基于PLC的啤酒发酵罐温度控制系统设计.doc

东北石油大学本科生毕业设计 论文 摘摘 要要 发酵过程是啤酒生产过程中的重要环节之一 本文以啤酒发酵过程为工程背景 利 用PLC实现对啤酒发酵过程温度的控制 这对更加牢固掌握PLC并将PLC应用于生产实际 及了解啤酒的生产工艺有很好的作用 本文主要工作在于 由于啤酒发酵对象的时变性 时滞性及其不确定性 决定了发酵罐控制必须采用特殊的控制算法 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 对象特性也不尽相同 因此很难找到或建立某一确切的数学模型来进行模拟和预测控制 为节省能源 降低生 产成本 并且能够满足控制的要求 发酵罐的温度控制选择了检测发酵罐的上 中 下3 段的温度 通过调节上 中 下3段液氨进口的两位式电磁阀来实现发酵罐温度控制的方 法 利用PLC来实现整个过程温度的控制 该系统性能 价格比高 可靠 技术先进 完 全满足啤酒生产发酵工艺的技术要求 并兼顾了实用的需求 关键词 可编程逻辑控制器 发酵温度 温度控制 东北石油大学本科生毕业设计 论文 Abstract Beer fermentation is one of the key steps of beer production Thus on the basis of some projects in breweries this thesis investigated beer fermentation automation and Fuzzy Intelligent PID algorithm applied in this process It is an attempt to apply high technology to traditional industry and has importantly practical meaning In this paper beer fermentation process for the project background the use of PLC in the beer fermentation process temperature control which is more firmly grasp PLC and used to produce practical and understanding of the beer production process have a very good role What this research solute is As the object of beer fermentation degeneration and the uncertainty of the delay a decision must be in control of fermentation tank special control algorithms As each there are individual differences but in different process conditions different fermentation bacteria the object characteristics vary Therefore it is difficult to find or create a precise mathematical model to simulate and forecast control To save energy reduce production costs and to meet the requirements of control temperature control of fermentation tank selected the detection of the fermentation tank in the next paragraph 3 of the temperature through the upper middle and lower imports of liquid ammonia in paragraph three Electromagnetic valve to achieve fermentation tank temperature control method To solute the whole process temperature control by PLC the system performance higher than price reliable advanced technology to fully meet the fermentation process of beer production technology requirements taking into account the practical needs Keywords programmable logic controller fermentation temperature temperature control 东北石油大学本科生毕业设计 论文 目 录 第第 1 1 章章 概概 述述 1 1 1 1 选题的目的和意义 1 1 2 啤酒发酵控制系统方案综述 2 1 3 实现啤酒发酵罐温度 PLC 控制的主要研究工作 3 1 4 本章小结 3 第第 2 2 章章 啤酒发酵工艺概述啤酒发酵工艺概述 4 4 2 1 啤酒发酵概述 4 2 2 发酵各阶段温度控制机理 4 2 3 啤酒发酵设备概述 6 2 4 啤酒发酵温控基本要求 6 2 5 啤酒发酵工艺流程 7 2 6 本章小结 9 第第 3 3 章章 应用应用 PLCPLC 实现啤酒发酵温度控制的可行性分析实现啤酒发酵温度控制的可行性分析 1010 3 1 可编程序控制器 PLC 的特点 10 3 2 PLC 的组成与基本原理 11 3 3 PLC 在啤酒发酵中应用的可行性 14 3 4 本章小结 15 第第 4 4 章章 啤酒发酵温度啤酒发酵温度 PLCPLC 控制方案控制方案 1616 4 1 系统控制要求及功能 16 4 2 系统硬件配置 18 4 3 啤酒发酵温度 PLC 控制系统的 I O 分配 23 4 4 本章小结 25 第第 5 5 章章 PLCPLC 实现啤酒发酵温度控制的程序设计实现啤酒发酵温度控制的程序设计 2626 5 1 编程软件的介绍 26 东北石油大学本科生毕业设计 论文 5 2 控制程序流程图 29 5 3 PID 控制 32 5 4 系统程序设计 34 5 5 本章小结 37 结结 论论 3838 参考文献参考文献 3939 致致 谢谢 4040 附附 录录 4141 东北石油大学本科生毕业设计 论文 第 1 章 概 述 1 1 选题的目的和意义 啤酒是世界上产量及消费最大的一种酒 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 进入九十年代后产量逐年增加 目 前已成为仅次于美国的世界第二大啤酒产销国 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 近年来 虽然我国的啤 酒装备配套水平有很大提高 但与国外的主要啤酒生产厂家相比大部分企业技术落后 国内的啤酒行业迫切要求进行技术改造 提高生产率 保证产品质量 以确保在激烈的 市场竞争中立于不败之地 由于啤酒生产的工艺复杂 目前我国大多数啤酒生产企业技 术装备落后 自动化程度低 产品质量不稳定 如何提高啤酒生产的综合自动化水平 增强我国啤酒产业的综合实力是一个很好的研究课题 1 啤酒发酵是啤酒生产过程非常重要的环节 是决定啤酒质量的最关键的一步 特别 是对发酵过程中温度 压力的控制尤其重要 控制指标的好坏将直接影响啤酒的质量 早期 由于人们对发酵机理认识不深 再加上采用控制器的限制 对发酵采取自动控制 未能成功 随着人们对发酵机理的逐步认识 并随着可靠性高 能经受恶劣环境器件的 引用 对发酵采用自动控制逐渐取得成功 啤酒发酵具有非线性 时间滞后和大惯性等特征 发酵过程的精密控制一直是自动 控制领域较难解决的问题之一 按啤酒发酵的生产工艺 生产周期一般在十五天左右 要求发酵液的温度严格按照一定的工艺曲线变化 温度控制精度在 0 5 范围内 这样 的控制精度单凭传统的热工仪表加上手工操作方式是完全不能满足要求的 但目前国内 的不少生产厂家都是采用这种生产方式 随着控制领域新技术 新方法的不断涌现 这 些问题也在不断地得到改进 改进啤酒发酵生产过程控制是酿造业技术进步的有效措施 它可以在不增加原材料及动力消耗的前提下 增加产品产量 提高产品质量 同时还可 以减轻劳动强度 改善工作条件 提高发酵工艺水平及生产管理水平 因此 优化啤酒 发酵控制应用前景乐观 能产生较大的社会经济效益 具有很大的应用价值 利用 PLC 实现啤酒发酵罐温度的自动控制的选题 对提高啤酒发酵温度控制精度 优化啤酒温度控制过程 使用效果好且性能稳定可靠 编程简单 具有非常现实的意义 同时我个人可以通过这次设计更加巩固 PLC 知识 更好地掌握梯形图等编程 熟悉啤酒 的制造工艺及过程 并通过此次设计锻炼将理论应用于实际的能力 东北石油大学本科生毕业设计 论文 1 2 啤酒发酵控制系统方案综述 目前 国内啤酒生产 糖化 发酵工段 的控制水平基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采用常规分散仪表进行采集 然后集中或现场 显示 操作人员在现场或集中操作盘 柜 上控制主要设置启停 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可靠执行 一致性较差 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不能工作在较佳状态 原材料利用率低 产品能耗大 不可能采用较复杂的先进工艺生产啤酒 生产成本较高 2 2 半自动控制方式 集中手动控制方式 其主要特点为阀门多采用气动或电 动自动阀门 采取诸如数据采集器等手段采集各种过程量进入控制室 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 对生产过程进行监控 操作人员根据显示的参数和工艺参数对 比 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 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 过程控 制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 同时控制阀门与泵 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采用这种系统进行控制 一定程度上解决了 啤酒生产过程控制问题 但存在以下缺点 a 系统可靠性差 b 画面呆板 缺乏一般 工控组态软件灵活的程序脚本控制功能 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 系统的可扩充性差 d 由于外围器件的漂移较大 系统控制精度 受一年四季影响大 控制效果不理想 3 4 分布式控制系统 采用先进的计算机控制技术与多层网络结构加先进的控制 算法对生产工序进行自动控制 主要特点是采用 PLC 作为下位机 目前有 DCS 分布式 控制系统 控制系统与 FCS 现场总线控制系统 控制系统两种 在这种控制方式中 下 位机网络中控制单元一般采用 PLC 其可靠性非常高 一般可连续可靠工作 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 便于信息集成管理 和功能拓展 但主要缺点是一次投入资金较大 4 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 方向发展 近十年来 我国的啤酒工业得到了迅速发展 但是由于起步较晚 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 决定了发酵罐控制必须采用特殊的 控制算法 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 东北石油大学本科生毕业设计 论文 菌种下 对象特性也不尽相同 因此很难找到或建立某一确切的数学模型来进行模拟和 预测控制我国大部分啤酒生产厂家目前仍然采用常规仪表进行控制 人工监控各种参数 人为因素较多 这种人工控制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 3 实现啤酒发酵罐温度 PLC 控制的主要研究工作 1 熟悉啤酒发酵的工艺过程 详细分析控制要求 选定装置所需检测和控制的参 数 确定系统的控制方案 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部分 3 采用的是德国 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的控制程序 完成系统软件设计 实现啤酒发酵温度自动控制的 PLC 控制系统设计 1 4 本章小结 本章主要论述了选择该题目作为毕业设计的意义 以及我国现阶段啤酒发酵工业的 发展现状 并对啤酒发酵过程和啤酒发酵控制系统方案进行了综述 对利用 PLC 进行啤 酒发酵过程温度控制所需要进行的研究工作进行了总结 东北石油大学本科生毕业设计 论文 第 2 章 啤酒发酵工艺概述 2 1 啤酒发酵概述 啤酒是采用麦芽和水为主要原料 加酒花 经酵母发酵酿制而成的一种含有二氧化 碳 气泡的低酒精度饮料 啤酒生产工艺主要由麦汁制备 俗称糖化 啤酒发酵 啤酒 罐装等工艺流程组成 发酵过程是啤酒生产中一个非常重要的环节 啤酒发酵是一个复 杂的生化过程 这个过程可以理解为把麦汁转化为啤酒的过程 整个发酵过程同样也包 含若干个生产工序 如 麦汁充氧 酵母添加 发酵 过滤 修饰以及酵母扩培等等 生产周期都在十几天以上 要求发酵液的温度严格按照一定的工艺曲线变化 温度控制 精度在 0 5 范围内如果温度控制偏低 就会使得发酵过程缓慢 影响生产进度 如果 温度偏高 又会造成生化参数超出标准 影响啤酒的质量 啤酒发酵整个过程分为 主发酵阶段 还原双乙酰阶段和低温贮酒阶段 从原麦汁 入罐时刻起 就开始进行主发酵 这一阶段的温度控制在 12 摄氏度 不同工艺数值不同 发酵液直接由糖化车间经管道灌入 初始的温度大约为 8 摄氏度左右 糖度为 10 度左 右 每一罐发酵液需要分几批入罐 每一次入罐后都要由化验员测定一次糖度并把信息 反馈到糖化车间 保证最后整罐发酵液的初始糖度符合标准 同时温度控制开始实施 以保证满罐后发酵液的温度在规定范围内 发酵液满罐后 1 小时工人开始测量发酵液的 满罐糖度 以后每隔八小时测量一次 当糖度降至低于 6 5 度时 每两小时测量一次 直 至到达 6 0 度 当糖度降到 6 0 度时主发酵阶段结束 主发酵阶段约历时 4 天 发酵进入 还原双乙酰阶段 这一阶段要求温度控制在 12 18 摄氏度 不同工艺数值 进入第二 阶段后 要求化验员每隔 2 小时测量一次双乙酞的浓度和糖度 直到糖度降至 3 0 度时变 为每八小时测量一次 当糖度降至 3 0 度时再经过 16 小时糖度监测工作就结束 当双乙 酰浓度下降到合格标准 0 08mg L 时 且糖度降至极限 42 48 小时后 如果此时距离 装罐时间已大于 6 天 发酵就可以进入降温阶段 分两个阶段按不同的速率降温 此时 把所有冷媒阀打开 使发酵液全速降温 当温度到达 1 摄氏度以下时发酵进入低温储酒 阶段 在低温储酒阶段温度控制在 0 5 10 摄氏度 这一阶段主要是让酵母和一些固态物 进行充分沉淀并进行回收 正常情况下 全过程必须在 14 天以上 5 2 2 发酵各阶段温度控制机理 1 自然升温阶段 麦汁满罐温度高低直接关系到发酵工艺的准确执行 酵母前期增值速度 发酵周期 的长短 发酵度的高低 酵母还原双乙酰能力以及副产物形成 泡沫 口味等 过低和 过高的满罐温度均不利于酵母和成品酒质量 6 满罐温度的确定应考虑麦汁分锅次进罐中 东北石油大学本科生毕业设计 论文 酵母繁殖代谢使温度上升因素的影响 满罐后的自然升温阶段切忌因各种失误出现的控 温 应通过此过程 使酵母尽快其发酵增殖适应新的麦汁环境形成良好的酒液对流 2 主发酵及双乙酰还原阶段 主发酵阶段酵母大量繁殖并产生较多的热量 随着发酵液中氧的迅速消耗 酵母在 无氧呼吸下转化为生成大量的酒精 使罐内中下部酒液中酒精含量远远高于上部 酒体 密度发生变化 在酒精释放及密度变化的共同作用下 发酵液发生自下而上的强烈对抗 此阶段温控应促进对流充分进行 保持旺盛发酵并均衡罐内酒液状态 以控制上段温度 为主 适度辅以中段 形成的温度梯度 三带温差在 0 5 左右 双乙酰还原阶段控温原 理与主酵段类似 但此过程发酵速度趋缓 热量产生少 对流慢 对上段控温应缓慢 慎重 不可急剧冷却 防止罐内温度出现较大幅度下滑 酵母大量沉积将影响双乙酞还 原 此过程以保持发酵液适度对流和一定数量悬浮酵母为主 温度梯度为 T上 T中 T下 三带温差在 0 2 0 3 摄氏度左右 3 降温保温阶段 发酵液双乙酰还原达标后即开始转入降温阶段 此过程应按照工艺设定的速度将酒 液均匀冷却至贮酒温度 由于此时酒液发酵已基本结束 二氧化碳生成和放热趋于停止 原二氧化碳上升托拉力等形成的自下而上对流大为减弱 酒液在不同温度下密度差形成 对流的作用渐占主导 根据啤酒最大密度温度计算公式可知 酒液最大密度时温度约为 3 摄氏度 3 摄氏度上下的酒液对流方向相反 控温时应据此区别对待 4 双乙酰还原温度冷却至 3 摄氏度 酒液在此阶段降温中密度逐渐增大 对流方向仍为自下而上 酒液沿罐壁向下流动 由于此时冷媒与酒液温差较大 降温及罐内均衡过程不容易控制 应以上带和中带控温 为主 须防止冷却过于强烈造成贴近罐壁处部分酒液结冰 影响降温效果及啤酒质量 5 三摄氏度保温过程 在整体降温过程中 3 摄氏度以前的降温速度较快 降温惯性大 在接近 3 摄氏度对 流方向变化过程中 易出现罐内各点酒液温度的紊乱 或温度出现突升突降 或温度持 续变化 无法按工序执行 且难以总结出变化规律 针对此情况 在生产中采用了 3 摄 氏度保温工艺 目的是稳定酒液流态 是对流过程放缓或停顿 罐内温度均衡准确 并 在保温过程彻底排放剩余的废酵母和沉积物 3 摄氏度保温结束后开始进行新的对流降温 过程 实践证明此工艺有效的保证了降温速率及酒液澄清 6 三摄氏度以下深冷过程 酒液降温至 3 摄氏度最高密度时将形成密度相同而温度不同的酒液 自行区域性对 流 状态紊乱 酒液温度形成梯度 冷却加套冷量传递达不到要求 冷却速度和酒液温 度下降缓慢 此时应以下部控温为主 加大锥罐底酒液控温强度 降低酒液密度 使对 流方向由自下而上转变为自上而下 打破形成的温度梯度 满足温度控制效果 此过程 下段温度应低于中 上段温度 1 2 摄氏度 7 贮酒阶段 贮酒阶段的温控对发酵液成熟及酒液澄清等影响很大 控温不当将可能造成发酵液 东北石油大学本科生毕业设计 论文 结冰 此阶段温度控制应以上 中 下三段均衡控温为主 缩小罐内发酵液温差 在贮 酒过程中罐内下段二氧化碳的密度梯度高于中上段 而下段发酵液的密度高于中 上段 同时存在自下而上和自上而下的对流 状态紊乱 缓慢而不规则 使用调节阀控制冷媒 可采用长时间小流量的操作方法 对于开关阀则可采用高频短时间开启控制 避免长时 问深度冷却 温控精度要求在 0 2 摄氏度 严禁出现温度回升 2 3 啤酒发酵设备概述 发酵罐是啤酒生产的主要设备 目前 我国绝大部分啤酒厂均采用园柱锥底式发酵 罐简称锥形罐 般在圆柱部分焊有两到三段冷却夹套 锥底还有一冷却夹套 整个罐 体除罐顶装置和罐底的進出口以外 全部用绝热材料包裹起来 用其来阻隔与外界的热 交换 这样使得罐内发酵液与外界的热交换量和发酵液产生的生化热相比较可忽略不计 控温中通过冷却夹套由冷却介质带走的热量主要是生化热 锥形发酵罐的直径与高度之 比一般为 1 1 5 4 锥底内角 不锈钢罐锥角一般为 60 度 内有涂料的钢罐锥角通常为 75 度 使排污时可强制酵母滑出 罐的有效容量是每批麦汁的整数倍 应在 16 24 小时 内装满一个锥形罐 罐的容量系数取 80 85 发酵是一个放热的过程 如果让啤酒自 然发酵 发酵液的温度会逐渐上升 因此在发酵罐外部罐壁设置有上 中 下三段冷却 套 相应的设立上 中 下三个测温点和三个调节阀 通过阀门调节冷却套内冷却液的 流量来实现对酒体温度的控制 7 2 4 啤酒发酵温控基本要求 由于啤酒酵母的作用 麦汁在发酵罐内发酵 在发酵过程中释放出的生化反应热和 CO2热量释放导致发酵温度上升 同时 CO2的产生使罐内压力升高 在整个发酵过程中 根据麦芽发酵的反应规律来控制发酵的温度和时间是保证发酵过程正常安全地进行 提 高啤酒质量和口味 减轻工人的劳动强度 节约能源的关键 罐类容器的主要工况参数 有温度 液位 气体压力 温度参数的高低来提醒罐内物料已加热时间的长短 以便指 导操作者进行物料储存及物料反应 液位间接反应了物料的多少 以便控制物料的储存 量 实时调控或者进行物料反应等 气体压力的大小反应了罐内 CO2的多少 压力到一 定程度时需从罐顶排出一定的 CO2以减小罐内的压力 防止爆炸 所以需要对发酵罐内 液温的变化进行实时控制 同时罐内的压力也是安全生产的必要控制量 8 啤酒发酵生产工艺对控制的要求是 发酵罐上 中 下液温的实时测控 控制罐温 在特定阶段与标准的工艺生产曲线相符 控制罐内气体的有效排放 使罐内压力符合不 同阶段的需要控制 啤酒发酵控制系统流程图如图 2 1 所示 东北石油大学本科生毕业设计 论文 PIC 01 TIC 01 TIC 02 TIC 03 LI 01 电磁阀关 排放CO2 上层温度 中层温度 下层温度 罐内 压力 罐内 液位 冷 媒 出 口 冷 媒 入 口 图2 1 啤酒发酵罐控制系统流程图 2 5 啤酒发酵工艺流程 根据锥形发酵大罐的特性将发酵的全过程分为多个阶段 在各个阶段 对象的特性 相对稳定 温度和压力的控制方面存在一定的规律性 在发酵开始前 根据工艺要求预 先设定工艺控制的温度 压力曲线 在发酵工程中 根据发酵进行的程度 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控制策略 从而达到预期的控制效果 9 主要分为以下 阶段 l 麦汁充氧和酵母添加 麦汁在泵入发酵罐进行发酵之前 麦汁中需要加入适量的酵母 整个发酵过程可以 简单理解为酵母把麦汁中的糖类分解成 C2H50H H2O 及其它产物的过程 这个阶段麦汁 原料经由连接管道由糖化罐进入发酵罐中 2 发酵 啤酒发酵是一个复杂的微生物代谢过程 这是啤酒生产过程中耗时最长的一个环节 在发酵期间 一般是往附着于罐壁上的冷却夹套内通入致冷酒精水或液氨来吸收生化反 应热 以维持适宜的发酵温度 致冷量通过调节冷媒流量来控制 东北石油大学本科生毕业设计 论文 整个发酵过程可以分为主酵和后酵两个阶段 主酵 这个阶段又称为前酵 麦汁接种酵母进入发酵罐几小时以后逐渐开始主发 酵 麦汁糖度下降 产生 CO2 反应热的释放使整个罐内的温度逐渐上升 经过 2 3 天 后进入发酵最为旺盛的高泡期 再过 2 3 天 降糖速度变慢 糖度很低 酵母开始沉淀 进行封罐发酵 此时 前酵基本结束 进行降温转入后酵阶段 普通啤酒在前酵时的工 艺要求控制在 12 左右 从前酵进入后酵的降温过程 后酵 当罐内温度从前酵的 12 降到 3 左右时 后酵阶段开始了 这一阶段最 主要的目的是进行双乙酰还原 此外 后酵阶段还完成了残糖发酵 充分沉淀蛋白质 降低氧含量 提高啤酒的稳定性 一旦双乙酰指标合格 发酵罐进入第二个降温过程 把罐内发酵温度从 3 降到 0 1 左右进行贮酒 以提高啤酒的风味和质量 经过一 段时间的贮酒 整个发酵环节基本结束 3 啤酒过滤和杀菌 主酵 后酵结束以后 啤酒将通过过滤机和高温瞬时杀菌进行生物以及胶体稳定处 理然后灌装 啤酒过滤是一种分离过程 其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母细胞和 其它混浊物从啤酒中分离出去 否则这些物质会在以后的时间里从啤酒中析出 导致啤 酒混浊 目前多采用硅藻土过滤方式 如果啤酒中仍含有微生物 杂菌 则微生物可以 在啤酒中迅速繁殖 导致啤酒混浊 其排泄的代谢产物甚至使啤酒不能饮用 杀菌就是 啤酒在灌装之前对其进行生物稳定性处理的最后一个环节 啤酒发酵工艺曲线如图 2 2 所示 图中 0a 段为自然升温段 不须外部控制 ab 段 为主发酵阶段 主酵阶段 典型的控制温度为 12 bc 段为降温逐渐进入后酵 典型降 温速度为 0 3 h cd 段为后酵阶段 典型控制点 3 de 段为降温进入贮酒阶段 典型 降温速度为 0 15 h e f 段为贮酒阶段 啤酒口味和实际要求的不同 啤酒的发酵工艺 曲线也就不同 但是对于确定好的啤酒发酵工艺 就应严格按照工艺曲线去控制温度和 压力等 这样才能保证啤酒的质量 0 2 4 6 8 10 12 14 0 ab cd e f T t h 东北石油大学本科生毕业设计 论文 图 2 2 啤酒发酵工艺曲线 2 6 本章小结 本章对啤酒发酵整个过程做了概述 对发酵过程各阶段温度控制机理进行了详细的 说明 并对啤酒发酵设备和发酵温控基本要求做了研究 从而总结出啤酒发酵工艺流程 中 PLC 在各阶段温度控制中能起到的作用 东北石油大学本科生毕业设计 论文 第 3 章 应用 PLC 实现啤酒发酵温度控制的可行性分析 3 1 可编程序控制器 PLC 的特点 可编程序控制器 Programmable Controller 是一种以计算机 微处理器 为核心的 通用工业控制装置 早期可编程序控制器主要用于开关量的逻辑控制 被称为可编程序 逻辑控制器 Programmable Logic Controller 简称 PLC 这个名称被一直沿用 现代 PLC 采用微处理器作为中央处理单元 其功能大大增强 不仅具有逻辑控制功能 还具 有算术运算 模拟量处理和通信联网等功能 目前已经被广泛应用于工业生产的各个领 域 自 1969 年 DEC 公司研制出世界上第一台 PLC 后 经过 30 多年的发展 有的已经使 用 RISC 精简指令系统 CPU 芯片 最快的 PLC 处理一步程序仅需几十纳秒 软件上 使用容错技术 硬件上使用多 CPU 技术 具有二三百步以上的高级指令 使 PLC 具有强 大的数值运算 函数运算和大批量数据处理能力 10 PLC 的迅猛发展和广泛应用是与其自身的性能特点密切相关的 与继电器 微机控 制相比 PLC 具有以下特点 1 高可靠性 PLC 是为了适应工业环境而专门设计的控制装置 可靠性高 抗干扰能力强是它的 最重要的特点 PLC 在硬件和软件方面采取了如下一系列可靠性设计方法 硬件设计方面 采用可靠性高的元件 对干扰的屏蔽 隔离和滤波 对电源的掉电 保护 存储器内容保护 采用看门狗和其他自诊断措施等 软件设计方面 采用软件滤波 软件自诊断 简化编程语言 信息保护和恢复 报 警和运行信息的显示等 这些措施的采用使 PLC 的可靠性和抗干扰能力大大优于一般的计算机控制系统 PLC 的平均故障间隔时间 MTBF 可达几十万小时 2 易操作性 PLC 的易操作性表现为编程简单 使用方便 考虑到大多数电气技术人员的读图习 惯和应用微机的水平 PLC 采用了面向控制过程 面向问题的 自然语言 编程 易于掌 握 例如目前大多数 PLC 采用的梯形图语言 继承了继电器控制线路的清晰直观感 很 容易被电气技术人员所接受和掌握 PLC 的输入输出接口可直接与控制现场的用户设备相连接 可拆卸的接线端子排使 接线工作及其简单 PLC 的自诊断功能使在系统出现故障的时候 维护人员可根据各种 异常状态的指示或自诊结果 快速确定故障的位置 以便迅速处理和修复 3 通用性 现代 PLC 不仅具有逻辑运算 定时 计数 顺序控制等功能 而且还具有 A D D A 转换 PID 控制 数值运算和数据处理等功能 因此 它既可对开关量进行控 东北石油大学本科生毕业设计 论文 制 也可对模拟量进行控制 既可以控制单台设备 也可以控制一条生产线或全部生产 工艺过程 PLC 还具有通信联网功能 可与各类型的 PLC 联网 并可与上位机通信构成 分布式的控制系统 4 易于实现机电一体化 由于 PLC 采用半导体集成电路 因此具有体积小 重量轻 功耗低的特点 而且由 于 PLC 是专为工业控制而设计的专用计算机 其结构紧凑 坚固耐用 并具有很强的可 靠性和抗干扰能力 易于装入机械设备内部 因而成为实现机电一体化十分理想的控制 设备 3 2 PLC 的组成与基本原理 3 2 1 PLC 的组成结构 PLC 本质上是一台用于控制的专用计算机 因此它与一般的控制机在结构上有很大 的相似性 PLC 的主要特点是与控制对象有更强的接口能力 也就是说 它的基本结构 主要是围绕着适宜于过程控制的要求来进行设计的 按结构形式的不同 PLC 可分为整 体式和组合式两类 整体式 PLC 是将中央处理器 CPU 存储器 输入单元 输出单元 电源 通信接 口等组装成一体 构成主机 另外还有独立的 I O 扩展单元与主机配合使用 主机中 CPU 是 PLC 的核心 I O 单元是连接 CPU 与现场设备之间的接口电路 通信接口用于 PLC 与编程器和上位机等外部设备的连接 组合式 PLC 将 CPU 单元 输入单元 输出单元 智能 I O 单元 通信单元等分别做 成相应的电路板或模块 各模块插在底板上 模块之间通过底板上的总线相互联系 装 有 CPU 单元的底板称为 CPU 底板 其它称为扩展底板 CPU 底板与扩展底板之间通过 电缆连接 距离一般不超过 10m 无论哪知结构类型的 PLC 都可根据需要进行配置与组合 例如 SIEMENS S7 224 型 PLC 为整体式结构 通过主机连接 I O 扩展单元 I O 点数可在 24 点到 168 点的范围 内进行配置 组合式 PLC 则在 I O 配置上更方便 更灵活 11 图 3 1 为 PLC 的组成示意 图 东北石油大学本科生毕业设计 论文 电源 中央处理单元 CPU 存储器 EPROM 系统程序 RAM 用户程 序 输 入 单 元 输 出 单 元 外 设 接 口 扩 展 口 扩 展 单 元 编程器 输 入 信 号 输 出 信 号 盒式打印机 打印机 EPROM 写入器 PLC 或上位计算机 图 3 1 PLC 组成示意图 3 2 2 PLC 的工作原理 与其它计算机系统相同 PLC 的 CPU 采用分时操作原理 每一时刻执行一个操作 随时间顺序执行各个操作 这种分时操作进程称为 CPU 对程序的扫描 PLC 的用户程序 由若干条指令组成 指令在存储器中按序号顺序排列 CPU 从第一条指令开始 顺序逐 条的执行用户程序 直到用户程序结束 然后返回第一条指令开始 新一轮扫描 除了 执行用户程序外 在每次扫描过程中还要完成系统自检测 输入输出处理 处理外设请 求等工作 以上几个过程共同构成了 PLC 工作的一个工作周期 PLC 按工作周期方式周 而复始的循环工作 PLC 上电后 首先进行初始化 然后进图循环工作过程 一次循环 可归纳为五个工作阶段 如图 3 2 所示 各个阶段完成的任务如下 1 公共处理 复位监控定时器 WDT 进行硬件检查 用户内存检查等 检查 正常后 方可进行下面的操作 如果有异常情况 则根据错误的严重程度发出报警或停 止 PLC 运行 2 I O 刷新 输入刷新时 CPU 从输入电路中读出各输入点状态 并将此状态写 入输入映像寄存器中 输出刷新时候 将输出继电器的元件影响寄存器的状态传送到输 出锁存电路 再经输出电路隔离和功率放大 驱动外部负载 3 执行用户程序 在程序执行阶段 CPU 按先左后右 先上后下的顺序对每条指 令进行解释 执行 CPU 从输入映像寄存器和输出映像寄存器中读出各继电器的状态 根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算 运算结果再写入输出映像寄存器中 4 外设端口服务 完成与外设端口连接的外围设备 如编程器 或通讯适配器的 通信处理 3 2 3 PLC 的主要功能和应用 可编程控制器的设计思想是尽可能地利用当前先进的计算机技术去满足用户的需要 PLC 与继电器接触器控制电路的一个本质区别就是除了必要的与外部物理世界的接口 东北石油大学本科生毕业设计 论文 即 I O 点 外 其它的逻辑功能均在其内部实现 这些逻辑功能不仅可以取代 而且远 远超过诸如中间继电器 时间继电器等硬件逻辑所能达到的功能 从而为 PLC 在可靠性 和便利性上形成特色奠定了基础 12 PLC 的主要功能 逻辑控制 定时控制 计数控制 步进 顺序 控制 PID 控制 数据处理 通信和联网 还有许多特殊功能模块 适用于各种特殊控制的要求 如定位 控制模块 CRT 模块 东北石油大学本科生毕业设计 论文 目前 国内外的 PLC 产品有几十个系列 上百个型号 各个种类 PLC 的容量 结构 形式 性能 指令系统 编程方法 价格各不相同 适应的工作场合也有差异 因此 对于每一个准备使用 PLC 的用户来说 合理的选择 PLC 是非常重要的 它直接影响到所 设计系统的性能与造价 PLC 的选择包括机型 容量 I O 模块等几个方面的内容 1 PLC 机型的选择 图 3 2 PLC 工作流程图 电源接上 初始化 检查硬件和用户程 序存储器 检查结果正 常 采样输入信号 刷新 I O 数据 更新输出信号 监控定时器复位 逐条执行用户程序指令 程序结束 外设端口服务 错误标志置位 故障灯亮 故障性质 I O内部继电器清零 定时器复位 检查 I O 单元连接 否 报警 异常 是 否 初始化 公共处 理 I O 刷新 执行用 户程序 外设端 口服务 a b 东北石油大学本科生毕业设计 论文 目前国内使用的 PLC 以国外产品居多 美国是 PLC 的发源地 以大中型机为主 功 能完备 单机价格高 GE 公司 MODICON 公司 AB 公司是其代表 日本的 PLC 以中 小型机为主 价格便宜 典型代表为 OMRON 公司 三菱 MITSUBISHI 公司的产品 德国 SIEMENS 公司的产品以可靠性高著称 其主要产品有 S5 S7 两个系列 包括了从 大型机到小型机各个型号 在国内使用广泛 2 选择容量 PLC 的容量包括主机用户存储器的内存容量和 I O 控制点数两个方面 选择时应留 有适当的裕量做备用 3 选择 I O 模块 输入模块有直流 24VDC 和交流 220VAC 两种 输出模块有三种形式 继电器输出 晶体管输出和可控硅输出 晶体管输出模块只 能带直流负载 是直流输出模块 用于高速小功率负载 可控硅输出模块是交流输出模块 只用于高速大功率负载 继电器输出模块是交直流输出模块 即可带直流也可带交流 因其有触点 故只能用于低速负载 上煤系统电控部分控制对象为接触器 属于交流低 速负载 据此选择原则可以选用合理便捷的 PLC 产品 本系统选用了 SIMENS SIMATIC S7 系列 PLC 组件 3 3 PLC 在啤酒发酵中应用的可行性 啤酒发酵过程控制是啤酒酿造过程的一个重要工艺控制环节 发酵过程控制得好坏 直接影响到整罐啤酒的产品质量 旧式的啤酒发酵过程控制是用许多单回路的温度控制 仪表控制每个发酵罐上的各点温度 根据温度变化情况去控制冷媒阀的开度 达到温度 调节的目的 该过程控制因线路复杂 控制参数单一 故维护工作量大 且调节效果差 特别是在发酵罐数量多 体积大 系统滞后大的情况下更是如此 随着计算机控制技术 的广泛应用 啤酒发酵过程也逐步开始应用计算机控制系统 PLC 是一种具有很高可靠性的控制装置 它与可编程调节器 DCS 系统同被列为 不损坏仪表 这不仅是由于它在硬件上采取了诸如隔离 滤波 屏蔽 接地等一系列 抗干扰措施 在模板机箱进行了完善的电磁兼容性设计 对元器件进行了精心的挑选 而 且更重要的是它采用了诸如数字滤波 指令复执 程序卷回 差错校验等一系列软件抗 干扰措施及故障诊断技术 以及在系统一级的容余配置等 此外 PLC 采用周期循环扫 描方式工作 对输入输出集中进行处理 这种特殊的工作方式本身就具有抗干扰功能 在一个循环扫描周期 T 中 仅只有一小段时间集中进行 I O 处理 也只有在这一小段集 中 I O 时间中的干扰才会被引入 PLC 内部 在扫描周期的其余大部分时间 干扰都被阻 挡在 PLC 之外 以上这些原因使 PLC 的可靠性更高 因此 PLC 被称为 专为适应恶劣 的工业环境而设计的计算机 PLC 是以控制开关量起家的 它采用循环扫描方式 通过串行处理使其在逻辑上等 东北石油大学本科生毕业设计 论文 效于并行处理的继电器逻辑控制系统 为了不丢失输入信号 要求循环扫描周期愈短愈 好 这就使得在 PLC 中配置的处理器性能好 速度快 这些高性能处理器本身有很大的 潜能 只要处理好不同性质的实时多任务的调度 在 PLC 中加入针对慢连续量的过程控 制并不困难 而在大中型 PLC 中普遍采用了多微处理器结构进行多道处理 这使得 PLC 不仅速度快 而且可以独立各自处理不同问题 也可分解协调 共同处理非常复杂的问 题 此外 PLC 配置着大量内含 CPU 的智能模板 有些专用于 PID 控制 有些用于运动 控制 有些用于高速计数器 有些用于连网通信 它们采用模块结构 通过背板并行总 线连成有机的整体 所有这些都使得 PLC 适合于各种规模的自动化系统 13 正是由于 PLC 具有多种功能 集三电于一体 PLC 网络具有优良的性能价格比和 PLC 具有高可靠性等等 使得 PLC 在工厂中倍受欢迎 用量高居首位 成为现代工业自 动化的支柱 因此 可编程控制器啤酒发酵过程自动控制系统 可完成啤酒发酵过程控 制功能 完成与上位机的通讯 实现啤酒发酵过程的远程监控 3 4 本章小结 本章介绍了西门子 PLC 的组成 并对其特点及基本原理做了深入分析 对 PLC 的基 本功能做了介绍 由于 PLC 具有多种功能 因此其在啤酒发酵中起着相当重要的作用 然后着重论述了 PLC 在啤酒发酵中应用的可行性 东北石油大学本科生毕业设计 论文 第 4 章 啤酒发酵温度 PLC 控制方案 4 1 系统控制要求及功能 4 1 1 啤酒发酵温度要求 啤酒发酵期间 发酵温度分为起始温度 即麦汁冷却温度 满罐温度 最高温度 称发酵温度 还原双乙酰温度和贮酒温度 啤酒发酵期罐压力设定为 0 0 15Mpa 其 各阶段转换条件及控制要求见表 4 1 所示 表 4 1 啤酒发酵各阶段状态表 控制要求 工作阶段名称进入条件 时间 小时 温度 冷媒阀门 麦汁进罐启动麦汁进罐不需设定不需设定关闭所有 满罐温度保持 满罐后 由人工输 入 开始 指令 t0 10 小时不需设定关闭所有 主酵自然升温段t0结束t1不需设定 中段温度为参考点 自然升至 Tl 程序控制 双乙酰还原阶段Tl 12 t2不需设定 T1 12 程序控制 降温保温阶段 化验决定 人工输 入指令 t3 100 小时 1 3 12 Tt t TT T 程序控制 后酵保温阶段t3结束且 T2 3 t4 48 小时T2 3 程序控制 第二降温阶段t4结束t5 72 小时 2 5 23 Tt t TT T 程序控制 贮酒保温阶段t5结束且 T3 1 不需设定T3 1 程序控制 4 1 2 系统功能 控制系统对发酵过程中温度 压力 液位 周期等工艺参数进行全方位检测控制 为了使罐内酒液循环并有利于不同发酵期的酵母沉淀 一般采用分三段间冷方式 控制 罐内酒液温度 使之形成自上而下的温度梯度 1 对每个发酵罐的上 中 下 3 个测量点的温度进行检测 实现自动控制 罐内 实行压力检测 整个发酵过程的温度控制在不同发酵时期是不同的 根据主酵 双己酰 还原 冷却 酵母回收 后贮的阶段 分别设定曲线进行控制 并采用 PI PID 等控制 方法 使系统控制精度符合工艺要求按啤酒发酵工艺要求 其中从 12 保温向 3 下降的 东北石油大学本科生毕业设计 论文 转折点取决于酒液残糖量而不取决于发酵时间 2 为了保证贮酒在不同阶段的温度设定值 设有温度的上下限报警 为了保证罐 内压力在不同阶段的压力设定值 设有压力的上下限报警 每个罐设有液位指示 可以 作为装酒和成品计量用 还可以了解整个发酵过程的液位变化 整个系统还设定了手动 操作和自动控制选择开关 在任意阶段都能够实现两者间的切换 实现了温度 压力的 手 自动选择控制 程序中有人工阶段选择开关 可以在任意阶段间跳转 从而避免了 因操作人员操作偶尔失误而无法实现后续程序正常运行的情况 3 上位计算机可以动态显示每个发酵罐的工艺流程 即温度 压力 进酒时间 酒龄及超限声光报警等 以便对发酵罐进行宏观管理 并具有阀门的开关状态显示 阀 门的手自动控制 实时报表打印等功能 能监视每个发酵罐的温度 压力周期曲线 当 累积酒龄达到时 自动出信号 以便人工确定是否执行下步操作 4 1 3 PLC 控制系统方案 根据啤酒发酵工艺控制需求 充分考虑企业的综合实力 现状与发展等因素 设计 PLC 控制系统方案 通过对系统的整体分析 可以分析出来系统要提供 21 个开关量输入 16 个开关量输出 五路模拟量的输入 实现啤酒发酵各阶段温度控制 表 4 2 表明各类 具体信号及性质分类 表 4 2 输入 输出节点统计表 输入信号输出信号 启动麦汁进罐手动方式麦汁进罐泵运行 关闭麦汁进罐自动方式满罐温度保持指示 满罐温度保持开上冷媒开关电磁阀主酵自然升温段指示 主酵自然升温段开中冷媒开关电磁阀双乙酞还原阶段指示 双乙酞还原阶段开下冷媒开关电磁阀降温保温阶段指示 降温保温阶段关上冷媒开关电磁阀后酵保温阶段指示 后酵保温阶段关中冷媒开关电磁阀第二降温阶段指示 第二降温阶段关下冷媒开关电磁阀贮酒保温阶段指示 贮酒保温阶段开发酵罐排气阀上冷媒开关电磁阀 发酵罐上部温度关发酵罐排气阀中冷媒开关电磁阀 发酵罐中部温度系统启动 SB1下冷媒开关电磁阀 发酵罐下部温度系统急停 SB2发酵罐排气阀 发酵罐压力压力超限报警 发酵罐液位温度超限报警 自动运行状态 首先 发酵工艺过程模拟量加温度 压力 液位以及各种阀门的状态 进人 PLC PLC 可以根据工艺要求设定的程序自动完成模拟量和开关量的处理 通过控制算法 输出控制信号至执行机构 对阀门进行控制调节 从而完成发酵工艺过程的控制 同时 东北石油大学本