两级计算机控制的啤酒配比系统的硬件设计.doc

安徽建筑工业学院毕 业 设 计 (论 文) 专 业 班 级 学生姓名 学 号 课 题 两级计算机控制的啤酒配比系统的硬件设计 指导教师 年 月 日45 / 47摘 要高浓度啤酒稀释技术是国际上80年代初产生的先进技术，目前已在发达国家得到广泛应用。该技术可以提高啤酒的糖化、发酵浓度，减少工艺过程处理量，扩大生产，并且生产的啤酒质量与传统工艺相当。可以说用高浓度稀释工艺生产啤酒是一个能在保证产品质量的前提下，充分利用工厂原有设备扩大产量，赢得市场，以提高经济效益的好方法。高浓度啤酒稀释技术具有提高设备利用率，增加啤酒产量，节约能源，降低成本，减少投资等优点，经过数年来的推广应用，已经取得了明显的经济效益和社会效益。该技术的特点是啤酒的风味和非生物稳定性能改善。由于稀释水经过脱氧处理及填充二氧化碳，生产的啤酒在感官（色、香、味）质量和理化指标上，均能达到传统工艺水平，并保持了原有的产品风味，具有口味柔和与非生物稳定性好的优点。随人们生活水平的提高，人们对啤酒需求越来越多的情况下，由于个人偏好、各地文化差异、自然环境差别等多种因素的影响对啤酒口味的需求越来越多样化。啤酒消费的个性化趋势创造了多样化的市场需求，促进了啤酒企业产品多样化步伐，生产多样化啤酒的技术有很多种，从投资规模、经济效益和质量的可靠性来看，高浓度啤酒稀释技术生产样化啤酒是相对较好的一种方法。高浓度啤酒稀释技术是目前国际上的先进技术。采用此项新工艺，仅在增加少量设备的条件下，不仅可以提高糖化、发酵、贮酒的设备利用率，提高啤酒产量；还可以降低生产成本及能源消耗，改善啤酒的风味和非生物稳定性。 关键词：啤酒稀释 PLC 控制 传感器 Abstract Dilution of high concentration beer technique is an advanced technology generated by international community in the early 80s. Its now widely used in developed countries. The technique can improve the beer saccharification, fermentable concentration and reduce the amounts of industrial process, expand production. The quality of the beer is nearly the same as the traditional craft one. What can be said is that using this technique is a good way to make full use of original equipment to expand production, to win the market, and then finally to enhance economic efficiency, with the premise of the guarantee of product quality. High concentrations beer dilution technology has the merits of enhancing equipment utilization, increasing beer production, saving energy, reducing costs, and reducing the investment. With years of popularization and application, it has achieved remarkable economic and social benefits. The technology is characterized by the beer flavor and non-biological stability of performance improvement. As the diluted water have been deoxidized and be filled with dioxide, the sensory (color, flavor and taste) quality and physico-chemical index of the beer can reach the level of traditional crafts and maintain the original flavor, with the advantages of soft tastes and non-biological stability. With the improvement of peoples living standard, we have more and more demand for beer. Personal preferences, cultural differences, differences in the natural environment, and many another factors result in the demand for beer of more diversified tastes. The trend of personalized beer consumption has created a variety of market demand and promoted the pace of the diversification of beer products. There are many diversified production technology of beer, from the scale of investment, economic efficiency and the reliability of the quality, using the high concentration beer dilution technology to produce styled beer is a relatively good method. High concentration beer dilution technology is an international advanced technology in current. The use of this new technology, under the condition of only a slight increase of equipment, can not only improve the saccharification, fermentation, wine storage equipment utilization, the production of beer; but also can reduce production costs and energy consumption, improving the flavor of beer and non-biological stability.Keyword：beer diluted PLC control sensor目 录第一章 绪 论41.1 中国啤酒工业的发展41.2 高浓啤酒稀释技术及应用现状41.3 选题的背景及意义51.4 论文的主要工作6第二章 高浓度啤酒稀释技术72.1 高浓度啤酒稀释技术的概念72.2 高浓度啤酒稀释技术的优点72.3 制备高浓度麦汁72.4 提高稀释原酒的质量92.5 提高稀释用水的质量92.6 稀释时间的选择102.7 高浓度啤酒稀释技术注意事项102.8 后修饰技术11第三章 高浓度啤酒稀释配比系统的结构与功能133.1 高浓度啤酒稀释配比系统133.1.1 高浓度啤酒稀释配比系统组成133.1.2 控制算法143.1.3 配比计算和容积补偿153.2 高浓度啤酒配比系统的功能16第四章 高浓度啤酒稀释配比系统的硬件设计184.1 系统分析184.2 PLC外部接线图204.3 PLC硬件介绍224.3.1 可编程控制器的基本组成234.3.2 S7200系列PLC244.4 控制方案及系统配置254.5 控制功能实现254.5.1 平衡罐温度调节254.5.2冷却水温度调节264.5.3水酒混合配比调节264.6 信号采集器件选择274.6.1 流量传感器274.6.2 温度传感器284.6.3 PH传感器284.6.4含氧量检测仪28结 束 语30参考文献：31致 谢32英文科技文献及翻译33第一章 绪 论1.1 中国啤酒工业的发展啤酒是指以麦芽（包括特种麦芽）、水为主要原料，加啤酒花（包括酒花制品），经酵母发酵酿制而成，含有CO2、起泡的、低酒精度的发酵酒，现在除了伊斯兰国家，由于宗教原因不饮啤酒外，啤酒遍及世界各国，是世界最大的饮料酒。啤酒的生产有着悠远的历史，大约起源于9千年前的中东和古埃及地区。据史料记载，最初巴比伦人把几种谷物磨碎后加水和成面团，经烤制后放在容器中自然发酵，这就是啤酒的雏形。后来在世界各地酿制出各种各样的啤酒，所采用的原料有所不同，口味也各异。所用原料有大麦、小麦、荞麦等。由于大麦麦芽具有优良的酿造特性，所以逐渐取代了其他谷物成为啤酒酿造的主要原料，其他谷物只是为了辅料使用。到公元八世纪，德国人将大麦麦芽作为啤酒酿造的唯一原料固定下来，并于1516年制定了啤酒“纯净酿造法”。其他国家虽然没有专门为此制定法律，但受德国的影响，基本上都以大麦麦芽为主要原料。我国啤酒工业已有100多年的历史了，目前啤酒工业处于稳步健康的发展中，2002年以成为世界第一大啤酒生产国，2007年年产量达3931万千升，中国啤酒工业从高速发展逐步走向稳步增长，企业的规模从小到大，啤酒的品种不断增多，产品质量不断提高，满足了消费者不断增长的需求。中国啤酒工业的发展令世界为之赞叹。随着产量的增加，中国啤酒企业间竞争加剧，技术和资本成为目前我国啤酒工业竞争的主题。中国啤酒工业的进步主要表现在：（1）啤酒产量与生产能力稳定增长；（2）啤酒行业向规模化、集团化发展；（3）多品种、高质量发展；（4）啤酒理化指标合格问题已解决；（5）啤酒非生物稳定性有很大提高；（6）啤酒风味稳定性已成为提高产品质量的新目标；（7）外包装质量明显改善。1.2 高浓啤酒稀释技术及应用现状高浓度稀释啤酒是指在糖化阶段相对提高麦芽汁的浓度，经酵母发酵后，再用水将其稀释到要求弄得，经灌酒包装后的成品。这种高浓度稀释啤酒工艺特点就是在不增加糖化发酵设备的条件下，大幅度提高产量，提高设备利用率，增加啤酒产量，具有节约能源，降低成本，减少投资等优点。目前，高浓度啤酒稀释配比系统在发达国家已被广泛应用，如在美国，约占美国啤酒产量2/3的5大公司，己有4个公司使用该系统。我国现有啤酒厂600余家，使用啤酒稀释配比系统的却只有60多个啤酒厂家，仅占10%左右，这与发达国家80%以上的应用面相差甚远。目前使用啤酒稀释配比系统的60多个啤酒厂家，年生产啤酒400万吨，其中用稀释配比系统可使每年增产啤酒达100万吨，按啤酒厂每吨酒上缴国家税金400元，企业利润200元计算，每年可新增销售产值30亿元，新增利税6亿元，其中利润2亿元。高浓度啤酒稀释配比系统除北京啤酒厂、上海华光啤酒厂、青岛啤酒厂、广州啤酒厂和重庆啤酒厂等少数厂家使用国外设备外其他厂家全部采用国产设备。预计“九五”末全国将达到30%-40%的厂家使用高浓度啤酒稀释配比系统，即比现在推广应用面提高20-30个百分点，达240-300家。1.3 选题的背景及意义近年来，随着人民生活水平的不断提高，对啤酒的消费越来越大。根据饮料生产协会2003年的调查统计表明，我国的啤酒产量和需求量已经位于世界前列，是啤酒生产和消费大国。专家预测我国的啤酒行业已经进入高速发展时期。而相应的国内啤酒市场的竞争也越来越激烈，目前啤酒行业主要依靠降低成本和增加产量赢得竞争上风而啤酒发展的今天，远远超出了其传统的内涵，“酒”的特性巨简单化，而饮料的特性则逐渐显露。近年来，西方国家开始流行低浓低醇啤酒，器原麦汁浓度一般为7-9P，而酒精含量则在1.0-3.0。低浓低醇的生产技术五花八门，有真空蒸馏法、透析法、发透析法、低温接触法、限制发酵法和稀释法等。根据原有设备的平衡能力，在麦汁制备工序以后，对冷麦汁、嫩啤酒或成熟啤酒进行稀释，是之达到最终啤酒所需求的原麦汁浓度，以提高糖化、发酵、贮酒、甚至啤酒澄清设备的利用率。从投资规模、经济效益和质量的可靠性来看，在低浓度啤酒的生产中，稀释技术显示出更大的优势。高浓度啤酒稀释技术是国际上80年代初期产生的先进技术，该技术可以提高啤酒的糖化、发酵浓度，减少工艺过程处理量，扩大生产，并且生产的啤酒质量与传统工艺相当。可以说用高浓度稀释工艺生产啤酒是一个能在保证产品质量的前提下，充分利用工厂原有设备扩大产量，赢得市场，以提高经济效益的好方法。1.4 论文的主要工作论文的主要研究工作包括：(1)概述稀释啤酒的工艺步骤；(2)分析工艺步骤，阐述控制思想及方法；(3)高浓度啤酒稀释配比控制系统的结构与功能介绍；(4)整理整体结构，选出适合的硬件设备；(5)画出PLC的外部接线图；(6)控制方案及控制功能的实现；(7)选择合适的信号采集器件。第二章 高浓度啤酒稀释技术高浓度啤酒稀释技术是目前国际上的先进技术，采用此项新技术，仅在增加少量设备的条件下，不仅可以提高糖化、发酵、贮酒的设备利用率，提高啤酒产量，还可以降低生产成本及能源消耗，改善啤酒的风味和非生物稳定性。高浓度啤酒稀释技术在我国的推广应用已进入成熟阶段，它的最大魅力在于投资少、见效快，从而有效地解决了啤酒行业投资资金短缺，而产量需要大幅度增加的供需矛盾。2.1 高浓度啤酒稀释技术的概念啤酒高浓度发酵法也叫稀释啤酒生产法。这种方法先制备高浓度麦汁，然后以高浓度麦汁进行发酵、贮存，在滤酒后进行稀释。即在高浓度啤酒中加入经处理后的水，使之达到所需要的浓度。此项技术是目前国际上的先进技术，在我国的研究和应用虽然只有十余年的历史，但已被很好地消化吸收。2.2 高浓度啤酒稀释技术的优点高浓度啤酒稀释技术及设备具有提高设备利用率，增加啤酒产量，节约资源，降低成本，减少投资等优点，经过数年来的推广应用，已经取得了明显的经济效益和社会效益。该技术的特点是啤酒的风味和非生物稳定性能改善。由于稀释水经过脱氧处理及填充二氧化碳，生产的啤酒在感官（色、香、味）质量和理化指标上，均能达到传统工艺水平，并保持了原有的产品风味，具有口味柔和与非生物稳定性好的优点。高浓度稀释啤酒生产法，在原有设备基础上，可大幅度提高产品产量和设备利用率，提高原料利用率，减少酒损、降低成本，有较好的经济效益。是很值得推广的一项新技术。2.3 制备高浓度麦汁麦汁制备过程中是啤酒生产的重要环节之一，原料利用率的高低对啤酒质量、产品的成本都有影响。没有好的原料，难以生产出优质的啤酒。用于稀释的啤酒对原料的要求则更显重要。据报道，啤酒中的风味物质达850多种，挥发性成份就有352种，而麦芽中含有的挥发性物质达120种。麦芽的溶解度、各种成份的组成及辅料的添加比例均会在不同程度上对稀释啤酒的质量产生影响。因此制备高浓度麦汁要注意以下几点：1、酿酒原料的影响 原料的组成成分不同程度地影响着浸出率。比如原料水分一般要求麦芽含水量为5%-6%，经实验测定，麦芽水分每增加1%，原料浸出物收得率则减少1.2%。原料蛋白质一般要求大麦含量相应会降低，最终影响原料利用率的下降。麦芽质量的好坏对原料利用率的影响是最为显著的，浅色麦芽的溶解度一般要求溶解适中或溶解良好。如果溶解不足即玻璃质粒多或者溶解过度即制麦损失大，均会降低糖化浸出物收得率。2、原辅料粉碎度的影响 调整适宜的粉碎度、选择恰当的粉碎方法均会提高原料的利用率。原辅料粉碎的要求是麦芽的皮破而不碎，胚乳和辅料越细越好，一般要求麦芽粉碎度即粗粒：（细粒+细粉）=1:2.5，辅料大米粉碎后，过40目筛的细粉（粒）控制在70%以上。另外原料水分对保持谷皮的完整性有好处，水分达8%以上时，则会影响粉碎度。3、糖化过程的影响 糖化过程是影响原料利用率的最主要环节，糖化浸出物收得率的60%是在糖化过程中经酶作用而溶出的。它包括原料与水的混合、糖化条件的控制等。浅色啤酒的正常料水比为1:4-5，而采用高浓度麦汁发酵法生产的浅色啤酒，其麦汁的收得率即原料的利用率明显降低，另外料水是否均匀混合也有影响。糖化条件即糖化温度、PH值以及持续时间等主要取决于各种酶的最适作用条件，条件控制得恰当，酶作用迅速彻底，这才能为提高原料利用率打下坚实的基础。4、麦汁过滤的影响 麦汁的过滤速度和过滤效果直接与谷皮的性状、麦汁的浓度、粘度以及过滤方式等因素有关，而这些因素同样也影响着原料的利用率。麦汁粘度越高，原料利用率越低；采用78-80以上的热水洗涤麦糟，有利于提高原料的利用率；采用新型压滤机法比常规的过滤槽法的原料利用率要高出1%左右。2.4 提高稀释原酒的质量稀释啤酒的质量与正常酿造的啤酒相比有一定的差距，但是可以控制其接近正常啤酒的质量。在某些指标上，两者互有高低，在风味上存在一定的差异。一般地讲，稀释啤酒的风味柔和一些。啤酒高浓酿造技术不能简单的理解为控制配比浓度。稀释酒的质量要求除了满足必须的理化、卫生指标外，对稀释酒的外观、泡沫、香气和口味及保质期必须有特殊的要求。即要求酒体外观清亮透明，无明显沉淀物和悬浮物，泡沫洁白细腻、持久挂杯，口味纯正、酒体协调、无老化味等。但稀释后的啤酒或多或少地会出现诸如泡沫粗糙、泡持力下降、酒体寡淡、水味重、非生物稳定性差等质量问题。其原因是多方面的，从原料的选择、工艺的调整及控制、水的处理、各种添加剂的使用和设备状态等，都可能影响稀释酒的质量，哪一方面出现问题，都将影响到产品的最终质量。2.5 提高稀释用水的质量啤酒酿造稀释用水的质量，会最终直接影响啤酒的风味和稳定性，故其许多特性应与啤酒相同，如生物性能稳定、无臭、无异味、含一定量的CO2、pH值及温度等也与啤酒相同。故稀释用水需经一系列的处理，才能符合要求而进入贮罐备用。（1）稀释用水的要求应符合饮用水标准，无任何微生物污染和化学污染，水的残碱度0，否则在稀释过程中易引起pH值的变化。应无有机物，无色、无臭、无异味，清澈透明，无悬浮物。如果稀释用水无混浊度，则啤酒经稀释后，也不会出现混浊现象。稀释用水的溶解氧含量要低，可视稀释率而定。当稀释率为1020时，溶解氧量要求0.030.04mg/L；当稀释率达到30时，溶解氧量要求0.02mg/L；当稀释率大于40时，溶解氧量要求低于0.01mg/L。充二氧化碳，使稀释水中二氧化碳含量接近于或略高于混合啤酒中的含量，一般为45g/L。根据啤酒成分要求，适当调整稀释水中离子含量，如铁离子含量应低于0.04mg/L，锰离子含量应低于0.01mg/L，铜离子应低于0.05mg/L，钙离子应低于正常浓度啤酒等。温度同稀释后的啤酒，一般为（10.5）。（2）稀释用水的处理 水处理的组合方法很多，稀释用水的生产工艺有多中，如离子交换、电渗析、反渗析、加热灭菌、紫外线灭菌、无菌过滤、真空脱氧、加热CO2洗涤等。在生产实践中，我们发现比较好的工艺是：原水去盐调pH值沙滤活性炭吸附反渗透加热真空脱氧CO2饱和。它集去金属离子、杀菌、除硬、排氧和充CO2等优点为一体，使水的硬度由13降至l，铜、铁、锰等离子接近于零；水中的氧含量降至0.03mg/kg。基本上保证了稀释后啤酒的质量。2.6 稀释时间的选择高浓度稀释啤酒，在生产方法上可分为两种：一种是在糖化和前发酵采用高浓度，在后发酵进行稀释，这叫前稀释法；另一种是后发酵时也采用高浓度，而是在过滤时再稀释，这叫后稀释法，后稀释又分为过滤以前稀释和过滤以后稀释两种，每一种工艺都有其自己的优缺点。前稀释法，只是最大限度地提高了麦汁制备的设备利用率，其后续设备的生产能力并没有大的提高，但这种稀释工艺可以使稀释后的啤酒经发酵、后熟等工序后，在风味的协调性和胶体稳定性方面有了很大的提高，而且对稀释用水的氧含量也要求不高；过滤前稀释和过滤后稀释均可最大限度地提高设备的利用率，但稀释后啤酒的稳定性不如前稀释法，过滤前后稀释用水的质量要求最高，除了卫生和理化指标外，水的温度和CO2含量均应与啤酒一致，否则会导致稀释后啤酒温度升高，CO2溶解不完全，口味变差。在本次设计中作者采用的是前稀释法。2.7 高浓度啤酒稀释技术注意事项应用高浓度啤酒稀释技术时应注意以下几个问题：（1）对现有设备进行综合评估。高浓度酿造后稀释，对生产的各个阶段都有影响，但总体上讲，设备上需要的改造并不多。由于它将处理更多的糖化投料，所以在采用该项技术前，应首先对现有粉碎设备的能力应进行评估。（2）稀释用啤酒的原麦汁浓度应该合适。因为麦汁浓度高，稀释率就大，当稀释率超过50%，不仅会导致风味失去平衡，更会降低啤酒的胶体稳定性，影响质量。啤酒是一种气、液、固三相共存的复杂胶体体系，过度的稀释会导致浓度的剧烈变化和pH值波动，从而引起啤酒中固体表面电荷、氧化还原电位等的破坏，使本来已平衡的胶体体系和风味体系变得不稳定。原麦汁浓度过低，稀释比例小，设备利用率达不到要求，浪费大。这两方面考虑，一般高浓度原麦汁浓度高于稀释后成品啤酒34倍，稀释度在25%30%左右为佳。稀释度由下式决定：稀释度(%)=(高浓度麦汁浓度成品啤酒麦汁浓度)/成品啤酒麦汁浓度100% （3）要有配料研究。对高浓度的麦汁不仅仅要提高糖的浓度，同时应提高麦汁总氮、-N、维生素等一系列物质，才能保证发酵中酵母增殖，保证啤酒风味，因此要考虑合适的辅料比。一般认为，辅料比控制在35%38%比较好。同时应选用高质量麦芽，一方面可以提高发酵度，保证了较高的酒精含量；另一方面，啤酒中糖蛋白含量相应增加，可以弥补因稀释造成的泡沫性能不佳的弱点，同时又保证了麦汁中足够的-N含量。高浓度麦汁对酒花的利用率相对要低一些，所以酒花添加量应适当增大。（4）要考虑氧对发酵的影响。发酵麦汁浓度提高，会减少麦汁中氧的溶解，从而影响酵母的增殖，影响发酵的正常进行。因此麦汁的通氧量要相对增大，也可采用满灌后24小时内多次通入空气(最好以纯氧代替空气)的方法，以保证酵母增殖，克服发酵滞缓。2.8 后修饰技术啤酒的后修饰技术是指为改善啤酒品质和感官质量以及为延长啤酒保质期，在啤酒成熟后，加入某些食品添加剂以补充加工工艺无法完成的技术指标的方法。后修饰技术不得用于掩盖因原料及生产工艺的缺陷而造成的产品质量问题。因此，后修饰技术只是啤酒生产工艺的一种补充。目前用于后修饰的食品添加剂主要有抗氧化剂、保鲜剂、胶体稳定剂、泡沫稳定剂、调味剂、调色剂及气体等几大类。对于稀释啤酒的品质改善来讲，后修饰技术的应用可以起到事半功倍的作用。但在具体操作时应注意以下几个问题：（1）不要把后修饰技术看作是万能的，主要精力还应放在原料和生产工艺技术上。（2）添加剂的添加量要求是非常严格的，过多或过少均会导致无效果或相反的效果。因此，在线添加速度和调配浓度必须严格控制，保证分布均匀。（3）要注意在针对某一质量问题添加一种添加剂时，可能会导致其他问题的出现。例如，蛋白酶可以水解大分子蛋白质有利于啤酒的胶体稳定性，它也可能破坏泡持性；泡沫稳定剂可以提高泡持时间，但分布不均匀时也可能析出悬浮物;抗氧化剂过量会带给啤酒一种异味等。（4）要注意添加剂的添加时间和方法。如泡沫稳定剂应在硅藻土过滤后加入，否则会导致过滤困难。亚硫酸氢钠不能与异构酒花浸膏混合添加，否则会降低其溶解度。添加剂在线添加时应尽量避免混入空气，以防止啤酒中溶解氧的增加。高浓度啤酒稀释技术是生产多样化啤酒、提高设备利用率的有效工艺。为了克服稀释后啤酒的某些缺陷，提高稀释啤酒的质量，应在原料的选择、麦汁制备方面有所改进，稀释用水的质量是稀释工艺的关键。而稀释用水的制备及稀释工艺的选择，各厂应根据自己的具体情况而定。后修饰技术在改善稀释后啤酒质量方面可以起到事半功倍的作用。 第三章 高浓度啤酒稀释配比系统的结构与功能3.1 高浓度啤酒稀释配比系统近年来，我国己有一些厂家从国外引进了高浓度啤酒稀释配比系统，每套设备多在百万元以上，投资较高，为此开发研制高浓度啤酒稀释配比系统有一定的市场需求。本套系统不仅使设备投资大大减少，而且啤酒稀释配比系统的性得到很大提高，还可实现人机对话的中文化、智能化、图形化等。3.1.1 高浓度啤酒稀释配比系统组成高浓度啤酒稀释配比系统由两级计算机组成，上位机完成智能化的后台管理、系统参数设定、控制及监视等功能；下位机主要完成系统中各种参数的检测、信息处理和控制等功能；高浓度啤酒稀释混合配比控制系统是啤酒稀释的关键技术之一，其系统组成包括：啤酒流量计、水流量计、控制计算机、气动薄膜调节阀、电气转换器。其系统结构如图3-l所示 图3-1 高浓度啤酒稀释配比系统啤酒流量计和水流量计均为高精度电磁流量计，分别测量啤酒水管路中的瞬时流量，并以每个脉冲代表一定体积流量的形式，将脉冲信号送给计算机。计算机累积啤酒和水的流量，并根据事先输入的啤酒原汁浓度和要稀释的啤酒浓度，算出混合配比。然后经过自动控制算法，输出05V电压信号，经电气转换器转换成20100Kpa的气动信号后，控制气动薄膜阀开启度，从而控制注入啤酒中脱氧水的流量，最后达到稀释的目的。在此设计中作者采用美国康气通生产的TYTE-500-CC低压型电气转换器，其要求输入电压05V，输出为20100Kpa的气动信号，适用于高度稳定，高重复度的控制场合，且成本经济。3.1.2 控制算法综上所述，不难发现，控制计算机实际上是带有一定管理功能的积分比例调节器（又称重定式调节器、再调式调节器。根据调节规律分类的一类调节器。由比例部分和积分部分组成。积分正反馈可以消除偏差，使被调参数重新回到给定值。所以，具有比例积分调节器的调节系统，其调节的结果是没有余差。广泛用于要求较高、不允许有余差存在的调节系统中。），其控制算法是带有容积补偿的位置式比例积分算法。根据自动控制原理连续式PI算法为： （3-1）式中：e ( t) 控制器输入信号，一般为输入信号与反馈信号之差， u ( t) 控制器输出信号，控制器放大系数；使用计算机时必须将其离散化，用差分方程代替微分方程： (3-2)其中, T 为采样周期，控制器积分时间常数。其k - 1 次的输出为： (3-3)(2) 和(3) 式相减可得： （3-4） （3-5） 公式（3-5）即为控制器的控制算法。3.1.3 配比计算和容积补偿开始稀释之前，首先从化验室取得即将稀释的啤酒原汁浓度数据，送入计算机，再将稀释后啤酒的浓度数据送入计算机，计算机根据下式求出配比。100% （3-6）其中，Ps为配比；Bs 为啤酒原汁浓度；B为稀释后啤酒浓度。稀释开始后，计算机根据每次采样后求出的啤酒原汁流量的大小，计算出设定的水流量大小。 （3-7） （3-8）其中，Ws为设定的水流量；Ps 为配比；Bs为啤酒原汁浓度；e (k)为控制误差；Wm为实际测量的水流量。流量测量的特点之一是，流量瞬时起伏较大，从而引起较大的瞬时误差，而控制算法中的积分作用有时并不能将累积的误差迅速消除。因此，我们在算法中引入了容积补偿，其公式为：100% （3-9）其中，Pa为实际配比；Ps为设定配比；为累积的啤酒原汁；为累积的稀释后啤酒。K为开关量，取值为0或1，等于0 时取消容积补偿, 等于1开启容积补偿。上式的物理意义是：根据已经稀释好的啤酒修正配比, 酒多时增大配比多加水， 酒少时减小配比少加水。引入容积补偿后在消除累积误差方面作用显著。3.2 高浓度啤酒配比系统的功能 本系统通过PLC控制系统检测高浓度啤酒稀释配比系统运行中的各个参数，根据检测的结果对配比系统进行控制，从而实现理想的配比效果；同时用工业控制计算机显示上述运行参数，配比系统的各种动态曲线，中间变量以及原酒、脱氧水、混合酒的积累值等；同时对上述运行参数进行记录，以供查询等。为实现上述功能，在工业控制计算机上开发了一套监控软件，该软件主要由以下四个画面组成：配比系统、工艺流程、历史数据和曲线查询等。下面分别叙述各画面的功能：（1）配比系统画面工业控制计算机得电后，自动进入配比系统画面，正常运行时，系统主要工作在此画面。该画面具有以下功能：a) 原酒浓度和配制浓度的设定；配比系数的计算；原酒浓度、配制浓度、配比系数、原酒流量、水流量、总流量、原酒量、水量、总量、PH值、残氧、以及开机时间等参数的显示；瞬时浓度的实时曲线显示；配比泵自动/手动切换控制；真空泵、回流泵、原水泵、出水泵的启动/停止操作等。配比系统画面如图3-2所示。 图3-2 高浓度啤酒稀释配比系统画面（2）工艺流程画面在配比系统画面的下方点击工艺流程即进入工艺流程画面，此画面以立体图形方式显示啤酒稀释系统的工艺流程图，在工艺流程图上实时显示平衡罐温度、换热器温度等参数以及各个阀和泵的工作状态。工艺流程画面如图3-3所示。图3-3 高浓度啤酒稀释工艺流程画面（3）历史数据和曲线查询画面在配比系统下方点击历史曲线查询即进入此画面，在该画面的下方显示瞬时浓度和平均浓度的历史曲线，一屏显示一个小时，可用屏幕下方的左移1小时、左移8分钟、右移1小时、右移8分钟改变时间轴，分别拖曳红色光标和绿色光标可查询瞬时浓度和平均浓度，并分别在屏幕的左右边显示其数值，拖曳时，图标动态显示历史时间。限于篇幅，图略。在该画面点击历史数据，将启动Excel电子表格显示各主要参数的报表。第四章 高浓度啤酒稀释配比系统的硬件设计4.1 系统分析高浓度啤酒稀释系统主要包括水处理系统和酒水混合配比系统两部分。在水处理系统中首先要求将进入平衡罐的水温控制在25摄氏度左右，以便于水的脱氧，然后加热温水进脱氧罐及二级脱氧罐进行真空脱氧使经过处理后水的含氧量小于0.0510-6脱氧水然后进入薄板交换器通过变频器控制冷媒泵使脱氧水的温度降到24之间。然后处理水进入缓冲罐用于水酒混合配比过程。在水酒混合配比系统中，根据稀释前原酒的度数和要求稀释到的酒度数，再通过对酒流量的读取，确定水的需求流量(啤酒流量水酒比)，随后通过水管道上的气动薄膜调节阀对水的流量进行控制。本系统要采集的模拟量分别为稀释水的含氧量、稀释水的pH值、平衡罐温度、热交换器的温度，原酒流量、脱氧水流量，模拟量均通过传感器进行采集。输出的模拟量通过改变电气转换器的输入电压从而改变气动薄膜调节阀的开启度，来实现对脱氧水流量的控制，进而控制啤酒的浓度,根据系统分析，系统的设计原理结构图如下：图4-1 系统设计原理的总体结构图为使系统安全可靠，上位机采用了PC总线的工业控制计算机（IPC），实时显示系统运行信息、故障信息和参数设定；下位机采用了西门子公司生产的S7200可编程控制器，配备了一个CPU模块CPU226、一个模拟量输入/模拟量输出模块EM235和一个模拟量输入模块EM231，主要实现对配比系统的控制。两台计算机之间采用PC/PPI电缆连接，其不仅实现了PC机和S7200之间的通信，同时也兼有上位IPC机对下位机可编程控制器进行编程的功能。CPU226为西门子公司生产的S7200系列可编程控制器中性能最好的整体式PLC，其布尔指令执行速度为0.37s/指令，具有24路开关量输入/16路开关量输出和2个RS485通信口，通过PC/PPI电缆很容易将CPU226的RS485通讯口与IPC机的RS232串行口进行通讯；CPU226还具有6个技术频率为30kHz的高速计数器（占用开关量输入通道）和2路高速脉冲输出（占用开关量输出通道）；该模块还可外扩7个模块。根据系统要求，在此扩展了一个EM235和一个EM231模块。EM235为模拟量输入/模拟量输出组合模块，具有4路12位模拟量输入和1路12位模拟量输出功能，EM231为4路12位模拟量输入模块。两个模块的模拟量输入均可选择为单级性或双极性、电压输入或电流输入，其中：双极性电压输入从-25mV+25mV到-10V+10V九级，且可设定模拟量的滤波常数，使用非常方便。系统的硬件设计图如下：图4-2系统硬件设计图本系统共有6路模拟量输入和1路模拟量输出。6路输入的模拟量分别为原酒流量V1、脱氧水流量V2、平衡罐温度T1、热交换器温度T2、稀释水PH值、稀释水含氧量O2，这6路模拟量均需要采集，所以需要一个EM235和一个EM231模块；输出的1路模拟量通过调节电气转换器的输入电压来调节气动薄膜调节阀的开启度，从而实现对脱氧水流量的控制，进而控制啤酒的浓度。开关量输入信号分别为残氧浓度超标、原酒流量开关、水流量开关、蒸汽阀开关状态、冷却阀开关状态等。开关量输出信号有电气转换器启停信号、冷媒泵变频器变频信号、蒸汽阀开关信号、冷却阀开关信号等。这些开关量出入信号的采集和开关量输出信号的控制均由CPU226自身的开关量I/O通道来完成。4.2 PLC外部接线图图4-3 S7-226外部接线图图4-4 EM231外部接线图图4-4 EM235外部接线图图4-6 PLC与变频器联机的的正反转控制电路4.3 PLC硬件介绍可编程逻辑控制器是一种工业控制计算机，英文全称：Programmable Logic Controller，简称其为PLC。可编程逻辑控制器(PLC)是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置，其性能优越，已被广泛地应用于工业控制的各个领域。 20世纪60年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，但由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大，未能在工业领域中获得推广。 1968年，美国的汽车制造公司通用汽车公司(GM)提出了研制一种新型控制器的要求，并从用户角度提出新一代控制器应具备十大条件，也是PLC的优越性，1）编程方便，现场可修改程序；2）维修方便，采用插件式结构；3)可靠性高于继电器控制装置；数据可直接输入管理计算机中；5）输入电源可为市电；6）输出电源可为市电，可直接驱动电磁阀等,立即引起了开发热潮。1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。 可编程控制器自问世以来，发展极为迅速。1971年日本开始生产可编程控制器，而欧洲是1973开始的。如今，世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程控制器。可编程控制器从诞生到现在经历了四次更新换代，见表4-1。表 4-1 可编程控制器功能表代次器件功能第一代1位处理器逻辑控制功能第二代8位处理器及存储器产品系列化第三代高性能8位微处理器及位片式微处理器处理速度提高，向多功能及联网通信发展第四代16位、32位微处理器及高性能位片式微处理器逻辑、运动、数据处理、联网功能的多功能4.3.1 可编程控制器的基本组成PLC从组成形式上一般分为整体式和模块式两种。整体式PLC一般由CPU板、I/O板、显示面板、内存和电源组成。模块式PLC一般由CPU模块、I /O模块、内存模块、电源模块、底版或机架组成。本论文实物采用的是模块式的PLC，不管哪种PLC，都是属于总线式的开发结构，其构成如图2-1所示 12 1）CPU（中央处理器） 和一般的微机一样，CPU是微机PLC的核心，主要由运算器、控制器、寄存器以及实现他们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成。CPU在很大程度上决定了PLC的整体性能，如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量。CPU控制着PLC工作，通过读取、解释指令，指导PLC有条不紊的工作 2）存储器 存储器（内存）主要用语存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成部分。PLC中的存储器一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。系统程序一般由厂 家编写的，用户不能修改；而用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。 3）输入输出模块 输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元。PLC提供了各种工作电平、连接形式和驱动能力的I/O模块，有各种功能的I/O模块供拥护选用。按 I/O点数确定模块的规格和数量，I/O模块可多可少，但其最大数受PLC所能管理的配置能力，即底版的限制。 PLC还提供了各种各样的特殊的I/O模块，如热电阻、热电偶、高速计算器、位置控制、以太网、现场总线、温度控制、中断控制、声音输出、打印机等专用 型或智能型模块，用以满足各种特殊功能的控制要求。智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器及与PLC系统总线相连接的接 口。 4）编程装置 编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件 及系统的参数等。常见的编程器有简易手持编程器、智能图形编程器和基于PC的专用编程软件。目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件， 当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传 送、监控PLC运行状态等。 5）电源 PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强 的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。4.3.2 S7200系列PLCS7200PLC系列具有极高的性价比，较强的功能使其无论在独立运动中，还是连成网络皆能完成各种控制任务。它的使用范围可以覆盖从代替继电器的简单控制到更复杂的自动控制。其应用领域包括各种机床、纺织机械、印刷机械、食品化工工业、环保、电梯、中央空调、实验室设备、传送带系统和压缩机控制等。S7200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品，其中CPU22X型PLC有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四种基本型号，本设计采用CPU226型PLC。作者选用的 几种PLC模块或扩展模块介绍如下：1）CPU 226本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。 2）EM231EM231模拟量输入模块提供4路12位模拟量输入通道，输入为-5V+5V和0mA20mA 电压或电流。3）EM235EM235模拟量输入/输出模块具有4路12位模拟量输入通道和1路12位模拟量输出通道，输入为-25mV+25mV和0mA20mA的电压或电流。4）波士RS-485介绍：波士RS-485通信一定要接地线，因为 RS-485通信要求通信双方的地电位差小于 1V。即：半双工通信接 3 根线（+A、B、地），全双工通信接 5 根线（+发、发、+收、收、地）。本产品均无需任何初始化设置！只用到RXD（收）、TXD（发）、GND（地）信号。485C为全双工/半双工通用型。作者选用波士电子的系列端点式转换器。端点式可以带 128 个点。光隔转换器的隔离电压均为2500V。波士转换器均内置 600W 抗雷击浪涌保护器和 1500V 防静电保护器。4.4 控制方案及系统配置根据系统的要求，我们扩展了1个EM231模块和1个EM235模块。EM2