（机械设计及理论专业论文）基于profibus现场总线技术的啤酒发酵过程plc自动控制系统.pdf

硕十学位论文 摘要 啤酒工业是我国食品工业中一个重要的产业部门，随着国民经济的发展和人民生活 的改善，我目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许 多1 i 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。发酵过程是啤酒生产过程中的重要环 仃之一。，本文以啤酒发酵过程为工程背景，对啤酒发酵过程的自动化及温度控制策略进 行研究，这对利用高新技术提升传统产业的综合技术水平具有现实意义。 本文主要：l 作在于： 当前很多啤酒厂仍然沿用着多年前的自控装置，而这些自控装置随着生产的扩大 和自控要求的不断提高，己经无法满足生产的需要。近十年来，现场总线技术在控制领 域的应用已越来越得到人们的关注，现已成为德国和欧洲标准的p r o f i b u s 现场总线是 一种开放的、不依赖于生产厂家的通信系统，是一种比较成熟的总线。本系统选用德国 西门子s 7 4 0 0 p l c 作为数据采集和控制系统，采用p r o f i b u s d p 总线技术实现p l c 主站和分布式i 0 从站控制功能。从而提高啤酒发酵的自动化控制水平。 啤酒发酵过程是啤酒生产的重要环节之一，而在此过程中，温度变化是主要因素。 因此，啤酒发酵过程温度控制的好坏将直接影响啤酒质量。发酵过程具有大惯性、大时 滞、非线性等特j 氧。用传统p i d 控制难以实现及时、准确地跟踪工艺曲线的要求。针对 啤酒发酵温度控制过程中的难点引入了一种模糊智能p i d 控制算法，将模糊控制理论与 p i d 控制相结合，在模糊逻辑整定控制算法( f s w ) 基础上增加了模糊逻辑调节微分控制 及智能积分控制，有效地改善了原有p i d 控制方法的缺陷。 关键词：啤酒发酵：p r o f i b u s o p ；p l c ：智能模糊p i d a b s t r a c t b e e rp r o d u c t i o n ，a so n eo f t h em o s ti m p o r t a i l tt r a d i t i o n a l i n d u s t l y ，h a sb e e nd e v e l o p e d q u i c k j yi no u rc o u n t r yw i t ht h ed e v e l o p m e mo fc i v 订e c o n o m ya n dt 1 1 ei m p r o v e m e n to f s t a n d a r do fl i v i n g h o w e v e r ，b e c a u s eo ft h ec o m p i e x 时o ft h eb e e rp r o d u c t i o n ，d o m e s t i c b r e w er i e sh a v em a n yd i s a d v a n t a g e sw h e nc o m p a r e dw i t hb r e w e r i e si na d v a n c e dc o u n t r i e s ， s u c ha so u t d a t e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o le q u i p m e m s ，l o w1 e v e lo fa u t o m a t i o n ，i n s t a b l e p r o d u c tq u a l i t he t c h o wt oi m p m v et h ei n t e g r a t e d a u t o m a t i o nl e v e li nb e e rp r o d u c t i o “ b e c o m e sa nu 略e n tr e s e a r c hp r o j e c tb e e rf e m e m a t i o ni so n eo ft h ek e ys t e p so fb e e r p m d u c t i o nt h u s ，o nt h eb a s i so fs o m ep r o j e c t si nb r e w e “e s ，t h i st h e s i si h v e s t i g a t e db e e r f 己r m e n t a t i o na u t o m a t i o na n df u z z yi n t e l l i g e n tp i da l g o r i t h ma p p l i e di nt h i sp r o c e s si ti sa n a t t e m p tt oa p p i yh j g ht e c h n o l o g yt o t r a d i t i o n a li n d u s t r ya n dh a si m p o r t a l l t l yp m c t i c a l m e a n i n g f o l l o w i n ga r et h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h j st h e s i s ： 1 n o w a d a y sm a n yb r e w e r i e si nc h i n as t i l lu s eo u t d a t e dc o m r o ls y s t e m s ，w h i c hc a nn o t s a t i s f yt h ep r o d u c tn e e d i nr e c e n t1 0y e a r s ，f i e l d _ b u st e c h n o l o g yh a sb e e nm o r e a n dm o r e 印p l i e di nc o n t r o lf i e l dp r o f i b u sf i e l d b u si s ac o m m u n i c a t i o n s y s t e mw h i c hi so p e na n di n d e p e n d e n to fm a n u f a c t u r e ra n di th a sb e e nb e c o m ea s t a n d a r di ng e r m a na n de u r o p e s i e m e n ss 7 4 0 0p l cc o n s t i t u t e dd a t ap r o c e s s i n g a n dc o n t r o is y s t e mi nw h i c hp r o f i b u s d pp r o c e s st e c h n o l o g ya r ea d o p t e dt o a c h i e v ed a t ae x c h a n g ea n dc o n t m lb e t w e e np l cm a i ns t a t i o na n di os l a v es t a t i o n s 2 i nb e e rf e r m e n t a t i o n ，t e m p e r a t u r ei sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rt h a tc a ne f f 色c tt h e q u a l i t yo f b e e r t h ep r o c e s sh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g ei n e r t i a ，1 0 n gt i m ed e l a y a n dn o n l i n e a r ，w h i c h i sd i 筒c u l tt o a c c u r a t e l y c o n t r o l f o l l o 谢n gp r o c e s s c u r v e a c c o r d i n gt o 也ed i m c u l t yo ft e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gi nb e e rf e m e m a t i o n ，a s o r to fa l g o r i t h mo f 如z z yi n t e l l i g e n tp i dc o n t r o li si n t r o d u c e d ，w h i c hc o m b i n e s f h z z yc o n t r o la 1 1 d p i dc o n t r 0 1 i ta d d sf u z z yl o g i s t i cd i 骶r e n t i a lc o n t r 0 1a n d i n t e l l i g e n ti n t e 乒a 1c o n t r o lt of u z z ys e t _ p o i n tw e i g h tt u r n i n g ( f s w ) t h ei n s u 伍c i e n c y o fo r i g i n a lp i dc o n t r o lm e t h o di se f f 色c t i v e l yi m p r o v e db yt h i sw a y k e yw o r d s ：b e e rf 宅r n l e n t a t i o n ；p r o f i b u s d p ；p l c ；f u z z y i n t e l i i g e n tp i d 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文刁i 包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：薹啾j l 日期：z 。6 年牛月7 牛曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 诸在以e 相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 日期：1 。6 年牛月，尹日 日期：狰己年月( 七日 硕士学位论文 第一章绪论 啤酒是一种富有营养价值的低度饮料酒，也是世界公认的营养食品，素有“液体面 包”的雅称，目前己成为长盛不衰的国际饮料。啤酒以大麦和其他谷物为原料，并添加 少量酒花，采用制麦芽、糖化、发酵等特定工艺酿制而成。它是一种含有少量酒精和 充足二氧化碳、具有酒花香和爽口苦味、营养丰富、风味独特的低度酿造酒，它还含有 多种氨基酸、维生素及糖类、无机盐等成份，易为人体吸收。世界营养食品会议推荐啤 酒为营养食品之一，因此，啤酒将是世界饮料酒的发展方向。 啤酒是世界上产量最大的酒种，全世界年产量约为1 亿多吨，约有1 3 0 个国家生产啤 酒，人均消费为2 4 升上下。美国产量最多，年产量约2 3 0 0 万吨，但啤酒消耗水平最高的 国家为德国、捷克等，平均每人每年消费啤酒在1 6 0 升以上。我国随着改革开放，经济 建设迅速发展，人民生活水平的小断提高，啤酒己成为人们的时尚饮品，市场的宠儿， 生产直线上升，产销两旺，我国啤酒产量在九十年代末已超过1 5 0 0 万吨，超过了德国， 一跃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，是世界水平的1 3 差距很大，因此说我国的啤酒工业有很大 的发展潜力。 啤酒的生产技术，以德国、丹麦等圉较为先进。月前，世界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。我国的啤酒工业有 9 0 多年历史，但是由于历史的原因，我国最初的一些啤酒厂由外商建立。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。 中国加入w t o 后，啤酒生产发展到现阶段，是生产装备决定工艺技术。近1 0 年来， 虽然我国的啤酒装备配套水平有很大提高，但和国外相比，由于起步较晚，尤其是成套 设备，差距较大。由于进口设备价格高，目前只有少数大中型企业进口成套设备；多数 中型企业只进口主要设备，小型企业则全部使用国产设备，生产设备都比较落后，自动 化程度低，因而产品效率较低，生产质量也不高，啤酒能耗较大，这都是我国啤酒工业 急待解决的问题。 1 1 论文选题依据 目前我国大部分啤酒生产厂家仍然采用常规仪表进行控制，靠人工监控各种参数， 人为因素较多。所以，这种人工控制方式很难保证生产工艺的正确执行，使啤酒质量不 稳定，波动性大且不利于扩大再生产规模。随着我国社会主义市场经济的发展，我国啤 酒： 业下在以突飞猛进的速度快速向前发展，各啤酒为了适应当前形势，增强产品的市 场竞争能力，先后在啤酒生产过程中采用计算机控制技术，从而扩大了生产规模，使啤 基于p r o f i b u s 现场总线技术的啤酒发酵过程p l c 自动控制系统 酒品牌不断出新，质量不断提高，以适应市场的需求。此外，在啤酒生产过程中发酵是 道关键工序，除生产工艺水平外，生产工序控制指标的优劣，将有接影响啤酒的质量。 为此，对啤酒生产的发酵工序提出计算机监控技术，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水，使企业的技术进步，生产管理以及市场竞争能力 达到一个全新的水平。 1 2 国内啤酒生产发酵过程自动控制现状 国内啤酒生产自动控制只有近十几年的历史。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 。 l 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) 上控制主要发置启停，阀门由工人到现场操作。这种方式下啤酒生产 ： 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u 向较大，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，一i 可能采用较复杂的先进工艺生产啤酒，生产成本较高。因国情需要( 第一次建 设资金投入较少1 ，许多中、小型啤酒厂家还在采用，但已逐步被智能仪表和自控系统 所代替。 2 半自动控制方式( 集中手动控制方式) 以马赛克模拟屏为代表。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 台上遥控阀门丌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，目前国内中小型啤酒厂较多采用。 3p c 机+ 数据采集插卡方式 以工业p c 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p c 机插槽中的数据采集卡，在p c 机画面上显示各种生产过程参 数，同刚控制阀门与泵、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 厂发酵车问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。 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 硕士学位论文 自动控制，主要特点是采用p l c 作为下位机。目前有d c s ( 分布式控制系统) 控制系统与 f c s 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 股采用p l c ，其可靠性非常高( 一般可连续可靠工作2 0 年) ，性能稳定，上位机网络可兼 容多种通讯协议( 如t c p i p 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。按照工艺参数和流程要求对各个工艺过程中的泵、搅拌电机、电动 或气动阀门等开关量和温度、压力、液位、流量等模拟量进行检测控制，能记录完整的 生产工艺数据，在电子模拟屏或计算机屏幕上显示工艺流程中各阀门、电机的运行状况。 同时对各种超、欠压、温度超限、阀门故障、液位超限进行报警。并且设有“自动”和 “手动”两种状态，当现场出现故障或要对工艺进行人工干预时，可将开关转换到“手 动”状态，对各种执行机构进行手动操作，这样技术人员可以设定新的参数，操作人员 可以在现场处理紧急问题，从而达到理想的效果。这种控制方式是国内啤酒生产控制发 展的主流方向，主要缺点是一次投入资金较大。目前国外包括我国引进、合资的许多大 型啤酒生产厂都在使用。 1 3 现存发酵温度控制策略概述 啤酒发酵过程是啤酒生产的重要环节，而在此过程中，温度变化是主要因素。因此， 发酵温度控制的好坏，将直接影响啤酒的质量。在发酵控制方法方面有人】i 控制器和以 p i d 控制为代表的传统控制方法，正在兴起以专家系统为代表的智能控制方法。目前存 在的发酵过程温度控制策略有以下几种： 1 常规p i d 控制( p i dc o n t m l ，p i d c ) 常规p i d 控制以其简单可靠、容易实现、静态性能好等优点而广泛应应用于实际工 业控制中。对于具有非线性、时变性、结构参数不确定的啤酒发酵过程，由于常规p i d 控制不能在线自动修改控制器参数，难以适应过程状态的变化，因而温度过程过渡时间 长，超凋量大，难以满足及时、准确地跟踪工艺曲线的要求。 2 s m i t h 预估补偿控制( s m i t ha r i t h e t i cc o n t r o ls a c ) s m i t h 预估补偿控制方案是针对纯滞后系统中闭环特征方程含有纯滞后项，在反馈 控制上，引入了一个预估补偿环节，从而使闭环特征方程不含纯滞后项，提高控制质量。 对于随动控制系统，控制过程仅推迟了时问t ，系统的过渡过程形状和品质与无纯滞后的 完全相同。然而，s m i t h 预估补偿控制方案在实施过程中，要求满足已知过程动态模型与 真实过程一致时才。有效。如果系统参数选择不好，其效果会适得其反。对于具有非线性、 时变性的啤酒发酵过程，要想运用s i l l i t h 预估补偿控制方案获得较好的控制效果，首先 必须对发酵罐进行模型辨识，建立以上温、中温、下部温度为被控量，以上阀、中阀为控 制量的对象保温段模型和以中阀、下阀为控制量的对象降温段模型。在多变量温度控制 系统的基础上，设计多变量s m i t h 预估补偿器”1 。因而，获取过程模型成为能否成功运用 s m i t h 预估补偿控制方案的关键。 基于p r o f i b u s 现场总线技术的啤酒发酵过程p l c 自动控制系统 3 模糊控制( f u z z yc o n t r o l ，f c ) 模糊控制的基本思想是用机器去模拟人对系统的控制，即在被控对象的模糊模型的 基础上运用模糊控制器近似推理等手段，实现系统控制的一种方法。模糊控制具有不需 要知道被控对象( 或过程) 的数学模型；易于实现对具有不确定性和强非线性对象的控 制；对被控对象特性参数的变化具有较强的鲁棒性；对于控制系统的干扰具有较强的抑 制能力。出于啤酒发酵过程的复杂性、时变性和不确定性，使得常规的控制方法难以取 得较好的控制品质，又由于其发酵过程的决策条件、过程和结果都具有模糊性，因此啤酒 发酵温度控制用模糊规则加以描述是恰当的0 1 。 4 f u z z y p i d 复合控制( f u z z y p i dc o n t r o l ，f p i d c ) 模糊控制最大的优点在于响应速度快，对被控对象参数变化适应能力强，其缺点是： 由天模糊等级所限，稳态精度不够。f u z z y p i d 复合控制是用模糊技术与常规p i d 控 制算法相结合的控制方法，当温度偏差较大时采用f u z z y 控制，响应速度快，动态性能 好；当温度偏差较小时采用p i d 控制，使其静态性能好，满足系统控制精度。因 此，f u z z y p i d 复合控制，比单一的模糊控制或p i d 控制器具有更好的控制性能。 5 专家模糊控制( e x p e r t f u z z yc o n t r o ，e f c ) 专家一模糊控制是专家系统与模糊控制结合的产物，它保持了基本规则方法的价值 和用模糊集合处理带来的灵活性，同时把专家系统技术的表达与利用知识的长处结合起 来”1 。因此，这种控制进一步提高了模糊控制器的智能水平。啤酒发酵过程温度控制系 统可以由实时专家系统监控和整定，实现专家一模糊控制。 6 模糊神经网络控制( f u z z y n e u r a ln e t w o r kc o n t r 0 1 ，f n n c ) 模糊一神经网络控制是基于神经网络的模糊控制方法。这种控制利用了模糊逻辑， 具有较强的结构性知识表达能力，以及神经网络强大的学习能力和定量数据的直接处理 能力。尤其适合于具有时变性、较大纯滞后性的发酵过程温度控制系统。由于模糊控制 系统不具有自学习和白适应能力，同时控制动作欠细腻，稳态精度欠佳，但模糊控制具有 独特的优点。如果把模糊控制技术与人工智能技术、神经网络技术、仿人智能技术相结 合，则可以弥补其不足，大大推动模糊控制技术在啤酒发酵过程中的应用。 7 神经网络控制( n e u r a ln e t w o r kc o n t r o l ，n n c ) 人工神经网络( a n n ) 是通过对生理学上的真实人脑神经网络的结构、功能和特性的 某种理论抽象和简化而构成的一种信息处理系统。它具有如下特点：理论上能够充分逼 近任意复杂的非线性系统，故可用于控制器和对象模型的描述；经训练后能适应不确定 性系统的动态特性，可用于构造白适应控制器：所有信息分布存储在网络内，网络的可修 复性使其自身具有很强的容错和鲁棒性。利用a n n 的上述特点没计神经网络控制器，能 加强控制系统的自主性，同时也是解决被控系统的非线性、时变性和不确定性控制问题 的有效途径。常用于啤酒发酵过程中的神经网络控制是单神经元p i d 自适应控制“。单 神经元控制结构简单，稳定性好，易于计算，控制系统具有在线学习、白适应和抗干扰能 硕士学位沦文 力，较常规的p i d 控制优越。 8 二争家一神经网络控制( e x p e r t n e u r a ln e t w o r kc o n t r 0 1e 洲c ) 1 神经网络擅长于直觉推理，有学习能力；而专家系统擅长于逻辑推理。因此，若将二 者结合起来用以控制系统，以发挥各自的优势，取长补短，将会产生极好的效果”“。专家一 神经网络控制，是在神经网络控制算法的基础上加入专家系统，能够在一定范围内根据 被控对象的变化特性修正控制量，使输出量超调减小，调节时问减少。 综上所述，针对啤酒发酵过程的时变性、大滞后等特点，决定采用一种模糊p i d 相 结合的方法提高啤酒发酵温度的控制精度，又具有形式简单易于操作的特点。 1 4 本文主要工作 本文共分为六个章节，第一章绪论；第二章对啤酒发酵工艺作了详细的研究；第三 章p r o f i b u s 现场总线系统介绍：第四章介绍了基于现场总线技术和西门子p l c 构成的 啤酒发酵控制系统的硬件构成及组态过程；第五章描述了啤酒发酵p l c 控制系统的软件 功能设计；第六章提出了一种模糊智能p i d 算法，并进行系统仿真。 基于p r o f f b u s 现场总线技术的啤酒发酵过程p l c 自动控制系统 第二章啤酒发酵工艺概述 2 1 啤酒发酵概述 啤酒发酵是一个复杂的生化过程。在这个过程中原麦汁的糖经过酵母的作用生成乙 醇及其他一些副产品。这阶段最终被控量为糖度和双乙酰。其中，糖度这个量决定啤酒 巾乙醇的含量，而双乙酰是啤酒发酵的主要副产品之一，它会使啤酒产生一种馊饭味， 在发酵过程中应尽量降低其含量。糖度和双乙酰的浓度很难在线实时测量。通过对大量 发酵过程的统计，发酵过程的温度变化与发酵液的糖度和双乙酰这两个量有一个近似的 统计关系。于是在实际生产中，往往转向控制发酵液的温度并辅以人工化验。为了适应 人规模生产的需要，“ 艺员总结出不同的生产： 艺，不论何种工艺，生产周期都在十几 大以上，要求发酵液的温度严格按照一定的工艺曲线变化，温度控制精度在士o 5 范 圳内。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1 0 ( 不同工艺数值不同) 。 发酵液直接由糖化车川经管道灌入，初始的温度大约为8 左右，糖度为1 0 度左右，每 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 榭化车间，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l 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6o 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1 2 1 8 ( 不同工艺数值) 。进入第二阶段后， 盟求化验员每隔2 小时测量一次双乙酰的浓度和糖度，直到糖度降至3 ，0 度时变为每八小 时测量一次。当糖度降至3 0 度时再经过1 6 小时糖度监测工作就结束。当双乙酰浓度下 降剑合格标准( o 0 8 m g 升) 时，且糖度降至极限4 2 4 8 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 阀打丌，使发酵液全速降温。当温度到达1 以下时发酵进入低温储酒阶段，在低温储 潲阶段温度控制在o 5 l 。这一阶段主要是让酵母和些固态物进行充分沉淀并 进行网收。币常情况下，全过程必须在1 4 天以上。 2 2 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 n 勺眭短t 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。满罐温度的确定应考虑麦汁分锅次进罐中 硕士学位论文 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c o ：，使罐内中下部酒液中c o 。含量远远高于上部，酒体密度 发生变化，在c o ：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t t t m t 下的温度梯度，三带温差在o 5 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，列上段控温应缓慢、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酰还原。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tl t 十 t t ，三带温差在o 2 o 3 。c 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 液均匀了冷却至贮酒温度，由于此时酒液发酵己基本结束，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 ，3 f 的酒液对流方向相反，控温时应据此区别对待。 4 山双乙酰还原温度冷却至3 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。 53 保温过程 在整体降温过程中，3 以前的降温速度较快，降温惯性大，在接近3 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 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 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洒液澄清。 63 以下深冷过程 酒液降温至3 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l 2 。 基丁p r o f i b u s 现场总线技术的啤酒发酵过程p l c 自动控制系统 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肩控制，避免长时 叫深度冷却，温控精度要求在o 2 ，严禁出现温度回升“”。 2 3 啤酒发酵设备概述 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，实际生 产时，在发酵罐外部都有一个冷却套，通过控制冷却液的流量来达到控制温度的“1 。 现在大部分啤酒生产企业都采用大型露天锥形罐来进行集中发酵以增加啤酒的产量，简 化工艺，缩短发酵周期。锥形发酵罐的直径与高度之比一般为1 ：1 ，5 4 。锥底内角，不 锈钢罐锥角一般为6 0 。，内有涂料的钢罐锥角通常为7 5 。，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1 6 2 4 小时内装满一个锥形罐，罐的容量系数 7 1 v 取8 0 一8 5 。锥形发酵罐的数量月= 二二+ 3 式中t 一发酵时间( 周) ，a 一每个发酵罐可装 月 麦汁批量数( 批) ，n 一每周的糖化次数( 次) ，3 一考虑到进出料等周转、清洗时间和发酵 图2 1 发酵罐结构 时问可能延长而需要的罐数( 个) 。本 项目中，啤酒厂的发酵时间为2 3 周， 每个发酵罐可装麦汁的批量为4 批，每 周的糖化次数大约为4 0 次，因此设计 中选用3 5 个发酵罐，每个罐设有上、 中、下三个冷带；另外考虑到其它因 素，设有1 2 个清酒罐，清酒罐的结构 和发酵罐相似，容量比发酵罐小，设 有上下两个冷带，即可作为贮酒罐也 可作为小品种啤酒的发酵罐使用。发 酵罐的结构见图2 1 所示。 在发酵过程中罐内会产生二氧化碳使压力增加，微生物发酵过程都有一个最佳的环 境压力。因此在生产过程中要对罐内压力进行检测并定期回收二氧化碳。另外，罐内的 液位也需要监测。 硕士学位论文 综上诉述，本系统中共有3 5 个发酵罐，1 2 个清酒罐。每个发酵罐上设有上、中、下 三个冷却带，分别由三个电磁阀控制冷却时间，并且设有三个温度传感器检测三点温度； 每个清酒罐上设有上、下两个冷却带，分别由两个电磁阀控制；每个清酒罐和发酵罐上 还设有一个压力传感器和一个液位传感器，分别检测罐内的压力和液位。 2 4 啤酒发酵工艺控制 2 4 1 啤酒发酵工艺曲线 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。 啤酒发酵工艺曲线如图2 2 所示。 2l 一 n l 一 | 主发酵 其中： t 0 麦汁进罐温度 t l 第一恒温段温度 t 2 第二恒温段温度 t 3 第三恒温段温度 t 4 第四恒温段温度 t o 进罐温度保持时间 tj 第一升温段时间 t 2 第一恒温段时涮 t 3 第二升温段日_ j 问 t 4 第二恒温段时间 t 5 第一降温段时间 t 6 第三恒温段时间 t 7 第二降温段时间 t 8 冷贮时间 一，一一一一一1 。降温2 。冷贮 一r 一一 。一一一一，_ l一2 3 4t5 6t7 t8 十一、l 图2 2 啤酒发酵工艺曲线 不需、发定 o 1 8 o 1 8 o 1 8 0 1 8 0 1 0 0 小时 自然升温时问无需设定 由糖化化验决定( 人工第一拐点) 自然升温时间无需设定 由化验决定( 人工第二拐点) o 2 4 0 小时 o 1 0 0 小时 o 2 4 0 小时 不需设定，有人工指令设定 基丁p r o f l b u s 现场总线技术的啤酒发酵过程p l c 自动控制系统 y l 发酵期压力设定： o o 1 5 m p a y 2 冷贮期压力设定： 0 o 1 5 m p a y t 降压梯度设定：0 o o l m p a 小时 2 4 2 啤酒发酵温度的控制 发酵控制足以质量为根据的，通过对发酵温度的调整来影h 向发酵强度。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。主要有以下几个区段： l 麦汁进罐达到四批次( 1 6 0 吨) 时，即视为满罐，由人工输入“开始”指令，该罐 状态由“空闲”转为“工作”，从此时开始计算发酵时问，并记录发酵时间。 2 满罐后保持进罐时的温度，时问由t o 决定。 3 t o 结束，进入发酵阶段，温度( 以中段温度为参考点，下同) 自然升至t 1 ( 关闭所 有冷媒阀门) 。升温时间t 1 不确定。 4 温度升至t 1 后，保持t l 不变，直至糖度化验合格后，由人工输入第一拐点，t 2 结 束。 5 温度继续以自然升温( t 3 ) ，当达到t 2 时进入第二保温段( t 4 ) 。 6 保持t 2 温度，盲到双乙酸还原结束( 由化验决定) ，t 4 结束，进入第一降温段( t 5 ) 。 7 根据t 2 与t 3 的差值，t 5 的时间等参数计算出降温斜率。系统根据该斜率控制温度 w 犟到r 3 。 8 保持t 3 的值不变直到第三保温段t 6 结束。如果工艺不要求：【艺曲线有t 6 这一时间 段可将l 6 发置为“o ”吲阃。 9 t 6 结束后，系统根据t 3 与t 4 之间的差值和t 7 的设置值，计算浚段曲线的斜率，并 按该段斜率，把温度降到冷贮温度值t 4 。 1 0 冷贮阶段：t 4 为冷贮期温度。t 8 为冷贮时间，t 8 时间段以该罐酒液丌始输出为结 求杯志。 l 【排酒：人工输入“排酒”指令，温度继续保持在t 4 ，压力控制在o 1 5 m p a 。酒液 令部排光后，l 妇人二r 输入“空闲”指令。到此发酵过程全部结束，进入“空闲”状态， 笄机关闭该罐所有阀门，等待清洗，直到新的麦汁进入。 2 4 3 啤酒发酵罐压力控制 埘j 二发酵罐首先要保证耐i f 压。发酵产生的二氧化碳形成罐顶压力，要有二氧化碳 响节阀，罐顶应有安全阀。其次要保证耐负压，应有负压保护装置。对于压力的控制有 以下几点要求： 1 从麦汁满罐丌始到第二人工拐点，压力控制在y 1 所设定的压力值。封罐以人工操 作手动阀门进行。 2 从第二拐点丌始，压力以y 。r 所设定的梯度下降到y 2 ，以适应不同的工艺要求，如 果小需要降压，则可将y t 设定为o 。 置冷贮阶段，压力控制在y 2 所没定的压力值。 硕士学位论文 第三章现场总线控制系统介绍 3 1 现场总线技术的由来 3 1 1c i m s 体系结构及工业数据结构的层次划分 根据工厂管理、生产过程及功能要求，c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t em a n u f a c t u r e s v s t e m ) 体系结构可分为5 层，即工厂级、车间级、单元级、工作站级和现场级。简化 的c i m s 则分为3 层，即工厂级、车间级和现场级。在一个现代化工厂环境中，在大规模 的工业生产过程控制中，工业数据结构同样分为这三个层次，与简化的网络层次相对应。 图3 一l 简化的c i m s 网络体系结构 现场级与车间级自动化监控及信息集成系统主要完成底层设备单机控制、连机控 制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备运行、生产数据的采集、存储、统计等功 能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息传送到工厂 管理层，向工厂级m i s 系统数据库提供数据。同时也可接受工厂管理层下达的生产管理 及调度命令并执行之。因此，现场级与车间级监控及信息集成系统是实现工厂自动化及 c i m s 系统的基础“。 3 1 2 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统( 包括：基于p c 、p l c 、d c s 产品 的分布式控制系统) ，其主要特点之一是，现场层设备与控制器之间的连接是一对一( 一 个i o 点对设备的个测控点) 所谓i o 接线方式，信号传递4 2 0 m a ( 传送模拟量信息) 或2 4 v d c ( 传送开关量信息) 信号。如图3 2 所示： 基 p r o f i b u s 现场总线技术的啤酒发酵过程p l c 自动控制系统 一 图32 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统系统主要缺点： ( 1 ) 信息集成能力不强：控制器与现场设备之间靠i o 连线连接，传送4 2 0 m a 模拟量 信号或2 4 v d c 等丌关量信号，并以此监控现场设备。这样，控制器获取信息量有限，大 量的数据如设备参数、故障及故障纪录等数据很难得到。底层数据不全、信息集成能力 不强，不能完全满足c i m s 系统对底层数据的要求。 ( 2 ) 系统不开放、可集成性差、专业性不强：除现场设各均靠标准4 2 0 r i a 2 4 v d c 连接， 系统其它软、硬件通常只能使用一家产品。不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性， 因此可集成性差。这种系统很少留出接口，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控 制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，面向行业的监控系统很少。 ( 3 ) 可靠性不易保证：对于大范围的分布式系统，大量的i o 电缆及敷设施工，不仅 增加成本，也增加了系统的不可靠性。 ( 4 ) 可维护性不高：由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报警、 记录功能不强。另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影 响了系统的可维护性。 3 1 3 现场总线技术的产生 基于现场设备的串行通信接口的想法，使用根通信电缆，将所有具有统一的通 信协议通信接口的现场设备连接，这样，在设备层传递的不再是i o ( 4 2 0 【l a 2 4 v d c ) 信号，而是基于现场总线的数字化通信，由数字化通信网络构成现场级与车间级自动化 监控及信息集成系统。 3 2 现场总线技术概念 目前，公认的现场总线技术概念描述如下：现场总线是安装在生产过程区域的现 场设备仪表与控制室内的自动控制装置系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数 硕士学位论文 据总线。其中，“生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两类。或者，现场总线 是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实 现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。 现场总线技术得以实现的一个关键问题，是要在自动化行业中形成一个制造商们共 同遵守的现场总线通信协议技术标准，制造商们能按照标准生产品，系统集成商门能按 照标准将不同产品组成系统。这就提出了现场总线标准的问题。 据说目前国际上现有各种总线及总线标准不下二百多种。具有一定影响和已占有一 定市场份额的总线有如f 几种： 1 p r o f i b u s 现场总线 1 9 9 6 年3 月1 5 日批准为欧洲标准，即d i n5 0 1 7 0v 2 。p r o f i b u s 产品在世界市场 上已被普遍接受，市场份额占欧洲首位，年增长率2 5 。1 9 9 7 年7 月组建了中国现场总 线( p r o h b u s ) 专业委员会，并筹建现场总线p r o f i b u s 产品演示及认证的实验室。目 前支持p r o f i b u s 标准的产品超过1 5 0 0 多种，分别来自