现。 关键词：企业建模o p c以太网异构数据库数据集成能耗预测 i i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h es y s t e mo fb e e rp r o d u c t i o ni sl a r g ea n dc o m p l e x ，i n c l u d i n gf o u rp r o c e s s e s ， w h i c ha r ep r e p a r a t i o no fw h e a t ，s a c c h a r if i c a t i o n ，f e r m e n t a t i o n ，c a n n e d ，a sw e l la s p u b l i cw o r k sa n do t h e ra u x i l i a r yf a c i l i t i e s t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h eb e e rb r e w i n g p r o c e s si n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n ，e n e r g ym a n a g e m e n ta n do p t i m a lc o n t r o lo ft h e o v e r a l lm a n a g e m e n t - c o n t r o li n t e g r a t e ds o l u t i o n si sr a r ei nf o r e i g nc o u n t r i e s t h e r e a r en op r e c e d e n t si no u rc o u n t r y t h ei n t e g r a t i o na n dc o n s o l i d a t i o no fa l lp r o c e s s e s ， e n e r g yc o n s u m p t i o n ，q u a l i t y , a n dd a t af o rm a n a g e m e n ti sn e c e s s a r r yt oi m p l e m e n tt h e s o l u t i o n ，au n i f i e dd e s c r i p t i o no fi n t e g r a t e db u s i n e s sm o d e la n dc o r r e s p o n d i n g i m p l e m e n t a t i o nt e c h n o l o g i e s ，e n e r g y l o a d f o r e c a s t i n g ，a n de n e r g ys y s t e m o p t i m i z a t i o na r ea l s oi n d i s p e n s a b l e t h er e s e a r c ho ni n f o r m a t i o ni n t e m a t i o na n di n f o r m a t i o no v t i m a lm a n a l , e m e n t f o rb e e r b r e w i n g i sc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r t h em a i nw o r ko f t h i st h e s i sa sf o l l o w s ： 1 ) e n t e r p r i s em o d e l i n gi sa ni m p o r t a n tt o o lf o rt h ea n a l y s i so fc o r p o r a t es t a t u s a n d o p t i m i z i n g b u s i n e s s p r o c e s s e s ，w h i c h i su s e f u lf o r b u i l d i n g h i g h - p e r f o r m a n c ee n t e r p r i s ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m f o rt h a t ，a n i n i t i a lm o d e lf o rb e e re n t e r p r i s e si sc o n s t r u c t e db yi n t e g r a t e de n t e r p r i s e - w i d e l i f e c y c l em o d e l i n gm e t h o dw i t ha r i sa n du m l 2 1 h e t e r o g e n e o u s c o n t r o ln e t w o r k s 、d a t a a c q u i s i t i o n i n t e r f a c e 、r e a l - t i m e d a t a b a s ea n dr e l a t i o n a ld a t a b a s ea c c e sa r es t u d i e df o rt h eb e e rb u s i n e s s h e t e r o g e n e o u se n v i r o n m e n t s t h ea r c h i t e c t u r eo fm a n a g e m e n ta n dc o n t r o l i n t e g r a t i o np l a t f o r mb a s e do ne t h e r n e t ，o p cd a t aa c q u i s i t i o ni n t e r f a c e ，a d o h e t e r o g e n e o u sd a t a b a s ea c c e s si sr e a li z e d 3 1e n e r g yf o r e c a s t i n gm o d e lb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r ka n ds e l f - a d a p t i v e g e n e t i ca l g o r i t h m i sb u i l tt o p r e d i c tt h e t h r e ek i n d so ft h e e n e r g y c o n s u m p t i o no fw a t e r , e l e c t r i c i t y , s t e a m t h er e s u l t ss h o w st h a tt h em o d e l i sf e a s i b l ea n dh a sh i g ha c c u r a c y v 浙江大学硕士学位论文 4 ) t h em o d u l eo fb e e rp r o d u c t i o nm a n a g e m e n ta n dc o n t r o li n t e g r a t e ds y s t e mi s d e v e l o p e df o rt h et r a c ko fq u a l i t ya n de q u i p m e n tm a n a g e m e n t ，i n c l u d i n gt h e s y s t e md a t ac o n c e p t u a lm o d e ld e s i g n ，d a t at a b l ed e s i g n ，u m lc l a s sd i a g r a m d e s i g na n df u n c t i o ni m p l e m e n t a t i o n k e yw o r d s ：e n t e r p r i s em o d e li n g ，o p c ，e t h e r n e t ，d a t ai n t e g r a t i o no fh e t e r o g e n e o u s v i d a t a b a s e ，f o r e c a s to fe n e r g yc o n s u m p t i o n 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：彳易午午 答- tri i ：加f 口年 ；月r 6n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘鲎可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字i i 其, i ：沙町。年 导师签名：伽垆 签字日期：矽f 哞岁月日 牢 名l 伯，l f 厶哆 彳 阳 致谢 致谢 在硕士研究生生涯即将结束之际，我首先要感谢我的导师杨丽明副教授。在 两年多的学习期间，杨老师在学习、工作、生活各方面给我无微不至的关怀和指 导，使我在各方面均衡成长杨老师学识渊博、治学严谨，这些为人师表的美德 督促我在以后的工作道路上保持求是的处事态度；杨老师热情诚恳、谦虚宽宏， 这些为人处世的美德让我在以后的人生道路拥有良好的处世原则。在此，谨向母 亲般的杨老师致以深深的敬意和衷心的感谢! 衷心感谢实验室师兄卢国锋、师弟狄俊亮生活上和学习上给予我的无私帮 助，另外感谢仪表所各位老师和同学，尤其感谢高扬华、吴志强、蔡文、向丰、 唐晓芬。是他们让我度过了两年半既充实又愉快的研究生生活。 最后特别感谢我的家人! 尤其感谢我的父亲和母亲，感谢你们在精神和物质 上给与我最无私的支持和帮助。 衷心感谢每一个帮助过我的亲人和朋友! 谢谢你们! 任平平 2 0 1 0 年1 月于浙大求是园 第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着中国啤酒行业高速稳步的发展，啤酒企业集团化、精英化趋势日渐明显， 中小型企业为求发展或与集团公司合作或努力开拓自己的精英化道路，市场竞争 更愈激烈。值此风口浪尖处，为了提高啤酒生产技术、产业竞争力，无论是集团 公司还是中小型啤酒厂，均将焦点集中到啤酒生产车间的自动化建设上来，引进 先进的工艺及生产设备，运用先进的自动化技术进行操作和管理，进而提高啤酒 产量、质量，但这种措施也仅仅是提高了啤酒企业在生产环节的竞争力，一个啤 酒企业的成功发展特别是集团型企业靠的是企业产品从原材料采购到销售终端 各环节的高效运作。生产、设计和管理数据形成“信息孤岛”而不能共享，将无 法发挥信息整合的效能，各部门之间采用传统经验管理模式，也不能够适应现代 企业高节奏的需要。因此建立自生产现场控制层到集团信息管理层的无缝集成的 一整套信息化方案势在必行。 在国内啤酒企业实施信息化的过程初期，首先出现了解决个别问题的单一功 能的子系统，如数据采集系统、设备状态监控系统、质量管理系统、能源计量管 理系统等等。由于这些分散开发或引进的应用系统一般不会统一考虑数据标准或 信息的共享问题，从而导致了横向系统之间的“信息孤岛”问题。 另一方面在啤酒生产过程中，通过引入p l c ( p r o g m m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 、 d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，底层的生产基本实现了自动化控制，而在整个 公司信息化层面，国内大的啤酒企业如青岛啤酒集团，珠江啤酒集团对整个集团 公司的业务流程进行改造，并实施了m r p i i e r p 上层企业资源管理系统，但是由 于m r p i i e r p 主要是针对资源计划，这些系统通常能处理以前发生的事情( 作历 史分析) ，在一定程度上预计并处理将要发生的事件( 作预测分析) ，而对正在发生 的生产过程却往往留下了不规范的缺口。顶层信息管理层和底层生产设备控制层 之间缺乏系统有效的联系，这就导致了纵向系统之间的“信息断层”问题【1 1 。 为解决啤酒生产过程中横向子系统之间的“信息孤岛”和纵向系统之问的“信 息断层”问题，可在啤酒企业的底层生产控制系统( p c s ) 和顶层企业资源管理系 浙江大学硕士学位论文 统( e r p ) 之间引入一个中间层啤酒企业制造执行系统m e s ( m a n u f a c t u r i n g e x e c u t i o ns y s t e m ) ，从而实现啤酒生产过程的生产、管理、控制一体化。 1 2 管控一体化与m e s 1 2 1 制造执行系统m e s 随着全球市场竞争日趋激烈，企业受市场影响越来越大，企业上层生产计划 管理( m r p i i e r p ) 和车间层生产控制之间脱节的矛盾日益突出。如何有效地解 决两者之间的矛盾，充分利用上下两层之间的信息，提高计划的实时性和敏捷性， 同时又能改善车间生产管理的效率，己成为一个重要的研究课题。国际上一些先 进企业开始意识到制造执行系统m e s 是解决这一问题的有效途径，并发起成立 了国际性组织制造执行系统协会( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m a s s o c i a t i o n ，简称m e s a ) 。 美国先进制造研究机构( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gr e s e a r c h ，简称a m r ) 于 2 0 世纪9 0 年代提出了企业集成模型( 如图1 1 所示) ，清楚描述了m e s 在企业 生产系统中的位置，在该模型中，m e s 位于上层的计划管理系统与底层的工业 控制系统之间，它为车间的操作人员、管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有 资源( 人、设备、物料、客户需求等) 的当前状态，提高车间层的物流、信息流 的流通，进而提高车间的生产效率和敏捷性【2 】。 图i 1 企业集成模型 制造执行系统协会对m e s 所下的定义【3 1 ：m e s 能通过信息传递对从订 单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时， 2 第l 章绪论 m e s 能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和 处理。这种对状态变化的迅速响应使m e s 能够减少企业内部没有附加值的 活动，有效地指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂及时交货 能力，改善物料的流通性能，又能提高生产回报率m e s 还通过双向的直 接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信 息。 m e s a 在m e s 定义中强调了以下三点1 3 1 ： ( 1 ) m e s 是对整个车间制造过程的优化，而不是单一的解决某个生产瓶 颈。 ( 2 ) m e s 必须提供实时收集生产过程中数据的功能，并作出相应的分析 和处理。 ( 3 ) m e s 需要与计划层和控制层进行信息交互，通过企业的连续信息流 来实现企业信息全集成。 m e s 本身是各种生产管理的功能软件集合，m e s a 通过其各成员的生产实践 归纳了十一个主要的m e s 功能模块，包括4 1 ：工序详细调度、生产单元分配、人 力资源管理、维护管理、质量管理，过程管理、资源分配和状态管理、文档控制、 产品跟踪和产品清单管理、性能分析和数据采集。实际产品包括其中一个或几个 功能模块。 1 2 2m e s i n 内外发展现状 m e s 可以填补m r p i i e r p 系统在生产计划与生产控制之间的信息鸿沟，利 用实时准确的信息指导、响应并反馈车间各种生产活动，对现场变化条件做出快 速反应，减少非增值活动，最终达到提高车间生产效率的目标。企业实施m e s 后，将获得足够的敏捷性和适应能力，能够对复杂多变的企业外部环境做出快速 反应，从而极大提高企业的竞争力。因此短短几年间m e s 在国内外的企业中迅 速推广开来，并给企业带来了巨大的经济效益2 1 。 西门子提出了一种全新而独特的范例【5 1 ：s i m a t i ci t ，它是西门子为制造执 行系统m e s 提供的软件组件的集合。完全参照i s a 9 5 作为蓝图来设计和实现整个 系统构架的。 浙江大学硕士学位论文 s i m a t i ci tp r o d u c t i o nm o d e l e r 可使工厂模型和所有标准操作程序( 基于规 则的) 的定义在完全图形化的环境下完成。s i m a t i ci t 组件能按照s i m a t i ci t p r o d u c t i o nm o d e l e r 中定义的规则来协调执行。 s i m a t i ci t 产品组合能灵活的定制客户的需求每个产品组合都由一系列 可选的解决方案组成，覆盖了从最基础的产品组合到整个 s i m a t i ci tp r o d u c t i o ns u i t e 产品组合。s i m a t i ci th i s t o r i a n ，用于采集、存储 和分析生产数据的过程信息管理系统。s i m a t i ci tu n i l a b ，实验室信息管理系 统。 s i m a t i ci ti n t e r s p e c ，用于企业及其供应链的产品规范管理系 统。 s i m a t i ci tf r a m e w o r k 能够集成第三方组件和既有系统，它们与 s i m a t i ci t 组件被同样对待。s i m a t i ci tl i b r a r i e s 能重用曾经定义过的逻辑， 可以显著地缩短项目实施周期。 h o n e y w e l l 公司的m e s 产品从2 0 世纪9 0 年代末开始，由单一的m e s 功能 模块逐步发展到整体解决方案。目前，h o n e y w e l l 为不同的市场领域提供三个解 决方案f 6 1 ：为纸浆和纸张的o p t i v i s i o n ，为生命科学的p o m s n e t 和为连续过程工 业的b u s i n e s sf l e x 。b u s i n e s sf l e x 产品由价值链管理( v a l u ec h a i nm a n a g e m e n t ) 、 先进计划与调度( a d v a n c e dp l a n n i n ga n ds c h e d u l i n g ) 、运行管理( o p e r a t i o n s m a n a g e m e n t ) 、油品调和及储运自动化( b l e n d i n g & m o v e m e n ta u t o m a t i o n ) 和生产 管理( p r o d u c t i o nm a n a g e m e n t ) 5 个应用套件共3 0 多个模块组成。 e m e r s o n 公司针对传统的集成方案中用户界面繁杂，系统与系统之间、人与 系统之间仍然不能很好的对话和协同等问题，提出了m e s 的集成指导原则( j 7 1 ， 即注重提高投入产出效率和利润等业务目标，为实现协同工作而进行集成设计， 构建标准化、开放性、扩展性、适应性、灵活性、简易性高的技术平台，追求系 统的可用性、数据的一致性、安全性和可靠性，降低系统总拥有成本( t c o ) ，保 护现有的应用与资源等。m e s 的功能定位则依据s p 9 5 标准，突出企业层和控制 层之间生产管理的5 个通用功能，即生产调度、能耗物耗管理、维护管理、质量 保证和仓储控制。而软件技术标准则包括x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，扩 展标记语言) 、s o a p ( s i m p l eo b j e c ta c c e s sp r o t o c o l ，简单对象访问协议) 、 w e b s e r v i c e s ( w e b 服务_ ) 、o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ，面向过程控制的对象链 接与嵌入) 和n e t ( 微软的一套开发工具和代码执行平台) 等。 4 第l 章绪论 2 0 世纪9 0 年代初期，中国就开始对m e s 以及e r p 的跟踪研究、宣传或试点， 而且曾经提出了“管控一体化”， “人、才、物、产、供、销”等颇具中国特 色的c i m s 、m e s 、e r p 、s c m 等概念，但只是总结、归纳、宣传，发展势头不 快。 国内最早的m e s 是2 0 世纪8 0 年代宝钢建设初期从s i e m e n s 公司引进的。此 后。国内的工业信息化开始沿着西方工业国家的轨迹前进。高校、工业自动化研 究单位、公司甚至于国家、省、市级政府主管部门都开始跟踪、研究m e s 。 北京和利时公司研发的流程行业生产管理系统h o l l i a sm e s ，为企业生产 管理人员进行过程监控与管理、保证生产正常运行，控制产品质量和生产成本提 供了灵活有力的工具。包括以下功能： 实时信息监控：不同的控制系统的接1 ：2 、实时历史数据存储、工艺流程监控 图、趋势、实时报表、报警等功能； 生产计划与统计：厂级生产计划，车间生产计划、计划指标体系，按装置 车间、厂级分层次统计生产信息； 生产调度：综合协调、管理生产作业过程等功能； 质量管理：包括实验室信息管理、统计质量过程控制等； 设备管理：包括设备状态监控、设备台帐、设备维护、维修、备品备件等； 能源管理：是对企业内部水、电、汽、等公用工程资源的管理； 生产物流管理：包括从原料投入到产品产出全过程中得存储、移动、包装、 运输等管理； 批量生产管理：适合精细化工、制药、食品、冶金等批处理行业，主要包括 配方管理、批次信息跟踪。满足g m p 、f d a 的要求； 进销存管理：采购管理，库存管理、销售管理等。 涉及的业务方向：广泛适应于石油、化工、电力、制药、建材、冶金、造纸、 食品等流程企业。 浙江中控软件技术有限公司综合自动化m e s 解决方案e s p s u p p l a n t p r o d u c t i o ns u i t e 。e s p s u p p l a n tp r o d u c t i o ns u i t e ( m e s 解决方案套件) ，包括一 个工厂建模平台框架和八个主要应用套件：工厂建模平台框架( e s p s u p p l a n t f r a m e w o r k ) ，能量平衡与管理( e s p - s u p p l a n te n e r g y ) ，设备状态监测及管理 ( e s p s u p p l a n te m ) ，数据校正( e s p s u p p l a n td a t a p r o ) ，运行绩效管理 浙江大学硕士学位论文 ( e s p s u p p l a n tk p i ) ，化验室信息管理( e s p - s u p p l a n tl a b l n f o ) ，物料移动 与跟踪( e s p - s u p p l a n tt r a c k i n g ) ，产品出厂管理( e s p s u p p l a n tb l e n d ) ，生产 优化调度管理( e s p s u p p l a n ts c h e d u l i n g ) 。涉及的业务方向：钢铁、造纸、石 化。 1 2 3 管控一体化与m e s 生产管控一体化系统是以优化生产制造为核心，集成生产控制、流程监视、 数据采集、质量控制、设备管理、生产计划、生产调度、生产统计等功能为一体 的综合管理控制自动化系统。生产管控一体化系统通过对生产相关的信息集成， 生产各相关部门的协调，形成高度自动化的生产制造执行中心，从而保证生产全 过程的高效协调运转，为企业实现生产的现代化提供有力的支撑。从企业信息化 分层来说，生产管控一体化系统包括制造执行系统m e s 和底层控制系统两层结 构。制造执行系统m e s 介于底层生产控制系统和顶层信息管理系统之间，是实现 生产管控一体化系统的核心和主要内容。由于企业一般已经实现了底层的生产控 制系统，而上层管理系统也有很多成熟的解决方案，故而在企业现有的系统之上 构建制造执行系统m e s ，是形成完整的生产、管理、控制一体化综合系统的关键 吵 1 3 课题背景 1 3 1 课题意义 中国是一个啤酒大国，但我国还远不是啤酒强国，国内啤酒行业仍然是一个 劳动密集型、技术含量低、过度分散、集中度低、产品同质化严重的行业。在全 球经济一体化的现实背景下，中国的啤酒企业如何克服生存压力是一个很有意义 的课题。目前我国啤酒生产的单位消耗远高于欧美等发达国家，据统计我国啤酒 行业的粮耗、水耗、煤耗、电耗等各项指标与国际先进水平还有非常大的差距【8 】。 在我国食品2 8 个行业中，啤酒行业的环保意识明显落后，啤酒既是消耗资源较 大，也是废弃物排放较多的行业。资源和能源的过度消耗已成为制约啤酒行业发 展的重要因素，而这种现象的产生与目前我国啤酒企业的生产信息管理问题有直 6 第1 章绪论 接的关系【9 1 ： ( 1 ) 不同分厂的不同车间虽然应用了多种不同的控制系统，但没有统一的综 合信息平台，不能实现一体化协调管理； ( 2 ) 各控制系统无法将实时数据上传到分厂办公楼，使各控制系统成为信息 孤岛； ( 3 ) 已经应用了一些财务、设备、质量、考勤等信息化管理系统，但是各自 单独运行，没有集成在一起，形成了管理信息孤岛； ( 4 ) 各分厂无法将各自的生产信息实时上传至集团总部，集团总部也无法将 其管理信息实时下传，从而使统计数据不准确，生产效率无法得到提高。 显然，信息化建设是提升啤酒企业管理水平，提高啤酒企业生产效率，增强 啤酒企业综合竞争力的有效手段。青岛啤酒和燕京啤酒走在了国内啤酒行业信息 化建设的前列，取得了明显的效果。但总体来说，国内绝大多数啤酒行业的信息 化主要集中在e r p 和分销管理系统上，很少将信息化建设的目标投向啤酒企业 的生产环节，而国外的实践表明，加强生产执行环节的信息化建设，对啤酒行业 的提升具有不可替代的重要作用，可以明显提高啤酒酿造过程的生产效率和管理 水平，取得明显的节能减排增效效果。 因此，本课题开展以节能减排增效为目标的啤酒行业酿造全过程信息集成、 能源管理和优化控制研究，实现啤酒酿造全过程的管控一体化信息集成平台建 设、能源平衡调度与运行管理的优化，对企业节能降耗和效益增长具有重大现实 意义。 1 3 2 国内外研究进展及发展趋势 啤酒企业酿造过程包括制麦、糖化、发酵、罐装四大工序以及公用工程等辅 助工序，是一个系统庞大、涉及面广、影响因素复杂的系统。对此酿造过程实施 信息集成、能源管理和优化控制整体解决方案，在国外还很少见，国内还没有先 例具体来说，实施上述整体解决方案需要对所有工艺、能耗、质量和管理数据 进行有效集成和整合，需要提供统一的集成化企业模型描述和实现技术，需要能 源负荷预测、能源管网模拟以及能源系统优化等一系列能源管理实现技术。 随着国内啤酒市场的扩大和竞争的激烈，国内不少啤酒公司为了提高啤酒生 浙江大学硕士学位论文 产的竞争力，针对各自企业的酿造生产问题，实施诸如生产信息管理系统、管控 一体化系统等信息化改造。其中生产信息管理系统实质就是管控一体化系统，这 些管控一体化系统虽然在车间资源的集成、车间计划的执行上起到了一定作用， 但是也存在一些缺陷： ( 1 ) 缺乏描述动态生产工艺流程的模型。目前制造执行系统中描述生产工艺 流程的模型都是静态的，无法对产品生产这一动态的过程进行描述。因此，企业 需要建立一种动态的生产工艺流程模型，这个模型把啤酒原料、配料、啤酒的酿 造工序、啤酒的生产状态、加工时间以及使用资源情况紧密连接起来，这样才可 以准确找到啤酒在生产过程中的准确位置，从而实现对原料到产品的准确质量跟 踪【l o 】。 ( 2 ) 9 集成性差。企业缺乏从整个酿造车间乃至整个企业的角度研究管控一 体化系统的功能集成、信息集成与过程集成等问题，不能从本质上解决管控一体 化系统与过程控制系统、e r p 在内的其他系统之间的信息传递和行为映射，使企 业各应用系统之间的信息难以保证在一致性和准确性的条件下进行交互，从而造 成各应用系统的操作人员不得不进行大量繁琐的手工数据录入和修改，导致各应 用系统数据的正确性和完整性难以保证【1 1 1 。 ( 3 ) 通用性差。当前啤酒企业开发的管控一体化系统大多是针对特定企业的 问题来设计，没有提供整个啤酒行业的有效解决方案。 ( 4 ) 信息实时性差。表现在车间级与生产部门级、企业决策层级之间缺乏必 要的实时信息交互，车间的各种资源是动态的，一个微小的生产调度或者过程变 化，都会使系统无所适从，无法及时反馈到上层部门，作出相应的动态调整。 ( 5 ) 可拓展性差。传统的m e s 所在的车问基本上是相对封闭的单元，虽然它 上与计划层、下与控制层有着很大联系，然而大部分还只是纵向的关联，同一工 厂内车间与车间、不同工厂相似的车间之间还不能够产生密切的联系，形成资源 优势互补 1 2 , 1 3 1 。 1 4 主要工作内容及论文结构安排 本课题开展以节能减排增效为目标的啤酒酿造全过程信息集成、信息优化管 理技术的研究，实现啤酒酿造全过程的管控一体化信息集成平台建设、啤酒企业 第l 章绪论 集成化模型的建立、能源消耗与成本预测等目标，并在国内大型啤酒集团的生产 企业进行试应用，为提高啤酒酿造过程的生产效率和管理水平、实现啤酒酿造过 程的生产运行优化管理提供坚实的技术支撑。本课题涉及研究方向众多，由于时 间有限，只能对课题进行部分研究，作者主要在以下几个方面开展工作： ( 1 ) 初步构建具有一定行业适应性的啤酒企业集成化模型，为企业信息的高 效集成提供坚实的模型基础。 ( 2 ) f f 4 用o p c 接口和a d o 数据库访问技术建立信息集成平台统一数据库， 实现生产过程层和企业信息管理层数据的真正集成。 ( 3 ) 对啤酒企业水、电、蒸汽三种能耗进行预测研究，为企业生产计划制定 和节能降耗提供科学依据。 ( 4 ) 对信息集成平台数据库进行详细设计，根据企业模型，建立了集成平台 的总体结构，并实现部分功能模块，在啤酒企业试应用。 论文一共分为六章，结构安排如下： 第一章在对m e s 产生的历史背景、m e s 的概念、模型等阐述的基础上，分析 m e s 的国内外研究现状、m e s 与管控一体化之间的关系，并且总结了当前啤酒企 业管控一体化信息集成平台存在的主要问题。 第二章简单介绍啤酒酿造工艺和啤酒企业管理流程，综述国内外主要建模方 法，提出基于a r i s 和u m l 的两种混合的全生命周期的集成化建模方法来设计啤 酒管控一体化集成平台，并在此基础上利用a r i s 建模方法，围绕企业生产管理 目标和需求，从组织视图、过程视图、功能视图、信息视图等4 个方面对啤酒企 业进行多视图业务流程模型建模。 第三章分析了啤酒生产过程及存在的问题，对异构控制网络、数据采集接口、 实时数据库与关系数据库的异构访问进行了研究，建立了基于以太网、o p c 数据 采集接口、a d o 异构数据库访问的管控一体化平台。 第四章分析啤酒企业能耗成本控制流程，利用b p 神经网络算法和自适应遗 传算法，对啤酒酿造过程能耗成本预测技术进行研究，为企业高层进行节能降耗、 生产计划决策提供相关建议和数据支持。 第五章以质量跟踪和设备管理为例，详细介绍了_ 啤酒生产管控一体化系统模 块开发实现的全过程，包括系统数据概念模型设计、数据表设计、u m l 类图设 9 浙江大学硕士学位论文 计、功能实现。 第六章对本课题的相关工作进行了总结，并对进一步的研究提出了建议 1 0 第2 章啤洒酿造企业集成化模型研究 第2 章啤酒酿造企业集成化模型研究 企业建模是分析企业现状、模优化企业流程的重要工具，是构建高效企业信 息管理系统的基础和第一步工作。啤酒企业生产是一个庞大、涉及面广、工艺流 程影响因素复杂的系统，随着生产执行系统( m e s ) 应用的发展，啤酒企业过程 建模尤其是集成化的模型技术越来越成为支撑管控一体化应用实施、取得效益的 关键。本章首先对啤酒企业工艺流程和管理模型简要介绍，为企业建模提供业务 流程知识，随后对当前主要企业建模方法进行分析，提出利用a r i s 和u m l 混合 建模的集成化企业全生命周期建模方法，并在业务流程分析阶段，运用a r i s 建 模方法及相关工具，初步构建啤酒企业模型。 2 1 啤酒酿造工艺流程简介 一个完整的啤酒生产过程通常可划分为制麦、糖化、发酵和包装四个工段。 涉及的主要原料有麦芽、水、酒花、酵母等。啤酒厂生产整体流程如图2 1 所示。 其中，糖化过程主要包括了粉碎、糊化、糖化、过滤、煮沸、沉淀、冷却以及 c i p 等生产工序；发酵过程主要包括了麦汁充氧、酵母系统、啤酒发酵、啤酒处 理、清酒以及c i p 等工序；包装过程包括洗瓶、空瓶检验、罐瓶、封盖、贴标签、 杀菌等工序，其他辅助工序还有c 0 2 回收、脱氧水制备、热水制备、c i p 液制备 等。 糖化车间发酵车间包装车间 1 制麦 图2 1 啤酒厂生产整体流程图 浙江大学硕士学位论文 大麦必须通过发芽过程将内含的难溶性淀料转变为用于酿造工序的可溶性 糖类1 4 】。大麦在收获后先贮存2 3 月，才能进入麦芽车间开始制造麦芽。制麦的 主要过程为：大麦进入浸麦槽洗麦，吸水后，进入发芽箱发芽，成为绿麦芽。绿 麦芽进入干燥塔炉烘干，经除根机去根，制成成品麦芽。从大麦到制成麦芽需 要1 0 天左右时间。 2 糖化 糖化时为使麦芽中的酶尽可能作用并分解麦芽中的内容物，麦芽必须粉碎。 麦芽粉碎包括预处理、除尘和除铁、称重、粉碎等工序，每锅的麦芽量叫“糖化 投料量”，在粉碎前需用天平称重，这一点对于企业管理来说是必需的，因为混 合浸出物收得率e ( ) 、原粮利用率m ( ) 等生产指标由此计算得来。 糖化的目的是将麦芽及糊化后的淀粉质辅料中的不溶物转变成水溶物。即从 原料中获得大量后续生产发酵所需浸出物。糖化生产工序如图2 2 。 图2 2 糖化生产工艺流程图 ( 1 ) 糊化 使淀粉颗粒在热水溶液中膨胀、破裂，而成游离的淀粉分子。这一过程中没 有发生物质分解。 ( 2 ) 糖化 将醪液的温度提高到酶的最佳作用温度进行休止，使酶充分发挥作用，将已 糊化的淀粉分解为麦芽糖和糊精。糖化休止温度分三个时间段：4 5 5 0 c 蛋白休 止；6 2 6 5 c 麦芽糖形成休止；7 0 7 5 c 糖化休止；7 8 c 并醪，糖化终止。 根据不同的升温方式，可将糖化工艺划分为两类1 2 1 ： 浸出法工艺将总醪液加热至几个休止温度阶段进行休止，最后到并醪糖 化终止温度，此工艺没有分醪煮沸过程； 煮出法工艺分出一部分醪液进行煮沸，然后把煮沸的醪液重新泵入余下 的未煮沸醪液中，使混合醪液的温度达到下一个较高的休止温度。又分为一次、 第2 章啤洒酿造企业集成化模型研究 二次和三次煮出法工艺。 ( 3 ) 过滤 糖化过程结束后的醪液中含有水溶性物质和非水溶性物质，即麦汁与麦糟。 啤酒生产只需要麦汁，因此尽最大可能使麦汁与麦糟完全分离，这一分离过程称 为麦汁过滤”【1 4 】 麦汁过滤有过滤槽过滤及过滤机过滤两种方式：采用过滤槽方式过滤时，麦 糟起着过滤介质的作用；采用过滤机方式时，麦糟则不作为过滤介质。目前，我 国的多数生产厂家采用过滤槽的过滤方式，整个过滤过程分为以下几个步骤：压 热水、泵入醪液、静置、预喷和混浊麦汁回流、头道麦汁过滤、洗糟、洗糟残水 排出、排糟。 ( 4 ) 煮沸 糖化过程得到的麦汁须煮沸l 2 h ，煮沸期间必须添加酒花煮沸的主要目 的是稳定麦汁成分。所有麦汁进入煮沸锅后，煮沸过程便开始了，这一时间称为 满锅时间，这时的麦汁称为满锅麦汁；煮沸结束时的麦汁称为打出麦汁。 麦汁煮沸的操作过程为：麦汁煮沸、煮沸时添加酒花、打出麦汁( 麦汁检查) 。 ( 5 ) 沉淀 以前使用冷却盘或沉淀槽，现在多采用回旋沉淀槽分离热凝固物。从混浊麦 汁中回收麦汁多使用过滤机或离心机，或直接将浑浊麦汁加入下次糖化。 ( 6 ) 冷却 酵母只能在低温下发酵，故需对热麦汁进行冷却。使用板式热交换器快速冷 却麦汁。冷却过程中同时发生以下三个过程【”1 ： 冷凝固物的形成和最佳分离：使用现代化的分离机澄清冷却麦汁； 麦汁的通风供氧：低温冲氧避免麦汁的强烈氧化，同时为酵母提供必需的氧 气； 麦汁浓度的变化：开放式设备中水分蒸发，而封闭式设备需进水，都会引起 麦汁的浓度变化。 3 发酵 啤酒发酵过程包括：酵母扩培，麦汁充氧酵母添加，发酵，过滤，清酒。 ( 1 ) 酵母扩培 发酵必须的酵母量可以通过纯种培养获得。酵母纯种培养：分离并挑选出合 浙江大学硕士学位论文 适、健壮的酵母细胞，然后在无污染条件下进行繁殖，直至接种所需的酵母添加 量为止。在培养过程中注意氧气和氨基酸以及微量元素供给。酵母的纯种培养有 以下过程：获得合适的酵母；实验室扩培，直至6 i o l 高泡嫩啤酒；车间扩培， 直至达到接种所需量。 ( 2 ) 麦汁充氧酵母添加 首先进行接种，该过程由麦添加酵母、麦汁通风及追加接种组成，主要是通 过不同的酵母检测方法( 如浑浊差别测量、测量酵母负荷量等) 控制酵母量，通 过通风给予氧气供应并使得酵母均匀的分布到麦汁当中。 ( 3 ) 发酵( 主酵与后酵) 酵母进行发酵，主要控制发酵期间的温度以及浸出物浓度，当达到一定的成 熟度时进行下酒；把主酵的产物下酒到后酵罐中，然后保压发酵。该过程主要通 过双乙酰检测来控制冷却的时机。之后就进行送酒操作至存储罐。控制要点：麦 汁中氮气的供给，麦汁通氧和酵母添加量的控制，温度的变化，啤酒成熟度标志 双乙酰的测量，酵母沉淀的分离，啤酒的存储方法及温度等2 1 。 ( 4 ) 过滤过程 利用硅藻土等过滤介质使清液和截留固体物质分离，把酒液中的酵母、冷凝 固物、大分子悬浮物等去除，动力基于过滤机进口与出口压差。 4 包装 酿造好的啤酒先被装到啤酒瓶或啤酒罐里。然后经过目测和液体检验机等严 格的检查后，再被装到啤酒箱里出厂。成品啤酒的包装常有瓶装、听装和桶装几 种包装形式。再加上瓶子形状、容量的不同，标签、颈套和瓶盖的不同以及外包 装的多样化，从而构成了市场中琳琅满目的啤酒产品。 啤酒生产工艺详细流程图如图2 3 所示。 1 4 第2 章啤洒酿造企业集成化模型研究 图2 3 啤酒生产工艺详细流程图 2 2 啤酒企业业务过程及其管理模式分析 2 2 1 啤酒企业特点 首先，啤酒行业最主要的特点是产品附加值低，对原材料及能源的消耗量大。 对于低附加值产品，运输成本在整个成本中的比例会随运输距离增加而明显上 升，且用户点多面广、距离过远，给销售和售后服务带来很大不便，因此啤酒销 售区域局限于一定的销售半径，企业在产品结构调整及多元化经营中，应着重考 虑开发附加值高一些的产品，以便提升盈利能力。同时，啤酒作为日用消费品， 啤酒品牌的树立在销售中显得尤为突出。当前啤酒企业对原材料及能源的巨大消 耗对企业成本的降低也是一个巨大的挑战，以一个年产量三十万吨的中型生产厂 来说，按中国平均水平，则耗水二百五十万吨、耗电二千二百万度、耗煤二万吨， 员工两千人。中国的吨酒消耗比起国际先进水平来说尚有很大差距，降低成本还 有很大潜力。对于有一定规模的生产厂，如采用大吨位锅炉，配备汽轮机发电， 实现热电联产，同时采用先进的节能工艺，是啤酒生产实现降低能耗，提高竞争 力的重要方向。 其次，对于啤酒企业而言，啤酒的质量就是企业的生命，这就对啤酒工艺设 计，生产运行部门和维护部门提出了更高的要求，首先要保证工艺设计先进合理， 啤酒生产原材料质量可靠，并且生产设备高安全、高性能的运行，这样的啤酒产 品才具有高品质和低成本。相应的维修部门能够在整条生产线上的每个环节保证 浙江大学硕士学位论文