利用PLC实现啤酒发酵罐温度的自动控制.docx

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1、毕业设计方案学院把握科学与工程专业自动化姓名学号设计题目：利用 PLC 实现啤酒发酵罐温度的自动把握一、设计方案内容：本页可另加页1.国内外争论现状、水平及存在的问题：目前，国内啤酒生产(糖化、发酵工段)的把握水平根本上可以分为四个档次。（1） 完全手动操作方式其主要特点是阀门为手动。对温度、压力、液位、流量、浊度、电导率等生产过程中的模拟量信号承受常规分散仪表进展采集，然后集中或现场显示，操作人员在现场或集中操作 盘(柜)上把握主要设置启停，阀门由工人到现场操作。这种方式下啤酒生产工艺参数得不到 牢靠执行，全都性较差，啤酒质量受人为因素影响较大，而且工人的操作劳动强度很大，主要生产设备与装置

2、不能工作在较佳状态，原材料利用率低，产品能耗大，不行能承受较简洁的先进工艺生产啤酒，生产本钱较高。（2） 半自动把握方式(集中手动把握方式)以马赛克模拟屏为代表。其主要特点为阀门多承受气动或电动自动阀门。实行诸如数据 采集器等手段采集各种过程量进入把握室，一般设有马赛克模拟屏或上位机。在模拟屏或上位机上显示各种温度、流量、压力、液位等过程参数和电机、阀门的开启状态，对生产过程进展监控，操作人员依据显示的参数和工艺参数比照，在模拟屏或操作台上遥控阀门开启和电机启停从而满足工艺要求，生产中的关键数据由人工记录。但由于需要操作工人的频繁介 入，其啤酒质量和口味也有较大的波动，工人劳动强度也比较大。（

3、3） PC 机+数据采集插卡方式以工业 PC 机加各种数据采集卡为代表，过程把握中的各种信号在外围通过相应的变送器送入插在工业 PC 机插槽中的数据采集卡，在 PC 机画面上显示各种生产过程参数，同时把握阀门与泵、电机等设备的启、停来满足工艺生产要求，目前国内不少啤酒厂发酵车间承受这种系统进展把握。确定程度上解决了啤酒生产过程把握问题，但存在以下缺点:a.系统可靠性差。b.画面呆板，缺乏一般工控组态软件灵敏的程序脚本把握功能，同时系统本身安全性差，难以建立有效的操作等级和权限制度。c.系统的可扩大性差。d.由于外围器件的漂移 较大，系统把握精度受一年四季影响大，把握效果不抱负。（4） 分布式把

4、握系统承受先进的计算机把握技术与多层网络构造加先进的把握算法对生产工序进展自动控 制，主要特点是承受 PLC 作为下位机。目前有 DCS(分布式把握系统)把握系统与 FCS 现场总线把握系统)把握系统两种。在这种把握方式中，下位机网络中把握单元一般承受 PLC， 其牢靠性格外高(一般可连续牢靠工作 20 年)，性能稳定，上位机网络可兼容多种通讯协议(如TCP/IP 协议)，和标准数据库，挂在局域以太子网上，便于信息集成治理，和功能拓展。但主要缺点是一次投入资金较大。目前啤酒工业总的技术特点是向设备大型化、自动化、生产周期短，经济效益高的方向进展。近十年来，我国的啤酒工业得到了快速进展，但是由于

5、起步较晚，生产设备都比较落后，自动化程度低，因而产品效率较低，产品质量也不高，吨酒能耗较大，这都是我国啤酒工业急待解决的问题。啤酒发酵对象的时变性、时滞性及其不确定性，打算了发酵罐把握必需承受特别的把握 算法。由于每个发酵罐都存在个体的差异，而且在不同的工艺条件下，不同的发酵菌种下， 对象特性也不尽一样。因此很难找到或建立某一精准的数学模型来进展模拟和推想把握我国 大局部啤酒生产厂家目前照旧承受常规仪表进展把握，人工监控各种参数，人为因素较多。这种人工把握方式很难保证生产工艺的正确执行，导致啤酒质量不稳定，波动性大且不利于 扩大再生产规模。1.选题的目的、意义：啤酒是世界上产量及消费最大的一种

6、酒，特别是北美及欧洲国家的总产量及人均消费量 均居世界前列，我国随着改革开放现代化建设，人民生活水平不断断提高，啤酒己成为人们的时尚饮品，市场的宠儿，生产直线上升，进入九十年月后产量逐年增加，目前已成为仅次于美国的世界其次大啤酒产销国，令世界啤酒界人士刮目相看。但是我国人均啤酒消费水平只有 8 升，仅相当于世界水平的 1/3 差距很大，因此说我国的啤酒工业有很大的进展潜力。在啤酒生产过程中发酵是一道关键工序，除生产工艺水平外，生产工序把握指标的好坏将直 接影响啤酒的质量。为此，对啤酒生产的发酵工序提出计算机监控技术，使啤酒生产集把握与数据治理于一身，能够适应当前现代化生产的需要，使啤酒的质量及

7、企业的自动化程度有1较大的提高。所以我选择利用 PLC 实现啤酒发酵罐温度的自动把握的选题。为了提高啤酒发酵温度把握精度，简化啤酒温度把握过程，使用效果好且性能稳定牢靠，编程简洁，具有格外现实的意义。同时我个人可以通过这次设计更加稳固 PLC 学问，更好地把握梯形图等编程。生疏啤酒的制造工艺及过程，并通过此次设计熬炼将理论应用于实际的力气。3. 实施方案及主要争论手段啤酒发酵对象的时变性、时滞性及其不确定性，打算了发酵罐把握必需承受特别的把握 算法。由于每个发酵罐都存在个体的差异，而且在不同的工艺条件下，不同的发酵菌种下， 对象特性也不尽一样。因此很难找到或建立某一精准的数学模型来进展模拟和推

8、想把握。为 节约能源，降低生产本钱，并且能够满足把握的要求，发酵罐的温度把握选择了检测发酵罐的上、中、下3 段的温度，通过上、中、下3 段冷媒进口的两位式电磁阀来实现发酵罐温度把握的方法，本系统利用 S7-200 实现发酵罐温度的把握，PLC 实现啤酒发酵温度把握的主要任务是承受由发酵罐传来的温度、压力模拟量输入信号，然后与工艺曲线设定温度值进展比较，计算出温度偏差值，再使用简洁的 PID 把握回路计算出电磁阀的开度，从而实现对发酵罐温度的把握。为了到达预定的把握效果，承受自动或由操作人员手动选择把握的方法。 程序中设定了手动操作和自动把握选择开关，在任意阶段都能够实现两者间的切换，实现了温度

9、、压力的手、自动选择把握。程序中有人工阶段选择开关，可以在任意阶段间跳转，从而避开了因操作人员操作间或失误而无法实现后续程序正常运行的状况。依据啤酒发酵温度把握各 阶段转换条件及把握要求。4. 选题的创之处：在啤酒发酵这一重要环节中，温度变化是主要因素。发酵温度把握的好坏，将直接影响啤酒的质量。在发酵把握方法方面有人工把握器和以PID 把握为代表的传统把握方法，正在兴起以专家系统为代表的智能把握方法。目前存在的发酵过程温度把握策略有时变性、大滞 后等特点，针对啤酒发酵过程的时变性、大滞后等特点，打算利用 PLC 把握的方法提高啤酒发酵温度的把握精度，又具有形式简洁易于操作的特点。5. 预期争论

10、成果或结论：本设计针对我国啤酒发酵把握工艺环境与工艺把握需求，经过认真调研、分析，对目前国内外较先进的发酵工艺把握系统进展了综合比较与评价，同时，又充分考虑企业的综合实力、现状与进展等因素，主要完成了以下方面:（1） 生疏啤酒发酵的工艺过程，具体分析把握要求，选定装置所需检测和把握的参数， 确定系统的把握方案。（2） 完成系统的硬件设计及其系统选型，包括系统的硬件连线，PLC 的选型，PLC 点数确定、PLC,扩展模拟量处理模块等局部。（3） 承受的是德国 SIEMENS 公司的S7-200 系列PLC，运用与之相配的 STEP7 编程 软件，通过 STL 和 LAD 两种编程语言编制了下位机

11、的把握程序,完成系统软件设计，实现啤酒发酵温度自动把握的PLC 把握系统设计。6. 参考文献：1 王文甫.啤酒生产工艺.北京:中国轻工业出版社，19972 王念春.自控系统在啤酒生产中应用的现状与展望.自动化与仪表.2023,16(4):9-113 董晓津，王斌，王孙安.啤酒发酵过程自动把握争论.机床与液压，2023, 184 (4):102-102 4任继领，庞健，陈寿元.STD 总线式计算机应用与啤酒发酵过程，临沂师范学院学报，2023 ,22(3):91-925 薛福珍，庞国仲，林盛荣.啤酒发酵过程的建仿照真与把握.中国科学技术大学学报 ，2023， 31(4):502-5086 王畅，

12、发酵过程温度把握PID-P 参数的模糊自校正.佛山科学技术学院学报(自然科学版)1999, 17(3):25-277 ZhenYuZhao,MasayoshiTomizuka,SatoruIsaka ， FuzzygainschedulingofPID controllers.IEEE Trans Syst,Man,Cybern,1993,23 (5):P1392-13988 杜立强，韩兵欣，刘利贤.啤酒发酵过程的单神经元自适应 PID 把握.河北建筑科技学院学报 ，2023，18(2):40-439 刘刚.锥形罐发酵温控治理及自动把握系统设计.中国酿造，2023, 5:P34-3610 薛福

13、珍，庞国仲，胡京华，等 .啤酒发酵温度的多变量把握 .自动化学报， 2023,28(1): 150-15411 邱公伟.可编程序把握器网络通信及应用.北京:清华大学出版社，2023 12阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京:清华大学出版社，199913S.G,Tzafestas and N.P.Papanikolopoulous.Incremental fuzzy expert PID control.IEEE Trans Ind,Electron,1993,vol,37,no5,P1392-1398二、设计方案：本页可另加页一、啤酒发酵自控系统总体设计啤酒发酵过程是一个格外简洁的过程，作为一个

14、啤酒发酵把握系统，应当能够满足实际生产的要求。因此，从以下几方面来考虑是格外必要的：（1） 必需要符合啤酒发酵的工艺要求；（2） 必需设计出较合理的把握解决方案；（3） 应当符合流程把握的一般要求，包括温度的采集和把握。1.1 功能分析目前啤酒发酵通常承受锥形大罐“一罐法”进展发酵，即前酵、后酵以及储酒等阶段均在同一大罐中 进展。前酵过程中，酵母通过有氧呼吸大量生殖，大局部发酵糖类分解。在这一过程初期，反响放出 的热量会使温度自然上升，随着反响的进展，酵母活性变大，反响放热连续增加，双乙酰含量渐渐减 少，而芳香类醇含量增多。后酵是前酵的连续，进一步使残留的糖分解成二氧化碳溶于酒内到达饱和； 再

15、降温到-10 摄氏度，使其低温陈酿促进酒的成熟和澄清。啤酒发酵过程中，其对象特性是时变的，并且存在很大的滞后。正是这种时变性和大的时滞性造成了温度把握的难点，而发酵温度直接影响着啤酒的风味、品质和产量，因而把握精度要求较高。温度、浓度和时间是发酵过程最主要的参数，三者之间相互制约，有相辅相成。发酵温度低，浓度下降慢，发酵副产物少，发酵周期长。反之，发酵温度高，浓度下降快，发酵副产物增多，发酵的周期短。因而必需依据产品的种类、酵母菌种、麦汁成分，把握在最短时间内到达发酵度和代谢产物的要求。1.2 把握原理分析啤酒发酵对象的时变性、时滞性及其不确定性，打算了发酵罐把握必需承受特别的把握算法。由于每

16、个发酵罐都存在个体的差异，而且在不同的工艺条件下，不同的发酵菌种下，对象特性也不尽一样。因此很难找到或建立某一精准的数学模型来进展模拟和推想把握。为节约能源，降低生产本钱，并且能够满足把握的要求，发酵罐的温度把握选择了检测发酵罐的 上、中、下 3 段的温度，通过上、中、下3 段液氨进口的两位式电磁阀来实现发酵罐温度把握的方法。原理图如图 1-2-1。用外部l 冷媒间接换热方式来把握体积大、惯性大的发酵罐温度的状况，承受一般的把握方案极易引起超调和持续的震荡，很难取得预期的把握效果，在不同的季节，甚至在同一季节的不同发酵罐， 要求生产不同品种的啤酒，这样就要求每个罐具有独立的工艺把握曲线。这不仅

17、要求高精度、高稳定性的把握，还要求把握系统有极大的灵敏性。二、啤酒发酵自控系统工艺流程依据锥形发酵大罐的特性将发酵的全过程分为多个阶段：麦汁进罐，自然升温，复原双乙酰，一次降温，停留观看，二次降温，低温储酒，各个阶段温度的曲线图如图1-2-2 所示。在各个阶段，对象的特性相对稳定，温度和压力的把握方面存在确定的规律性。在发酵开头前， 依据工艺要求预先设定工艺把握的温度、压力曲线；在发酵工程中，依据发酵进展的程度发酵时间、糖度、双乙酰含量等，发酵罐上、中、下3 段温度的差异，以及 3 段温度各自的变化趋势，自动正确选择各个阶段相应的把握策略，从而到达预期的把握效果。PIC罐内电磁阀关01压力排放

18、CO2冷上层温度TIC媒出01口中层温度TIC 02下层温度TIC 03冷媒入口LI罐内01液位图 1-2-114ab1210 80T/6cd420eft/h图 1-2-2主要分为以下阶段：（1） 麦汁进料过程：在这个过程中，由糖化阶段产生的麦汁原料经由连接收道由糖化罐进入发酵罐中。（2） 自然升温阶段：麦汁进料过程中，随着酵母的参与，酵母菌渐渐开头生长和生殖。在这个过 程中，麦汁在酵母菌的作用下发生化学反响，产生大量二氧化碳和热量，这就使原料的温度渐渐上升。（3） 复原双乙酰过程：在自然升温发酵过程中，化学反响能产生一种学名叫双乙酰的化学物质。 这种物质对人体安康不利而且会降低啤酒的可口程度

19、，所以这个过程需要将其除去，增加啤酒的品质。（4） 降温过程：在2、3过程中啤酒发酵已经完成，降温过程其实属于啤酒发酵的后续过程，其作用是将发酵过程中参与的酵母菌进展沉淀、排出。（5） 低温储酒过程：降温过程完成以后，已经发酵完成的原料连续储存在发酵罐等待过滤、稀释、杀菌等过程的进展。三、啤酒发酵自控系统PLC 选型和资源配置3.1 PLC 选型SIMATIC S7-200 系列是西门子公司生产的小型可编程程序把握器，构造小巧，牢靠性高，运行速度快，有极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，配有功能丰富的扩展模块，性能价 格比格外高，在各行各业中的应用快速推广，在规模不太大的把握领域

20、是较为抱负的把握设备。3.2 CPU 的选型依据对整个系统的考察，啤酒发酵温度PLC 把握系统的 I/O 点数及类型确定,可知 PLC 要供给 21个开关量输入和 15 个开关量输出，5 个模拟量输入,同时考虑到要留有 20%30%的余量。通过比较S7200 四种CPU 的各种技术指标，选定CPU226 为啤酒发酵温度PLC 把握的把握器。3.3 PLC 其他资源配置每只发酵罐需要有上温、中温、下温、压力四个模拟量需要测量，有些状况需要对发酵罐的液位 进展测量；上温、中温、下温 3 个温度各需要一个二位式电磁阀进展把握，罐内压力需要一个二位式电磁阀进展把握。所以每只发酵罐的I/O 点数为 5

21、个模拟量、36 个开关量考虑到CPU226 主机上的I/O 口不够多必需对它进展扩展，在这选用 EM 221 CN 数字量输入模块6ES7 211-1BF22-0XA8、EM 222 CN 数字量输出模块6ES7 222-1HF22-0XA8、模拟量扩展模块 EM231CNAI4X12 位。四、自控系统 PLC 程序设计发酵过程中，依据发酵进展的程度发酵时间、糖度、双乙酰含量等，发酵罐上、中、下3 段温度的差异，以及 3 段温度各自的变化趋势，为了到达预定的把握效果，承受自动或由操作人员手动选择把握的方法。程序中设定了手动操作和自动把握选择开关，在任意阶段都能够实现两者间的切换，实现了温度、压

22、力的手、自动选择把握。程序中有人工阶段选择开关，可以在任意阶段间跳转，从而避开了因操作 人员操作间或失误而无法实现后续程序正常运行的状况。4.1 程序流程图设计依据其次节工艺流程的介绍，可以总结出根本的程序流程如图4-1-1 所示。开头初始化读开关量信号状态模拟量读取处理温度、压力超限N工作方式选择Y故障报警处理自动手动设定发酵温度时间曲线计算实际工作时间计算温度设定值输出电磁阀开关状态Y读取实际温度值温度设定值 等于实际温度NPID运算输出把握冷媒电磁阀罐状态操作图 4-1-1三、指导教师评语：指导教师对学生设计方案的评语包括学生对国内外争论现状的了解状况、争论方法、争论手段、预期效果等予以评价。李森林同学在毕业设计方案设计阶段学习态度较端正，能主动收资调研和分析国内外资料，遵守纪律。能按进度完成教师布置的任务，到工业现场了解工艺状况，并针对选题啤酒发酵PLC 自控系统做了方案论证，可以到达预期效果。所选毕业设计的资料收集较充实，能满足质量和数量的要求，对设计任务的内容理解较全面；技术方案较清楚，语言表达准确、图片标准；参考资料数量及质量满足要求，列写标准。经综合评价，同意该同学进入正式毕业设计工作阶段。指导教师签名：2023 年 4 月 8 日四、学院审查意见：学院领导签章：2023 年 4 月 10 日