基于PLC的啤酒发酵自动控制系统设计定稿版.docx

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基于PLC的啤酒发酵自动控制系统设计定稿版

HUAsystemofficeroom【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】

基于PLC的啤酒发酵自动控制系统设计

毕业设计（论文）

（成教）

题目：

基于PLC的啤酒发酵自动控制

系统设计

院（系）：

机电工程学院

专业：

机械制造与自动化

姓名：

学号：

指导教师：

二〇一四年一月二十日

毕业设计（论文）任务书

学生姓名

学号

71

专业

机械制造与自动化

院（系）

机电工程学院

毕业设计（论文）题目

基于PLC的啤酒发酵自动控制系统设计

任务与要求

一、设计的任务：

　　　1、综合运用平时所学理论基础，基本知识和基本技能，提高和分析解决实际问题的能力。

　　　2、查阅相关文献和资料，制定设计或实验方案。

　　　3、参考文献不得少于6篇。

　　　4、设计、计算、绘图。

　　　5、总结和撰写论文。

　　　6、在规定时间内完成老师布置的论文内容。

二、设计的要求：

　　　1、内容丰富，立意新颖。

　　　2、资料详实，运用得当。

　　　3、语体正确，合符规范。

　　　4、层次清晰，中心突出。

　　　5、论证充分，结论合理。

6、正文不少于?

4000?

字。

完成时间段

2013年11月28日至2014年4月17日共20周

指导教师单位

重庆科创职业学院

职称

讲师

院（系）审核意见

毕业设计（论文）进度计划表

日期

工作内容

执行情况

指导教师

签字

2013.11.28-2013.12.20

查找资料，选题

2013.12.22-2014.1.31

完成论文的初稿

2014.2.1-2014.3.15

完成论文二稿的写作

2014.3.16-2014.4.5

完成论文的终稿及格式修改

2014.4.6-2014.4.20

定稿，打印论文，做好评阅的准备

2014.4.21-2014.4.25

论文评阅

教师对进度计划

实施情况总评

　　　　　　　　　　　　　　　签名

　　　　　　　　　　　　　　　　　年月日

本表作评定学生平时成绩的依据之一。

毕业设计（论文）中期检查记录表

学生填写

毕业设计（论文）题目:

基于PLC的啤酒发酵自动控制系统设计

学生姓名:

学号：

专业：

机械制造与自动化　

指导教师姓名:

职称:

讲师

检查　

教师填写

毕业设计（论文）题目工作量

饱满

一般

不够

毕业设计（论文）题目难度

大

适中

不够

毕业设计（论文）题目涉及知识点

丰富

比较丰富

较少

毕业设计（论文）题目价值

很有价值

一般

价值不大

学生是否按计划进度独立完成工作任务

学生毕业设计（论文）工作进度填写情况　

指导次数

学生工作态度

认真

一般

较差

其他检查内容：

存在问题及采取措施:

检查教师签字:

年月日

院（系）意见

（加盖公章）:

　年月日

摘要

啤酒发酵是啤酒生产中最重要的一道工序，是决定啤酒质量的最关键的一步。

啤酒的发酵是把糖化的姜汁分解成乙醇，由于发酵时间长，过程机理复杂，影响发酵因素很多，对发酵过程缺乏精确的数学模型。

从原料到发酵过程，如何控制好温度，压力，让发酵满足总生产工艺曲线，决定了啤酒的生产质量和生产效率，发酵过程是啤酒生产过程中的重要环节，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。

过去的啤酒发酵过程，啤酒发酵罐多为人工现场操作调节，手工记录。

但随着啤酒产量的不断增加，所需发酵罐也会增多，给生产啤酒带来极大的不便，造成生产质量的稳定，如何提高啤酒生产的综合自动化水平，增强啤酒产业实力成为一个好的研究课题。

为此，本文通过对啤酒生产发酵过程的工艺及关键问题的分析，基于PLC设计啤酒生产过程中啤酒发酵自动控制系统。

关键词：

PLC啤酒发酵温度控制

Abstract

Beerfermentationisoneofthemostimportantprocedureinbeerproduction,isthemostcrucialstepindeterminingthequalityofbeer.Beerfermentationisthebreakdownofsaccharificationgingerintoethanol,duetothelongfermentationtime,theprocessmechanismiscomplex,manyfactorsinfluencingthefermentation,thefermentationprocessisalackofaccuratemathematicalmodel.Fromrawmaterialtothefermentationprocess,howtocontrolthetemperature,pressure,andmakefullofthetotalfermentationtechnologycurve,determinestheproductionqualityandproductionefficiencyofbeer,thefermentationprocessistheimportantlinkintheprocessofbeerproduction,fermentationcontrolsystemofthetaskistocontrolthefermentationliquidofactualtemperaturefermentationandstandardcurveislimitedwithintheerrorrange.

Thebeerfermentation,beerfermentationtankforartificialfieldoperationadjustment,manualrecord.Butastheincreaseofbeerproduction,thefermentationtankwillbeneededtoincrease,producedbeertobringhugeinconveniencecausedbythestablequalityofproduction,howtoimprovethecomprehensiveautomationlevelofbeerproduction,strengthenthebeerindustrytobecomeagoodresearchtopic.

Sofar,thisarticlethroughtothefermentationprocessofbeerproductionprocessandtheanalysisofthekeyproblemsofbeerproductionintheprocessofbeerfermentationbasedonPLCdesignofautomaticcontrolsystem.

KEYWORDS:

beerfermentationtemperaturecontrolbyPLC

第一章绪论1

第二章啤酒发酵过程简介2

第一节啤酒发酵设备2

第二节啤酒发酵工艺曲线3

第三章啤酒发酵自控系统PLC选型和配置5

第四章啤酒发酵自控系统PLC程序设计7

第一节编程软件的介绍7

第二节温度设定值的计算9

第三节PID回路计算11

第四节电磁阀控制13

结论14

致谢15

参考文献16

附录17

第一章绪论

啤酒是一种低浓度的饮料，也是富含营养价值的食品，每100g中仅有酒精3—5g，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。

啤酒是世界上产量以及消费最大的一种酒，啤酒市场非常巨大，世界啤酒的未来充满希望，欧洲啤酒市场和美国啤酒市场，随着人均消费量增长，啤酒消费量增长显着，居世界前列。

作为世界最大且增速最快的啤酒，饮料生产消费大国之一，中国已日趋成为最具吸引力市场。

未来五年中国啤酒将保持平稳持续增长的态势。

同时啤酒工业是我国食品工业中一个重要的产业，随着国家经济的发展和人民生活的改善，喝啤酒变成一种时尚，我们国家人均啤酒消费较世界水平少，这也透出了我国啤酒市场浓浓的商机。

我国内生产啤酒的企业数以百计，但与国外的主要啤酒生产厂家相比，大部分企业的技术相对落后，国的啤酒生产工业前存在许多不尽如人意的地方。

由于啤酒生产的工艺复杂，目前我国大多数啤酒生产企业装备落后，自动化程度低，产品质量不稳定。

大部分处于手动控制阶段，只有极少数企业实现半自动化，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。

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。

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，啤酒生产过程中发酵是一道关键工序，除生产工艺水平外，生产工序控制指标的好坏将直接影响啤酒的质量。

啤酒发酵罐内部温度的精确控制，进而解决了啤酒发酵罐内部温度控制精度不高的问题，提高了啤酒生产的综合自动化水平，使啤酒生产集控制与数据管理于一身，能够适应当前现代化生产的需要。

第二章啤酒发酵过程简介

第一节啤酒发酵设备

一、发酵罐设有上，中，下三个冷却带，有3个电磁阀控制冷却，并有3个温度传感器检测3点温度。

二、啤酒发酵的具体过程。

啤酒发酵主要有3个过程：

主发酵、还原双乙酰和低温贮酒。

三、主发酵阶段，从原姜汁开始主发酵，温度要控制在10℃。

发酵液有糖化车间经管道灌入，起始温度8℃，每罐发酵液分批入罐，每次都要测定糖度信息反馈到糖化车间，保证整罐发酵液符合标准，同时实施温度控制，保证发酵液在规定的温度。

发酵液满罐一小时测量其糖度，每八小时一次，当糖度降至6.5度，每两小时测一次，直到6.0度。

还原双乙酰阶段，温度要求12-18℃，进入第二阶段要每2小时测双乙酰的浓度和糖度，直到糖度降至3.0度每8小时测一次。

当双乙酰浓度到合格标准，发酵就进入降温阶段。

四、发酵温度控制机制：

（1）自动升温阶段，姜汁满罐酵母自然升温，要控制温度，否则会导致啤酒质量下降。

（2）主发酵和双乙酰还原阶段，酵母大量繁殖产生较多热量，当酵母进行无氧呼吸，使罐内中，下部酒液浓度不同，要保持强烈的发酵并均衡的酒液状态，要控制不同部分的温度。

（3）降温保温，还原双乙酰后转入降温阶段，将酒均为冷却与贮酒温度。

酒在不同温度选会形成对流的作用。

酒液密度温度在直接冷却3℃，要以上带和中带控温为主。

3℃保温稳定酒液流态。

3℃以下控制罐下部为主控温，打破温度梯度，满足控制温度效果。

（4）啤酒发酵罐结构示意图:

图2.1发酵罐结构示意图

第二节啤酒发酵工艺曲线

一、啤酒的合口和实际要求不同，啤酒发酵工艺曲线也不同，严格按照工艺曲线控制温度和压力才能保证啤酒质量。

啤酒发酵工艺曲线如下：

图2.2发酵工艺曲线图

T0-麦汁进罐温度，t1-第一升温时间段，自然升温，t2-第一恒温时间段，t3-第二升温时间段，自然升温，主发酵保温，t4-第二恒温时间段，双乙酰含量，主发酵降温，t5-第一降温时间段，后发酵保温，t6-第二恒温时间段，后发酵降温，t7-第二降温时间段

二、各个阶段进行简单地介绍：

（1）麦汁进料，由糖化阶段产生的麦汁原料由糖化罐进入发酵罐中。

（2）自然升温，酵母的加入，酵母菌逐渐开始生长和繁殖。

产生大量的二氧化碳和热量，使原料的温度逐渐上升。

（3）自然升温发酵，产生一种学名叫双乙酰的化学物质。

这个过程需要将这个化合物除去，增加啤酒的品质。

（4）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加入的酵母菌进行沉淀、排出。

（5）低温储酒发酵完成的原料继续储存在发酵罐已经发酵完成的原料继续储存在发酵罐等待过滤、稀释、杀菌等过程的进行。

第三章啤酒发酵自控系统PLC选型和配置

一、当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段：

（1）输入采样：

即检查各输入的开关状态，将这些状态数据存储起来为下一阶段使用；

（2）执行程序：

然后PLC按用户程序中的指令逐条执行，但是把执行结果暂时存储起来；

（3）刷新输出：

按第1阶段的输入状态在第2阶段执行程序中确定的结果，在本阶段中对输出予以刷新；

图3.1组成示意图

PLC的特点：

控制程序可变，具有很好的柔性；

具有高度可靠性，适用于工业环境；

功能完善；

易于掌握、便于维修。

二、据啤酒发酵的工艺流程和需要，PLC的选型需要满足以下条件：

（1）有简单回路控制算法。

（2）有模拟量的采集、处理过程及开关量的输入/输出功能。

（3）有温度显示和用外部按键随时改变内部参数

PLC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。

三、西门子S7-200系列PLC，S7-200系列的PLC具有体积小，运行速度高，功能强等特点。

四、S7-200PLC机械结构特性：

（1）体积小，重量轻，结构紧凑，可用接线端子排接线，而且接线端子前带有面板保护，PLC上设计有标准的DIN导轨安装机构和安装孔，可以垂直或水平方向安装。

（2）免维护性。

S7200CPU中配有EPROM，可以永久保护用户程序和一些重要参数。

它还安装有大容量电容，可以长时间存储数据而不需要后备电池。

（3）PLC内有24∨直流传感器或负载驱动电源，输出电流可达180mA或24mA灵活中断输入。

（4）为了适合不同场合使用，每种CPU又都有3种不同的类型可供选择

（5）灵活中断输入。

S7-200cpu可以以极快的速度来响应中断请求信号的上升沿或下降沿

（6）PLC内配有高速计数器。

CPU212有一个2KHZ的加/减计数器，而CPU214-CPU216有两个独立的7KHZ的高速计数器，他们可用软件或硬件复位。

（7）便于扩展，为系统备有专用的扩展模块（EN），可方便地进行输入，输出及模拟量扩展。

第四章啤酒发酵自控系统PLC程序设计

第一节编程软件的介绍

一、指令系统

（1）可编程序控制器中所有指令的集合，就称它为指令系统。

指令系统是表征PLC性能的重要指标，他的格式与功能硬件紧密联系，而且直接影响程序的编制，从而影响机器系统的应用范围。

（2）S7-200系列PLC主机中有两类基本指令集：

SIMATIC指令集和IEC1131-3指令集。

（3）SIMATIC指令集：

是为S7-200系列PLC设计的，本指令通常执行时间短，而且可以用LAD、STL和FBD三种编程语言。

（4）IEC1131-3指令集是不同PLC厂家的指令标准，不能使用STL编程语言。

（5）利用计算机编程软件STEP7MicroWIN/WIN32提供的不同的编程语言，可以利用这些指令创建控制程序，两种指令集和所选用编程语言的可能组合。

（6）STEP7-Micro/WIN32是S7-200系列的PLC的编程软件。

可以对S7-200的所有功能进行编程。

该软件可以在Windows平台上运行，其基本功能是协助用户完成应用软件任务。

例如创建用户程序、修改和编辑过程中编辑器具有简单的语法检查功能，还可以直接用软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控。

本系统中采用的PID算法可由PID指令直接生成。

二、发酵温度控制系统流程图

PLC实现啤酒发酵温度控制的主要任务是接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行比较，计算出温度偏差值，再使用简单的PID控制回路计算出电磁阀的开度，从而实现对发酵罐温度的控制。

为了达到预定的控制效果，采用自动或由操作人员手动选择控制的方法。

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。

图4.1单罐啤酒发酵温度控制系统流程图

三、控温程序流程图设计

根据前面工艺流程的介绍，可以总结出实现啤酒发酵温度自动控制的双乙酰还原阶段、降温保温阶段、后酵保温阶段、第二降温阶段、贮酒保温阶段等控温阶段基本的程序流程图如图。

图4.2啤酒发酵控制过程程序流程图

四、主程序

主程序控制系统的启动与停止，整个发酵温度控制过程根据不同发酵时期的不同转换条件，调用相关子程序，完成主酵→双乙酰还原→冷却→酵母回收→后贮的阶段的温度根据设定好的曲线实现控制。

主程序部分截图见附录。

第二节温度设定值的计算

一、下面是计算温度的设定值的程序：

温度设定值的计算由网络9～网络13组成对发酵罐温度使用PID控制必须具备的条件是设定的温度和实际温度。

二、按比例计算求值：

如图4.3所示，曲线a是温度设定曲线的一部分，t1和t2是曲线的两个端点的横坐标，T1和T2是曲线的两个端点的纵坐标，t是当前的时间，T就是当前的设定温度。

用很简单的比例关系式就可以求出当前的设定温度值T。

图4.3温度曲线图

三、网络梯形图：

（1）网络1~2的指令解释见附录，网络1~2的梯形图如图4.4所示。

图4.4网络1~2梯形图

（2）网络3～5的指令解释见附录，网络3～5的梯形图如图4.5所示。

图4.5网络3~5梯形图

第三节PID回路计算

在计算出温度的设定值之后，就可以根据以下的PID计算式计算出对应的输出值

网络6～网络12就是根据上面公式计算回路调节输出的一段程序。

梯形图见图4.6所示。

图4.6网络6~12梯形图

第四节电磁阀控制

计算出PID的回路输出值之后，就要相应的调节电磁阀的输出以控制发酵罐内的温度值。

由PID输出值以及发酵阶段的不同，计算出不同的电磁阀开关时间，梯形图见图4.7所示。

图4.7网络梯形图

结论

本文针对我国啤酒发酵控制工艺环境与工艺控制需求，经过认真调研、分析，对目前国内外较先进的发酵工艺控制系统进行了综合比较与评价，主要完成了以下几个方面：

（1）该啤酒发酵工艺微机控制系统是基于S7-300PLC的控制系统。

该系统性能/价格比高、可靠实用、技术先进，完全满足啤酒生产发酵工艺的技术要求，并兼顾了发展的需求。

（2）在啤酒发酵生产过程中，为了克服了大惯性、时滞和非线性等特点制约啤酒生产质量和效率的缺点，采用了PID控制模块控制方案。

但是本论文中许多方面还有待进一步研究和提高，主要有：

（1）由于上位机部分已经有比较成熟的组态界面和执行程序，并且自身时间限制所以暂时没有对控制系统上位机部分作详细的研究，有待今后继续研究，完善提高。

（2）更全面的应用可编程控制器的通信功能，使控制系统更具有可靠性。

并实现厂级问计算机网络的联网。

（3）采用更多的先进和完善的控制算法。

致谢

值此论文完成之际，谨向悉心指导我的导师老师致以诚挚的敬意和衷心的感谢!

在我的学习生涯中，老师在学习上给予我不尽的帮助和鼓励!

老师严谨的治学态度和谦逊的人格魅力将鞭策我在以后的人生道路上不断进取!

感谢老师们的关心和帮助!

感谢同学们在这三年中对我学习和生活上的鼓励！

感谢我的父母，是他们给予我无尽的精神动力!

最后，对所有关心我、支持我、帮助过我的老师、同学、同事和亲友们表示衷心的感谢和祝福。

参考文献

[1]彭翠云，赵广耀，戎海龙.汽车倒车系统中超声波测距模块的设计[M].安徽工程科技学院，2004，12：

14~65.

[2]苏炜，龚壁建.超声波测距误差分析[J].传感器技术，2004，23（6）：

8~11.

[3]吴妍，袁佑新.可视倒车雷达预警系统设计.微计算机信息，2007，2：

268~270.

[4]杨帮文.新型集成器件实用电路（修订版）[M].电子工业出版社，2006.

[5]沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实现[M].电子工业出版社，2005.

[6]谢维成，杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计[M].清华大学出版社，2006.

[7]刘光斌.实用低功耗设计-原理、器件与应用[M].人民邮电出版社，2003.

附录

啤酒发酵罐温度控主程序

Network1

LDI0.0

CALLSBR0

Network2

//急停

LDI0.2

CALLSBR1

Network3

//麦汁进罐

LDI0.5

AQ4.4

OQ1.0

ANQ4.4

ANM5.0

ANI0.6

=Q1.0

Network4

//满罐检测

LDQ1.0

MOVWAIW16,VW18

AENO

ITDVW18,VD56

AENO

AD=VD56,VD2000

=M5.0

Network5

//满罐温度保持阶段

LDL0.0

OI1.0

=Q3.0

=Q4.4

=M1.0

Network6

//满罐温度保持定时

LDNT43

AM1.0

TONT43,360

Network7

LDT43

LDM1.1

CTUC0,10

Network8

//满罐定时时间到

LDW=C0,10

=M1.1

Network9

//主酵自然升温阶段

LDM1.1

OI1

OQ3.1

=Q3.1

CALLSBR2

RQ4.3,QB3

Network10

//主酵自然升温测量

LDQ3.1

MOVWAIW8,VW12

AENO

ITDVW12,VD2044

AENO

AD=VD2044,VD2004

=M1.2

Network11

//双乙酰还原阶段

LDM1.2

OI1.3

OQ3.2

=Q3.2

CALLSBR3

Network12

//降温保温阶段

LDI1.4

OQ3.3

=Q3.3

CALLSBR4

Network13

//降温保温温度检测

LDM2.3

MOVWAIW8,VW12

AENO

ITDVW12,VD2044

AENO

AD=VD2044,VD2008

SM1.4,MB1

Network14

//后酵保温阶段

LDM2.3

AM1.4

OQ3.4

OI1.5

=Q3.4

CALLSBR5

Network15