啤酒发酵自动控制系统的设计

1、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了空前发展。 尽管如此， 我国的啤酒生产工业前存在许多不尽如人 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。 发酵过程是啤酒生产过程中的重要环节之一， 本文针对实验室啤酒 发酵装置技术装备落后、 自动化程度低、 产品质量不稳定以及啤酒发酵罐温度所具有的大时 滞、强关联、时变、大时间常数和变量的特点，提出了 AT89S52单片机为核心的数字化温

2、度控制系统方案。 在发酵罐中设置上、 中和下三个测温点， 控制系统对这三个测温点进行循环 检测，然后检测到的温度信号送到单片机， 由单片机通过具体程序对以上三个信号进行处理， 通过本文设定的特殊控制算法决定每层控制阀的开度， 从而实现了啤酒发酵罐内部麦汁三层 温度的精确控制， 进而解决了啤酒发酵罐内部温度控制精度不高的问题，提高了啤酒生产的综合自动化水平本设计是利用毕业设计时间所学习的西门子PLC（S7-200 ）设计的啤酒发酵自动控制系统。本文针对啤酒发酵过程控制及其管理自动化的要求， 提供了一整套的啤酒发酵过程集散 控制系统的方案。文中介绍了系统的工艺流程、软件设计、PID 回路设计。软件

3、设计包括系统控制的梯形图、实现代码（指令表）及程序说明以及温度设定值的计算和PID 回路计算。该设计编程容易，容易掌握。关键词PLC PID 啤酒发酵 自动控制目录摘要 错误 ! 未定义书签。第 1 章 啤酒发酵自控系统总体设计 11.1 功能分析 11.2 控制原理分析 1第 2 章 啤酒发酵自控系统工艺流程 1第3章 啤酒发酵自控系统PLC选型和资源配置 13.1 PLC 选型 13.2 S7-200 主要功能及特点 . 13.3 文本显示器 TD200 23.4 TD200 具有以下用途 23.5 PLC 的 I/O 资源配置 33.6 PLC 其他资源配置 4第4章 自控系统PLC程序

4、设计 14.1 程序流程图设计 24.2 PLC 功能模块程序设计 3第5章 啤酒发酵自控系统PLC程序说明 15.1 模拟量信号采集处理 15.2 发酵状态处理 55.3 温度设定值的计算 105.4 PID 回路计算 135.5 电磁阀控制 16第 6 章 设计小结 1致谢 1参考文献 11.1 功能分析目前，啤酒发酵通常采用锥形大罐“一罐法”进行发酵， 即前酵， 后酵以及储酒等阶段 均在同一大罐中进行。前酵过程中， 酵母通过有氧呼吸大量繁殖， 大部分发酵糖类分解。在 这一过程初期， 反应放出的热量会使温度自然上升，随着反应的进行， 酵母的活性变大，反 应放热继续增加，双乙酵含量逐渐减少，

5、 而芳香酵含量增多。 后酵是前酵的延续。 进一步使 残留的糖分分解成二氧化碳溶于酒内达到饱和；再降温到-10C,使其低温陈酿促进酒的成熟和澄清。啤酒发酵过程中， 其对象特性是时变的， 并且存在很大的滞后。 正是这种时变性和大的 时滞性造成了温度控制的难点， 而发酵温度直接影响着啤酒的风味， 品质和产量， 因而控制 精度要求较高。温度， 浓度和时间是发酵过程最主要的参数， 三者之间相互制约， 又相辅相成。发酵温 度低，浓度下降慢，发酵副产物少，发酵周期长。因而必须根据产品的种类，酵母菌种，麦 汁成分，控制在最短时间内达到发酵度和代谢产物的要求。1.2 控制原理分析啤酒发酵对象的时变性， 决定了发

6、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字模型进行模拟和预测控制。为节省能源， 降低生产成本， 并且能足够控制的要求， 发酵罐的温度控制选择了检测发 酵罐的上，中，下段 3 段的温度，通过上，中，下 3 段液氧进口的两位式电磁阀来实现发酵 罐温度控制的方法。对于采用外部冷媒间接换热方式来控制体积大， 惯性大的发酵温度的情况， 采用普通的 控制方案极易引起大的起调和持续的震荡， 很难取得预期的控制效果。 在不同的季节， 甚至 在不同一季节的不同发酵罐， 要求生产不同品种的啤酒

7、， 这样就要求每个罐具有各自独立的 工艺控制曲线，这不仅要求高精度，高稳定性的控制，还需要控制系统有极大的灵活性。根据锥形发酵大罐的特性将发酵的全过程分成多个阶段： 麦汁进罐， 自然升温， 还原双 乙酰，一次降温，停留观察，二次降温，低温储酒，各阶段温度的曲线图如图 2-1 所示。图 2-1 温度的曲线图在各阶段， 对象的特征相对稳定， 温度和压力的控制方面存在一定的规律性。 在发酵开 始前， 根据工艺的要求领先设定工艺控制的温度， 压力曲线； 在发酵过程中，根据发酵进程 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

8、择各个阶段相应的控制策略，从而达到预期的控制效果。下面对各个阶段进行简单地介绍：1、麦汁进料过程：在这个过程中，由糖化阶段产生的麦汁原料经由连接管道由糖化罐 进入发酵罐中。2、自然升温过程：麦汁进料过程中，随着酵母的加入，酵母菌逐渐开始生长和繁殖。 在这个过程中， 麦汁在酵母菌的作用下发生化学反应， 产生大量的二氧化碳和热量， 这就使 原料的温度逐渐上升。3、还原双乙酰过程：在自然升温发酵过程中，化学反应产生一种学名叫双乙酰的化学 物质。这种物质对人体健康不利而且会降低啤酒的可口程度， 所以在这个过程杂红需要将其 除去，增加啤酒的品质。4、降温过程：在 2、3 过程中啤酒发酵已经完成，降温过程

9、其实属于啤酒发酵的后续过 程，其作用是将发酵过程中加入的酵母菌进行沉淀、排出。5、低温储酒过程：降温过程完成以后，已经发酵完成的原料继续储存在发酵罐等待过 滤、稀释、杀菌等过程的进行。3.1 PLC 选型根据啤酒发酵的工艺流程和实际需要，PLC的选型需要满足以下条件：1、 具有模拟量的采集、处理过程及开关量的输入/ 输出功能；2、具有简单回路控制算法。3、具有温度显示和用外部按键随时改变内部参数按以上的要求我选择西门子 S7-200系列PLC, S7-200系列的PLC是西门子公司1995 年底推出的具有很高性能价格比的微型PLC它具有体积小，运行速度高，功能强等特点。(1) S7-200PL

10、C 机械结构特性体积小, 重量轻, 结构紧凑, 可用接线端子排接线, 而且接线端子前带有面板保护, PLC 上设计有标准的 DIN 导轨安装机构和安装孔,可以垂直或水平方向安装。(2) S7 的电气结构特性1.免维护性。S7200CPU中配有EPROM可以永久保护用户程序和一些重要参数。它还安装有大容量电容,可以长时间存储数据而不需要后备电池。2.PLC内有24V直流传感器或负载驱动电源， 输出电流可达180mA或24mA灵活中断输 入。3. 为了适合不同场合使用，每种 CPU又都有3种不同的类型可供选择4. 灵活中断输入。 S7-200cpu 可以以极快的速度来响应中断请求信号的上升沿或下降

11、沿5. PLC内配有高速计数器。 CPU212有一个2KHZ的加/减计数器，而CPU214-CPU216有两 个独立的7KHZ的高速计数器，他们可用软件或硬件复位。6. 便于扩展，为系统备有专用的扩展模块(EN),可方便地进行输入，输出及模拟量扩展。7. 模拟电位器外部设定3.2 S7-200 主要功能及特点(1) 执行指令速度高。 CPU212执行每条二进制指令时间为1.2s，而CPU214-CPU261仅为 0.8s 。2)丰富的指令功能。 S7-200PLC 几乎包括了一般计算所具有的各种基本操作指令，如变量赋值、数据存位置、传送、比较、子程序调用、循环等。另外，它还有良好的用户使 用功

12、能，如脉宽调制(PWM ,位置控制(PTQ、PID等功能。( 3)灵活的中断功能，中断触发有几种形式：可用软件设定为中断输入信号的上升沿 式下降沿， 以便做出快速响应； 可设为时间控制的自动中断； 可由内置高数计数器自动触发 中断；在与外设通信时可以以中断分式工作。( 4、输入和输出的直接查询和赋值。在扫描周期内，可直接查询当前的输入和输出信 号，在必要时， 还可以用指令对输入和输出直接赋值或改变其值， 这样不仅用户调试程序方 便，同时也可使系统对过程事件做出快速响应。( 5、严格的口令保护。 S7-200 系统有 3 个不同的口令保护级别，以便用户对程序做有 效保护， 3 级口令分别是自由存

13、取，只读，完全保护。( 6、友好的调试和故障诊断功能，包括整个用户程序可在用户规定的同期数内运行和 分析，同时可纪录性存储器、定时器、计数器状态。( 7、输入或输出的强制功能。用户调试程序时，可对输入或输出强制接通。(8)通信功能。通信是 S7-200PLC的一个重要功能，它为用户提供了强大，灵活的通 信功能。用户对点接口( PPI)作9.6Kbit/s 的数据通信，用RS-485接口实现高速用户可编 和接口。3.3 文本显示器 TD200S7-200系统中的文本显示器 TD200是在现场监控的有效设备， TD-200连接简单，只 需要用按特定的通信电缆连接到 PPI 接口上就可以了。3.4

14、TD200 具有以下用途( 1、显示信息，可以显示最多 80 条信息，每条信息最多可包含 4 个变量。(2) 可设定CPU214以上机型的实时时钟。( 3、提供强制 I/O 点诊断功能。( 4)过程参数的修改。参数在显示器上显示并可用输入键进行修改，例如可修改温度 设定或速度改变等到参数。8个5)可编程的 8 个功能键可以代替普通的控制按钮作为控制键，这样还可以节省 输入点。(6)输入和输出设定。8个可编程式功能键盘的每一个都分配了一个存储器位。例如， 这些功能键在测试系统时，可以进行参数设置和修改，还可以不用其他操作设备就可实现对 电动机的控制等。用STERT编程式软件就可以对TD200编程

15、，而不需要其他的参数赋值软件。在S7-200CPU上开设一个专用存储器与 TD200作数据交换，TD200直接通过这个专用的数据来 使用的有关功能。用文本显示器TD200能满足具有温度显示和用外部按键随时改变内部能数的要求。3.5 PLC的I/O资源配置根据前面提到的啤酒发酵控制原理可以得出；每只发醇罐需要有上温、中温、下温。压力4个模拟量需要测量，有些情况需要对发醇罐的液位进行测量；上温、中温、下温，3个温度各需要一个二位式电磁阀进行控制， 罐内压力需要一个二位式电磁阀进行控制， 所以每 只发醇罐的I/O点数为5个模拟量、4个开关量。I/O分配见表3-1。表3-1 I/O 分配表输入作用Q0

16、.1KM11#罐上部控温电磁阀Q0.2KM21#罐中部控温电磁阀Q0.3KM31#罐下部控温电磁阀Q0.4KM41#罐压力电磁阀系统I/O接线图如图3-1所示图3-1 系统I/O接线图3.6 PLC其他资源配置除PLC必需的I/O卡件之外，另外涉及的设备仪表有啤酒温度变送器、压力变送器、液位变送器等。根据啤酒发酵过程的特点， 啤酒发酵过程的温度范围最低可以到-1C以下，最高到12C以上，一般可以选择的量程为 -5C45C或者-10C90C的温度变送器；压力变送器可以 选择量程为 0200Kpa或者0400Kpa。第4章自控系统PLC程序设计发酵过程中，根据发酵进行的程度（发酵时间、糖度、双乙酰

17、含量） ，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， 为了达到预定的控制效果， 采用自动或 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， 在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， 从而避免了因操作人员操作偶尔失误而无法实现后继程序正常运行的情况。4.1 程序流程图设计根据前面工艺流程的介绍，可以总结出基本的程序流程图如图 4-1 所示。图4-14.2 PLC功能模块程序设计(1)计算出啤酒发酵时间。在程序中必须能够得到每个发酵罐的起始发酵时间，然后由

18、当前时间计算出罐内啤酒的已经发酵时间。这个过程中需要考虑到的问题是，每个月的天数、该年是否可能为润年等。(2) 计算当前时刻的设定温度。处在发酵过程中的每一个发酵罐根据各自的生产需要， 都有一个工艺设定曲线。在计算出发酵的时间之后， 可以通过计算得到当前时刻的设定温度。(3) 计算当前时刻的电磁阀开度。计算出当前时刻设定温度之后，可以计算出温度的偏差值，使用简单的PID控制回路就可以计算出电磁阀的开度。由于电磁阀是二位式的，以其阀的开关动作作为占空比连续变化的PWM输出。电磁阀PWM输出波形如图4-2所示。TtT1T2 图4-2 电磁阀PWM输出波形图 图中Tt为电磁阀动作周期。T1为电磁阀关

19、闭时间。T2为电磁阀打开时间。Tt、T1、T2 之间关系为 Tt=T1+T2.电磁阀的阀位值=T2/T1 X 100%第5章啤酒发酵自控系统PLC程序说明5.1模拟量信号采集处理模拟量采集处理部分由网络 1网络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5-1所示。5血mMS-OUTEN EkIDMOiryEN典MJV_WEN EUOEN EVEMQV.WEN EM：tl CUT01】lh JENENCINJUTEUDIIJcurEEUOll'Jturmy.E*INcurAl、讣IIIOUT她图5-1网络1梯形图网络1的指令表:LD SM0.0/ SM0.0

20、 程序运行是始终为 ONMOVWAIWO,VW10/读取模拟量输入值：1#发酵罐上部温度AENOMOVWAIW2,VW12/读取模拟量输入值：1#发酵罐中部温度AENOMOVWAIW4,VW14/读取模拟量输入值：1#发酵罐下部温度LRDMOVWAIW6,VW16/读取模拟量输入值：1#发酵罐压力AENOMOVWAIW8,VW18/读取模拟量输入值：1#发酵罐液位MOVWAIW10,VW20AENOMOVWAIW12,VW22AENOMOVWAIW14,VW24LRDMOVWAIW16,VW26AENOMOVWAIW18,VW28LRD/读取模拟量输入值：2#发酵罐上部温度/读取模拟量输入值：

21、2#发酵罐中部温度/读取模拟量输入值：2#发酵罐下部温度/读取模拟量输入值：2#发酵罐压力网络2梯形图如图5-2所示。图5-2 网络2梯形图网络2的指令表:LD SM0.0LPS/读取模拟量输入值：2#发酵罐液位ITD VW10 , VD40 /将1#发酵罐上部温度值由字变量转换为双字变量AENOITD VW12 ， VD44 /将 1#发酵罐中部温度值由字变量转换为双字变量AENOITD VW14 ， VD48/将 1#发酵罐下部温度值由字变量转换为双字变量AENOITD VW16 ， VD52 /将 1#发酵罐压力值由字变量转换为双字变量LRDITD VW18 ， VD56 /将 1#发酵

22、罐液位值由字变量转换为双字变量AENOITD VW20 ， VD60 /将 2#发酵罐上部温度值由字变量转换为双字变量AENOITD VW22 ， VD64 /将 2#发酵罐中部温度值由字变量转换为双字变量AENOITD VW24 ， VD68 /将 2#发酵罐下部温度值由字变量转换为双字变量LPPITD VW26 ， VD72 /将 2#发酵罐压力值由字变量转换为双字变量AENOITD VW28 ， VD76 /将 2#发酵罐液位值由字变量转换为双字变量网络 3 梯形图如图 5-3 所示。图5-3 网络3梯形图网络3的指令表：LD SM0.0LPSDTR VD40,VD100AENODTR

23、VD44,VD104AENODTR VD48, VD108LRDDTR VD52,VD112AWNODTR VD56,VD116LRDDTR VD60,VD120AWNO/ 1#将发酵罐上部温度由整数转换为浮点数/ 1#将发酵罐中部温度由整数转换为浮点数/ 1#将发酵罐下部温度由整数转换为浮点数/ 2#将发酵罐上部温度由整数转换为浮点数/ 2#将发酵罐中部温度由整数转换为浮点数/ 2#将发酵罐下部温度由整数转换为浮点数DTR VD64,VD124AENOSMD.OJ 1Dl_lCl Jl_FENLhinb M 1L忖L till 1匕|tNL H1Jt Nu N UzlT4U-hUUIvono

24、jVD44-|NOUTVD1U4UUIVD10BDTR VD68,VD128LPPDTR VD72,VD132AENODTR VD76,VD136这个过程由网5.2 发酵状态处理根据操作人员输入的当前操作状态， 对每个发酵罐状态进行相应的设置。络4网络8来实现。网络 4梯形图如图 5-4 所示。图 5-4 网络 4 梯形图网络 4指令表LDSM0.0/常闭触点LDBVB1000.0/1号发酵罐停止发酵OB=VB1002.0/2号发酵罐停止发酵OB=VB1004.0/3号发酵罐停止发酵ALDJMP1网络 5 的梯形图如图 5-5 所示。SM0.0VB1000Ml 0.0图5-5网络5梯形图网络5

25、的指令表LD SM0.0LPSAB=VB1000，11SM10.0，1/RM10.1，1/RM10.2，1/RM10.3，1/LPPAB=VB1002，12SM11.0，1/RM11.1，1/RM11.2，1/号发酵罐处于进料状态 设置进料状态标志 清除发酵状态标志 清除储酒状态标志 清除出料标志号发酵罐处于进料状态设置进料状态标志清除发酵状态标志清除储酒状态标志R M11.3, 1/清除出料标志网络6的梯形图如图5-6所示。SM0.0VB1000卜42M10.11MW.01M10.21M10.3H)1VB1002M11.11M11.0T巧1M11.2T巧1M11.31图5-6 网络6梯形图网

26、络6的指令表LD SM0.0LPSAB=VB1000，2/1SM10.1，1/RM10.0，1/RM10.2，1/RM10.3，1/LPPAB=VB1002，1/2SM11.1，1/号发酵罐处于发酵状态 设置发酵状态标志 清除进料状态标志 清除储酒状态标志 清除出料标志号发酵罐处于发酵状态 设置发酵状态标志RM11.0,1/清除发酵状态标志RM11.2,1/清除储酒状态标志RM11.3,1/清除出料标志网络7的梯形图如图5-7所示。VB1Mi=BfVB1002M10.SM10DT R)1M10.1TT1M10.31M11.2 'J1M11.0Y2图5-7网络7梯形图网络7的指令表LD

27、SM0.0LPSAB=VB1000，31号发酵罐处于储酒状态SM10.2，1/设置储酒状态标志RM10.0，1/清除发酵状态标志RM10.1，1/清除进料状态标志RM10.3，1/清除出料标志LPPSMO.OT FV91000卜叶4VB100?SM10.2，1/RM10.0，1/RM10.1，1/AB= VB1000, 31AB=VB1002，32号发酵罐处于储酒状态SM11.2，1/设置储酒状态标志RM11.0，1/清除发酵状态标志RM11.1，1/清除进料状态标志RM11.3，1/清除出料标志网络8的梯形图如图5-8所示。K弓)1M10.01W10.1T R)1M10.21M11.3K &

28、#163; )1M11.0Y R)1M11.1Yr)1M11.21图5-8 网络8梯形图网络8的指令表LD SM0.0LPS号发酵罐处于出料状态设置出料状态标志 清除发酵状态标志 清除进料状态标志RM10.3，1/清除储酒标志LPPAB=VB1002，32号发酵罐处于出料状态SM11.2，1/设置出料状态标志RM11.0，1/清除发酵状态标志RM11.1，1/清除进料状态标志RM11.3，1/清除储酒标志5.3温度设定值的计算下面是计算温度的设定值的程序。温度设定值的计算由网络9网络13组成对发酵罐温度使用PID控制必须具备的条件是设定的温度和实际温度。温度的设定值很简单，就是按比例计算求值。

29、 如图5-9所示，曲线a是温度设定曲线的一部分，t1和t2是曲线的两个端点的横坐标，T1和T2是曲线的两个端点的纵坐标，t是当前的时间，T就是当前的设定温度。用很简单的比例关系式就可以求出当前的设定温度值T2 T1t2 t1t t1T1T温度图5-9 温度曲线网络910的梯形图如图5-10所示。网络910梯形图图 5-10网络9的指令表LD SM0.0MOVR VD1204 , VD1220AENO-R VD1200, VD1220AENOMOVR VD1212 , VD1224AENO-R VD1208, VD1224AWNOMOVR VD1220 , VD1228/R VD1224, VD

30、1228网络10的指令表LD SM0.0MOVR VD1228 , VD1232AENOAENOMOVRVD1232 ,VD1236AENO+RVD1200,VD1236*RVD1213,VD1232网络1113的梯形图如图5-11所示。网络1113梯形图网络1113的指令表网络11LDSMO.OMOVRVD1272,VD1276MOVRVD220,VD1220AENOMOVRVD224,VD1224AENOMOVRVD228,VD1228AENOMOVR VD232 , VD1232网络12LD SMO.OMOVR VD1236, VD1240AENO网络13LD SM0.4EUCAII P

31、ID 计算：SBR25.4 PID回路计算在计算出温度的设定值之后，就可以根据以下的PID计算式计算出对应的输出值:TsMn Mn 1 Kc En En 1EnT1TDPV 2 PVn 1 PVnTs网络14网络20就是根据上面公式计算回路调节输出的一段程序。梯形图见图5-12。图5-12网络1420梯形图网络1420的指令表网络14LD SM0.0LPSA M20.0MOVR VD1244, VD1236-R VD1248, VD1236LPPANM20.0MOVR VD1248, VD1236-RVD1244, VD1236网络15LDSM0.0MOVR VD1236 ， VD1252AE

32、NO-R VD1240 ， VD1252AENO*R VD1220， VD1252网络 16LD SM0.0MOVR VD1232 ， VD1256AWNO*R VD1236 ， VD1256AENO/R VD1224 ， VD1256AENO*R VD1220 ， VD1256网络 17LD SM0.0MOVR VD1248 ， VD1260AWNO+R VD1268 ， VD1260AENO-R VD1264 ， VD1260AENO-R VD1264 ， VD1260网络 18LD SM0.0*R VD1220 ， VD1260AENO*R VD1232 ， VD1260AENO/R VD1228 ， VD1260网络 19LD SM0.0MOVR 0.0 ，VD1272AWNO+R VD1260 ， VD1272AENO+R VD1256 ， VD1272AENO+R VD1252 ， VD1272就是 PID 程序计算的输出值AENO/VD1272+R VD1276 ， VD1272网络 20LD SM0.0MOVR VD1264 ， VD1268AENOMOVR VD1248 ，VD12645.5 电磁阀控制计算出 PID 的回路输出值之后，就要相应的调节电磁阀的输出以控制发酵罐内的温度 值。由