基于PLC的啤酒发酵罐温度控制系统设计

基于 啤酒发酵罐温度控制系统设计 摘 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 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 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 is of of on of in ID in t is an to to n LC in is LC to of a s of of a be in of s in it is to or a to o to of of of in of of in to o LC to of 录 第 1 章 概 述 1 11 选题的目的和意义 1 12 啤酒发酵控制系统方案综述 2 13 实现啤酒发酵罐温度 制的主要研究工作 3 14 本章小结 3 第 2 章 啤酒发酵工艺概述 4 21 啤酒发酵概述 4 22 发酵各阶段温度控制机理 4 23 啤酒发酵设备概述 6 24 啤酒发酵温控基本要求 6 25 啤酒发酵工艺流程 7 26 本章小结 9 第 3 章 应用 现啤酒发酵温度控制的可行性分析 10 31 可编程序控制器 特点 10 32 组成与基本原理 11 33 啤酒发酵中应用的可行性 14 34 本章小结 15 第 4 章 啤酒发酵温度 制方案 16 41 系统控制要求及功能 16 42 系统硬件配置 18 43 啤酒发酵温度 制系统的 配 23 44 本章小结 25 第 5 章 现啤酒发酵温度控制的程序设计 26 51 编程软件的介绍 26 52 控制程序流程图 29 53 制 32 54 系统程序设计 34 55 本章小结 37 结 论 38 参考文献 39 致 谢 40 附 录 41 第 1 章 概 述 11 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 13 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 05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 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 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 12 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数据采集插卡方式以工 业 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 插槽中的数据采集卡在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 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 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 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 13 实现啤酒发酵罐温度 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 展模拟量处理模块等部分 3 采用的是德国 司的 列 用与之相配的 程软件通过 制系统设计 14 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 第 2 章 啤酒发酵工艺概述 21 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 05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 65 度时每两小时测量一次直至到达 60度当糖度降到 60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 1218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 30 度时变为每八小时测量一次当糖度降至 30 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 008且糖度降至极限4248 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 0510 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 22 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 05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 0203 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 12 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 02 摄氏度严禁出现温度回升 23 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进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 1154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 1624小时内装满一个锥形罐罐的容量系数取 8085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 24 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 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 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示 图 2酒发酵罐控制系统流程图 25 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 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 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 应热的释放使整个罐内的温度逐渐上升经过 23天后进入发酵最为旺盛的高泡期再过 23 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示图中 0a 段为自然升温段不须外部控制 为主发酵阶段主酵阶段典型的控制温度为 12 为降温逐渐进入后酵典型降温速度为 03 为后酵阶段典型控制点 3 为降温进入贮酒阶段典型降温速度为 015 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 图 2酒发酵工艺曲线 2 啤酒发酵第 3 章 应用 现啤酒发酵温度控制 的可行性分析 31 可编程序控制器 特点 可编程序控制器 称 个名称被一直沿用现代 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 0多年的发展有的已经使用 简指令系统 片最快的 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 术具有二三百步以上的高级指令使 有强大的数值运算函数运算和大批量数据处理能力 10 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 有以下特点 1 高可靠性 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 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 可靠性和抗干扰能力大大优于一般的计算机控制系统 平均故障间隔时间 达几十万小时 2 易操作性 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 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 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 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 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 仅具有逻辑运算定时计数顺序控制等功能而且还具有 换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4 易于实现机电一体化 由于 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 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 32 组成与基本原理 组成结构 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 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分为 整体式和组合式两类 整体式 O 扩展单元与主机配合使用主机中 核心 元是连接 现场设备之间的接口电路通信接口用于 编程器和上位机等外部设备的连接 组合式 元输入单元输出单元智能 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 0m 无论哪知结构类型的 可根据需要进行配置与组合例如 7 整体式结构通过主机连接 展单元 数可在 24 点到 168点的范围内进行配置组合式 在 置上更方便更灵活 11图 3 图 3成示意图 工作原理 与其它计算机系统相同 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 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示 各个阶段完成的任务如下 1公共处理复位监控定时器 2 执行用户程序在程序执行阶段 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 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 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即 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 可靠性和便利性上形成特色奠定了基础 12 块 图 3作流程图 目前国内外的 品有几十个 系列上百个型号各个种类 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 选择包括机型容量块等几个方面的内容 1型的选择 目前国内使用的 司三菱 司的产品德国 以可靠性高著称其主要产品有 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 容量包括主机用户存储器的内存容量和 制点数两个方面选择时应留有适当的裕量做备用 3 选择 块 输入模块有直流 24交流 220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 品本系统选用了 7 系列 件 33 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 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 理也只有在这一小段集中 间中的干扰才会被引入 部在扫描周期的其余大部分时间干扰都被阻挡在 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 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 加入针对慢连续量的 过程控制并不困难而在大中型 普遍采用了多微处理器结构进行多道处理这使得 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 置着大量内含 智能模板有些专用于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 合于各种规模的自动化系统 13 正是由于 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 34 本章小结 本章介绍了西门子 组成并对其特点及基本原理做了深入分析对 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 啤酒发酵中应用的可行性第 4 章 啤酒发酵温度 制方案 41 系统控制要求及功能 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 0015各阶段转换条件及控制要求见表 4示表 4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 束 需设定 中段温度为参考点自然升至 序控制 双乙酰还原阶段 12 需设定 2 程序控制 降温保温阶段 化验决定人工输入指令 00 小时程序控制 后酵保温阶段 束且 48 小时 程序控制 第二降温阶段 束 72 小时 程序控制 贮酒保温阶段 束且 1 不需设定 1 程序控制 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 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 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 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 表 4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 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 通信接口单元和上位机通信链路传至上位机和模拟屏上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 4 4统组成结构图 42 系统硬件配置 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在各行各业中的应用迅速推广在规模不太大的控制领域是较为理想的控制设备 从 块的功能来看 7列小型可编程程序控制器发展至今大致经历了两代在由于第一带产品已经过时在这里只讨论第二带产品第二代产品其 1世纪初投放市场的速度快具有较强的通信能力它具有四种不同结构配制的 121 0点而且无扩展能力具有高速计数器和高速脉冲输出端 用于点数较少的开关量控制系统中 2入输出点数增为 14 点具有扩展能力最大扩展为 78 点数字量或 10路模拟量的输入输出存储容量也得到扩充还新增了 制器它的适应范围更广 3在 4点扩展能力增强最大可扩展为 168 点数字量或 35 点模拟量的输入输出存储容量也进一步增加还增加了高速计数器的数量它具有较强的控制能力 4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 制系统的 数及类型确定可知 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 制的控制器 要的性能指标见表 4 47要的性能指标 特性 外形尺寸 808062 90806212058062 190862 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 数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 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 像区大小 256 256 256 256 模拟量 像区大小无 16 如 16 出 32 入 32 出 32 入 32 出 指令系统 33