基于PLC啤酒发酵自动控制系统设计

1、xxxxxx 师范大学师范大学 毕业论文（设计）毕业论文（设计） 基于 plc 啤酒发酵自动控制系统设计 the design of automatic control system of beer fermentation based on plc 姓 名： xxx 学 号： 1105000529 系 别： 物理与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2011 级 指导教师： xxx 2014 年 12 月 21 日 i 摘 要 啤酒生产是我国的一个传统产业，随着国民经济的发展和人民生活的改善，我国啤 酒工业也得到了空前的发展。啤酒发酵过程是啤酒生产过程中的重要环节之一，从原

2、料 到发酵过程，如何控制好温度，压力，让发酵满足总生产工艺曲线，决定了啤酒的生产 质量和生产效率。因此，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。为节约能源，减少生产成本，同时满足控制要求，发酵罐的温度控制采 用检测发酵罐的上、中、下三段的温度，通过调节上、中、下三段冷媒电动阀来实现发 酵罐控温的方法。由于啤酒发酵对象具有时变性、时滞性以及不确定性，决定了发酵罐 温控须采用特殊的控制算法系统。该系统性价比高、可靠、技术先进，能完全满足啤酒 发酵工艺的技术要求。 关键词：啤酒发酵；温度控制；plc abstract beer production is one

3、of traditional industry in our country. with the development of civil economy and the improvement of peoples living condition, beer industry has also been rapidly improvedbeer fermentation is one of the key steps of beer production. from raw material to the fermentation process, how to control the t

4、emperature, pressure, and make full of the total fermentation technology curve, determines the production quality and production efficiency of beer. thus, this thesis is on the basis of some fermentation projects in breweries to control the fermentation temperature of the whole process by plc. to sa

5、ve energy, reduce production costs and meet the requirements of control, temperature control of fermentation tank adopts the detection of the three paragraphs of the temperature of the fermentation tank, through the upper, middle and lower imports of refrigerant in three motor-driven valves to achie

6、ve fermentation tank temperature control. as a result of beer fermentation at the time-varying, time-delay and uncertainty, it determines the fermentation tank special control algorithm must be used. the system performance higher than price, reliable, advanced technology, fully meets the fermentatio

7、n process of beer production technology requirements. keywords: : beer fermentation; temperature control; plc ii 目录 中英文摘要 .i 1 引言 .1 1.1 选题的背景和意义 .1 1.2 啤酒生产过程自动控制的意义.1 2 啤酒发酵工艺流程.1 2.1 啤酒发酵概述.1 2.2 啤酒发酵各阶段的转换条件及控制要求.2 2.3 啤酒发酵工艺曲线及各阶段工艺过程.3 3 啤酒发酵控制系统方案设计.4 3.1 啤酒发酵罐.4 3.1.1 啤酒发酵设备概述.4 3.1.2 啤酒发酵罐的

8、温控机理.5 3.2 啤酒发酵控制系统的设计功能.6 3.3 设计啤酒发酵控制系统结构框图.7 4 啤酒发酵控制系统硬件设计.7 4.1 plc 型号的选定以及特殊模块的选型.7 4.2 啤酒发酵罐附件设备选型.8 4.3 啤酒发酵控制系统 plc 外部 i/o 分配.9 4.4 啤酒发酵控制系统 plc 外部接线图 .10 5 啤酒发酵系统软件设计.12 5.1 啤酒发酵系统总流程图设计 .12 5.2 啤酒发酵系统子程序流程图设计 .13 5.3 模拟量信号采集处理程序设计.19 5.4 pid 控制器的参数整定方法及响应曲线.20 6 程序调试与总结.21 6.1 硬件功能调试.21 6

9、.2 系统软件调试 .21 6.3 现场调试 .22 7.结论 .22 参考文献 .23 附录 .i 致谢 .ix 1 1 引言 1.1 选题的背景和意义 啤酒是世界上产量以及消费量最大的一种酒，啤酒市场非常巨大，世界啤酒的未来 充满希望，随着人均消费量增长，啤酒消费量增长显著，居世界前列。我国作为世界最 大的啤酒饮料生产消费大国之一。我国国内生产啤酒的企业数以百计，但与国外的主要 啤酒生产厂家相比，大部分企业的技术相对落后，国内啤酒生产工业目前存在许多不尽 人意的地方。目前我国大多数啤酒生产企业装备落后，啤酒生产过程自动化程度低，大 部分处于手动控制阶段，只有极少数企业实现半自动化。由于啤酒

10、生产的工艺复杂，而 啤酒发酵过程作为啤酒生产工艺过程至关重要的一步，因此我国啤酒业发酵技术迫切需 要进行改造，提高啤酒生产率，保证成品酒质量，确保在市场激烈的竞争中力争上游1。 1.2 啤酒生产过程自动控制的意义 国内目前啤酒市场的竞争，体现在两个方面：质量和价格。为适应当前生产的要求， 在啤酒发酵过程中实现自动化控制可以提高竞争力体现在： (1) 提高啤酒产品质量，提高原材料的利用率，降低生产成本。 (2) 实现自动化后，大大减少了工人的劳动强度，啤酒的质量与生产都有望达到一个 新的高度。 (3) 提高啤酒的质量和生产效率的同时，辅助生产管理，方便生产成本的控制和管理。 2 啤酒发酵工艺流程

11、 2.1 啤酒发酵概述 啤酒是一种低浓度的饮料，也是富含营养价值的食品，每100g中仅有酒精3-5g，一般 不超过8g。它有特殊的酒精花清香味和适口的苦味，并有较高的营养成分。啤酒是以大 麦芽、水和酒花为主要原料，经酵母发酵酿制而成的一种饱含二氧化碳的低浓度酒精饮 料，被称为“液体面包” 。 酵母在通风后的冷却麦汁中吸收糖： c6h12o6 + 6o2 + 38adp + 38pi 6h2o + 6co2 + 38atp+ 28kj （2-1） （腺二磷） （高能磷酸） (腺三磷) 酵母增殖到一定程度时： c12h22o12 + h2o 2c6h12o6 + 4adp + 2pi 4c2h5o

12、h + 4co2 + 4atp + 113kj 2 发酵过程是啤酒生产中一个非常重要的环节，整个发酵过程也包含若干个生产工序， 如：麦汁充氧、酵母添加、发酵、过滤、co2和酵母的回收以及酵母扩充培养等等。发酵 过程是把糖化麦汁经过酵母生产乙醇、水、二氧化碳等产物。最终控制为糖度和双乙酰。 糖量决定乙醇含量，双乙酰有气味的物质。前发酵是啤酒发酵的主要过程，在这个过程 中，酵母完成了增殖，厌氧发酵等。而后发酵就是对主发酵的残糖继续发酵，达到要求 的发酵度，排除氧气，增加酒精中的co2的溶解量及其沉淀回收等。生产过程中要求发酵 液的温度精度控制在0.5范围内，温度按照一定的工艺曲线变化，如果温度过高

13、，会影 响啤酒质量，反之则影响了啤酒生产效率。 2.2 啤酒发酵各阶段的转换条件及控制要求 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 （即发酵温度、还原双乙酰温度）和贮酒温度。啤酒发酵期罐压力设定为0.10.15mpa。 其各阶段转换条件及控制要求见表2-1所示。 表 2-1 发酵各阶段转换条件及控制要求 工作阶段名称进入条件时间（h）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 满灌温度保持满灌后，人工手动 或自动输入“开始” t0=10h t1=8 关闭 主酵自然升温 阶段 t0 结束t1 不需设定自然升温至 t2=12关闭 双乙酰还原阶 段 温

14、度至 t2=12t2=72h t2=12 程序控制 第一降温阶段t2 结束t3=100h程序控制 后酵保温阶段t3 结束，t3=3t4=48h t3=3 程序控制 第二降温阶段t4 结束t5=72h程序控制 贮酒保温阶段t5 结束，t4=-1不需设定 t4=-1 程序控制 3 5 34 tt t tt t 2 3 23 tt t tt t 3 2.3 啤酒发酵工艺曲线及各阶段工艺过程 啤酒的口味和实际要求不同，啤酒发酵工艺曲线也不同，严格按照一定的工艺曲线 控制温度和压力才能保证啤酒质量。啤酒发酵工艺曲线如图2-1： 温度/ 12 8 t0 5 -1 t7 67 图 2-1 啤酒发酵工艺曲线

15、t0-麦汁进罐温度 t1-第一升温时间段，自然升温 t2-满灌保温时间段 t3-第二升温 时间段，自然升温 t4-主发酵保温（双乙酰还原）时间段 t5-第一降温时间段 t6-后发 酵保温时间段 t7-第二降温时间段 下面对各个阶段进行简单地介绍： （1）满灌保温，自然升温阶段 此阶段启动麦汁进罐，当麦汁满灌时，使其保持一定温度，温度高低直接关系到发 酵工艺的准确执行以及酵母前期增值速度，进而影响到发酵周期的长短，发酵度的高低， 一般设定为8，过低和过高的满罐温度均不利于酵母和成品酒质量。同时此阶段酵母进 行了有氧呼吸和完成了增殖过程，为下一发酵阶段做好充足准备。 （2）主发酵（双乙酰还原）阶段

16、 主发酵阶段酵母继续增殖并产生较多的热量，随着发酵液中氧的迅速消耗，酵母在 无氧呼吸下转化为成大量的酒精，由于发酵旺盛产生大量co2，罐体下部co2密度高于中 上部，使罐内中下部酒液中酒精量高于上部，酒体密度发生变化，形成co2气体的搅拌作 用，使锥形罐内酒液由下向上流动。主发酵期，温度控制应以上部为主，上低下高以控 制上段温度为主，形成的温度梯度，三带温差在0.5左右。罐底部酒液就会由罐中央向 上流动是由于其相对密度小，借助酒液底部co2上升力的拖动，加强了罐内酒液对流作用， 这样有利于酵母悬浮发酵，从而缩短主发酵期。当糖度达到工艺要求时，双乙酰还原进 入高峰，发酵液产生的热量相对减少，可适

17、当开启下段冷带，关闭上段冷带，以减弱酒 液对流，利于酵母凝聚。进入该阶段后，要求化验员每隔2小时测量一次双乙酞的浓度和 时间/d t1 t2 t3 t4 t5 t6 4 糖度，直到糖度降至3.0度时变为每八小时测量一次。如果此时距离装罐时间已大于4天， 发酵就可以进入降温阶段，降温阶段可分两次，此时把所有冷媒阀打开，使发酵液全速 降温。 （3）第一降温阶段 发酵液双乙酰还原达标后即开始转入降温阶段，此时酒液发酵已基本结束，co2生成 和放热趋于停止，原co2上升拖力形成的自下而上对流减弱。根据啤酒最大密度温度计算 公式，酒液最大密度时温度约为3。在降温至3的过程中，控制酒液温度应上低下高， 使

18、酒液密度上大下小，酒液沿罐壁形成自上而下的对流。 （4）3保温阶段 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，形成区域性对流，状 态紊乱，形成温度梯度，冷却套冷气传递达不到要求，酒液温度下降缓慢，通过冷气控 制下段温度低于中上段l2，加大罐底控温强度，降低酒液密度，使对流方向变为自上 而下，打破温度梯度，满足温度控制要求。这样使罐中央酒液由上向下流动，便于酵母 沉降回收，利于酒液的澄清和co2的溶解。 （5）第二降温阶段 在3保温过程结束后，发酵进入第二降温过程，在发酵温度降至0过程中，刚开始 酒液是向下流动的，发酵温度缓慢降低，由于发酵更加缓慢地进行，罐内下部酒液的c02 密度高

19、于中上部，引起对流作用而使酒液向上缓慢流动。此阶段的酒液对流由原来的向 下缓慢流动转为向上流动。因酒液温差变化较小，所以酒液流向很不规则，在30降温 期，应控制酒液温度应上低下高，上下对流趋于平衡，罐壁形成自下而上对流，使酒液 均匀快速地降至0。 （6）贮酒阶段 在经降温阶段降至0后，进入贮酒阶段，为缩小罐内酒液温差，温度控制应以上、 中、下三段均衡控温为主。在贮酒过程中罐内下段co2的密度高于中上段，而下段酒液的 密度高于中、上段，同时存在自下而上和自上而下的对流，状态紊乱而不规则，避免长 时间深度冷却，应采用长时间小流量方式，温度控制精度要求在0.5，控制酒液温度上 高下低，酒温保持在01

20、范围内，避免温度回升。这样可使酒液保持相对平稳状态， 使不规则对流趋于平衡，避免罐体的结冰。 3 啤酒发酵控制系统方案设计 3.1 啤酒发酵罐 3.1.1 啤酒发酵设备概述 发酵罐是啤酒生产的主要设备。发酵罐一般为圆柱锥底形状，在圆柱部分焊有两到 三段冷却夹套。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， 5 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2。发酵罐容量为 100。 3 m 每个发酵罐的上、中、下需装设3个温度传感器，并且对3个测温点进行检测，罐内 压力通过电接点压力表检测，每个发酵罐上部、中部、下部各需要一个电动调节阀进行 冷媒控制，还需各装

21、设一个电动截止阀用于手动对冷媒控制，罐内压力需要一个电动截 止阀进行排气控制。 在发酵期间，一般是往附于罐壁上的冷却夹套内通入液氨水来吸收生化反应热，来 保持适宜的发酵温度，冷媒量通过调节冷媒阀来控制。啤酒发酵罐流程图如图3-1。 图 3-1 啤酒发酵罐流程图 3.1.2 啤酒发酵罐的温控机理 当啤酒的发酵温度高于工艺要求的温度时，通过啤酒罐壁的冷媒阀开启给啤酒降温； 当发酵温度低于工艺要求的温度时，关闭冷媒阀，则啤酒按工艺要求继续发酵，整个发 酵过程大约10多天完成。啤酒发酵罐控制对象具有时滞性、时变性。 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

22、段，分别设定曲线进行控制，使系统控制精度符合啤酒发酵工艺 6 要求。各阶段发酵罐冷却带使用及温控方法见表3-1。 表 3-1 发酵罐各阶段冷却带使用及温控方法 发酵阶段使用冷带温度梯度控制酒液对流方向 主酵期上段或上、中段t 上t 中t 中t 下对流减弱 第一降温期上段t 上t 中t 中t 下罐壁：下上、 中， 上下 第二降温期上段t 上t 中t 中t 下对流基本停止 3.2 啤酒发酵控制系统的设计功能 plc系统具有故障率低、可靠性高、接线简单、维护方便等诸多优点，plc的控制功 能使啤酒发酵自动化程度大大提高，减轻了工人的劳动强度。plc和传感器、电动调节阀、 电动截止阀配合使用，使系统控

23、制可靠性大大提高，使啤酒生产率提高3。为满足啤酒发 酵系统控制的要求，系统的具体设计要求如下： (1) 系统具有手动和自动两种工作模式，各阶段状态显示以及故障报警等功能。 (2) 温度传感器将所测信号转换为标准量程的电压电流模拟量信号，模拟量再经特殊 模块转换为数字量输入plc，经plc内部cpu程序处理输出控制冷媒电动调节阀，实现对 温度的自动控制4。 (3) 在自动方式下，当啤酒发酵罐内温度在正常范围内时，根据各阶段转换条件实现 自动化运行，当温度超过上限时，发出报警信号，可以切换到手动状态进行报警处理， 报警信号主要为灯光信号，报警处理完毕后，使系统回到初始化状态。 (4) 手动状态。对

24、发酵罐的各部位冷媒电动截止阀进行手动操作，但调节精度低，当 啤酒发酵罐自动方式下的报警时可切换到手动方式处理，手动状态是为确保系统工作安 全而设计的。 7 3.3 设计啤酒发酵控制系统结构框图 发酵工艺过程有温度、压力、液位以及各种阀门的状态。plc可以根据工艺要求设定 的程序自动完成模拟量和开关量的处理。选用一台plc、电接点压力表和温度传感器、电 动调节阀、电动截止阀、功能模块等组成一个控制系统结构框图如图3-2。 图 3-2 啤酒发酵控制系统结构框图 4 啤酒发酵控制系统硬件设计 4.1 plc 型号的选定以及特殊模块的选型 根据系统需要的i/o口数及工艺控制等问题，本系统设计采用三菱的

25、fx2n-32mr，具 有功能强大，处理速度快，容量大等优点，属于高性能小型机，系统i/o口总点数为32点， 输入、输出分别为16/16点5。 本系统特殊功能模拟量模块考虑到学校plc实验室拥有的硬件设备选用fx0n-3a模块， 该模块具有a/d转换模块和d/a转换模块。通过控制系统中的传感器，将采集的模拟量信 号送入模拟量输入模块进行a/d转换，将连续的模拟量（010v、420ma）信号转换成 离散的数字量（0255） ，存储到plc内存里，用户程序对转换后的信息进行处理并将处理 结果通过模拟量输出模块进行d/a转换为模拟量（010v、420ma）信号去驱动执行元 件6。 8 4.2 啤酒发

26、酵罐附件设备选型 设备所需仪表有pt100温度传感器、电接点压力表、电动调节阀、电动截止阀7等。 pt100温度传感器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。pt100温 度传感器输出信号与温度变量之间有一给定的连续函数关系（线性函数） ，标准化输出信 号主要为05v和420ma的直流信号。 采集温度范围：-200+200， 工作温度范围：-40+85， 综合精度：0.3， 供电电源：+7.530v。 yxc-100电接点压力表广泛应用于石油、化工、冶金、电站等工业部门或机电设备配 套中测量无爆炸危险的各种流体介质压力。压力表的指针和设定针上分别装有触头，通 过将上限和下限设定针设

27、定后，当指针上的触头与上、下限设定针上的触头相连触时， 通过电气线路使指示灯发出报警信号的目的。 公称直径：150mm， 精度等级：1.5， 测量范围：02.0mpa， 使用环境条件：温度-4070，相对湿度85 工作电压：ac220v等。 zazp电动调节阀通过接受010ma或420ma直流信号，对管道内流体的流量、压力 等工艺参数的连续调节，是通过控制调节阀开度来实现的。电动单座调节阀具有动作灵 敏、信号传输迅速等特点。广泛应用电力、冶金、化工等工业自动控制系统中。 公称通径dn（mm）:200， 额定流量系数kv : 450， 公称压力pn（mpa）:4.0， 输入信号: dc 420m

28、a ， 供电电源: ac220v， 环境温度范围: -20+200。 j941h-16电动截止阀是一种直通式截止阀。在启闭过程中密封面之间摩擦力小，耐磨, 开启高度小，制造工艺性能好等特点。j941h电动截止阀适用于石油、化工、电力行业等 各种管路上，能切断或接通管路介质。适用介质为：水、油品、蒸汽等。 公称通径dn(mm)：50-1000mm， 压力范围：1.616.0mpa， 适用温度：200， 压力环境：常压， 工作温度：-196-650， 9 驱动方式：手动， 类型(通道位置)：直通式。 4.3 啤酒发酵控制系统 plc 外部 i/o 分配 根据啤酒发酵控制的工艺流程，每个发酵罐需要有

29、上温、中温、下温3个模拟量需要 测量，所以确定整个系统共有16个输入点，其中3个模拟量输入，17个输出点，3个模拟 量输出。啤酒发酵控制系统plc外部i/o分配表4-1如下： 表 4-1 plc i/o 口分配表 序号输入端口外接设备功能序号输出端口外接设备功能 1x01sb1系统启动开关17y00km1麦汁进罐泵 2x02sb2系统急停开关18y01 指示灯 hl1 满灌保温指示 3x03sb3 启动麦汁进罐 开关 19y02 指示灯 hl2 主酵自然升温指 示 4x04sb4 关闭麦汁进罐 开关 20y03 指示灯 hl3 主酵及双乙酰还 原指示 5x05sl1 麦汁满灌液位 限位开关 2

30、1y04 指示灯 hl4 第一降温指示 6x07sb5 自动/手动切换 开关 22y05 指示灯 hl5 后酵保温指示 7x10sa1 上冷媒电动截 止阀开关 23y06 指示灯 hl6 第二降温指示 8x11sa2 中冷媒电动截 止阀开关 24y07 指示灯 hl7 贮酒保温指示 9x12sa3 下冷媒电动截 止阀开关 25y10km2 上冷媒电动截止 阀 10x13sq1 电接点压力表 上限位开关 26y11km3 中冷媒电动截止 阀 11x14sq2 电接点压力表 下限位开关 27y12km4 下冷媒电动截止 阀 12x15sb6 双乙酰检测完 毕断开开关 28y13km5 发酵罐排气电

31、动 截止阀 10 续表 13x16fr热继电器29y14 报警指示 灯 hl8 温度超限报警 14ch1 发酵罐上部温 度 30y15 指示灯 hl9 双乙酰检测提醒 15ch2 发酵罐中部温 度 31ch1 输出控制上部冷 媒电动调节阀 16ch3 发酵罐下部温 度 32ch2 输出控制中部冷 媒电动调节阀 33ch3 输出控制下部冷 媒电动调节阀 4.4 啤酒发酵控制系统 plc 外部接线图 啤酒发酵控制系统plc外部接线图如图4-1所示。 11 图 4-1 啤酒发酵控制系统 plc 外部接线图 12 5 啤酒发酵系统软件设计 5.1 啤酒发酵系统总流程图设计 啤酒发酵总流程图包括控制系统

32、的启动与停止，模拟量信号采集，手动自动切换、 温度超限报警以及压力调节等。整个发酵温度控制过程根据不同发酵时期的不同转换条 件，调用相关子程序，根据设定好的曲线，完成满罐保温自然升温主发酵第一降 温阶段后发酵保温第二降温阶段贮酒保温阶段的温度控制。图5-1为啤酒发酵控制 系统总流程图。 图 5-1 啤酒发酵控制系统总流程图 13 5.2 啤酒发酵系统子程序流程图设计 根据前面啤酒发酵工艺流程的介绍，设计实现啤酒发酵温度自动控制的满罐保温阶 段、自然升温及主发酵阶段、第一降温阶段、后酵保温阶段、第二降温阶段、贮酒保温 阶段、故障报警等基本的系统子程序流程图。其中啤酒发酵温度控制主要以pid闭环控

33、制 系统为主。啤酒发酵罐温度闭环控制系统框图如图5-2。 图 5-2 啤酒发酵罐温度闭环控制系统框图 根据发酵工艺的要求，设计出发酵温度、时间曲线，使系统自动根据不同阶段的温 度设定值进行调节。首先对系统的各子程序执行，各阶段对应的标准温度值通过进入各 阶段程序设定得出，比较实际温度值和标准温度值，经过比较后如果结果相等则再次回 到主程序入口，对下一轮的实际值和标准值进行比较，经过比较后结果不相等则系统由 内部cpu运算执行相应的pid指令，调节冷媒阀开度，从而对温度进行调节。 （1） 满罐保温阶段子程序 进入满罐保温阶段后，通过设定发酵控制温度t=8，利用pid温度闭环控制使发酵 罐里的发酵

34、液稳定，利于酵母加快繁殖速度，进而影响到发酵周期的长短。满罐保温阶 段子程序流程图如图5-3。 14 图 5-3 啤酒发酵满罐保温子程序流程图 （2）自然升温阶段子程序 此阶段需控制发酵罐的冷媒阀关闭，使发酵罐温度迅速升温到12，缩短发酵周期。 自然升温阶段子程序流程图如图5-4。 图5-4自然升温阶段子程序流程图 （3）主发酵阶段子程序 满罐保温一段时间后经过自然升温进入主酵阶段。由于发酵是放热反应，温度升高， 产生大量的co2，使发酵液产生强大的对流。在控制过程中应设定发酵罐上t中t下t， 通过plc程序里设计的pid程序执行，相应地对上、中、下冷媒电动调节阀进行调节控制， 同时还需每隔一

35、段时间对双乙酰浓度检测，检测双乙酰浓度达标后方可进入下一阶段。 主发酵阶段子程序流程图如图5-5。 15 图5-5主发酵阶段子程序流程图 （4）第一降温阶段子程序 主发酵及双乙酰还原阶段完成后进入第一降温阶段，此时酒液发酵已基本结束，co2 上升拖力形成的酒液对流减弱，降温过程中应均衡控温，采用pid闭环控温系统利于实现 发酵罐酒液的对流趋于平衡，方便高效。第一降温阶段子程序流程图如图5-6。 图 5-6 第一降温阶段子程序流程图 16 （5）后酵保温阶段子程序 当第一降温过程温度达到设定值且设定时间到，进入后酵保温阶段，此阶段应控制 发酵罐下部温度为主，利于酵母沉降回收，同时利用pid实现对

36、温度的控制。后酵保温阶 段子程序流程图如图5-7。 图 5-7 后发酵保温阶段子程序流程图 （6）第二降温阶段子程序 后酵保温阶段时间到后进入第二降温阶段。第二降温阶段子程序流程图如图5-8。 图 5-8 第二降温阶段子程序流程图 17 （6）贮酒保温阶段子程序 第二降温阶段完成后，进入贮酒保温阶段，此阶段应控制发酵罐下部温度为主，用 pid实现均衡控温，控制酒液保持相对平稳状态，避免长时间深度冷却，防止罐体局部结 冰。贮酒保温阶段子程序流程图如图5-9。 图 5-9 贮酒保温阶段子程序流程图 （7）手动控制子程序 对发酵罐的各部位进行手动操作只能控制冷媒阀，排气阀开和关两种状态，对冷媒 阀的

37、开度不可调，且控制不稳定。主要用于调试阶段和处理异常情况。手动控制子程序 流程图如图5-10。 18 图5-10手动控制子程序流程 （8）故障报警处理子程序 当啤酒发酵罐自动方式下出现温度超限时，进行报警处理，切换到手动方式处理， 便于快速处理故障情况，手动控制处理也是为确保系统工作安全而设计的。故障报警处 理子程序流程图如图5-11。 19 图 5-11 故障报警处理子程序流程图 5.3 模拟量信号采集处理程序设计 通过选取的fx0n-3a特殊功能模块将读取的发酵罐上部温度、中部温度、下部温度 模拟信号转换成数字信号，经plc内部的cpu执行程序后输出数字量转换为模拟量控制冷 媒电动调节阀。

38、模拟量模块采集信号程序如图5-12所示。 20 图 5-12 模拟量模块采集信号程序 5.4 pid 控制器的参数整定方法及响应曲线 pid是闭环控制系统中比例-积分-微分控制算法，根据设定值与被控对象实际值的差 值，按pid方式计算出控制输出量，使反馈跟随设定值变化，因此pid控制是负反馈闭环 控制。其中比例项是增益与偏差的乘积，积分项与偏差的和成正比，而微分项与偏差的 变化成正比8。发酵罐温度模型是大时性，一阶纯滞后或二阶纯滞后系统。 通常pid参数整定方法如下： (1) 采样周期ts一般等于plc的扫描周期或扫描周期的整数倍； (2) 输入滤波系数一般选取50%； (3) 在比例控制的过

39、程中，将比例kp置较大的值，再逐步减小以得到满意的曲线。 (4) 在比例积分控制的过程中，将步骤(3)中的kp减小为原来的5080，再将ti置一 个较大值，观测响应曲线。然后减小ti，反复试凑至较满意的响应曲线，确定比例积分的 参数。 (5) 在进行pid控制的过程中，首先将kd置零，满意曲线的获得是通过调比例积分控 制方法实现的，再把比例kp进行调节，调节到比原值小（1020）%位置，之后再对ti进 行减小，再增加td，调节到所需要的满意的曲线出现为止。 啤酒发酵罐温度模型主要是控制其降温过程，是使温度反馈值降温达到设定值的过 程如图5-13，以及整定好的阶跃响应曲线如图5-14。 21 图

40、 5-13 发酵罐温度模型降温过程 图 5-14 啤酒发酵罐控制温度阶跃响应曲线 6 程序调试与总结 实验室现场调试主要是根据各种应用环境可能出现的情况对plc程序进行调试，检查 它是否与预期设计目标相符合。我们把实验室现场调试分为两部分：硬件功能性调试与 系统软件调试。 6.1 硬件功能调试 检测plc硬件是否可以正常工作： (1) 万用表检测电路接通是否可以实现，保证电路的接线是正确的； (2) 检查fx系列plc的i/o模块，通信模块，功能模块和电源模块是否完好，电源接线 是否正确； (3) 对plc各所需模拟模块进行检测，看模块是否正常，指示灯和按键有没有失灵。 当上述步骤调试都可以时，可以进行总体的调试。 6.2 系统软件调试 在开始调试plc系统程序时，要先把plc的开关拨到停止；把写好的程序输入到电脑 中，下载完以后，把plc拨到开始,打开软件监控，即可以在线进行调试。由于没有温度 传感器，可以用普通开关取代进行模拟，设定3个主要参数，用户的程序一般先在试验室 进行调试。一般不用接plc实际的负载, plc的发光