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拟，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AbstractThefermentationprocessisoneoftheimportantlinksofthebeerproductionprocess,thesystemusesthePCdataacquisitioncardtocollectperipheralsignal,atthesametimecontrolequipmentvalve,pump,motorstartingandstoppingtomeetproductionrequirements.Inthispaper,thebeerfermentationprocessfortheprojectbackground,torealizethecontrolofthetemperatureofbeerfermentationprocesswithPLC.Thisdesignismainlycontrolledbythecascadecontrolschemeonthefermentationtemperature,temperaturetransmittertocollecttemperaturefromthefermentationtank,controlmodulethroughtheanalog,analogsignalacquisitionisconvertedintoadigitalsignalcorrespondingtothePLC,comparedwiththetemperaturesignalgiven,afterPIDoperation,theoutputpulsesignaladjustedtocontrolthecoolantflow.Temperaturetestpointselectioninthefermentationtank,3position,andthroughthetwoelectromagneticvalve,3ammoniaimportstoachievefermentationtemperaturecontrol.TosolutethewholeprocesstemperaturecontrolbyPLC,thesystemperformancehigherthanprice,reliable,advancedtechnology,tofullymeetthefermentationprocessofbeerproductiontechnologyrequirements,takingintoaccountthepracticalneeds.Keywords：programmableLogicController;fermentationtemperature;temperaturecontrol；fermentor目录TOC\o"1-3"\f\h\z24415第1章绪论1101321.1啤酒发酵的意义和开展趋势1219391.2PLC在啤酒发酵应用中的可行性论述2100601.3啤酒发酵控制系统的设计任务及要求33603第2章啤酒发酵控制系统方案论证5145232.1啤酒发酵工艺517212.2发酵各阶段的温度控制机理6128132.2.1自然升温过程6129512.2.2主发酵及双乙酰复原阶段687262.2.3降温保湿阶段7220662.2.4双乙酰复原温度冷却阶段7287382.2.5低温保温阶段711152.2.6三摄氏度以下深冷藏过程7207112.2.7贮酒阶段74272.3啤酒发酵控制系统流程8228672.3.1麦汁充氧和酵母添加 9196972.3.2啤酒发酵过程964052.3.3啤酒过滤和杀菌 9153422.4啤酒发酵控制系统方案确定1025472.4.1啤酒发酵控制方案综述10222922.4.2啤酒发酵罐温度过程控制方案1230674第3章硬件设计14133513.1系统I/O点分析14160483.2PLC的选型15202323.3扩展模块168763.4I/O编址1762133.5系统的I/O分配18237523.6温度变送器的选型19305983.7压力变送器的选型20230803.8液位变送器的选型2157953.9流量计的选型22320633.10电磁阀的选型24229613.11平安栅的选型2697883.12指示灯的选型2789363.13蜂鸣器的选型2811822第4章软件设计30204584.1发酵温度控制系统流程图 3024914.2温度控制系统程序流程图设计315564.3系统程序设计33241584.3.1模拟量信号采集处理程序3350354.3.2发酵罐状态处理程序3417354.3.3温度设定控制程序35251804.3.4PID回路计算程序37100054.3.5电磁阀控制程序3812270第5章组态40143385.1啤酒发酵过程分析402235.2实时数据库的创立40266725.3动画组态界面的绘画41319845.4运行结果4127973第6章总结439337参考文献4427250致谢452357附录I46149附录II71绪论啤酒发酵的意义和开展趋势00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局部企业技术落后，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，以确保在剧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良。改良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稳固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。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，到达温度调节的目的。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、过失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局部时间，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，为了不丧失输入信号，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中参加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在工厂中倍受欢送，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，价格廉价，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。上煤系统电控局部控制对象为接触器，属于交流低速负载。据此选择原那么可以选用合理便捷的PLC产品。本系统选用了SIMENSSIMATICS7系列PLC组件。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-1~12℃；所到达的温度控制精度±0.5℃；可控制压力变化范围在0~0.15Mpa；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，表达清楚,格式正确。〔3〕毕业设计说明书，要求正文局部到达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。为了完本钱设计内容，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局部。啤酒发酵控制系统方案论证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假设干个生产工序，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、复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响到糖化车间，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。发酵进入复原双乙酰阶段，这一阶段要求温度控制在12~18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42~48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，此时把所有冷媒阀翻开，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0.5~10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，我国绝大局部啤酒厂均采用园柱锥底式发酵罐简称锥形罐，—般在圆柱局部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拟可忽略不计，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1:1.5~4。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16~24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。发酵各阶段的温度控制机理自然升温过程麦汁满罐温度上下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，发酵度的上下，酵母复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。满罐温度确实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。主发酵及双乙酰复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。双乙酰复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复原。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<T下，三带温差在0.2~0.3摄氏度左右。降温保湿阶段发酵液双乙酰复原达标后即开始转入降温阶段，此过程应按照工艺设定的速度将酒液均匀冷却至贮酒温度，由于此时酒液发酵已根本结束，二氧化碳生成和放热趋于停止，原二氧化碳上升托拉力等形成的自下而上对流大为减弱，酒液在不同温度下密度差形成对流的作用渐占主导，根据啤酒最大密度温度计算公式可知，酒液最大密度时温度约为3摄氏度，3摄氏度上下的酒液对流方向相反，控温时应据此区别对待。双乙酰复原温度冷却阶段酒液在此阶段降温中密度逐渐增大，对流方向仍为自下而上，酒液沿罐壁向下流动，由于此时冷媒与酒液温差较大，降温及罐内均衡过程不容易控制，应以上带和中带控温为主，须防止冷却过于强烈造成贴近罐壁处局部酒液结冰，影响降温效果及啤酒质量。低温保温阶段在整体降温过程中，3摄氏度以前的降温速度较快，降温惯性大，在接近3摄氏度对流方向变化过程中，易出现罐内各点酒液温度的紊乱，或温度出现突升突降，或温度持续变化，无法按工序执行，且难以总结出变化规律。针对此情况，在生产中采用了3摄氏度保温工艺，目的是稳定酒液流态，是对流过程放缓或停顿，罐内温度均衡准确，并在保温过程彻底排放剩余的废酵母和沉积物，3摄氏度保温结束后开始进行新的对流降温过程，实践证明此工艺有效的保证了降温速率及酒液澄清。三摄氏度以下深冷藏过程酒液降温至3摄氏度最高密度时将形成密度相同而温度不同的酒液，自行区域性对流，状态紊乱，酒液温度形成梯度，冷却加套冷量传递达不到要求，冷却速度和酒液温度下降缓慢，此时应以下部控温为主，加大锥罐底酒液控温强度，降低酒液密度，使对流方向由自下而上转变为自上而下，打破形成的温度梯度，满足温度控制效果，此过程下段温度应低于中、上段温度1~2摄氏度。贮酒阶段贮酒阶段的温控对发酵液成熟及酒液澄清等影响很大，控温不当将可能造成发酵液结冰。此阶段温度控制应以上、中、下三段均衡控温为主，缩小罐内发酵液温差。在贮酒过程中罐内下段二氧化碳的密度梯度高于中上段，而下段发酵液的密度高于中、上段，同时存在自下而上和自上而下的对流，状态紊乱，缓慢而不规那么，使用调节阀控制冷媒可采用长时间小流量的操作方法，对于开关阀那么可采用高频短时间开启控制，防止长时问深度冷却，温控精度要求在±0.2摄氏度，严禁出现温度上升。啤酒发酵控制系统流程由于啤酒酵母的作用，麦汁在发酵罐内发酵，在发酵过程中释放出的生化反响热和CO2热量释放导致发酵温度上升，同时CO2的产生使罐内压力升高。在整个发酵过程中，根据麦芽发酵的反响规律来控制发酵的温度和时间是保证发酵过程正常平安地进行，提高啤酒质量和口味，减轻工人的劳动强度，节约能源的关键。罐类容器的主要工况参数有温度、液位、气体压力。温度参数的上下来提醒罐内物料已加热时间的长短，以便指导操作者进行物料储存及物料反响。液位间接反响了物料的多少，以便控制物料的储存量，实时调控或者进行物料反响等。气体压力的大小反响了罐内CO2的多少，压力到一定程度时需从罐顶排出一定的CO2以减小罐内的压力，防止爆炸。所以需要对发酵罐内液温的变化进行实时控制，同时罐内的压力也是平安生产的必要控制量。啤酒发酵生产工艺对控制的要求是：发酵罐上、中、下液温的实时测控，控制罐温在特定阶段与标准的工艺生产曲线相符；控制罐内气体的有效排放，使罐内压力符合不同阶段的需要控制。啤酒发酵控制系统流程图如图2.1所示。图2.1啤酒发酵控制系统流程图根据锥形发酵大罐的特性将发酵的全过程分为多个阶段，在各个阶段，对象的特性相对稳定，温度和压力的控制方面存在一定的规律性。在发酵开始前，根据工艺要求预先设定工艺控制的温度、压力曲线；在发酵工程中，根据发酵进行的程度〔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，自动正确选择各个阶段相应的控制策略，从而到达预期的控制效果。主要分为以下阶段：麦汁充氧和酵母添加麦汁在泵入发酵罐进行发酵之前，麦汁中需要参加适量的酵母，整个发酵过程可以简单理解为酵母把麦汁中的糖类分解成C2H50H、H2O及其它产物的过程。这个阶段麦汁原料经由连接管道由糖化罐进入发酵罐中。啤酒发酵过程啤酒发酵是一个复杂的微生物代谢过程，这是啤酒生产过程中耗时最长的一个环节。在发酵期间，一般是往附着于罐壁上的冷却夹套内通入致冷酒精水或液氨来吸收生化反响热，以维持适宜的发酵温度，致冷量通过调节冷媒流量来控制。整个发酵过程可以分为主酵和后酵两个阶段：①主酵—这个阶段又称为前酵。麦汁接种酵母进入发酵罐几小时以后逐渐开始主发酵，麦汁糖度下降，产生CO2，反响热的释放使整个罐内的温度逐渐上升。经过2~3天后进入发酵最为旺盛的高泡期，再过2~3天，降糖速度变慢，糖度很低，酵母开始沉淀，进行封罐发酵。此时，前酵根本结束，进行降温转入后酵阶段。普通啤酒在前酵时的工艺要求控制在12℃左右，从前酵进入后酵的降温过程。②后酵—当罐内温度从前酵的12℃降到3℃左右时，后酵阶段开始了，这一阶段最主要的目的是进行双乙酰复原。此外，后酵阶段还完成了残糖发酵，充分沉淀蛋白质、降低氧含量，提高啤酒的稳定性。一旦双乙酰指标合格，发酵罐进入第二个降温过程，把罐内发酵温度从3℃降到0～－1℃左右进行贮酒，以提高啤酒的风味和质量。经过一段时间的贮酒，整个发酵环节根本结束。啤酒过滤和杀菌主酵、后酵结束以后，啤酒将通过过滤机和高温瞬时杀菌进行生物以及胶体稳定处理然后灌装。啤酒过滤是一种别离过程，其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母细胞和其它混浊物从啤酒中别离出去，否那么这些物质会在以后的时间里从啤酒中析出，导致啤酒混浊，目前多采用硅藻土过滤方式。如果啤酒中仍含有微生物〔杂菌〕，那么微生物可以在啤酒中迅速繁殖，导致啤酒混浊，其排泄的代谢产物甚至使啤酒不能饮用。杀菌就是啤酒在灌装之前对其进行生物稳定性处理的最后一个环节。啤酒发酵工艺曲线如图2.2所示。图中，0a段为自然升温段，不须外部控制；ab段为主发酵阶段；主酵阶段，典型的控制温度为12℃；bc段为降温逐渐进入后酵，典型降温速度为0.3℃/h；cd段为后酵阶段，典型控制点3℃；de段为降温进入贮酒阶段，典型降温速度为0.15℃/h；ef段为贮酒阶段。啤酒口味和实际要求的不同，啤酒的发酵工艺曲线也就不同，但是对于确定好的啤酒发酵工艺，就应严格按照工艺曲线去控制温度和压力等，这样才能保证啤酒的质量。图2.2啤酒发酵工艺曲线啤酒发酵控制系统方案确定啤酒发酵控制方案综述目前，国内啤酒生产〔糖化、发酵工段〕的控制水平根本上可以分为四个档次。〔1〕完全手动操作方式——其主要特点是阀门为手动。对温度、压力、液位、流量、浊度、电导率等生产过程中的模拟量信号采用常规分散仪表进行采集，然后集中或现场显示，操作人员在现场或集中操作盘〔柜〕上控制主要设置启停，阀门由工人到现场操作。这种方式下啤酒生产工艺参数得不到可靠执行，一致性较差，啤酒质量受人为因素影响较大，而且工人的操作劳动强度很大，主要生产设备与装置不能工作在较佳状态，原材料利用率低，产品能耗大，不可能采用较复杂的先进工艺生产啤酒，生产本钱较高。〔2〕半自动控制方式〔集中手动控制方式〕——其主要特点为阀门多采用气动或电动自动阀门。采取诸如数据采集器等手段采集各种过程量进入控制室，一般设有马赛克模拟屏或上位机。在模拟屏或上位机上显示各种温度、流量、压力、液位等过程参数和电机、阀门的开启状态，对生产过程进行监控，操作人员根据显示的参数和工艺参数比照，在模拟屏或操作台上遥控阀门开启和电机启停从而满足工艺要求，生产中的关键数据由人工记录。但由于需要操作工人的频繁介入，其啤酒质量和口味也有较大的波动，工人劳动强度也比拟大。〔3〕PC机+数据采集插卡方式——以工业PC机加各种数据采集卡为代表，过程控制中的各种信号在外围通过相应的变送器送入插在工业PC机插槽中的数据采集卡，在PC机画面上显示各种生产过程参数，同时控制阀门与泵、电机等设备的启、停来满足工艺生产要求，目前国内不少啤酒厂发酵车间采用这种系统进行控制。一定程度上解决了啤酒生产过程控制问题，但存在以下缺点：a．系统可靠性差。b．画面呆板，缺乏一般工控组态软件灵活的程序脚本控制功能，同时系统本身平安性差，难以建立有效的操作等级和权限制度。c．系统的可扩充性差。d．由于外围器件的漂移较大，系统控制精度受一年四季影响大，控制效果不理想。〔4〕分布式控制系统——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，主要特点是采用PLC作为下位机。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。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，上位机网络可兼容多种通讯协议〔如TCP/IP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。但主要缺点是一次投入资金较大。目前啤酒工业总的技术特点是向设备大型化、自动化、生产周期短，经济效益高的方向开展。近十年来，我国的啤酒工业得到了迅速开展，但是由于起步较晚，生产设备都比拟落后，自动化程度低，因而产品效率较低，产品质量也不高，吨酒能耗较大，这都是我国啤酒工业急待解决的问题。为了到达系统性价比高、可靠、技术先进，完全满足啤酒生产发酵工艺的技术并兼顾实用的需求。本设计选择分布式控制系统，主要针对于对啤酒发酵控制系统下位机的设计，通过PLC对单个发酵罐发酵过程的温度、压力等系数进行监控，实现对啤酒发酵系统的监控。根据控制方案确定总体框图如以下图2.3：图2.3总体框图啤酒发酵罐温度过程控制方案啤酒发酵对象的时变性、时滞性及其不确定性，决定了发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学模型来进行模拟和预测控制我国大局部啤酒生产厂家目前仍然采用常规仪表进行控制，人工监控各种参数，人为因素较多。这种人工控制方式很难保证生产工艺的正确执行，导致啤酒质量不稳定，波动性大且不利于扩大再生产规模。在啤酒生产过程中，糖度的控制是由控制发酵的温度来完成的，而在一定麦芽汁浓度、酵母数量和活性的条件下时间的控制也取决于发酵的温度。因此控制好啤酒发酵过程的温度及其升降速率是解决啤酒质量和生产效率的关键。在本次啤酒发酵温度控制系统设计过程中各种工艺参数的控制采用串级控制系统实现，主要控制锥形发酵罐的中部温度，采用常规自动化仪表及装置来实现温度及其他参数的检测与控制、显示。根据发酵罐的结构以及发酵工艺特点，采用串级控制系统，充分发挥它的优点，合理准确的测量并控制发酵罐温度。发酵罐中温度串级控制系统图如图2.4所示：图2.4锥形发酵罐中温度串级控制系统图在系统设计时，必须明白主、副被控参数的选择；副回路的设计；主、副回路的关系以及主副调节器控制规律的选择及其正反作用方式确实定等问题。设计被控系统时，选取的参数要能有效的反映工艺状况。根据工艺主参数为发酵罐中麦汁的温度。而副参数的选取是串级控制系统的关键所在，副回路设计的合理与否决定了串级控制的特点能否发挥。根据副回路的设计原那么，副被控参数的选择应使副回路的时间常数小，控制通道短，反响灵敏，副回路包含被控对象所受的主要干扰，当对象具有较长纯滞后时间时，应尽量将纯滞后局部包含在主对象中。因此，选取冷却液的流量作为副被控参数，构成如下图的串级温度控制系统框图2.5：图2.5发酵罐温度控制系统方框图硬件设计系统I/O点分析根据啤酒发酵控制原理可以得出：每只发酵罐需要测量上温、中温、下温、压力、液位五个检测量。由于本设计方案针对于对200~500吨位发酵罐的监控系统设计，所以对啤酒发酵罐的上温、中温、下温分别采用三点测量，所以每个发酵罐有12个模拟量需要测量。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，罐内压力及罐内液位也各需要一个二位式电磁阀进行控制。所以每只发酵罐的I/O点数为3个开关量输入、12个模拟量输入和15个开关量输出。输入/输出统计如表3.1所示：表3.1输入/输出点数统计表输入信号输出信号数字量输入信号模拟量输入信号数字量输出信号系统启动开关1上部温度变送器11麦汁进罐阀1系统急停开关1上部温度变送器21满罐温度保持指示灯1手/自动转换开关1上部温度变送器31主酵自然升温段指示灯1中部温度变送器11双乙酞复原阶段指示灯1中部温度变送器21降温保温阶段指示灯1中部温度变送器31后酵保温阶段指示灯1下部温度变送器11第二降温阶段指示灯1下部温度变送器21贮酒保温阶段指示灯1下部温度变送器31上冷媒开关电磁阀1发酵罐压力变送器1中冷媒开关电磁阀1发酵罐液位变送器1下冷媒开关电磁阀1液氨流量计1发酵罐排气阀1压力超限报警1温度超限报警1自动运行状态指示灯1共计：31215PLC的选型SIMATICS7-200系列是西门子公司生产的小型可编程程序控制器，结构小巧，可靠性高，运行速度快，有极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，配有功能丰富的扩展模块，性能价格比非常高，在各行各业中的应用迅速推广，在规模不太大的控制领域是较为理想的控制设备。西门子第二代产品是21世纪初投放市场的，其CPU模块为CPU22X，，速度快，具有较强的通信能力。它具有四种不同结构配制的CPU单元：CPU221，CPU222，CPU224，CPU226，除CPU221之外，其他都可以加扩展模块。根据对整个系统的考察，啤酒发酵温度PLC控制系统的I/O点数及类型确定，可知PLC要提供3个开关量输入和15个开关量输出，12个模拟量输入，同时考虑到要留有20%～30%的余量。通过比拟S7200四种CPU的各种技术指标，选定CPU226〔6ES7216-2AD23-0XB8〕晶体管输出型为啤酒发酵温度PLC控制的控制器。CPU226〔6ES7216-2AD23-0XB8〕晶体管输出型具有24入/16出，这种模块在CPU224的根底上功能又进一步增强，主机输入输出点数增为40点，具有扩展能力，最大扩展为248点数字量或35点模拟量，增加了通信口的数量，通信能力大大增强，它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。CPU226〔6ES7216-2AD23-0XB8〕晶体管输出型实物图如图3.1：图3.1CPU226实物图CPU226〔6ES7216-2AD23-0XB8〕外部连接图如以下图3.2所示：图3.2CPU226外部连接图扩展模块CPU226主机上的I/O口为24入、16出所以需要对其进行扩展，根据设计要求选择模拟量输入扩展模块EM231〔6ES7231-0HC22-0XA0〕，EM231〔6ES7231-0HC22-0XA0〕模拟量输入模块，4输入,其实物图如以下图3.5所示：图3.5EM231实物图EM231〔6ES7231-0HC22-0XA0〕模拟量输入，4输入连接图如图3.6所示：图3.6EM231连接图根据对系统的I/O点数分析，需要扩展12个模拟量输入，EM231具有4模拟量输入，考虑系统冗余，本设计在主机外扩展4个EM231以满足系统要求。主机与扩展模块扩展图如图3.7所示：模块4EM231AI4DC24V模块3模块4EM231AI4DC24V模块3EM231AI4DC24V模块2EM231AI4DC24V模块1EM231AI4DC24V主机中央处理单元CPU226图3.7扩展模块I/O编址根据系统设计要求对CPU及扩展模块进行I/O编址。编址如下表3.2：表3.2I/O编址主机模块1模块2模块3模块4I0.0Q0.0AIW0AIW8AIW16AIW24I0.1Q0.1AIW2AIW10AIW18AIW26I0.2Q0.2AIW4AIW12AIW20AIW28I0.3Q0.3AIW6AIW14AIW22AIW30I0.4Q0.4I0.5Q0.5I0.6Q0.6I0.7Q0.7I1.0Q1.0I1.1Q1.1I1.2Q1.2I1.3Q1.3I1.4Q1.4I1.5Q1.5I0.6Q1.6I1.7Q1.7I2.0I2.1I2.2I2.3I2.4I2.5I2.6I2.7系统的I/O分配根据啤酒发酵温度控制的工艺流程及实际需求，确定整个系统共有26个输入点，其中5个模拟量；16个输出点，考虑到系统的扩展留有少量冗余，因此选用西门子S7-226PLCCPU模块1块、EM221扩展模块1块、EM222扩展模块2块、EM231模拟量扩展模块2块。本机及扩展模块I/O地址分配见表3.3：表3.3本机及扩展模块I/O地址分配地址注解地址注解I0.0系统启动Q0.0上冷媒开关电磁阀I0.2系统急停Q0.1中冷媒开关电磁阀I0.3手/自动转换开关Q0.2下冷媒开关电磁阀AIW0上部温度变送器1Q0.3发酵罐排气阀AIW2上部温度变送器2Q0.4麦汁进罐阀AIW4上部温度变送器3Q0.5满罐温度保持指示AIW8中部温度变送器1Q0.6主酵自然升温段指示AIW10中部温度变送器2Q0.7双乙酰复原阶段指示AIW12中部温度变送器3Q1.0降温保温阶段指示AIW16下部温度变送器1Q1.1后酵保温阶段指示AIW18下部温度变送器2Q1.2第二降温阶段指示AIW20下部温度变送器3Q1.3贮酒保温阶段指示AIW24发酵罐压力变送器Q1.4自动运行状态AIW26发酵罐液位变送器Q1.5压力超限声报警AIW28液氨流量计Q1.6温度超限声报警温度变送器的选型温度变送器主要用于对啤酒发酵罐的温度进行采集，根据啤酒发酵的特点，啤酒发酵过程的温度范围最低可以到-1摄氏度以下，最高到12摄氏度以上，一般可以选择的量程为-10～90摄氏度的温度变送器。本设计采用HAKK-WB系列温度变送器，此温度变送器为24V供电、二线制的一体化变送器。产品采用进口集成电路，将热电阻或热电偶的信号放大，并转换成4-20mA或0-10mA的输出电流，或0～5V的输出电压。其中铠装变送器可以直接测量气体或液体的温度特别适用于低温范围测量，克服了冷凝水对测温所带来的影响特点。温度变送器实物图如图3.7所示：图3.7温度变送器实物图热电阻温度变送器技术参数如下：温度量程范围：Pt100：-200～850℃Cu50：-50～150℃；最小温度量程：50℃；引线电阻：≤10Ω；输出电流：4～20mA；输出回路供电：12～30VDC；最小工作电压：12VDC；温度漂移：根本误差/10℃；热电阻引线补偿：±0.1%〔0～10Ω〕；负载变化影响：±0.1%〔允许负载范围内〕；工作环境温度：-20～+70℃；防护等级：IP00/IP54〔传感器防护等级决定〕；本设计采用Pt100，输出电流：4～20mA，二线制，实物图如图3.7。温度变送器与扩展模块连接图如图3.8所示：图3.8温度变送器与扩展模块连接图压力变送器的选型压力变送器主要应用于对啤酒发酵罐的压力检测，根据对啤酒发酵工艺的了解，压力变送器可以选择量程为0～200Kpa或者0～400Kpa。本设计采用由南京宏沐科技与德国HELM公司合作开发和制造的HM20通用型压力变送器，HM20通用型压力变送器是专门为工业和民用OEM客户设计，，该型产品引进了欧洲先进的传感技术，严格的产品品质标准和合理化的产品制作工艺，建立了新的性能价格比标准。HM20通用压力变送器为专有技术生产，采用进口硅敏感元件和规一化设计的电路与装配工艺保证了产品的先进性、实用性和质量稳定性。HM20通用型压力变送器具有卓越的抗腐蚀、抗冲击、和过载、抗震动、抗磨损性能。技术参数如下：测量范围：-100KPa~0~5KPa...100MPa；过载能力：2倍满量程压力(其中100MPa的产品过压为1.1倍满量程压力)；工作温度：-40～85℃；供电范围：12~36VDC〔一般24VDC〕；信号输出：4~20mA/1~5VDC/0~5VDC/0.5~4.5VDC；负载电阻：≤(U-12)/0.02Ω；响应时间：≤2ms；本设计采用HM20通用型压力变送器，输出电流：4~20mA，两线制，HM20压力变送器的实物图如图3.9所示：图3.9HM20通用型压力变送器实物图HM20通用型压力变送器与扩展模块连接方式如图3.10所示：图3.10HM20通用型压力变送器与扩展模块连接图液位变送器的选型液位变送器在本设计中主要用于对啤酒发酵罐内的液位告诉进行检测，本设计采用沈阳半岛电器表业生产的BPS2508R型静压投入式液位变送器。BPS2508R型静压投入式液位变送器技术参数如下：测量范围：0～35mH2O；准确度：±0.5%FS；输出信号：4～20mADC；工作电源：12～36VDC；环境温度：-35～85℃；电气接线：DIN接插件；过程安装：DN40法兰、M33×2螺纹；本设计采用输出电流4～20mADC，二线制,实物图如图3.11。图3.11BPS2508R型静压投入式液位变送器实物图液位变送器与扩展模块的连接图如图3.12所示：图3.12BPS2508R型静压投入式液位变送器与扩展模块连接图流量计的选型流量计应用与对液氨冷却液的流量计量，本设计采用南京顺来达测控设备生产的LWGY涡轮流量计。LWGY涡流流量计是由涡轮流量传感器与显示仪表组成，由该公司采用国外先进技术生产制造的，是液体计量最理想的流量计之一。流量计具有结构简单、精确度高、安装维修使用方便等特点。该产品广泛用于石油、化工、冶金、供水、造纸、环保、食品等领域，适用于测量封闭管道中与不锈钢1Cr18Ni9Ti、硬质合金不起腐蚀作用，且无纤维、颗粒等杂质的液体。假设与具有特殊功能的显示仪表配套使用，可以进行自动定量控制、超量报警等用途。LWGY涡流流量计具有以下特点：传感器为硬质合金轴承止推式，不仅保证精度，而且提高耐磨性能。结构简单、牢固以及拆装方便。测量范围宽，下限流速低。压力损失小，重复性好，精确度高。具有较高的抗电磁干扰和抗振动能力。本设计采用LWGY涡流流量计技术参数如下：公称通经：〔4～200〕mm；介质温度：〔-20～80〕℃、〔-20～120〕℃；环境温度：〔-20～55〕℃；准确度：±0.2%、±0.5%、±1%；供电电压：12V±0.144V，供电电流：10mA；输出电压幅值：高电平>8V，低电平<0.8V；传输距离：传感器至显示仪表的距离可达250米；显示方式：现场液晶显示瞬时流量和累计流量；现场显示带信号输出供电电源：24V；4～mA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3.13LWGY涡轮流量计实物图流量计与扩展模块连接图如以下图3.14所示：图3.14流量计连接图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，对于开关阀那么可采用高频短时间开启控制，防止长时间深度冷却，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平安使用。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以下图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：0～10Kgf/cm2常开：0～8Kgf/cm2；最大耐压力Kg/cm2：最大耐压力Kg/cm2；工作温度℃：-5～80℃〔高温V型-10～120℃〕；工作电压：AC:220V、110V、36V、50/60HZDC:220V、110V36V、24V、12V〔可选〕；2W025-08电磁阀实物图如以下图3.16所示：图3.162W025-08电磁阀实物图电磁阀连接图如图3.17所示:图3.17电磁阀连接图平安栅的选型本设计采用江苏金湖恒控仪表生产的隔离式平安栅〔编号：621172416〕，隔离式平安栅采用了将输入、输出以及电源三方之间相互电气隔离的电路结构，同时符合本安型限制能量的要求。与齐纳式平安相比，虽然价格较贵，但它性能上具有突出优点如下：1．由于采用了三方隔离方式，因此无需系统接地线路，给设计及现场施工带来极大方便。2．对危险区的仪表要求大幅度降低，现场无需采用隔离式的仪表。3．由于信号线路无需共地，使得检测和控制回路信号的稳定性和抗干扰能力大大增强，从而提高了整个系统的可靠性。4．隔离式平安栅具备更强的输入信号处理能力，能够接受并处理热电偶、热电阻、频率等信号，这是齐纳式平安栅所无法做到的。5．隔离式平安栅可输出两路相互隔离的信号，以提供应使用同一信号源的两台设备使用，并保证两设备信号不互相干扰，同时提高所连接设备相互之间的电气平安绝缘性能。主要技术参数如下：

1.防爆标志:ExiaⅡC输入/输出精度:±0.2%×F.S输入阻抗：500KΩ，信号类型和量程在订货时确定，也可自行编程，但选择0-10V输入时无法选择其它输入电压类型。向平安区输出信号：直流：0-10mA、4-20mA、0-5V，1-5V，0-10V，信号类型和量程在订货时确定，也可自行编程。通讯〔仅在平安区〕:RS232或RS485接口。电源:直流24V功耗:1.9W〔单路20mA输出，24V供电时〕；2.4W〔双路20mA输出，24V供电时〕外形尺寸：宽×高×深：22.5×100×115mm适用范围：来自变送器、一次仪表、二次仪表等的直流电压信号。平安栅〔编号：621172416〕实物图如以下图3.18所示：图3.18平安栅〔编号：621172416〕实物图平安栅硬件连接示意图如下如3.19所示：图3.19平安栅硬件连接示意图指示灯的选型指示灯用来显示系统的运行状态以及啤酒发酵罐所处阶段，本设计采用尼西电气公司生产的AD16-16ELED信号灯。AD16-16ELED信号灯有颜色红、绿、黄、兰、白五种。参数：开孔16mm12VDC24VDC220VDC。根据系统设计要求采用红、绿色16mm24VDC信号灯。此种信号灯具有采用优质LED发光芯片为光源、寿命长、能耗低、体积小、重量轻等有点。AD16-16ELED信号灯实物图如图3.20所示:图3.20AD16-16ELED信号灯实物图AD16-16ELED信号灯连接图如以下图3.21所示:图3.21AD16-16ELED信号灯连接图蜂鸣器的选型本设计中蜂鸣器应用于对温度、压力参数的超限报警。本设计上海二工生产的闪光蜂鸣器〔型号：AD16-22SM〕。电压有12V、24V、36V、110V、220V、380V可选。本设计选用24V。颜色为红色，开孔尺寸为22mm。AD16-22SM闪光蜂鸣器，属于带灯声光蜂鸣器，声光报警器AD16系列蜂鸣器性能可靠、外观精美、规格齐全，适用于电力、电讯、机床、船舶、纺织、印刷、矿山机械等设备的线路中作指示信号、预告信号、事故信号及其他指示用信号。AD16-22SM闪光蜂鸣器实物图如以下图3.22所示：图3.22AD16-22SM闪光蜂鸣器实物图闪光蜂鸣器硬件连接图如以下图3.23所示：图3.23闪光蜂鸣器硬件连接图软件设计发酵温度控制系统流程图PLC实现啤酒发酵温度控制的主要任务是接受由发酵罐传来的温度、压力模拟量输入信号，然后与工艺曲线设定温度值进行比拟，计算出温度偏差值，再使用简单的PID控制回路计算出电磁阀的开度，从而实现对发酵罐温度的控制。根据啤酒发酵控制过程方案，设计啤酒发酵控制过程程序流程图如以下图4.1：图4.1啤酒发酵控制过程程序流程图为了到达预定的控制效果，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，从而防止了因操作人员操作偶尔失误而无法实现后续程序正常运行的情况。根据啤酒发酵温度控制各阶段转换条件及控制要求，画出图4.2单罐啤酒发酵温度控制系统流程图。图4.2单罐啤酒发酵控制系统流程图温度控制系统程序流程图设计根据啤酒发酵工艺流程要求及系统功能分析，设计出实现啤酒发酵温度自动控制的双乙酰复原阶段、降温保温阶段、后酵保温阶段、第二降温阶段、贮酒保温阶段等控温阶段根本的程序流程图如图4.3：图4.3温度控制程序流程图系统程序设计模拟量信号采集处理程序读入发酵罐上部温度、中部温度、下部温度、压力、液位模拟信号，然后分别转换为双字变量，再分别转换为浮点数。程序如以下图4.4。图4.4模拟量信号采集处理程序发酵罐状态处理程序根据操作人员输入的当前状态，对每个发酵罐的状态进行相应的设置。该程序梯形图如以下图4.5所示：图4.5发酵罐状态处理程序温度设定控制程序对发酵罐温度使用PID控制必须具备的条件是设定的温度和实际温度。降温保温阶段温度设定值随发酵时间而变化，温度的设定值的计算可按比例计算求值。如图4.6所示设曲线a是温度设定曲线的一局部t1和t2是曲线的两个端点的横坐标，T1和T2是曲线两个端点的纵坐标，t是当前的时间，T就是当前的设定温度。用简单的比例关系式就可以求出当前的设定温度值T。〔4-1〕图4.6温度设定值的计算温度设定值的计算控制程序如以下图4.7。图4.7温度设定值得计算程序PID回路计算程序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：〔4-2〕已下为根据上面公式计算回路调节输出值的程序，如图4.8所示：图4.8PID回路计算程序电磁阀控制程序在啤酒发酵温度自动控制的各阶段，特别是贮酒保温阶段的温控以上、中、下三段均衡控温为主，缩小罐内发酵液温差。在贮酒过程中罐内下段二氧化碳的密度梯度高于中上段，而下段发酵液的密度高于中、上段，同时存在自下而上和自上而下的对流，状态紊乱，缓慢而不规那么，使用调节阀控制冷媒可采用长时间小流量的操作方法，对于开关阀那么可采用高频短时间开启控制，防止长时间深度冷却，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。电磁阀PWM输出波形图如图4.9所示。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。图4.9电磁阀PWM输出波形图图中：Tt为电磁阀动作周期；T1为电磁阀关闭时间；T2为电磁阀翻开时间。Tt、T1、T2之间关系为Tt=T1+T2；电磁阀的阀位值=T2/Tt100%。计算出PID的回路输出值后，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PID输出值以及发酵阶段的不同，计算出不同的电磁阀开关时间。电磁阀控制程序如以下图4.10所示：图4.10电磁阀控制程序组态啤酒发酵过程分析根据要求对啤酒发酵过程进行组态仿真设计，按照工艺要求系统工作步骤如下：启动啤酒发酵罐系统，该发酵罐由“空闲〞转为工作，原汁入口阀翻开，开始向罐内注入原汁，直至发酵罐注入完成。满罐后保持进罐的温度，时间由t0决定。t0结束，进入发酵阶段，温度自然升温到T1。温度升至T1后，保持T1不变，直至糖化验合格后，t2结束。温度继续以自然升温t3，当到达T2时进去第二保温阶段t4.保持T2温度，直到双乙酰复原结束，t4结束，进入第一降温阶段t5.根据T2与T3的差值，t5的时间等计算出降温斜率，控制温度下降到T3.进入低温储酒阶段，温度控制为T4，直至该罐酒液开始输出为结束。实时数据库的创立首先对啤酒发酵过程进行分析，初步了解发酵变化过程，根据要求建立实时数据如以下图5.1：图5.1实时数据截图共创立实时数据三十个，其中开关型19个，数值型21个。动画组态界面的绘画根据设计要求，绘画动画组态界面如以下图5.2。图5.2动画组态界面运行结果根据对啤酒发酵工艺的了解，绘制出动画组态界面并编写组态循环脚本程序，实现对啤酒发酵控制系统的仿真。运行结果如以下图5.3图5.3运行结果总结啤洒发酵是一个复杂的生物化学反响过程。发酵期间，根据酵母的活动能力，繁殖快慢，确定发酵给定的温度。要使酵母的繁殖与哀减，麦汁中糖度的消耗和双乙酞等杂质含量到达最正确状态，必须严格控制发酵各个阶段的温度。因此，啤洒发酵过程，除生产工艺水平外，生产工序控制指标的优劣，将直接影响啤洒生产的质量，必须严格加以控制。啤酒发酵过程中由于发酵液自身的生化反响、罐内的自然对流以及发酵液与冷却液以及外界环境之间的热交换，使得被控对象具有时滞性和时变性特征，而且发酵罐内的温度场分布难以精确建模。我们对啤洒生产的发酵过程提出采用串级控制系统，使啤酒发酵温度控制与生产数据管理集于一身，这样才能适应当前啤洒现代化生产的需求，使企业的技术进步，生产管理以及市场竟争能力到达一个新的水平。本系统的设计，以PLC为软件根底，充分利用了当今先进的工业信息技术和自动化控制技术，为节省能源，降低生产本钱，并且能够满足控制的要求，发酵罐的温度控制选择了检测发酵罐的上、中、下3段的温度，通过调节上、中、下3段液氨进口的两位式电磁阀来实现发酵罐温度控制的方法，利用PLC来实现整个过程温度的控制。针对我国啤酒发酵控制工艺环境与工艺控制需求，经过认真调研、分析，同时，又充分考虑企业的综合实力、现状与开展等因素，本着性能/价格比高、可靠、技术先进的理念，设计了利用PLC实现啤酒发酵罐温度的自动控制系统。改良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。为啤酒发酵罐温度的自动控制系统开发提供一种解决方法，为解决目前市场同类产品效率低、本钱高的问题奉献微薄的力量，提供一些的参考。在本设计中，我们结合在工厂实习以及查阅的资料，将理论与生产实际相结合，不仅了解了生产过程的复杂，更加深刻的掌握了理论知识。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,2023.[2]刘刚.锥形罐发酵温控管理及自动控制系统设计[M].中国酿造,2023,5:P34-36.[3]邱公伟.可编程序控制器网络通信及应用[M].北京:清华大学出版社,2023.[4]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,2023.[5]廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社,2023.[6]陈在平,赵相宾.可编程序控制器技术与应用系统设计[M].北京:机械工业出版社,2023.[7]王孟效,薛会建,朱丹波.自控系统PLC和仪表干扰的研究[M].电气自动化,2023.[8]王畅,发酵过程温度控制PID-P参数的模糊自校正[J].佛山科学技术学院学报(自然科学版).2023,17(3):25-27.[9]薛福珍,庞国仲,胡京华.啤酒发酵温度的多变量控制[J].自动化学报,2023,28(1):150-154.[10]王念春.自控系统在啤酒生产中应用的现状与展望[J].自动化与仪表,2023,16(4):9-11.[11]董晓津,王斌,王孙安.啤酒发酵过程自动控制研究[J].机床与液压,2023,184(4):102-103.[12]任继领,庞健,陈寿元.STD总线式计算机应用与啤酒发酵过程[N].临沂师范学院学报.2023,22(3):91-92.[13]薛福珍,庞国仲,林盛荣.啤酒发酵过程的建模仿真与控制[N].中国科学技术大学报.2023,31(4):502-508.[14]杜立强,韩兵欣,刘利贤.啤酒发酵过程的单神经元自适应PID控制[N].河北建筑科技学院学报,2023,18(2):40-43.[15]SzewczykR,MainwaringA,AndersonJ.Ananalysisofalargescalehabitmonitoringapplication[C].Baltimore,MD,USA:SenSys,2023:14-226.[16]HeT,KrishnamurthyS,LuoL,eta1.Anintegratedsensornetworksystemsurveillance[J].ACMTransactionsonSensorNetworks,2023:1-38.[17]ZYZhao,MTomizuka,SIsaka.FuzzygainschedulingofPIDcontrollers[J].IEEETrans.Syst.,Man,Cybern.1993,23(5):1392-1398.致谢时间如梭，转眼我即将毕业。四年的大学学习生活即将随着论文的完成而画上一个句号，在论文即将完成之际，我的心情久久不能平静。回望整个学习历程充满了困难和障碍,但同时也饱含了成长和知识沉底的快乐,这些都离不开导师和同学的精心指导和热情帮助。老师严谨的治学态度,精益求精的工作作风,深深的影响着我的工作和学习。除了在学业上老师给予了我极大得帮助,在生活上对我也是无微不至的关心。在此我特别感谢对于我给予帮助的所有教研室的老师们，正是有你们的细心指导我才能顺利完成大学的所有学习任务。我还要感谢共同学习,共同生活的同学和朋友。正是有你们的帮助和鼓励,我才能顺利和快乐的克服学习和生活的困难,完成整个大学的学业任务。在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在老师和同学的帮助下度过了。我尤其要感谢在毕业设计中一直认真指导我的老师，您严谨的教学态度，开阔的思维，循循善诱的指导一直给我很大帮助。当我对论文的思路感到迷茫时，您为我理清思路，指导我在一条比拟清晰的思路上进行修改。您为我营造了一个良好的研究气氛。感谢所有传授我知识的老师在大学四年中对我的栽培，感谢每一位教研室的老师对我的关心和教育！附录I外文翻译GeneticAlgorithmsforOptimalControlofBeerFermentationG.E.Carrillo-Ureta",P.D.Roberts*andV.M.Becema**g.camllo@city.ac.uk,p.d.roberts@city.ac.ukandv.m.becerra@reading.ac.uk*CityUniversity,ControlEngineeringResearchCentre,NorthamptonSquare,LondonEClVOHB,U.K.UniversityofReading,DepartmentofCybernetics,ReadingRG66AY,U.K**Abstract-Thispaperusesgeneticalgorithmstooptimisethemathematicalmodelofabeerfermentationprocessthatoperatesinbatchmode.Theoptimisationisbasedinadjustingthetemperatureprofileofthemixtureduringafixedperiodoftimeinordertoreachtherequiredethanollevelsbutconsideringcertainoperationalandqualityrestrictions.IndexTerms-batchfermentation,beerfermentationmodelling,geneticalgorithms,optimalcontrolI.INTRODUCTIONThemodellingoffermentationprocessesisabasicpartofanyresearchinfermentationprocesscontrol.Sincealltheoptimisationworktobedoneisbasedonthereliabilityofthemodelequations,theyareimportantfortherightdesign.Theseequationsaregenerallynon-linear.Inbatchorfedbatchfermentationprocesses,thereisnosteadystate.Thecontrolofafermentationprocessisbasedonthemeasurementofphysical,chemicalorbiochemicalpropertiesofthefermentationbrothandthemanipulationofphysicalandchemicalenvironmentalparameters[8],[11].Theheuristicmethodoftrialanderror,whichisusedtofindanoptimalorpseudo-optimaloperatingregimebymanipulatingtheprocesstechnologicalparameters,isoneoftheoldestoptimisationmethods.GeneticAlgorithmsarerandomsearchmethodsbasedonthemechanicsofnaturalselection,andnaturalgenetics.InordertouseGeneticAlgorithms,asolutiontotheproblemasagenome(orchromosome)mustberepresented.Thegeneticalgorithmthencreatesapopulationofsolutionsandappliesgeneticoperatorssuchasmutationandcrossovertoevolvethesolutionsinordertofindthebestone(s).AppropriateimplementationofGeneticAlgorithmsincludesthefollowingthreeaspects:definitionoftheobjectivefunction,definitionandimplementationofthegeneticrepresentation,anddefinitionandimplementationofthegeneticoperators.ThesimulationoftheselectedmodelhasbeenaccomplishedwiththehelpofSIMULINK(Version2.2)underMATLAB(version5.2)environmentasamodemandimprovedwayforprocesssimulationandpossiblecontrol.TheoptimisationoftheprocesshavebeenaccomplishedwiththeSHEFFIELDMATLABGENETICALGORITHMTOOLBOXVersion1.2whichisanovelinstrumentforimplementinggeneticalgorithmmethodsasscriptfilesthatcanbechangedaccordingtotheproblemrequirements[3].ArefiningprocedureforsmoothingthetemperatureprofileobtainedwiththeGeneticAlgorithmoptimisationhasalsobeenincludedtoachieveimplementableresults.11.DESCRIPTIONOFTHEPROCESSFermentationhascometohavedifferentmeaningstobiochemistsandtoindustrialmicrobiologists.Itsbiochemical