毕业论文-基于PLC的啤酒发酵自动控制系统设计

1 广州大学松田学院 毕业论文（设计） 题 目 _基于 酒发酵自动控制系统设计 _ 2 基于 酒发酵自动控制系统设计 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。 为止，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 计啤酒生产过程中啤酒发酵自动控制系统。 关键词： 酒发酵 温度控制 3 on LC of is of in is in of is of to is is a of to to of of is in of of is to of is as of be to to by of to of to a So to of of of in of LC of 4 目 录 1 绪 论 . 1 . 1 . 2 . 3 2 啤酒发酵 . 3 . 3 . 3 . 4 . 5 3 啤酒发酵自控系统 型和配置 . 6 . 6 7点 . 8 . 9 . 10 . 10 他资源配置 . 错误 !未定义书签。 4 啤酒发酵自控系统 序 . 10 . 10 统硬件配置 . 13 选型 . 13 拟量扩展模块 . 14 制系统硬件配置 . 15 他资源配置 . 16 酒发酵温度 制系统的 I/O 分配 . 16 ， 也是富含营养价值 的食品 ， 每 1005g，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 消费量增长显著 ，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。啤酒的发酵过程能实现自动化后，工人的劳动强度将大大地减小，同时啤酒的质量与生产都有望升上一个新的台阶，企业通过技术改造增加了市场竞争。另一方面，不少化工生产过程都具有相似性，因此我们研制的这一套控制系统性价比高，以后还可以推广到其他很多化工厂生产的场合。应用前景乐观，能产生较 2 大的社会经济效益，能应用新技术，新材料，新设备改进生产工艺，提高生产效率。 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 。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 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。 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 。 内啤酒生产过程控制概况 我国啤酒的产量逐步发展，产品质量达较高水平，品种也赶上去，这就要求国内啤酒生产 发酵过程控制和 更新生产设备 能否 满足市场的需求。 引进国外控制技术。 北京华尔森啤酒厂从捷克全套引进生产设备；北京华都啤酒厂从丹麦引进生产设备；上海华光啤酒厂从瑞士引进生产设备等。引进设备的最大特点是自动化水平比较高，从而能严格满足啤酒生产工艺的要求，因此产量较高，质量较稳定。 1993年国家轻工业部自动化研究所研制的“ 酵微机控制系统”在厦门华侨啤酒厂投入使用，其控制方案也是采用单变量温度控制；国内中小企业结合本厂生产实际自行研究的自动化仪表加手动的生产控制技术，造价低，效果一般，符合企业目前的状况，但不能满足企业长远发展的需求。 我国普遍啤酒厂存在的问题： 1产品低劣，品种单一； 2技术含量低，自控水平差，生产过程多为人工或简单控制，使得啤酒质量不稳定 3原材料消耗大，与国际先进水平存在较大差距 3 酒生产过程自动控制的作用和意义 国内目前 啤酒市场的竞争，体现在两个方面：质量和价格。为适应现在生 产的要求，提高啤酒的质量，提高生产率，在啤酒生产中自动化控制可以增加竞争能力体现在 提高工艺 厂品质量，以及原材料的利用，降低生产成本，减少工人的劳动强度。 强化产品质量管理。 辅助生产管理，方便生产成本的控制盒管理 啤酒生产有自己独有的环境，只有结合国内的啤酒行业实际情况，针对其特殊性，才能开发出适合的生产啤酒的自动控制系统。 2 啤酒发酵 酒发酵概述 啤酒发酵 是一个复杂的过程，发酵过程是把糖化姜汁经过酵母生产乙醇、水、二氧化碳等产物。最终控制为糖度和双乙酰。糖量决定乙醇含量，双乙酰有气味的物质 。 发酵过程的温度变化与发酵液的糖度和双乙酰成统计关系 。实际 上 ，控制发酵液的温度 是 以人工化验 。在啤酒大规模生产中，要求发酵液温度按照一定的工艺曲线变化，温度精确 如果温度过高，会影响啤酒质量，反之则影响了啤酒生产效率。 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 。 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 两小时测一次，直到 还原双乙酰阶段，温度要求 12进入第二 4 阶段要每 2小时测双乙酰的浓度和糖度，直到糖度降至 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。 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 酒发酵设备 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 ，啤酒发酵罐结构示意图 P I T I T I T I L 电 磁 阀 关排 放 C 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 5 啤酒发酵罐结构示意图 酒发酵工艺曲线 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： 然升温 然升温 ，主发酵保温 乙酰含量 ，主发酵降温 后发酵保温 后发酵降温 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。 6 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 。 3 啤酒发酵自控系统 型和配置 型 可编程控制器 (工作原理 当 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 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； 成示意图 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 ； 电源 中央处理单元 （ 存储器 系统程序 ) 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 入器 上位计算机 7 功能完善 ； 易于掌握、便于维修 。 据啤酒发酵的工艺流程和需要， 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 得 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 。 西门子 有体积小，运行速度高，功能强等特点。 (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， 以垂直或水平方向安装。 (2) 配有 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。 2.4 直流传感器或负载驱动电源，输出电流可达 180 24 种 种不同的类型可供选择 减计数器，而们可用软件或硬件复位。 系统备有专用的扩展模块（ 可方便地进行输入，输出及模拟量扩展。 8 7要功能及特点 （ 1）执行指令速度高。 （ 2）丰富的指令功能。 （ 3）灵活的中断功能，中断触发有几种形式：可用软件设定为中断输入信号的上升沿式下降沿，以便做出快 速响应；可设为时间控制的自动中断；可由内置高数计数器自动触发中断；在与外设通信时可以以中断分式工作。 （ 4）输入和输出的直接查询和赋值。（ 5）严格的口令保护 。 （ 6）调试和故障诊断功能 。 （ 7）输入或输出的强制功能。用户调试程序时，可对输入或输出强制接通。 （ 8）通信功能。用户提供了强大，灵活的通信功能。用户对点接口（ 特性 形尺 寸 80*80*62 90*80*62 0*62 190*8.*62 存储器 用户程序 2048 字 2048 字 4096 字 4096 字 用户数据 1024 字 1024 字 2560 字 2560 字 用户存储器类型 据后备 （ 超级电容 ） 典型值 50 小时 50 小时 50 小时 50 小时 输入输出 本机 I/O 6 入 4 出 8 入 /6 出 14 入 /10 出 24 入 /16 出 扩展模块数量 无 2 个模块 7 个模块 72 个模块 数字量 I/O 映像区大 小 256 256 256 256 模拟量 I/O 映像区大小 无 16 如 /16 出 32 入 /32 出 32 入 /32 出 指令系统 33令 令 令 令 环 有 有 有 有 实数指令 有 有 有 有 9 整数指令 有 有 有 有 主要内部继电器 I/O 映像寄存器 128I 和 128Q 128I 和 128Q 128I 和 128Q 128I 和 128Q 内部通用继电器 256 256 256 256 计数器 /定时器 256/256 256/256 256/256 256/256 写入 /写出 无 16/16 32/32 32/32 顺序控制继电器 256 256 256 256 附加功能 内置高速计数器 4H/W（ 20 4H/W（ 20 6H/W（ 20 6H/W（ 20 模块量调节电位器 1 1 2 2 脉冲输出 2（ 20 2（ 20 2（ 20 2（ 20 通信中断 1 发送 /2 接收 1 发送 /2 接收 1 发送 /2 接收 1 发送 /4 接收 硬件输入中断 4，输入滤波器 4，输入滤波器 4，输入滤波器 4，输入滤波器 定时中断 2（ 1255 2（ 1255 2（ 1255 2（ 1255 定时时钟 有 （ 时钟卡 ） 有 （ 时钟卡 ） 有 （ 内置 ） 有 （ 内置 ） 口令保护 有 有 有 有 通信功能 通信口数量 1（ 1（ 1（ 支持协议 0 号口 1 号口 自由口 N/A 自由口 N/A 自由口 N/A 自由口 （ 同 0 号口 ） 要的性能指标 本显示器 7需要用按特定的通信电缆连接到 口上就可以了。 1显示信息，可以显示最多 80条信息，每条信息最多可包含 4个变量。 2可设定 上机型的实时时钟。 3提供强制 I/O 点诊断功能。 4过程参数的修改。 5可编程的 8个功能键可以代替普通的控制按钮作为控制键 。 6输入和输出设定。 8个可编程式功能键盘的每一个都分配了一个 存储器位。 10 磁阀 脉冲宽度调制 (是英文 “的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉宽调制（ 本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则 对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 制的原理和特点 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 称 0年历史，它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时， 控制理论 的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 当我们不完全 了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 际中也有 用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。 10 4 啤酒发酵自控系统 序 计思路 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段冷媒进口的两位式电磁阀来实现发酵罐温度控制的方法， 本系统利用 现发酵罐温度的控制， 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 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。 程序中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。根据啤酒发酵温度控制各阶段转换条件及控制要求。 采用的是德国 司的 列 用与之相配的 程软件，通过 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 发酵过程中设定的参数 主酵设定温度值（ ）、主酵上下温 度差值（ ） 主酵降温温度设定值（ ），降温过程总时间（ 48小时）、主酵降温上下温度差值（ 后酵设定温度值（ 后酵上下温度差值（ ） 后酵降温温度设定值（ 降温过程总时间、后酵降温上下温度差值（ 11 C） 贮酒温度设定值（ 贮酒上下温度差值（ 主要的阶段有：主酵阶段控温，主酵降温，后酵阶段控温，后酵降温，过滤前贮酒控温，过滤至一般控温，停止控温。 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各阶段转换条件及控制要求见表所示。 啤酒发酵各阶段状态表 工作阶段名称 进入条件 控制要求 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 10 小时 不需设定 关闭所有 主酵 自然升温段 中段温度为参考点，自然升至 序控制 双乙酰还原阶段 12 2 程序控制 降温保温阶段 化验决定，人工输 入指令 00 小时 13 12 程序控制 后酵 保温 阶 段 2=3 48 小时 程序控制 第二降温 阶段 72 小时 25 23 程序控制 贮酒保温 阶 段 3= 1 不需设定 1 程序控制 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 系统控制精度符合工艺要求按啤酒发酵工艺要求， 12 其中从 12 保温向 3 下降的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。 设计 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。表明各类具体信号及性质分类。 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 冷媒开关电磁阀 发酵罐下部温度 系统急停 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 13 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，相关数据通过 位机及模拟屏相同的图形完成系统组态监控与动态处理。此外，为确保系统工作安全，系统设计了手动装置。在意外故障情况下，可以切换自动，进人手动状态，从而保证发酵工艺过程的正常运行。系统采用上下 位机两级递阶结构。具体结构见图 显 示 器 键 盘上 位 计 算 机C P U D A I A I A I D 传 感 器 执 行 装 置打 印 机系统组成结构图 统硬件配置 选型 7列是西门子公司生产的小型可编程程序控制器 14，结构小巧，可靠性高，运行速度快，有极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，配有功能丰富的扩展模块，性能价格比非常高 。 种模块在 基础上功能又进一步增强，主机输 入输出点数增为 40点，具有扩展能力，最大扩展为 248 点数字量或 35 点模拟量，增加了通信口的 14 数量，通信能力大大增强，它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。 根据对整个系统的考察，啤酒发酵温度 ，可知 1个开关量输入和 15个开关量输出， 5个模拟量输入，同时考虑到要留有 20% 30%的余量。通过比较 种 各种技术指标，选定 拟量扩展模块 用可编程控 制器对模拟量进行 采用以下方式： （ 1）用 这种模块的 制程序是可编程控制器生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路，但是，这种模块价格昂贵，一般在大型的控制系统能中使用。 （ 2）用 现在很多可编程控制器都有供 制用的功能指令，如 令。它们 实际上是用于 制的子程序，与模拟量输入 /输出模块一起使用，可以得到类似