基于PLC的啤酒发酵自动控制系统

1、 青岛农业大学本科生毕业论文（设计）题 目： 基于PLC的啤酒发酵自动控制系统的设计 姓 名： ddd 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 2004.1 学 号： 0320040510 指导教师： dddddd 完成时间： 2008年6月18日QQ 348262497基于PLC的啤酒发酵自动控制系统的设计摘 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，我国啤酒工业也得到空前发展。尽管如此，目前我国的啤酒生产工业与发达国家相比还存在许多不尽如人意的地方。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，

2、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节之一，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。本设计介绍了国内目前啤酒生产自动控制的现状、存在的不足，对比了多种控制方案的优缺点，探讨了国内啤酒生产自动化控制的发展方向。在啤酒发酵过程中，温度是一个重要的过程参数。因此，温度的控制将直接影响啤酒的质量。本设计针对啤酒发酵温度控制过程中的难点引入了PID控制算法，有效地改善了原有控制方法存在的问题。关键词：啤酒发酵；可编程控制

3、器；PID控制Design of Autocontrol System of Beer Fermentation Process Based on PLCAbstractBeer 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

4、complexity of the beer production, domestic breweries have many disadvantages when compared with breweries in advanced countries, such as outdated measurement and control equipments, low level of automation, instable product quality, etc. How to improve the integrated automation level in beer produc

5、tion 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 PID algorithm applied in this process. It is an attempt to apply high technology to tradi

6、tional industry and has importantly practical meaning. This design gives an account of the status of brewage processing automation control in China, in cursive of some existing short comings, and points out the strong and weak points of many kinds of automation control scheme through comparison. The

7、 developing trend of the brewage processing automation control in China is also discussed. In beer fermentation, temperature is an important parameter that can effect the quality of beer. This design according to the difficulty of temperature controlling in beer fermentation, a sort of a PID control

8、 is introduced. The insufficiency of old control method is effectively improved by this way.Key words: Beer Fermentation；PLC；PID Control目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1论文选题依据11.2国内啤酒发酵生产过程自动控制现状11.3课题的背景及意义21.4本文主要的研究内容31.5小结4第二章 啤酒发酵工艺简介52.1啤酒发酵概述52.2发酵各阶段温度控制机理62.3啤酒发酵设备概述82.4啤酒发酵工艺控制9啤酒发酵工艺曲线9啤酒发酵温度和压

9、力的控制9第三章 啤酒发酵自动控制系统硬件选择及配置113 .1 机型的选择与I/O口的分配113.1.1 PLC选型113.1.2 西门子S7-200123.1.3 PLC的I/O口资源配置163.1.4 PLC其它资源配置163.2 S7-200编程软件简介163.2.1 SIMATIC工业软件(STEP 7-Micro/WIN)简介173.2.2 通讯口参数设置173.3 模拟量输入模块18输入特性183.3.2 EM235端子连线193.3.3 EM235的校准和配置20第四章 啤酒发酵自动控制系统程序的设计214.1 程序设计总体思路214.2 PLC功能模块程序设计214.3啤酒发

10、酵自动控制系统PLC程序说明22模拟量信号采集处理22发酵状态处理25温度设定值的计算294.3.4 PID回路计算324.3.5 电磁阀控制34第五章 结论与展望375.1结论375.2展望37参考文献39致 谢40第一章 绪论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，我国啤酒工业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

11、而扩大了生产规模，使啤酒品牌不断出新，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一道关键工序，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基于PLC的啤酒发酵自动控制技术，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个全新的水平2。1.2国内啤酒发酵生产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13。 第四章 啤酒发酵自动控制系统程序的设计4.1 程序设计总体思路发酵过程中，根据发

12、酵进行的程度（发酵时间、糖度、双乙酰含量等），发酵罐上、中、下三段温度的差异，以及三段温度各自的变化趋势，为了达到预定的控制效果，采用自动控制或由操作人员手动选择控制的方法。程序中设定了手动操作和自动控制选择开关，再任意阶段都能够实现两者间的切换，实现了温度、压力的手、自动选择控制。程序中有人工阶段选择开关，可以在任意阶段间跳转，从而避免了因操作偶尔失误而无法实现后续程序正常运行的情况。以下为基本程序流程图：图4-1啤酒发酵控制过程程序流程图4.2 PLC功能模块程序设计4.3啤酒发酵自动控制系统PLC程序说明下面对本系统的核心程序进行分析说明。模拟量信号采集处理模拟量采集处理部分由网络1网络

13、3组成。主要完成温度、压力、液位等模拟量的采集和处理。网络1的梯形图如图所示：下面是网络1的代码：网络1LD SM0.0 /sm0.0 程序运行时始终为onLPSMOVW AIW0, VW10 /读取模拟量输入值 1#发酵罐上部温度AENOMOVW AIW2, VW12 /读取模拟量输入值 1#发酵罐中部温度 AENOMOVW AIW4, VW14 /读取模拟量输入值 1#发酵罐下部温度LRDMOVW AIW6, VW16 /读取模拟量输入值 1#发酵罐压力AENOMOVW AIW8, VW18 /读取模拟量输入值 1#发酵罐液位LRDMOVW AIW10, VW20 /读取模拟量输入值 2#

14、发酵罐上部温度AENOMOVW AIW12, VW22 /读取模拟量输入值 2#发酵罐中部温度AENOMOVW AIW14, VW24 /读取模拟量输入值 2#发酵罐下部温度 LPPMOVW AIW16, VW26 /读取模拟量输入值 2#发酵罐压力AENOMOVW AIW18, VW28 /读取模拟量输入值 2#发酵罐液位网络2的梯形图如图所示：第五章 结论与展望5.1结论本文针对我国啤酒发酵控制工艺环境与工艺控制需求，对啤酒发酵工艺作了详细的研究，经过认真研究、分析，对目前国内外较先进的发酵工艺控制系统进行了综合比较与评价，同时，又充分考虑啤酒发酵生产过程中大惯性、大时滞和非线性等制约啤酒

15、生产的不利因素，提出了一种PID控制方案。利用PID控制算法来控制发酵温度，解决啤酒厂发酵过程的控制与管理的自动化设计要求。啤酒发酵过程是一个比较复杂的物理、化学过程，整个工艺流程从进料、保温、发酵、降温、储酒到出料，以及后续一些工段如空罐、洗罐等。在控制算法方面，只涉及到PID的单回路控制，使这个控制过程显得简单明了，但是这里所涉及到的只是整个工艺流程中的一部分，其余大部分程序将随现场用户的需求以及其控制工艺的不同而改变。本论文中许多方面还有待进一步研究和提高，由于上位机部分己经有比较成熟的组态界面和执行程序，并且自身时间限制所以暂时没有对控制系统上位机部分作详细的研究，有待今后继续研究，完

16、善提高，它能更全面的应用可编程控制器的通信功能，使控制系统更具有可靠性，并实现厂级间与计算机网络的联网。为了减少误差，提高控制精度，需要采用更多的先进和完善的控制算法15。5.2展望针对于啤酒发酵自动控制系统，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。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分布式控制系统。这种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，其主要特点是采用PLC作为下位机。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

17、络可兼容多种通讯协议（如TCP/PI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

18、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。但是随着社会生产力的提高，各种设备的价格也会不断降低，随着企业的发展，对生产力和管理水平要求也不断提高，这种控制系统将会越来越普遍14,17。参考文献1 王文甫. 啤酒生产工艺M. 北京：中国轻工业出版社，1997，30-462 史仲平. 发酵过程解析、控制与检测技术M. 北京：化学工业出版社，2005，86-95 3 张星元. 发酵原理M. 北京：科学出版社，2005，88-1174 黄儒强，李玲. 生物发酵技术与设备操作M. 北京：化学工业出版社，2006，144-1535 张爱民. 自动控制原理M. 北京：清华大学出版社，

19、2006，448-4526 胡学林. 可编程控制器教程M. 电子工业出版社，2003，150-2037 高钦和. 可编程控制器应用技术与设计实例M. 北京：人民邮电出版社，2004，25-608 许僇，王淑英. 电气控制与PLC控制技术M. 北京：机械工业出版社，2005，133-1839 王建华，黄河清. 计算机控制技术M. 北京：高等教育出版社，2003，25-5310 汪晓平，等. PLC可编程控制器系统开发实例导航M. 北京：人民邮电出版社，2004，109-126 11 储炬,李友荣. 现代工业发酵调控学M. 北京:化学工业出版社，2002，92-11412 张曾科. 模糊数学在自动化技术中的应用M. 北京：清华大学出版社，1997，24-4213 陶水华. 新型PID控制及其应用M. 北京:机械工业出版社，2002，42-6314 王斌