工业自动化控制论文.doc

工业自动化控制论文目录摘要.3ABSTRACT.41绪论.51.1选题的目的和意义.51.2啤酒发酵控制系统方案综述.51.3实现啤酒发酵罐温度PLC控制的主要研究工作.62啤酒发酵工艺概述.72.1啤酒发酵概述.72.2发酵各阶段温度控制机理.72.3啤酒发酵设备概述.82.4啤酒发酵温控基本要求.92.5啤酒发酵工艺流程.103应用PLC实现啤酒发酵温度控制的可行性分析.123.1可编程序控制器PLC的特点.123.2PLC的组成与基本原理.133.2.1PLC的组成结构.133.2.2PLC的工作原理.133.2.3PLC的主要功能和应用.153.3PLC在啤酒发酵中应用的可行性.154啤酒发酵温度PLC控制方案.174.1系统控制要求及功能.174.1.1啤酒发酵温度要求.174.1.2系统功能.174.1.3PLC控制系统方案.185啤酒发酵温度PLC控制硬件设计.205.1系统硬件配置.205.1.1CPU的选型.205.1.2模拟量扩展模块.225.1.3控制系统硬件配置.235.2啤酒发酵温度PLC控制系统的I/O分配.245.2.1I/O地址分配.246PLC实现啤酒发酵温度控制的程序设计.27.1编程软件的介绍.276.1.1指令系统.27.1.2PLC程序设计流程及原则.28.1.3STEP7-MICRO/WIN32编程软件基本信息.296.2控制程序流程图.30.2.1发酵温度控制系统流程图.30.2.2控温程序流程图设计.316.3PID控制.326.3.1S7-200的PID指令.326.3.2数值转换及标准化.336.3.3选择PID回路类型.336.4系统程序设计.336.4.1符号表.336.4.2主程序.356.4.3主酵自然升温段程序.366.4.4温度控制程序.366.4.5电磁阀控制.40结束语.41致谢.42参考文献.43利用PLC实现啤酒发酵罐温度的自动控制摘要人类使用谷物制造酒类饮料已有8000多年的历史。中国的啤酒是19世纪末从外国传入的。啤酒工业是我国食品工业占有重要地位，随着国民经济的发展和人民生活的改善，我国啤酒工业也得到空前发展。尽管如此，我国的啤酒生产工业目前还存在较大的提升空间。由于起步较晚及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这一课题有很大研究空间。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：PLC；发酵温度；对象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绪论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。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。2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121