毕业设计（论文）-利用PLC实现啤酒发酵罐温度的自动控制.doc

工业自动化控制论文工业自动化控制论文 目录 摘要 .3 ABSTRACT .4 1 绪论 .5 1.1 选题的目的和意义.5 1.2 啤酒发酵控制系统方案综述 .5 1.3 实现啤酒发酵罐温度 PLC 控制的主要研究工作 .6 2 啤酒发酵工艺概述 .7 2.1 啤酒发酵概述 .7 2.2 发酵各阶段温度控制机理.7 2.3 啤酒发酵设备概述.8 2.4 啤酒发酵温控基本要求.9 2.5 啤酒发酵工艺流程.10 3 应用 PLC 实现啤酒发酵温度控制的可行性分析 .12 3.1 可编程序控制器 PLC 的特点.12 3.2 PLC 的组成与基本原理 .13 3.2.1 PLC 的组成结构 .13 3.2.2 PLC 的工作原理 .13 3.2.3 PLC 的主要功能和应用 .15 3.3 PLC 在啤酒发酵中应用的可行性 .15 4 啤酒发酵温度 PLC 控制方案 .17 4.1 系统控制要求及功能 .17 4.1.1 啤酒发酵温度要求 .17 4.1.2 系统功能.17 4.1.3 PLC 控制系统方案 .18 5 啤酒发酵温度 PLC 控制硬件设计 .20 5.1 系统硬件配置 .20 5.1.1 CPU 的选型 .20 5.1.2 模拟量扩展模块.22 5.1.3 控制系统硬件配置.23 5.2 啤酒发酵温度 PLC 控制系统的 I/O 分配.24 5.2.1 I/O 地址分配 .24 6 PLC 实现啤酒发酵温度控制的程序设计.27 .1 编程软件的介绍.27 6.1.1 指令系统.27 .1.2 PLC 程序设计流程及原则 .28 .1.3 STEP7-MICRO/WIN 32 编程软件基本信息 .29 6.2 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.31 6.3 PID 控制 .32 6.3.1 S7-200 的 PID 指令 .32 6.3.2 数值转换及标准化.33 6.3.3 选择 PID 回路类型.33 6.4 系统程序设计.33 6.4.1 符号表.33 6.4.2 主程序.35 6.4.3 主酵自然升温段程序.36 6.4.4 温度控制程序.36 6.4.5 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 ABSTRACT The human use the grain manufacture wines more than 8000 years. Beer spread from the foreign country to China in 19 century. Beer production, as one of the most important traditional industry, has been developed quickly in our country with the development of civil economy and the improvement of standard of living. However, because of the complexity of the beer production, domestic breweries have many disadvantages, such as outdated measurement and control equipments, low level of automation, instable product quality, etc. How to improve the integrated automation level in beer production becomes an urgent research project. Beer fermentation is one of the key steps of beer production. Thus, on the basis of some projects in breweries, this thesis investigated beer fermentation automation and Fuzzy Intelligent PID algorithm applied in this process. It is an attempt to apply high technology to traditional industry and has importantly practical meaning. In this paper, beer fermentation process for the project background, the use of PLC in the beer fermentation process temperature control, which is more firmly grasp PLC and used to produce practical and understanding of the beer production process have a very good role. What this research solute is： As the object of beer fermentation, degeneration, and the uncertainty of the delay, a decision must be in control of fermentation tank special control algorithms. As each there are individual differences, but in different process conditions, different fermentation bacteria, the object characteristics vary. Therefore it is difficult to find or create a precise mathematical model to simulate and forecast control. To save energy, reduce production costs and to meet the requirements of control, temperature control of fermentation tank selected the detection of the fermentation tank, in the next paragraph 3 of the temperature, through the upper, middle and lower imports of liquid ammonia in paragraph three Electromagnetic valve to achieve fermentation tank temperature control method. To solute the whole process temperature control by plc. The system performance higher than price, reliable, advanced technology, to fully meet the fermentation process of beer production technology requirements, taking into account the practical needs. Keywords: PLC;Fermentation temperature;object 1 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 (0.08mg/升)时，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0. 510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 6。 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 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。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 ，使罐内中下部酒液中 含量远远高于上部，酒体密度发 生变化，在 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 0.5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，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 上 T中中T下下，三带温 差在 0.20.3 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 液均匀了冷却至贮酒温度，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0.2 摄氏度，严禁出现温度回升。 2.3 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進出口以外，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1：1.54。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80%85%。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。 2.4 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 CO2 热量释放导致发酵温度上升，同时 CO2 的产生使罐内压力升高。在整个发酵过程中， 根据麦芽发酵的反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 CO2的多少，压力到一 定程度时需从罐顶排出一定的 CO2以减小罐内的压力，防止爆炸。所以需要对发酵罐内 液温的变化进行实时控制，同时罐内的压力也是安全生产的必要控制量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 2-4-1 所示。 PIC 01 TIC 01 TIC 02 TIC 03 LI 01 电磁阀关 排放CO2 上层温度 中层温度 下层温度 罐内 压力 罐内 液位 冷 媒 出 口 冷 媒 入 口 图2-4-1 啤酒发酵罐控制系统流程图 2.5 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 C2H50H、H2O 及其它产物的过程。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： (a) 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 CO2，反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。 (b) 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 01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。 通常，发酵液温度要求控制在给定温度的0.5范围之内，以期达到理想的发酵状 况。另外，在不同的发酵阶段，对发酵罐内温度场也有相应的要求：在前酵阶段希望发 酵罐内从罐顶到罐底有一正的温度梯度(上段温度低于下段温度)，以利于发酵液对流和酵 母在罐内的均匀混合；在后酵阶段，则要求发酵液由上到下必须有一定的负温度梯度， 便于酵母的沉淀和排出。 (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 2-5-1 所示。图中，0 a 段为自然升温段，不须外部控制；ab 段为主发酵阶段；主酵阶段，典型的控制温度为 12； bc 段为降温逐渐进入后酵，典 型降温速度为 0.3/；cd 段为后酵阶段，典型控制点 3；de 段为降温进入贮酒阶段， 典型降温速度为 0.15/；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。 0 2 4 6 8 10 12 14 0 ab cd e f T/ t/h 图 2-5-1 啤酒发酵工艺曲线 3 应用 PLC 实现啤酒发酵温度控制的可行性分析 3.1 可编程序控制器 PLC 的特点 可编程序控制器(Programmable Controller)是一种以计算机(微处理器)为核心的通用工 业控制装置。早期可编程序控制器主要用于开关量的逻辑控制，被称为可编程序逻辑控 制器(Programmable Logic Controller)，简称 PLC，这个名称被一直沿用。现代 PLC 采用微 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 DEC 公司研制出世界上第一台 PLC 后，经过 30 多年的发展，有的已经使用 RISC(精简指 令系统 CPU)芯片。最快的 PLC 处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 CPU 技术，具有二三百步以上的高级指令，使 PLC 具有强大的数值运算、函数 运算和大批量数据处理能力10。 PLC 的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，PLC 具有以下特点： (1) 高可靠性 PLC 是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。PLC 在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 PLC 的可靠性和抗干扰能力大大优于一般的计算机控制系统， PLC 的平均故障间隔时间(MTBF)可达几十万小时。 (2) 易操作性 PLC 的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，PLC 采用了面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，易于掌 握。例如目前大多数 PLC 采用的梯形图语言，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。 PLC 的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。PLC 的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 PLC 不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有 A/D、D/A 转换，PID 控制、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。PLC 还具有通信联网功能，可与相同或不同类型的 PLC 联网，并可与上位机 通信构成分布式的控制系统。 (4) 易于实现机电一体化 由于 PLC 采用半导体集成电路，因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点。而且由 于 PLC 是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。 3.2 PLC 的组成与基本原理 3.2.1 PLC 的组成结构 PLC 本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。PLC 的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，PLC 可分为整 体式和组合式两类。 整体式 PLC 是将中央处 理器(CPU)、存储器、输入 单元、输出单元、电源、通 信接口等组装成一体，构成 主机。另外还有独立的 I/O 扩展单元与主机配合使用。 主机中 CPU 是 PLC 的核心， I/O 单元是连接 CPU 与现场 设备之间的接口电路，通信 接口用于 PLC 与编程器和上 位机等外部设备的连接。 组合式 PLC 将 CPU 单 元、输入单元、输出单元、 智能 I/O 单元、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 CPU 单元的底板称为 CPU 底板，其它称为扩展底板。 CPU 底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过 10m。 无论哪知结构类型的 PLC，都可根据需要进行配置与组合。例如 SIEMENS S7-224 型 PLC 为整体式结构，通过主机连接 I/O 扩展单元，I/O 点数可在 24 点到 168 点的范围 内进行配置。组合式 PLC 则在 I/O 配置上更方便、更灵活11。图 3-2-1 为 PLC 的组成示 意图。 3.2.2 PLC 的工作原理 与其它计算机系统相同，PLC 的 CPU 采用分时操作原理，每一时刻执行一个操作， 随时间顺序执行各个操作。这种分时操作进程称为 CPU 对程序的扫描。PLC 的用户程序 由若干条指令组成，指令在存储器中按序号顺序排列。CPU 从第一条指令开始，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，在每次扫描过程中好要完成系统自检测，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 PLC 工作的一个工作周期。PLC 按工作周期方式周 而复始的循环工作。PLC 上电后，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 3-2-2 所示。 各个阶段完成的任务如下： (1) 公共处理。复位监控定时器(WDT)，进行硬件检查、用户内存检查等。检查正常 后，方可进行下面的操作。如果有异常情况，则根据错误的严重程度发出报警或停止 PLC 运行。 (2) I/O 刷新。输入刷新时，CPU 从输入电路中读出各输入点状态，并将此状态写入 输入映像寄存器中；输出刷新时候，将输出继电器的元件影响寄存器的状态传送到输出 图 3-2-1 PLC 组成示意图 锁存电路，再经输出电路隔离和功率放大，驱动外部负载。 (3) 执行用户程序。在程序执行阶段，CPU 按先左后右，先上后下的顺序对每条指令 进行解释、执行，CPU 从输入映像寄存器和输出映像寄存器中读出各继电器的状态，根 据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算，运算结果再写入输出映像寄存器中。 (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 图 3-2-2 PLC 工作流程图 电源接上 初始化 检查硬件和用户程 序存储器 检查结果正 常？ 采样输入信号，刷新 I/O 数据，更新输出信号 监控定时器复位 逐条执行用户程序指令 程序结束？ 外设端口服务 错误标志置位， 故障灯亮 故障性质 I/O内部继电器清零； 定时器复位；检查 I/O 单元连接 否 报警 异常 是 否 初始化 公共处 理 I/O 刷新 执行用 户程序 外设端 口服务 （a）（b） 处理。 3.2.3 PLC 的主要功能和应用 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， PLC 与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 I/O 点)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 PLC 在可靠性和便利 性上形成特色奠定了基础12。 PLC 的主要功能：逻辑控制、定时控制、计数控制、步进(顺序)控制、PID 控制、数 据处理、通信和联网，还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如定位控 制模块，CRT 模块。 目前，国内外的 PLC 产品有几十个系列，上百个型号。各个种类 PLC 的容量、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 PLC 的用户来说，合理的选择 PLC 是非常重要的，它直接影响到所 设计系统的性能与造价。PLC 的选择包括机型、容量、I/O 模块等几个方面的内容。 (1) PLC 机型的选择 目前国内使用的 PLC 以国外产品居多。美国是 PLC 的发源地，以大中型机为主，功 能完备，单机价格高，GE 公司、MODICON 公司、AB 公司是其代表。日本的 PLC 以中 小型机为主，价格便宜，典型代表为 OMRON 公司、三菱(MITSUBISHI)公司的产品。德 国 SIEMENS 公司的产品以可靠性高著称，其主要产品有 S5、S7 两个系列，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。 PLC 的容量包括主机用户存储器的内存容量和 I/O 控制点数两个方面，选择时应留 有适当的裕量做备用。 (3) 选择 I/O 模块。 输入模块有直流