啤酒发酵过程中的PLC应用 毕业设计论文.doc

1 啤酒发酵过程中的 plc应用 摘要 发酵技术是世界上最先进的农艺生物工程学技术。在啤酒酿造过程中有三种 主要的成分：水，谷物和 hops(啤酒花)。尽管酵母被认为是发酵过程的催化剂，而不 仅仅它自身只是作为一种成分，但它仍然是酿造过程中一个很基本的因素。作为一门 学问，或者说是一门艺术也好，酿造也是很基本的。而不仅仅是将水和谷物转化成啤 酒的一个简单过程。最基础的就是，它是由下列过程组成的：谷物（主要是麦汁）和 水的混合物，酵母是用来促进发酵的，啤酒花则是用来增加芳香和气味的。发酵控制 系统的任务就是将发酵酒液的实际温度控制在和标准发酵曲线相差有限的误差范围内。 啤酒生产过程分为麦芽制造、麦芽汁制造、前发酵、后发酵、过滤灭菌、包装等几道 工。其中前发酵是啤酒发酵的主要过程，在这个过程中，酵母完成了增殖，厌氧发酵 及其沉淀回收等。这个过程消耗了大部分可发酵性糖和可同化性氮等麦汁成分，排出 的发酵代谢产物即啤酒的主要组成。而后发酵就是对主发酵的残糖继续发酵，达到要 求的发酵度，排除氧气，增加酒精中的 co2 的溶解量。促进发酵液成熟，改善口味， 促进啤酒自然澄清，使其具有良好的稳定性。 我们是用 simatic s7 来控制啤酒发酵的这个过程，编写程序主要控制温度、 cip、麦汁进罐等。选择硬件并实现它们之间的联系，编写 ob,fb ,fc 等，并通过在 ob 中调用 fb,fc 等来实现程序。并到现场进行调试。当以 step 7 编程时，不要求特别的 顺序，但是，在大多数项目中必须满足某些基本的任务。编程的内容主要包括梯形图 和语句表，在我编写的程序中，主要是语句表，在语句表中，递增地检查语法，如果 你使用语句表指令编写程序，则 step 7 在你输入每一指令之后检查语法。 关键词 啤酒 发酵 plc（simatic s7） 温度控制 cip。 2 the apply of plc in the process of beer ferment abstracts ferment technology is a most advanced agriculture bioengineering technology in the world. there are three main ingredients in beer water grain and hops. yeast is also a basic part of the brewing process, although it is considered a catalyst for fermentation rather than an ingredient in and of itself。as much an art as a science, brewing is the fundamental, yet not-so-simple practice of changing water and grain into beer. at its most basic, the process consists of the mixture of grain (primarily malted barley) and water，yeast is introduced to initiate fermentation and hops are added for flavor and aroma. the task of ferment control system is to make the real temperature of ferment liquid as large as the standard ferment curve, the progress of beer production consists of malt production, wort production, former ferment、latter ferment、filtration、casing and so on. former ferment is the main ferment process of these, in this course , yeast achieves proliferate ,oxygen-detested ferment and deposition reclaim etc. this process consumes most wheat liquor component. and the ferment metabolize outcomes are the main constitute of beer. latter ferment is the go-on of the former ferment, it aims at higher degree of ferment, get rid of o2, and increase the melt quantity of co2 in the alcohol. promote the liquid of ferment to maturate ,improve taste and make the beer clear naturally. afterwords it can be delivered to filtrate。 we use simatic step7 to control the process of beer ferment, compile program primarily to control temperature、cip and so on. we choose hardware and carry out the contact between them, compile ob、fb、fc and so on ,and via transferring fb, fc in ob to come true the program. it doesnt need special order when programming with step 7，but it must meet some basic task in the most items。 the contents of programming primarily contain echelon plot and sentence list, it majored in sentence list in the program i compile，and in it , step 7 will check the parlance after you input an instruction if you compile a program with a sentence list key words beer ferment plc（simatic step 7） temperature controlling cip 3 目 录 第一章 引言 5 第二章 plc 概述 .6 2.1 由来和发展 .6 2.2 工作原理 .6 2.3 构成 .6 2.4 特点 .7 2.5 优势 .8 2.6 simatic s7 介绍 9 第三章 啤酒的概述 11 3.1 啤酒的生理作用 .11 3.2 世界啤酒的历史 .11 3.3 我国的啤酒历史： .12 3.4 啤酒的生产工艺流程图： .12 3.5 研究啤酒的意义 .13 3.6 啤酒发展的前景 .14 第四章 控制初步设计 15 4.1 前言 15 4.2 主要流程的控制 15 第五章 详细控制方案 18 5.1 总述： .18 5.2 硬 件部分： .18 5.3 软件部分： .20 5.4 控制手段： .21 5.5 存在的问题和需改进的地方 .35 第六章 结论 36 第七章 致谢 37 参考文献 38 附录 发酵罐温度控制程序 39 4 第一章 引言 本论文以 simatic step7 为介绍背景，以西湖啤酒项目为例，系统地分析啤酒发酵过程 中的的 plc 应用，所用到的 plc 是模块化的中小型系统，也就是 s7-300。它有很多的特点：模块 化，无排风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握等，并且在执行从小规模到中等性能要求控制任 务时可以做到即方便又经济。 啤酒酿造过程是这样的：糖化，麦汁充氧，添加酵母，发酵，降温，倒罐，贮酒。而我要做 的就是其中发酵的一部分，啤酒发酵也是一个复杂的过程，具体的流程是这样的：发酵作用是在啤 酒酵母的参与下对麦芽汁发酵的过程，也可使麦汁中的可发酵糖和氨基酸等营养物质被酵母细胞的 酶分解成酒精和二氧化碳，另外还有一系列的发酵副产品，如双乙酰，醛，酸和硫化物等活性物质。 以及通过酵母还原双乙酰，改良已有的化合物，将麦汁的口味变成啤酒口味。 西湖啤酒这个项目的学习和研究，尤其是专业理论和实际工作的结合，不仅使我对整个的工艺 有了一定的了解，而且在实际的现场工作中，我对现场仪表也有了比较深刻的了解，同时我也认识 到我应该和必须掌握什么，以及怎样去掌握。比方说：一开始我只是拿了一本 step 7 的书在看， 却不知道它有什么应用，以及怎么样的去应用。在电脑上装了这个软件以及画了几幅流程图之后， 我才有了一个模糊的概念，在和老师在现场查看，以及在老师的指导下对程序进行修改，才建立了 一个比较清晰的印象。我相信，毕业设计的过程能为我以后在中控公司从事的工作奠定良好的基础。 同时也向在我的毕业设计工作中提供帮助的老师，同学以及公司的同事们表示感谢。 张磊 2003.5.22 5 第二章 plc 概述 2.1 由来和发展 微机技术已经并继续在改变世界，以微机技术为基础的可编程控制器也正在改变着工厂自动 控制的面貌。近 20 年来随着科学技术的迅猛发展，可编程控制器以其可靠性高。能经受恶劣环境 的考验，使用极方便的巨大优越性，迅速占领工业自控领域，成为工业自动控制的首选产品，与 机器人，cad/cam 并称为工业生产自动化的三大支柱。当前，在我国广大工矿企业中与技术改造 相配合正在兴起广泛应用可编程控制器的热潮。其发展之势就像数年前个人计算机在我国迅速推 广一样，方兴未艾，如火如荼。 广大工程技术人员已经认识到可编程控制器的巨大优势性，许多人通过对进口设备，生产线 的分析解剖认识可编程控制器，还有许多人自己设计可编程控制器控制系统，取得良好成果后更 引发深入了解可编程控制器的兴趣。 1969 年美国地 dec 公司制成了第一台可编程控制器投入通用汽车公司地生产线控制中，取得 了极其满意的效果，从此开创了可编程控制器的新纪元。1971 年日本开始生产可编程控制器； 1973 年欧洲开始生产可编程控制器；1974 年我国也开始研制可编程控制器。随着微电子技术、计 算机技术、通讯技术、数字控制技术的飞速发展，可编程控制器的数量、型号、品种以异乎寻常的 速度发展，这点尤其在可编程控制器发展前期更为明显，据国外控制工程杂志的不完全统计， 全世界 1983 年有 37 家厂家生产 100 种型号的可编程控制器，而 1988 年就有了 70 家厂家生产 304 种型号的产品。从产品的销售势头也可以说明这一点。 2.2 工作原理 作为一种工业控制计算机，其核心就是一台计算机。但是由于有接口器件及监控软件的包围， 因此，其外形不像计算机，操作使用方法，编程语言甚至工作原理都与计算机有所不同。另一方面， 作为继电控制盘的替代物，由于其核心为计算机芯片，因此与继电器控制逻辑的工作原理也有很大 的区别。它的工作过程是：输入处理；程序处理；输出处理 2.3 构成 它的核心是一台单板机，在单板机外围配置了相应的接口电路（硬件） ，在单板机种配置了监 6 控程序（软件） 。 2.3.1硬件部分 1，单板机：可编程控制器中的单板机即为 cpu 板。它包括一台基本计算机必需的部件（中 央处理器 cpu，存储器 ram 和 rom，并行接口，串行接口，时钟 ctc） 。它的作用是对整个可编程控 制器的工作进行控制。它的工作分两部分：一部分是对系统进行管理，如自诊断，查错，信息传送 时钟，计数刷新等；另一部分就是根据用户程序执行输入输出操作，程序解释执行操作等。 2，输入接口电路：通常输入有两种形式，一种是直流输入，其输入器件可以是无源触点或 传感器的集电极开路晶体管；另一种是交流输入，这实际上是将交流信号经整流，限流后再通过光 耦传入 cpu。 3，输出接口电路。 4，电源：在小型可编程控制器内部都包括一个稳压电源，它用于对 cpu 板、i/o 板等内部器 件供电。 5，扩展接口：用于扩展 i/o 单元的，它使可编程控制器的点数规模配置更为灵活。这种扩 展接口实际上为总线形式。 6，编程器接口：接各种型式的编程装置，还可以利用接口做一些监控的工作。 7，存储器接口：根据使用的需要扩展存储器，其内部也是可以接到总线上的。 8，编程器：一个独立的部件。 2.3.2 软件部分 1 系统监控程序：它是每一个可编程控制器成品必须包括的部分，是由可编程控制器的制造 者编制的，用于控制可编程控制器本身的运行。 2 用户程序：它是由可编程控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。它是用梯形 图或某种可编程控制器指令的助记符编制而成的，可以是梯形图，指令表，高级语言，汇编语言等。 2.4 特点 1. 高可靠性 针对各种的故障原因，可以从软件及硬件两方面来解决可靠性问题。在硬件方面，首先是选用 优质器件，再就是设计合理的系统结构，加固，简化安装，使其易于抗冲击，对印制电路板的设计 加工及焊接工艺都做到严格要求。在软件方面设置了警戒时钟 wdt, 可编程控制器运行时对 wdt 定 时刷新，如果程序出现了死循环，就能立即跳出重新启动，并报警，随时对 cpu 等内部电路进行检 7 测，一旦出错，立即报警。程序中还设置了对用户程序电路查错报错的程序，错误的程序和参数是 不能运行的。 2. 编程方便，易于使用 可编程控制器采用与实际电路接线图非常接近的梯形图，这种图形编程方式易懂易编。为了进 一步简化编程，当今的可编程控制器还针对具体问题设计了诸如步进顺控指令，流程图指令等指令 系统，这点对于加快系统开发速度非常重要。 3. 环境要求低 可编程控制器可适用于恶劣的工业环境。 4. 与其他装置配置连接方便 可编程控制器的接口原则是使外部接线、电平转换尽量少。 对于开关量，输入可以是无源触点开关或集电极开路晶体管输出；输出有继电器、可控硅、晶 体管等各种不同的形式，可直接接各种不同类型的接触器、电磁阀等。 对于模拟量，只要模拟信号电平在一定的范围内，就可以按要求只设置转换特性，而不需另加 电平转换。另外还有运用热电偶直接输入的 a/d 转换器等，此时就连放大器，冷断补偿也是多 余的。 对于各种显示，音响输出更是以最快的形式提供接口，大量的问题都在可编程控制器的内部解 决了。 对于数据通讯，只须同轴电缆和普通 rs232 和 rs422 接口即可，不必由用户来考虑波特率及通 讯规程等具体的设置问题。 摘自可编程控制器原理及应用 2.5 优势 可编程控制器作为继电控制盘的替代物，它的好处是很显然的。首先，可编程控制器除了外部 接点外，内部提供了无穷多的各类触点，辅助继电器，其功能大大的扩展了。由于是计算机产品， 其程序的易修改性，可靠性，通用性，易扩展性，易维护性都大大提高，加上其体积小巧，安装， 调试方便，使设计加工周期大大缩短。从我国国情来看，进行技术改造的一次性投资虽大一些，但 是使用可编程控制器后，控制盘自身的耗电仅为原来的几十分之一，一年所节省的电费就可以将投 资收回。由于开发，调试周期大大缩短，因此很容易作到高产量，短交货期，对加快资金周转大有 帮助，又由于是采用标准件，对于售后服务和日常维护备品，备件也大为方便，并且，可编程控制 器可重复利用。 对于系统设计，采用可编程控制器后，只要初步确定 i/o 总数，即可定下机型及模块。这就使 8 制定采购计划大为方便。至于最终细节的设计，由软件即可完成。由于当今可编程控制器具有大量 模拟量控制模块、位置量控制模块和数据读/写模块，这些模块与 i/o 模块配合很容易就能构成一 个综合控制系统。 2.6 simatic s7 介绍 2.6.1 总述 在 step7 中，可以用标准语言梯形逻辑(lad)，语句表(stl)或功能块图(fbd)生成 s7 程序。在 实际中我们必须先决定用那种语言。在 step7 中，cpu 循环处理 ob1。一行一行地读入并执行程序 命令。当 cpu 返回到第一条程序时，它已完成了一个循环，所需要的时间就是所说的扫描循环时间。 功能块（fb）在程序地分级结构中位于组织块之下。它包含程序的一部分，这部分程序可以在 ob1 中被多次调用。功能块地所有形参和静态数据都存储在一个单独地、被制定给该功能块地数据 块（db）中. 2.6.2 step 7可以有各种不同的应用 （1）：step 7 程序编辑器：允许使用语句表指令或梯形图逻辑指令编写 cpu 程序；允许配置 plc 间的数据交换。 （2）：通信组态：允许配置 plc 间的数据交换。 （3）：s5/s7 交换器：允许将 step5 程序或块变换为等效的 step 7 程序或块。 （4）：step 7 建立：允许改变在建立过程中选取的语言或硬件选项。 2.6.3 step 7中的编程任务 当以 step 7 编程时，不要求特别的顺序，但是，在大多数项目中必须满足某些基本的任务。 （1）：生成项目和 cpu 程序：在 step 7 中，你将程序数据储存在下列目录中： 项目：项目包括在一个网络中若干个 cpu 进行全局数据通信需要的信息。 cpu 程序： cpu 程序包括用于程序的块和块需要的信息，如符号表。 （2）：生成用于程序的块：当你生成新块时就开始生成新程序，你选择块型： ob,fb,fc，db,vd 你能够输入或编辑程序，或者你能够说明用于块的局部数据。 （3）：选择输入数据的方法：在 step 7 中，你能够以下列方法中的一种输入数据： 在梯形图中，递增地检查语法，如果你使用梯形图指令编写程序，则 step 7 在你输入每一指 令之后检查语法。 在语句表中，递增地检查语法，如果你使用语句表指令编写程序，则 step 7 在你输入每一指 9 令之后检查语法。 如同文本文件（仅在 stl 中） 。你象文本文件一样生成你的程序，但你必须遵守输入语句表指 令地准则，当你编译文本温江时，step 7 检查所有指令地语法。 2.6.4 通讯 这是一个经济而有效的解决方案；方便用户的 step7 的用户界面提供了通讯组态功能，这使 得组态非常容易、简单。simatics7300 具有多种不同的通讯接口：多种通讯处理器用来连接 asi 接口和工业以太网总线系统；串行通讯处理器用来连接点到点的通讯系统；多点接口(mpl) 集成在 cpu 中，用于同时连接编程器、pc 机、人机界面系统及其他 simatics7/m7c7 等自动 化控制系统。 cpu 支持下列通讯类型： 过程通讯：通过总线(asi 或 pronbus)对 io 模块周期寻址 (过程映象交换)。 数据通讯：在自动控制系统之间、人机界面(hml)和几个自动化功能块间相互调用。 2.6.5 s7-300指令系统 simatic s7300 远非一般的特性反映在它的特殊功能度上。有 350 多条指令，包括熟知的、 功能强大的 step 5 指令和 simatic tisoft 指令。 其中增加了不少新指令，从二进制处理到 32 位浮点运算使你节省可观的时间（以及用户存储器） 。乘除三角函数、对数函数和平方根函数也都 集成在内。 为简化起见，将边界求值用的整个指令序列组合在一条指令内。甚至找到一个直接编 址的非常简单的解决方案：实际上，你可间接的对任何指令进行编址，然后将它以简洁形式（例如 ai（db 5，d3.6 ）集成到程序内。如系统功能调用等的新的程序早已集成在操作系统内，从而显著 的减少所需要的用户存储器容量，你可将它们用于中断处理，以及出错或复制数据处理，或是（例 如）可以利用时钟功能。 极大的拓宽了运算指令的范围。s7300 小型 plc 不仅能处理加、减， 而且能在指令级完成乘和除运算。准确度为 16 和 32 位。可处理定点和浮点数。 由于在简单和复 杂的应用中，操作员控制和监视显得日益重要，我们已将 hmi（人机接口）服务集成到操作系统 本身内 ，可经过 simatic hmi 系统的操作员面板或操作站传送循环小数数据，不必对 cpu 进行 编程，对存储器的要求非常小。 摘自siemens 可编程控制器 siamtic step 7 10 11 第三章 啤酒的概述 3.1 啤酒的生理作用 啤酒是一种低浓度的饮料，每 100g 中仅有酒精 35g，一般不超过 8g。它有特殊的酒精花清 香味和适口的苦味，并有较高的营养成分即有较高的发热量。 人体所吸收的酒精均匀迅速渗透到人体各内脏组织中，适当饮酒可引起兴奋，使皮肤血管扩张， 有温暖感，能放出 30j/g 的能量，还能增加胃液，胃酸的分泌，增加胃的消化吸收。 啤酒中的酒精含量少，因此对人体的危害比葡萄酒要小的多。酒花苦味物，有利尿，健胃和杀 菌的作用，啤酒中 co2 轻度刺激胃液分泌，有利于消化。啤酒中溶解的磷酸盐和无机盐类可维持人 体的盐类平衡的渗透压。 啤酒生产问答 3.2 世界啤酒的历史 啤酒最早出现于公元前 3000 年左右，于古埃及和美索不达米亚（今伊拉克）地区。这一历史 事实可以在王墓的墓壁上得以证实。史料记载，当时啤酒的制作只是将发芽的大麦制成面包，在将 面包磨碎，置于敞口的缸中，让空气中的酵母菌进入缸中进行发酵，制成原始啤酒。由于谷物的残 渣及杂菌污染，酒的味道可想而知。 公元 6 世纪，啤酒的制作方法由埃及经北非、伊比利亚半岛、法国传入德国。那时啤酒的制作 主要在教堂、修道院中进行。为了保证啤酒质量，防止由乳酸菌引起的酸味，修道院要求酿造啤酒 的器具必须保持清洁。 公元 11 世纪，啤酒花由斯拉夫人用于啤酒。 1480 年，以德国南部为中心，发展出了下面发酵法，啤酒质量有了大幅提高，啤酒制造业空 前发展。 1800 年时期，随着蒸汽机的发明，啤酒生产中大部分实现了机械化，生产量得到了提高，质 量比较稳定，价格较便宜。 1830 年左右，德国的啤酒技术人员分布到了欧洲各地，将啤酒工艺传播到全世界 12 3.3 我国的啤酒历史： 我国古代的原始啤酒可能也有 4000 至 5000 年的历史, 但是市场消费的啤酒是到十九世纪末 随帝国主义洋枪洋炮一起进来的。在中国建立最早的啤酒厂是俄国人在哈尔滨八王子建立的乌卢布 列夫斯基啤酒厂, 此后五年时间里, 俄国、德国、捷克分别在哈尔滨建立另外三家啤酒厂。 1903 年英国和德国商人在青岛开办英德酿酒有限公司, 生产能力 2000 吨, 这就是现在青岛啤 酒厂的前身。 1904 年在哈尔滨出现了中国人自己开办的啤酒厂- 东北三省啤酒厂; 1914 年哈尔滨又建起 了五洲啤酒汽水厂； 同年北京建立了双合盛啤酒厂;1935 年广州出现了五羊啤酒厂(广州啤酒厂的 前身)。 1958 年我国在天津、杭州、武汉、重庆、西安、兰州、昆明等大城市投资新建了一批规模在 2000 吨左右的啤酒厂, 成为我国啤酒业发展的一批骨干企业。 到 1979 年, 全国啤酒厂总数达到 90 多家, 啤酒产量达 37.3 万吨, 比建国前增长了 50 多倍。 然而, 我们啤酒业大力发展真正发生在 1979 年后十年, 我国的啤酒工业每年以 30%以上的高 速度持续增长。80 年代, 我国的啤酒厂如雨后春笋般不断涌现, 遍及神州大地。到 1988 年我国大 陆啤酒厂家发展到 813 个, 总产量达 656.4 万吨, 仅次于美国、德国, 名列第三, (到 1993 年跃 居第二 ) 短短十年, 我国啤酒厂家增长 9 倍, 产量增长 17.6 倍, 从而我国成了名符其实的啤酒 大国。 3.4 啤酒的生产工艺流程图： 13 图 3.1 啤酒的生产工艺流程图 酿造工艺流程(文字注释)： 1.麦芽由大麦制成，麦芽在进入酿造车间之前，先被送到粉碎塔，在这里麦芽经过轻压后粉碎 制成酿造用麦芽。 2.粉碎的麦芽与水在糊化锅中混合，麦芽和水经加热后沸腾，这是天然酸将难溶性的淀粉和蛋 白质转变成为可溶性的麦芽提取物，称作“麦芽汁”。 3.然后麦芽汁被送到称作分离塔的过滤容器。过滤之后进入煮沸锅。混合物被煮沸以吸取酒花 的味道，并起色和消毒（其中糖是一种很重要的添加物，它可以使啤酒的颜色更淡，杂质更少，口 味更加爽快）。 4.在煮沸以后，加入酒花的麦芽汁被泵入回旋沉淀槽以去掉不需要的酒花剩余物和不溶性的蛋 白质。 5.从回旋沉淀槽中泵出的是洁净的麦芽汁，被送入热交换器冷却，随后，麦芽汁中被加入酵母， 开始进入发酵的程序。在发酵的过程中，人工培养的酵母将麦芽汁可发酵的糖份转化为酒精和二氧 化碳，生产出啤酒。发酵在八个小时内发生并以加快的速度进行，积聚一种被称作“皱沫”的高密 度泡沫，这种泡沫在第 3 天或第 4 天达到它的最高阶段。从第五天开始，发酵的速度有所减慢，皱 沫开始散布在麦芽汁表面，必须将它撤掉，酵母在麦芽汁中所有可供发酵的物质发酵完后就开始在 容器底部形成一层稠状的沉淀物。随之温度逐渐降低，在 8 到 10 天后发酵就完全结束了。整个过 程中，需要对温度和压力做严格的控制。当然啤酒的不同，生产工艺的不同，导致发酵的时间也会 不同。 6.发酵结束以后，绝大部分酵母沉淀到罐底。酿酒师们将这部分酵母回收起来以供下一罐使用。 除去酵母后，生成物“嫩啤酒”被泵人后发酵罐。在此剩余的酵母和不溶性蛋白质进一步沉淀下来， 使啤酒的风格逐渐成熟，成熟的时间随啤酒品种的不同而异，一般在 721 天。 7.经过后发酵而成熟的啤酒在过滤机中将所有剩余的酵母和不溶性蛋白质滤去，就成为待包装 的清酒。 8.然后就是包装，成品啤酒的包装常有瓶装，听装和桶装几种包装形式，在加上瓶子形状、容 量的不同，标签、颈套和瓶盖的不同以及外包装的多样化，从而构成了市场怀中琳琅满目的啤酒产 品。 14 3.5 研究啤酒的意义 我国的啤酒工业自 80 年代以来就有了很大的发展，这不仅体现在产量上也达到了 1600 万千升 以上，而且在规模上，装备和技术水平上以及质量上都有了很大的改观。许多工厂开始应用新技术， 新材料，新设备改进生产工艺，提高生产效率。同时，在观念上也有了很大的变化。 3.6 啤酒发展的前景 世界啤酒的未来充满希望，据世界啤酒和饮料论坛分析 2010 年世界啤酒市场的潜力将达 到 1.8 亿吨，比现在增加 6 千万吨，人均消费量也将由每年 23 升增加至 26 升。 欧洲啤酒市场的恢复主要依靠东欧国家，因为西欧国家明显出现饱和现象。美国啤酒市场的持 续增长主要依靠拉丁美洲国家特别是巴西的支持。非洲市场也可能回升，因为其庞大的人口数量， 即使人均消费量增长不多，整个消费量增长也会很显著，这一地区也许会逐步发展成为活跃市场。 目前亚太地区的增长比过去小，但到 2005 年将显示其最高增长率。虽然目前中国啤酒的增长 势头有所缓和，但除中国外，亚洲还有其它许多有希望的发展中市场。具有 13 亿人口的中国将来 仍是一个庞大的市场，1990 年至 1995 年间其年增长率为 18%，1995 年至 2000 年，增长率约为 5%8%，中国人均 13 升的消费量，到 2002 年也将上升到 20 升。 因此可以说，虽然各地区的情况有所不同，增长幅度不同，但总的看来，世界啤酒市场的前景 是充满希望的、令人振奋的，这对我这样的做过以啤酒发酵为设计内容的工程人员来说也是一种鼓 励。也可以看出啤酒的前景是非常光明的。 啤酒工程应用技术 15 第四章 控制初步设计 4.1 前言 啤酒发酵是一个复杂的过程，工艺路线长，生产环节多，对自动控制的要求很高。主要包括以 下的几个过程：发酵温度控制，麦汁进罐过程，麦汁管路 cip，酵母回收过程，压榨酵母，管路 cip（包括酵母回收管路 cip，出酒管路 cip）罐 cip，出酒过程等。 4.2 主要流程的控制 4.2.1 发酵温度控制 第一阶段：主酵保温 按主酵设定温度（一般为 12.5c）控制下温，上温低于下温的差值约 0.4c（可设定） 。上温超 过设定值开上、中阀，下温超设定值开下阀。 第二阶段：主酵降温 设定降温至多少摄氏度，以及降温过程需多少时间。 根据公式计算当前温度设定值：主酵设定温度（主酵设定温度降温温度）当前降温时间 /降温总时间 。 按计算出的当前设定温度控制下温，上温低于下温的差值约 0.4c（可设定） 。上温超过设定值 开上、中阀，下温超设定值开下阀。 第三阶段：后酵保温 按后酵设定温度（一般为 8.5c）控制下温，上温低于下温的差值约 0.3c（可设定） 。上温超过 设定值开上、中阀，下温超设定值开下阀。 第四阶段：后酵降温 设定降温至多少摄氏度，以及降温过程需多少时间。 根据公式计算当前温度设定值：后酵设定温度（后酵设定温度降温温度）当前降温时间 /降温总时间 。 温度2c 时： 按计算出的当前设定温度控制下温，上温低于下温的差值约 0.2c（可设定） 。上温超过设定值 开上、中阀，下温超设定值开下阀。 温度r 上温超过设定值 s #fvo001 将 fvo001 置为“1” s #fvo002 将 fvo002 置为“1” 以下是主发酵降温控制的程序 aa2: nop 0 空操作 l #zjjwtime 将 zjjwtime 的内容放在 accu1 中 dtr 从长整数转化为浮点型 t #zjjwtimer accu1 的结果传输到 zjjwtimer 中 call “spjs“ 程序块中调用函数 spjs（解释如下图所示） tn :=#zjjw_time tn_1 :=0.000000e+000 szn :=#zjxwsp szn_1:=#hjxwsp tf :=#zjjwtimer spn :=#spvalue1 end1: r #fvo001 置零 r #fvo002 置零 27 r #fvo003 置零 beu 图 5.4 函数 spjs 对应的图形 说明：所调用的函数是要求当前的温度值 n*，而整个降温的过程的时间是自己设定的，于 是通过总时间就可以降温曲线的斜率，再根据已过时间之间的比例来确定当前的温度值。 写出的公式就是 n=n1-(t2-t1)(t-t1)/n2-n1)，上面调用的函数就是根据这个公式编写出来的。 5.4.2 cip控制： 5.4.2.1 编写管路 cip 控制程序时的思路 ： t/时间 温度 t1 t2 n1 n2 0 t n 酵母回收管路 cip 开始后两分钟 结束前两分钟 旁通阀 5 秒 开 10 秒关 温度，电导率 满足要求 旁通阀常开 开始计时 28 图 5.5 酵母回收管路 cip 图 5.6 出酒管路 cip（1） 出酒管路 cip 全面 cip 清水洗 热碱洗 一般 cip 清水洗 热碱洗 热水洗 消毒水洗 结束 cip 热水洗 结束 cip 29 清水洗 回收水洗 开阀门 延时后开泵 计时到 开回水泵 关出水泵 液位空 关泵 满足电导率 要求 碱洗 计时到 30 图 5.6 出酒管路 cip（2） 流程注释： 图 5.5 是酵母回收管路 cip，图 5.6 是出酒管路， （1）是主流程， （2）是清水洗的流程。 酵母回收管路 cip，在 cip 开始后二分钟内和结束前二分钟，酵母回收管路中的酵母回收泵旁 通阀要求间隔打开，5 秒开，10 秒关；二分钟后为常开（温度和电导率满足时开始计时） 。 出酒管路 cip 主要有两种方法：全面清洗和一般清洗，他们在工序上的差别就是一般清洗少一 个消毒水清洗的过程，其余的一样。在进入一般清洗后，先用清水洗，然后热碱洗，开热水阀，热 水洗完，结束 cip 过程。而全面清洗就是在热水洗完之后在进行消毒水清洗，之后才结束。 5.4.2.2 编写罐 cip 控制时的思路： 图 5.7 罐 cip 流程图（1） 开始 回收水洗 碱洗 清水洗 消毒水洗 结束 31 回收水洗 回收水液位 低于低液位 液位低于 高液位 延时 10 分钟后再进水 关出水泵 碱洗 开 cip 阀 延时后开出水泵 开回收泵 开清水阀 开清水加入阀 关清水加入阀 清洗时间到 发酵罐低 液位不等于 1 等待 32 图 5.7 罐 cip 流程图（2） 清水洗 回液电导率 小于设定值 碱液回收 到回收水罐 排放碱液 电导率达到 要求 延时，设定时间 回收 关阀门，开回收泵 碱液排掉 设定时间 时间到 碱液回收到碱罐 碱洗发酵罐 开始计时 清洗时间到 发酵罐低液位 不等于 1 关出水泵 等待 33 图 5.7 罐 cip 流程图（3） 开清水阀开出水泵 电导率小于 清水电导率 清水洗 发酵罐低 液位不等于 1 关出水泵 消毒水洗 cip 液回收至回收水罐 回收罐满 排掉 cip 液 关 e01k0305 ls0601 开 e01k0605 关 e01k0018 关 e01k0605 开 e01k0018 清洗时间到 等待 34 图 5.7 罐 cip 流程图（4） 图 5.7 罐 cip 流程图（5） 流程说明：罐 cip 也是一个很重要的过程，上面的五副图中，第一副是主流程，然后下面的 几个是对每个分流程的详细说明，依次是：回收水洗，碱洗，热水洗，和消毒水洗的图解，在消毒 水洗后，结束整个 cip 过程。 注意点：因为 cip 过程中有碱洗这一过程，而 cip 前发酵罐中会留有一定量的 co2 气体，会 造成碱和 co2 反映，生成碳酸盐，形成新的污垢，降低碱液浓度，影响清洗效果。同时会使发酵 罐内形成负压，容易导致发酵罐失稳变形，所以 cip 前一定要将 co2 排掉。 5.4.3 麦汁进罐 编写麦汁进罐程序时的思路 消毒水洗 发酵罐低液位 不等于 1 关出水泵 关回收泵 关出水泵 延时 10s， 关所有阀门 开阀门，开出水泵 清洗时间到 等待 过程结束 35 图 5.8 麦汁进罐流程图 注意点：所选发酵罐为空罐 水顶麦汁 洗罐路 结束 糖化麦汁输送 完毕通知 电导率小于清水 电导率设定值 达到设定的 累积流量 热杀菌 糖化通知结束 麦汁进罐前罐路路热水 cip 麦汁顶水 转进罐 送麦汁通知 电导率达到 设定值 达到设定的 累积流量 电导率达到 设定值 达到设定的 累积流量 36 5.5 存在的问题和需改进的地方 1：发酵的前一个过程是糖化但是从糖化到发酵这一个过程还不是全自动的，是通过电话联系 的，也给工程带来了一定的困难。也使得整个过程只是处于一个半自动化的状态。 2：西湖啤酒厂以前的下位机选用的是 s5，但是我们这次要选用的是 s7.。我的方法是利用 s5 的输入、输出模块中空闲口，与 s7 的输出、输入口，点对点硬件连接，通过高低电平进行信号传 送，涉及到的与低发酵控制相关的模拟量（如，电导率） ，直接将现场传感器信号接到 s7 的输入端 去。但是由于是首次接触，在两者之间的数据转换还存在一点的缺陷，这也是一个需要改进的地方 第六章 结论 有人认为，随着 it 技术的迅猛发展，总线技术的日臻完善，plc 的概念将 不存在，取而代之的将是智能 i/o、网络控制等由“0”和“1”组成的控制系 统。但实际上他们概念中的只是老式的 plc, 而老式的 plc 确是只具有继电器 的作用，但是现在的被加入了许多应用指令，与以前相比，进步神速，从这一 点来看 plc 已经不是以前的 plc 了，并且会不断完善自身缺陷，随着 internet 发展，plc 的硬件和软件也会提高，出现比现在更完美的 plc。 就我们浙大中控而言，plc 的应用也取得了比 dcs 更加广阔的应用范围， dcs 系统从某种角度讲仅应用于过程控制，局限性很大；而 plc 的应用范畴很 广，包括机械加工、污水处理、物流设备、公用设施、楼宇自动化、公路自动 化等等各行各业。因此，相应的市场也很大。同时，plc 市场前景和发展空间 更大，以目前工业自动化行业内竞争结果看更为明显，siemens 收购了 moore 公司，abb 收购了 bailey 公司，ge 公司收购了 honeywell 等。立足于工业自动 化行业，从事 plc 的研究、开发、生产、应用是必要的，以 siemens a&d 事业 部目前经营状况为例，盈利主要来源于 plc，pcs7 的运作处于亏本状态。同时 也可以看到为提供综合自动化解决方案的高新企业，必定涉及 plc 的应用，研 发 plc 也应随之提上日程，是公司长期发展这些应用领域的技术保证。在目前 国外 dcs 生产厂商相对不景气状况下，我们中控在稳定力量保住 dcs 研发的同 时，必须利用一定力量涉足 plc 的研发工作。又由于 plc 的某些技术与 dcs 具 有相通性，所以在某些方面，plc 与 dcs 系统可以同步发展，共同促进。所以， 我认为以后的 plc 主要从三个方面发展：1，集散控制、远程监控； 2，过程控 制、运动控制；3，单机小型 i/o 控制。 至于啤酒方面，我们可以看到当今世界啤酒的趋向是用现代技术生产“传 统产品” ，每个产品满足某一方或某带消费者的要求，大规模工业生产是当代啤 酒的又一大特点，从历史角度看，啤酒生产工艺在不断更新。不断出现新技术， 从目前情况看，一些新，老工艺同时存在，也有互相对比鉴别的过程，也有投 资滞后的实际情况。近几年来，我国普及的新技术，新设备发展很快。无论在 麦芽制造方面，糖化，发酵，过滤和后处理，包装方面等都有了很快的发展。 所以我们可以说，plc 将会向着专业化、智能化发展，并且在很长的时间 存在下去。而且，我们也有理由相信，啤酒业有一个很好的明天。 第 页37 参考文献 1: 钟肇型，彭侃编著可编程控制器原理及应用 华南理工大学出版社出版 2：simatic s7-300 可编程控制器 （step 7 使用入门） 西门子公司出版 3：siemens 可编程控制器 siamtic step 7用户手册 西门子公司出版 4: 王文圃编啤酒生产工艺 中国轻工业出版社 1998 年 4 月第二次印刷 5: 孔泽编著啤酒工程应用技术 6：朝日啤酒有限公司编杭州西湖啤酒厂自控流程 7：朝日啤酒有限公司编 杭州西湖啤酒朝日股份发酵罐自控工程 8：徐斌编啤酒生产问答修订版 中国轻工业出版社 2000 年 4 月第二次印刷 9：吴思方编发酵工厂工艺设计概论 中国轻工业出版社 2002 年 1 月，第四次 印刷，三河市艺苑印刷厂 10：管敦仪编啤酒工业手册修订版