啤酒发酵温度控制系统设计

摘 要发酵过程是啤酒生产过程中的重要环节之一，以往系统多采用PC机加数据采集卡对外围信号进行采集，同时控制阀门、泵、电机等设备的启停来满足工艺生产要求。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的温度控制。本设计主要采用串级控制方案对啤酒发酵罐的温度进行控制，温度变送器从发酵罐中采集温度，通过模拟量控制模块，把采集的模拟信号转换成对应的数字信号送入PLC中，与给定的温度信号进行比较，经过PID运算后，输出脉宽可调的信号来控制冷却液流量。温度检测点选择在发酵罐的上、中、下3段位置，并通过调节上、中、下3段液氨进口的二位式电磁阀来实现发酵罐温度控制。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；温度控制；发酵罐AbstractThe fermentation process is one of the important links of the beer production process, the system uses the PC data acquisition card to collect peripheral signal, at the same time control equipment valve, pump, motor starting and stopping to meet production requirements. In this paper, the beer fermentation process for the project background, to realize the control of the temperature of beer fermentation process with PLC.This design is mainly controlled by the cascade control scheme on the fermentation temperature, temperature transmitter to collect temperature from the fermentation tank, control module through the analog, analog signal acquisition is converted into a digital signal corresponding to the PLC, compared with the temperature signal given, after PID operation, the output pulse signal adjusted to control the coolant flow. Temperature test point selection in the fermentation tank, 3 position, and through the two electromagnetic valve, 3 ammonia imports to achieve fermentation temperature control.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.Key words：programmable Logic Controller; fermentation temperature; temperature control；fermentor目 录第1章 绪 论11.1 啤酒发酵的意义和发展趋势11.2 PLC在啤酒发酵应用中的可行性论述21.3 啤酒发酵控制系统的设计任务及要求3第2章 啤酒发酵控制系统方案论证52.1 啤酒发酵工艺52.2 发酵各阶段的温度控制机理62.2.1 自然升温过程62.2.2 主发酵及双乙酰还原阶段62.2.3 降温保湿阶段72.2.4 双乙酰还原温度冷却阶段72.2.5 低温保温阶段72.2.6 三摄氏度以下深冷藏过程72.2.7 贮酒阶段72.3 啤酒发酵控制系统流程82.3.1 麦汁充氧和酵母添加92.3.2 啤酒发酵过程92.3.3 啤酒过滤和杀菌92.4 啤酒发酵控制系统方案确定102.4.1 啤酒发酵控制方案综述102.4.2 啤酒发酵罐温度过程控制方案12第3章 硬件设计143.1 系统I/O点分析143.2 PLC的选型153.3 扩展模块163.4 I/O编址173.5 系统的I/O分配183.6 温度变送器的选型193.7 压力变送器的选型203.8 液位变送器的选型213.9 流量计的选型223.10 电磁阀的选型243.11 安全栅的选型263.12 指示灯的选型273.13 蜂鸣器的选型28第4章 软件设计304.1 发酵温度控制系统流程图304.2 温度控制系统程序流程图设计314.3 系统程序设计334.3.1 模拟量信号采集处理程序334.3.2 发酵罐状态处理程序344.3.3 温度设定控制程序354.3.4 PID回路计算程序374.3.5 电磁阀控制程序38第5章 组态405.1 啤酒发酵过程分析405.2 实时数据库的创建405.3 动画组态界面的绘画415.4 运行结果41第6章 总结43参考文献44致 谢45附 录I46附 录II7174第1章 绪 论1.1 啤酒发酵的意义和发展趋势0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。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 PLC在啤酒发酵应用中的可行性论述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。PLC是一种具有很高可靠性的控制装置，它与可编程调节器、DCS系统同被列为“不损坏仪表”。这不仅是由于它在硬件上采取了诸如隔离、滤波、屏蔽、接地等一系列抗干扰措施，在模板机箱进行了完善的电磁兼容性设计，对元器件进行了精心的挑选;而且更重要的是它采用了诸如数字滤波、指令复执、程序卷回、差错校验等一系列软件抗干扰措施及故障诊断技术，以及在系统一级的容余配置等；此外，PLC采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I/O处理，也只有在这一小段集中I/O时间中的干扰才会被引入PLC内部，在扫描周期的其余大部分时间，干扰都被阻挡在PLC之外。以上这些原因使PLC的可靠性更高。因此，PLC被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。PLC是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PLC中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PLC中加入针对慢连续量的过程控制并不困难。而在大中型PLC中普遍采用了多微处理器结构进行多道处理，这使得PLC不仅速度快，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，PLC配置着大量内含CPU的智能模板，有些专用于PID控制，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PLC适合于各种规模的自动化系统。正是由于PLC具有多种功能，集三电于一体，PLC网络具有优良的性能价格比和PLC具有高可靠性等等，使得PLC在工厂中倍受欢迎，用量高居首位，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。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。输入模块有直流24VDC和交流220VAC两种。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PLC产品。本系统选用了SIMENS SIMATIC S7系列PLC组件。1.3 啤酒发酵控制系统的设计任务及要求本设计的主要设计任务为：（1）该控制系统，能自动完成温度、压力及液位的检测，可控制温度变化范围在-112；所达到的温度控制精度0.5；可控制压力变化范围在00.15Mpa；实现啤酒发酵过程的自动监控；（2）了解和熟悉啤酒生产过程；确定控制系统的整体方案；（3）选择PLC型号及扩展单元；（4）设计PLC的外部接线图；（5）完成梯形图设计和指令表的编写；（6）查阅相关外文资料，并将其中一篇翻译为中文。本设计的设计要求为：（1）在毕业设计过程中，要求毕业设计学生认真查阅与题目内容相关的书籍、文献资料，根据给定的设计任务，设计工作安排，按时保量的完成毕业设计规定的全部内容。（2）要求独立完成毕业设计任务，设计计算准确，叙述清楚,格式正确。（3）毕业设计说明书，要求正文部分达到1.5万字以上，其中应该包括：设计方案的论证、设计的过程和结果。要求设计控制系统梯形图，指令表，设计内容客观真实。为了完成本设计内容，需要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。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的I/O分配、扩展模拟量处理模块等部分。第2章 啤酒发酵控制系统方案论证2.1 啤酒发酵工艺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/L）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。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。2.2 发酵各阶段的温度控制机理2.2.1 自然升温过程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。2.2.2 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T中8V，低电平0.8V；7. 传输距离：传感器至显示仪表的距离可达250米；8. 显示方式：现场液晶显示瞬时流量和累计流量；9. 现场显示带信号输出供电电源：24V；4mA两线制电流输出，远传距离500米；LWGY涡轮流量计实物图如图3.13所示：图3.13 LWGY涡轮流量计实物图流量计与扩展模块连接图如下图3.14所示：图3.14 流量计连接图3.10 电磁阀的选型本设计在使用调节阀控制冷媒时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，避免长时间深度冷却，电磁阀是二位式的，所以其阀的开关动作为占空比连续变化的PWM输出。程序通过温度计算及PID算法确定电磁阀的开度，实现恒温控制。本设计采用赛泰2W电磁阀，2W电磁阀采用二口(通)二位直动式膜片结构无压力启动，大大扩充了它的使用领域。采用平板式膜片结构启闭可靠，并且大大增强该产品的使用寿命。选用塑封线圈可提高该产品在众多环境下的安全使用。适用于介质为液体、水、热水、气、油、瓦斯等。二位二通的电磁阀的流通状态和图形表示法如下图3.15所示。通电时AP通，断电时AP 不通。 图3.15 电磁阀的流通状态和图形表示法 本设计中的电磁阀选用2W025-08电磁阀，技术参数如下： 动作方式 ：直动式； 型式 ：常闭式或常开式 ； 流量孔径mm：4； CV值 ：0.6； 接管口径G：1/4或3/8； 使用流体粘度 ：20CST以下 ； 使用压力Kg/cm2：常闭：010Kgf/cm2常开：08Kgf/cm2 ； 最大耐压力Kg/cm2