工業(yè)自動化控制論文目錄摘要.3ABSTRACT.41緒論.51.1選題的目的和意義.51.2啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)方案綜述.51.3實現(xiàn)啤酒發(fā)酵罐溫度PLC控制的主要研究工作.62啤酒發(fā)酵工藝概述.72.1啤酒發(fā)酵概述.72.2發(fā)酵各階段溫度控制機理.72.3啤酒發(fā)酵設(shè)備概述.82.4啤酒發(fā)酵溫控基本要求.92.5啤酒發(fā)酵工藝流程.103應(yīng)用PLC實現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度控制的可行性分析.123.1可編程序控制器PLC的特點.123.2PLC的組成與基本原理.133.2.1PLC的組成結(jié)構(gòu).133.2.2PLC的工作原理.133.2.3PLC的主要功能和應(yīng)用.153.3PLC在啤酒發(fā)酵中應(yīng)用的可行性.154啤酒發(fā)酵溫度PLC控制方案.174.1系統(tǒng)控制要求及功能.174.1.1啤酒發(fā)酵溫度要求.174.1.2系統(tǒng)功能.174.1.3PLC控制系統(tǒng)方案.185啤酒發(fā)酵溫度PLC控制硬件設(shè)計.205.1系統(tǒng)硬件配置.205.1.1CPU的選型.205.1.2模擬量擴展模塊.225.1.3控制系統(tǒng)硬件配置.235.2啤酒發(fā)酵溫度PLC控制系統(tǒng)的I/O分配.245.2.1I/O地址分配.246PLC實現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度控制的程序設(shè)計.27.1編程軟件的介紹.276.1.1指令系統(tǒng).27.1.2PLC程序設(shè)計流程及原則.28.1.3STEP7-MICRO/WIN32編程軟件基本信息.296.2控制程序流程圖.30.2.1發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)流程圖.30.2.2控溫程序流程圖設(shè)計.316.3PID控制.326.3.1S7-200的PID指令.326.3.2數(shù)值轉(zhuǎn)換及標準化.336.3.3選擇PID回路類型.336.4系統(tǒng)程序設(shè)計.336.4.1符號表.336.4.2主程序.356.4.3主酵自然升溫段程序.366.4.4溫度控制程序.366.4.5電磁閥控制.40結(jié)束語.41致謝.42參考文獻.43利用PLC實現(xiàn)啤酒發(fā)酵罐溫度的自動控制摘要人類使用谷物制造酒類飲料已有8000多年的歷史。中國的啤酒是19世紀末從外國傳入的。啤酒工業(yè)是我國食品工業(yè)占有重要地位，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活的改善，我國啤酒工業(yè)也得到空前發(fā)展。盡管如此，我國的啤酒生產(chǎn)工業(yè)目前還存在較大的提升空間。由于起步較晚及啤酒生產(chǎn)的工藝復(fù)雜，目前我國大多數(shù)啤酒生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)裝備落后，自動化程度低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。如何提高啤酒生產(chǎn)的綜合自動化水平，增強我國啤酒產(chǎn)業(yè)的綜合實力這一課題有很大研究空間。發(fā)酵過程是啤酒生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)之一，本文以啤酒發(fā)酵過程為工程背景，利用PLC實現(xiàn)對啤酒發(fā)酵過程溫度的控制，這對更加牢固掌握PLC并將PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實際及了解啤酒的生產(chǎn)工藝有很好作用。本文主要工作在于:由于啤酒發(fā)酵對象的時變性、時滯性及其不確定性，決定了發(fā)酵罐控制必須采用特殊的控制算法。由于每個發(fā)酵罐都存在個體的差異，而且在不同的工藝條件下，不同的發(fā)酵菌種下，對象特性也不盡相同。因此很難找到或建立某一確切的數(shù)學模型來進行模擬和預(yù)測控制。為節(jié)省能源，降低生產(chǎn)成本，并且能夠滿足控制的要求，發(fā)酵罐的溫度控制選擇了檢測發(fā)酵罐的上、中、下3段的溫度，通過上、中、下3段液氨進口的兩位式電磁閥來實現(xiàn)發(fā)酵罐溫度控制的方法。利用PLC來實現(xiàn)整個過程溫度的控制。該系統(tǒng)性能/價格比高、可靠、技術(shù)先進，完全滿足啤酒生產(chǎn)發(fā)酵工藝的技術(shù)要求，并兼顧了實用的需求。關(guān)鍵詞：PLC；發(fā)酵溫度；對象ABSTRACTThehumanusethegrainmanufacturewinesmorethan8000years.BeerspreadfromtheforeigncountrytoChinain19century.Beerproduction,asoneofthemostimportanttraditionalindustry,hasbeendevelopedquicklyinourcountrywiththedevelopmentofcivileconomyandtheimprovementofstandardofliving.However,becauseofthecomplexityofthebeerproduction,domesticbrewerieshavemanydisadvantages,suchasoutdatedmeasurementandcontrolequipments,lowlevelofautomation,instableproductquality,etc.Howtoimprovetheintegratedautomationlevelinbeerproductionbecomesanurgentresearchproject.Beerfermentationisoneofthekeystepsofbeerproduction.Thus,onthebasisofsomeprojectsinbreweries,thisthesisinvestigatedbeerfermentationautomationandFuzzyIntelligentPIDalgorithmappliedinthisprocess.Itisanattempttoapplyhightechnologytotraditionalindustryandhasimportantlypracticalmeaning.Inthispaper,beerfermentationprocessfortheprojectbackground,theuseofPLCinthebeerfermentationprocesstemperaturecontrol,whichismorefirmlygraspPLCandusedtoproducepracticalandunderstandingofthebeerproductionprocesshaveaverygoodrole.Whatthisresearchsoluteis：Astheobjectofbeerfermentation,degeneration,andtheuncertaintyofthedelay,adecisionmustbeincontroloffermentationtankspecialcontrolalgorithms.Aseachthereareindividualdifferences,butindifferentprocessconditions,differentfermentationbacteria,theobjectcharacteristicsvary.Thereforeitisdifficulttofindorcreateaprecisemathematicalmodeltosimulateandforecastcontrol.Tosaveenergy,reduceproductioncostsandtomeettherequirementsofcontrol,temperaturecontroloffermentationtankselectedthedetectionofthefermentationtank,inthenextparagraph3ofthetemperature,throughtheupper,middleandlowerimportsofliquidammoniainparagraphthreeElectromagneticvalvetoachievefermentationtanktemperaturecontrolmethod.Tosolutethewholeprocesstemperaturecontrolbyplc.Thesystemperformancehigherthanprice,reliable,advancedtechnology,tofullymeetthefermentationprocessofbeerproductiontechnologyrequirements,takingintoaccountthepracticalneeds.Keywords:PLC；Fermentationtemperature；object1緒論1.1選題的目的和意義啤酒是世界上產(chǎn)量及消費最大的一種酒，特別是北美及歐洲國家的總產(chǎn)量及人均消費量均居世界前列，我國隨著改革開放現(xiàn)代化建設(shè)，人民生活水平不斷斷提高，啤酒己成為人們的時尚飲品，市場的寵兒，生產(chǎn)直線上升，進入九十年代后產(chǎn)量逐年增加，目前已成為僅次于美國的世界第二大啤酒產(chǎn)銷國，令世界啤酒界人士刮目相看。但是我國人均啤酒消費水平只有8升，僅相當于世界水平的1/3差距很大；近年來，雖然我國的啤酒裝備配套水平有很大提高，但與國外的主要啤酒生產(chǎn)廠家相比大部分企業(yè)技術(shù)落后，國內(nèi)的啤酒行業(yè)迫切要求進行技術(shù)改造，提高生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，以確保在激烈的市場競爭中立于不敗之地。由于啤酒生產(chǎn)的工藝復(fù)雜，目前我國大多數(shù)啤酒生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)裝備落后，自動化程度低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。如何提高啤酒生產(chǎn)的綜合自動化水平，增強我國啤酒產(chǎn)業(yè)的綜合實力是一個很好的研究課題1。啤酒發(fā)酵是啤酒生產(chǎn)過程非常重要的環(huán)節(jié)，是決定啤酒質(zhì)量的最關(guān)鍵的一步，特別是對發(fā)酵過程中溫度、壓力的控制尤其重要，控制指標的好壞將直接影響啤酒的質(zhì)量。早期，由于人們對發(fā)酵機理認識不深，再加上采用控制器的限制，對發(fā)酵采取自動控制未能成功。隨著人們對發(fā)酵機理的逐步認識，并隨著可靠性高、能經(jīng)受惡劣環(huán)境器件的引用，對發(fā)酵采用自動控制逐漸取得成功。啤酒發(fā)酵具有非線性、時間滯后和大慣性等特征，發(fā)酵過程的精密控制一直是自動控制領(lǐng)域較難解決的問題之一。按啤酒發(fā)酵的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)周期一般在十五天左右，要求發(fā)酵液的溫度嚴格按照一定的工藝曲線變化。溫度控制精度在0.5范圍內(nèi)，這樣的控制精度單憑傳統(tǒng)的熱工儀表加上手工操作方式是完全不能滿足要求的，但目前國內(nèi)的不少生產(chǎn)廠家都是采用這種生產(chǎn)方式。隨著控制領(lǐng)域新技術(shù)、新方法的不斷涌現(xiàn)，這些問題也在不斷地得到改進。改進啤酒發(fā)酵生產(chǎn)過程控制是釀造業(yè)技術(shù)進步的有效措施，它可以在不增加原材料及動力消耗的前提下，增加產(chǎn)品產(chǎn)量、提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時還可以減輕勞動強度、改善工作條件、提高發(fā)酵工藝水平及生產(chǎn)管理水平。因此，優(yōu)化啤酒發(fā)酵控制應(yīng)用前景樂觀，能產(chǎn)生較大的社會經(jīng)濟效益，具有很大的應(yīng)用價值。利用PLC實現(xiàn)啤酒發(fā)酵罐溫度的自動控制的選題。對提高啤酒發(fā)酵溫度控制精度，優(yōu)化啤酒溫度控制過程，使用效果好且性能穩(wěn)定可靠，編程簡單，具有非?，F(xiàn)實的意義。同時我個人可以通過這次設(shè)計更加鞏固PLC知識，更好地掌握梯形圖等編程。熟悉啤酒的制造工藝及過程，并通過此次設(shè)計鍛煉將理論應(yīng)用于實際的能力。1.2啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)方案綜述目前，國內(nèi)啤酒生產(chǎn)(糖化、發(fā)酵工段)的控制水平基本上可以分為四個檔次。1)完全手動操作方式其主要特點是閥門為手動。對溫度、壓力、液位、流量、濁度、電導(dǎo)率等生產(chǎn)過程中的模擬量信號采用常規(guī)分散儀表進行采集，然后集中或現(xiàn)場顯示，操作人員在現(xiàn)場或集中操作盤(柜)上控制主要設(shè)置啟停，閥門由工人到現(xiàn)場操作。這種方式下啤酒生產(chǎn)工藝參數(shù)得不到可靠執(zhí)行，一致性較差，啤酒質(zhì)量受人為因素影響較大，而且工人的操作勞動強度很大，主要生產(chǎn)設(shè)備與裝置不能工作在較佳狀態(tài)，原材料利用率低，產(chǎn)品能耗大，不可能采用較復(fù)雜的先進工藝生產(chǎn)啤酒，生產(chǎn)成本較高2。2)半自動控制方式(集中手動控制方式)其主要特點為閥門多采用氣動或電動自動閥門。采取諸如數(shù)據(jù)采集器等手段采集各種過程量進入控制室，一般設(shè)有馬賽克模擬屏或上位機。在模擬屏或上位機上顯示各種溫度、流量、壓力、液位等過程參數(shù)和電機、閥門的開啟狀態(tài)，對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控，操作人員根據(jù)顯示的參數(shù)和工藝參數(shù)對比，在模擬屏或操作臺上遙控閥門開啟和電機啟停從而滿足工藝要求，生產(chǎn)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)由人工記錄。但由于需要操作工人的頻繁介入，其啤酒質(zhì)量和口味也有較大的波動，工人勞動強度也比較大。3)PC機+數(shù)據(jù)采集插卡方式以工業(yè)PC機加各種數(shù)據(jù)采集卡為代表，過程控制中的各種信號在外圍通過相應(yīng)的變送器送入插在工業(yè)PC機插槽中的數(shù)據(jù)采集卡，在PC機畫面上顯示各種生產(chǎn)過程參數(shù)，同時控制閥門與泵、電機等設(shè)備的啟、停來滿足工藝生產(chǎn)要求，目前國內(nèi)不少啤酒廠發(fā)酵車間采用這種系統(tǒng)進行控制。一定程度上解決了啤酒生產(chǎn)過程控制問題，但存在以下缺點：a系統(tǒng)可靠性差。b畫面呆板，缺乏一般工控組態(tài)軟件靈活的程序腳本控制功能，同時系統(tǒng)本身安全性差，難以建立有效的操作等級和權(quán)限制度。c系統(tǒng)的可擴充性差。d由于外圍器件的漂移較大，系統(tǒng)控制精度受一年四季影響大，控制效果不理想3。4)分布式控制系統(tǒng)采用先進的計算機控制技術(shù)與多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)加先進的控制算法對生產(chǎn)工序進行自動控制，主要特點是采用PLC作為下位機。目前有DCS(分布式控制系統(tǒng))控制系統(tǒng)與FCS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng))控制系統(tǒng)兩種。在這種控制方式中，下位機網(wǎng)絡(luò)中控制單元一般采用PLC，其可靠性非常高(一般可連續(xù)可靠工作20年)，性能穩(wěn)定，上位機網(wǎng)絡(luò)可兼容多種通訊協(xié)議(如TCP/IP協(xié)議)，和標準數(shù)據(jù)庫，掛在局域以太子網(wǎng)上，便于信息集成管理，和功能拓展。但主要缺點是一次投入資金較大4。目前啤酒工業(yè)總的技術(shù)特點是向設(shè)備大型化、自動化、生產(chǎn)周期短，經(jīng)濟效益高的方向發(fā)展。近十年來，我國的啤酒工業(yè)得到了迅速發(fā)展，但是由于起步較晚，生產(chǎn)設(shè)備都比較落后，自動化程度低，因而產(chǎn)品效率較低，產(chǎn)品質(zhì)量也不高，噸酒能耗較大，這都是我國啤酒工業(yè)急待解決的問題。啤酒發(fā)酵對象的時變性、時滯性及其不確定性，決定了發(fā)酵罐控制必須采用特殊的控制算法。由于每個發(fā)酵罐都存在個體的差異，而且在不同的工藝條件下，不同的發(fā)酵菌種下，對象特性也不盡相同。因此很難找到或建立某一確切的數(shù)學模型來進行模擬和預(yù)測控制我國大部分啤酒生產(chǎn)廠家目前仍然采用常規(guī)儀表進行控制，人工監(jiān)控各種參數(shù)，人為因素較多。這種人工控制方式很難保證生產(chǎn)工藝的正確執(zhí)行，導(dǎo)致啤酒質(zhì)量不穩(wěn)定，波動性大且不利于擴大再生產(chǎn)規(guī)模。1.3實現(xiàn)啤酒發(fā)酵罐溫度PLC控制的主要研究工作(1)熟悉啤酒發(fā)酵的工藝過程，詳細分析控制要求，選定裝置所需檢測和控制的參數(shù)，確定系統(tǒng)的控制方案。(2)完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計及其系統(tǒng)選型，包括系統(tǒng)的硬件連線，PLC的選型，PLC點數(shù)確定、PLC，擴展模擬量處理模塊等部分。(3)采用的是德國SIEMENS公司的S7-200系列PLC，運用與之相配的STEP7編程軟件，通過STL和LAD兩種編程語言編制了下位機的控制程序，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計，實現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度自動控制的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計。2啤酒發(fā)酵工藝概述2.1啤酒發(fā)酵概述啤酒是采用麥芽和水為主要原料，加酒花，經(jīng)酵母發(fā)酵釀制而成的一種含有二氧化碳、氣泡的低酒精度飲料。啤酒生產(chǎn)工藝主要由麥汁制備(俗稱糖化)、啤酒發(fā)酵、啤酒罐裝等工藝流程組成。發(fā)酵過程是啤酒生產(chǎn)中一個非常重要的環(huán)節(jié)，啤酒發(fā)酵是一個復(fù)雜的生化過程，這個過程可以理解為把麥汁轉(zhuǎn)化為啤酒的過程，整個發(fā)酵過程同樣也包含若干個生產(chǎn)工序，如：麥汁充氧、酵母添加、發(fā)酵、過濾、修飾以及酵母擴培等等。生產(chǎn)周期都在十幾天以上，要求發(fā)酵液的溫度嚴格按照一定的工藝曲線變化，溫度控制精度在0.5范圍內(nèi)如果溫度控制偏低，就會使得發(fā)酵過程緩慢，影響生產(chǎn)進度；如果溫度偏高，又會造成生化參數(shù)超出標準，影響啤酒的質(zhì)量。啤酒發(fā)酵整個過程分為：主發(fā)酵階段、還原雙乙酰階段和低溫貯酒階段。從原麥汁入罐時刻起，就開始進行主發(fā)酵，這一階段的溫度控制在12攝氏度(不同工藝數(shù)值不同)。發(fā)酵液直接由糖化車間經(jīng)管道灌入，初始的溫度大約為8攝氏度左右，糖度為10度左右，每一罐發(fā)酵液需要分幾批入罐，每一次入罐后都要由化驗員測定一次糖度并把信息反饋到糖化車間，保證最后整罐發(fā)酵液的初始糖度符合標準。同時溫度控制開始實施，以保證滿罐后發(fā)酵液的溫度在規(guī)定范圍內(nèi)。發(fā)酵液滿罐后1小時工人開始測量發(fā)酵液的滿罐糖度，以后每隔八小時測量一次。當糖度降至低于6.5度時，每兩小時測量一次，直至到達6.0度。當糖度降到6.0度時主發(fā)酵階段結(jié)束，主發(fā)酵階段約歷時4天。發(fā)酵進入還原雙乙酰階段，這一階段要求溫度控制在121