基于PLC的啤酒发酵自动控制系统设计毕业论文设计.docx
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基于PLC的啤酒发酵自动控制系统设计毕业论文设计
广州大学松田学院
毕业论文（设计）
题目___基于PLC的啤酒发酵自动控制系统设计______
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
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尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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涉密论文按学校规定处理。
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日期：
年月日
基于PLC啤酒发酵自动控制系统设计
摘要：
啤酒发酵是啤酒生产中最重要的一道工序，是决定啤酒质量的最关键的一步。
啤酒的发酵是把糖化的姜汁分解成乙醇，由于发酵时间长，过程机理复杂，影响发酵因素很多，对发酵过程缺乏精确的数学模型。
从原料到发酵过程，如何控制好温度，压力，让发酵满总生产工艺曲线，决定了啤酒的生产质量和生产效率，发酵过程是啤酒生产过程中的重要环节，发酵控制系统的任务就是将发酵酒液的实际温度控制在和标准发酵曲线相差有限的误差范围内。
过去的啤酒发酵过程，啤酒发酵罐多为人工现场操作调节，手工记录。
但随着啤酒产量的不断增加，所需发酵罐也会增多，给生产啤酒带来极大的不便，造成生产质量的稳定，如何提高啤酒生产的综合自动化水平，增强啤酒产业实力成为一个好的研究课题。
为止，本文通过对啤酒生产发酵过程的工艺及关键问题的分析，基于PLC设计啤酒生产过程中啤酒发酵自动控制系统。
关键词：
PLC啤酒发酵温度控制
BasedonthedesignofPLCautomaticcontrolsystemofbeerfermentation
Abstract:
Beerfermentationisoneofthemostimportantprocedureinbeerproduction,isthemostcrucialstepindeterminingthequalityofbeer.Beerfermentationisthebreakdownofsaccharificationgingerintoethanol,duetothelongfermentationtime,theprocessmechanismiscomplex,manyfactorsinfluencingthefermentation,thefermentationprocessisalackofaccuratemathematicalmodel.Fromrawmaterialtothefermentationprocess,howtocontrolthetemperature,pressure,andmakefullofthetotalfermentationtechnologycurve,determinestheproductionqualityandproductionefficiencyofbeer,thefermentationprocessistheimportantlinkintheprocessofbeerproduction,fermentationcontrolsystemofthetaskistocontrolthefermentationliquidofactualtemperaturefermentationandstandardcurveislimitedwithintheerrorrange.
Thebeerfermentation,beerfermentationtankforartificialfieldoperationadjustment,manualrecord.Butastheincreaseofbeerproduction,thefermentationtankwillbeneededtoincrease,producedbeertobringhugeinconveniencecausedbythestablequalityofproduction,howtoimprovethecomprehensiveautomationlevelofbeerproduction,strengthenthebeerindustrytobecomeagoodresearchtopic.
Sofar,thisarticlethroughtothefermentationprocessofbeerproductionprocessandtheanalysisofthekeyproblemsofbeerproductionintheprocessofbeerfermentationbasedonPLCdesignofautomaticcontrolsystem.
Keywords:
beerfermentationtemperaturecontrolbyPLC
1绪论
1.1课题的背景
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即有较高的发热量。
啤酒是世界上产量以及消费最大的一种酒，啤酒市场非常巨大，世界啤酒的未来充满希望，欧洲啤酒市场和美国啤酒市场，随着人均消费量增长，啤酒消费量增长显著，居世界前列。
作为世界最大且增速最快的啤酒，饮料生产消费大国之一，中国已日趋成为最具吸引力市场。
未来五年中国啤酒将保持平稳持续增长的态势。
同时啤酒工业是我国食品工业中一个重要的产业，随着国家经济的发展和人民生活的改善，喝啤酒变成一种时尚，我们国家人均啤酒消费较世界水平少，这也透出了我国啤酒市场浓浓的商机。
我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。
大部分处于手动控制阶段，只有极少数企业实现半自动化，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。
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。
啤酒酿造过程是这样的：
糖化，麦汁充氧，添加酵母，发酵，降温，倒罐，贮酒。
而我要做的就是其中发酵的一部分，啤酒发酵也是一个复杂的过程，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好坏将直接影响啤酒的质量。
啤酒发酵是啤酒生产中最重要的一道工序，是决定啤酒质量的最关键的一步。
啤酒的发酵过程能实现自动化后，工人的劳动强度将大大地减小，同时啤酒的质量与生产都有望升上一个新的台阶，企业通过技术改造增加了市场竞争。
另一方面，不少化工生产过程都具有相似性，因此我们研制的这一套控制系统性价比高，以后还可以推广到其他很多化工厂生产的场合。
应用前景乐观，能产生较大的社会经济效益，能应用新技术，新材料，新设备改进生产工艺，提高生产效率。
发酵过程是啤酒生产过程中的重要环节，发酵控制系统的任务就是将发酵酒液的实际温度控制在和标准发酵曲线相差有限的误差范围内。
其中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，厌氧发酵及其沉淀回收等。
这个过程消耗了大部分可发酵性糖和可同化性氮等麦汁成分，排出的发酵代谢产物即啤酒的主要组成。
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。
促进发酵液成熟，改善口味，促进啤酒自然澄清，使其具有良好的稳定性。
啤酒发酵罐内部温度的精确控制，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，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要。
1.2国内啤酒生产过程控制概况
我国啤酒的产量逐步发展，产品质量达较高水平，品种也赶上去，这就要求国内啤酒生产发酵过程控制和更新生产设备能否满足市场的需求。
引进国外控制技术。
北京华尔森啤酒厂从捷克全套引进生产设备；北京华都啤酒厂从丹麦引进生产设备；上海华光啤酒厂从瑞士引进生产设备等。
引进设备的最大特点是自动化水平比较高，从而能严格满足啤酒生产工艺的要求，因此产量较高，质量较稳定。
2.根据国情自行研究的技术
1993年国家轻工业部自动化研究所研制的“PW-40啤酒发酵微机控制系统”在厦门华侨啤酒厂投入使用，其控制方案也是采用单变量温度控制；国内中小企业结合本厂生产实际自行研究的自动化仪表加手动的生产控制技术，造价低，效果一般，符合企业目前的状况，但不能满足企业长远发展的需求。
我国普遍啤酒厂存在的问题：
1产品低劣，品种单一；
2技术含量低，自控水平差，生产过程多为人工或简单控制，使得啤酒质量不稳定
3原材料消耗大，与国际先进水平存在较大差距
1.3啤酒生产过程自动控制的作用和意义
国内目前啤酒市场的竞争，体现在两个方面：
质量和价格。
为适应现在生产的要求，提高啤酒的质量，提高生产率，在啤酒生产中自动化控制可以增加竞争能力体现在
提高工艺厂品质量，以及原材料的利用，降低生产成本，减少工人的劳动强度。
强化产品质量管理。
辅助生产管理，方便生产成本的控制盒管理
啤酒生产有自己独有的环境，只有结合国内的啤酒行业实际情况，针对其特殊性，才能开发出适合的生产啤酒的自动控制系统。
2啤酒发酵
2.1啤酒发酵概述
啤酒发酵是一个复杂的过程，发酵过程是把糖化姜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。
发酵过程的温度变化与发酵液的糖度和双乙酰成统计关系。
实际上，控制发酵液的温度是以人工化验。
在啤酒大规模生产中，要求发酵液温度按照一定的工艺曲线变化，温度精确0.5℃。
如果温度过高，会影响啤酒质量，反之则影响了啤酒生产效率。
2.2啤酒发酵的具体过程
啤酒发酵主要有3个过程：
主发酵、还原双乙酰和低温贮酒。
主发酵阶段，从原姜汁开始主发酵，温度要控制在10℃。
发酵液有糖化车间经管道灌入，起始温度8℃，每罐发酵液分批入罐，每次都要测定糖度信息反馈到糖化车间，保证整罐发酵液符合标准，同时实施温度控制，保证发酵液在规定的温度。
发酵液满罐一小时测量其糖度，每八小时一次，当糖度降至6.5度，每两小时测一次，直到6.0度。
还原双乙酰阶段，温度要求12-18℃，进入第二阶段要每2小时测双乙酰的浓度和糖度，直到糖度降至3.0度每8小时测一次。
当双乙酰浓度到合格标准，发酵就进入降温阶段。
发酵温度控制机制
1自动升温阶段，姜汁满罐酵母自然升温，要控制温度，否则会导致啤酒质量下降。
2主发酵和双乙酰还原阶段，酵母大量繁殖产生较多热量，当酵母进行无氧呼吸，使罐内中，下部酒液浓度不同，要保持强烈的发酵并均衡的酒液状态，要控制不同部分的温度。
3降温保温，还原双乙酰后转入降温阶段，将酒均为冷却与贮酒温度。
酒在不同温度选会形成对流的作用。
酒液密度温度在直接冷却3℃，要以上带和中带控温为主。
3℃保温稳定酒液流态。
3℃以下控制罐下部为主控温，打破温度梯度，满足控制温度效果
2.3啤酒发酵设备
发酵罐设有上，中，下三个冷却带，有3个电磁阀控制冷却，并有3个温度传感器检测3点温度，啤酒发酵罐结构示意图
啤酒发酵罐结构示意图
2.4啤酒发酵工艺曲线
啤酒的合口和实际要求不同，啤酒发酵工艺曲线也不同，严格按照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下：
T0-麦汁进罐温度
t1-第一升温时间段，自然升温
t2-第一恒温时间段
t3-第二升温时间段，自然升温，主发酵保温
t4-第二恒温时间段，双乙酰含量，主发酵降温
t5-第一降温时间段，后发酵保温
t6-第二恒温时间段，后发酵降温
t7-第二降温时间段
各个阶段进行简单地介绍：
1麦汁进料，由糖化阶段产生的麦汁原料由糖化罐进入发酵罐中。
2自然升温，酵母的加入，酵母菌逐渐开始生长和繁殖。
产生大量的二氧化碳和热量，使原料的温度逐渐上升。
3自然升温发酵，产生一种学名叫双乙酰的化学物质。
这个过程需要将这个化合物除去，增加啤酒的品质。
4降温过程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低温储酒发酵完成的原料继续储存在发酵罐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啤酒发酵自控系统PLC选型和配置
3.1PLC选型
可编程控制器（PLC））工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段：
1.输入采样：
即检查各输入的开关状态，将这些状态数据存储起来为下一阶段使用；
2.执行程序：
然后PLC按用户程序中的指令逐条执行，但是把执行结果暂时存储起来；
3.刷新输出：
按第1阶段的输入状态在第2阶段执行程序中确定的结果，在本阶段中对输出予以刷新；
PLC组成示意图
PLC的特点：
控制程序可变，具有很好的柔性；
具有高度可靠性，适用于工业环境；
功能完善；
易于掌握、便于维修。
据啤酒发酵的工艺流程和需要，PLC的选型需要满足以下条件：
1、有简单回路控制算法。
；
2、有模拟量的采集、处理过程及开关量的输入/输出功能。
3、有温度显示和用外部按键随时改变内部参数
PLC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。
西门子S7-200系列PLC，S7-200系列的PLC具有体积小，运行速度高，功能强等特点。
（1）S7-200PLC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24∨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
3.2S7-200主要功能及特点
（1）执行指令速度高。
（2）丰富的指令功能。
（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。
（5）严格的口令保护。
（6）调试和故障诊断功能。
（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。
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。
S7-200CPU主要的性能指标见表。
特性
CPU221
CPU222
CPU224
CPU226
外形尺寸
80*80*62
90*80*62
120.5*80*62
190*8.*62
存储器
用户程序
2048字
2048字
4096字
4096字
用户数据
1024字
1024字
2560字
2560字
用户存储器类型
EEPROM
EEPROM
EEPROM
EEPROM
数据后备（超级电容）典型值
50小时
50小时
50小时
50小时
输入输出
本机I/O
6入4出
8入/6出
14入/10出
24入/16出
扩展模块数量
无
2个模块
7个模块
72个模块
数字量I/O映像区大小
256
256
256
256
模拟量I/O映像区大小
无
16如/16出
32入/32出
32入/32出
指令系统
33MHZ下布尔指令执行速度
0.37us/指令
0.37us/指令
0.37us/指令
0.37us/指令
FOR/NEXT循环
有
有
有
有
实数指令
有
有
有
有
整数指令
有
有
有
有
主要内部继电器
I/O映像寄存器
128I和128Q
128I和128Q
128I和128Q
128I和128Q
内部通用继电器
256
256
256
256
计数器/定时器
256/256
256/256
256/256
256/256
写入/写出
无
16/16
32/32
32/32
顺序控制继电器
256
256
256
256
附加功能
内置高速计数器
4H/W（20KHZ）
4H/W（20KHZ）
6H/W（20KHZ）
6H/W（20KHZ）
模块量调节电位器
1
1
2
2
脉冲输出
2（20KHZ，DC）
2（20KHZ，DC）
2（20KHZ，DC）
2（20KHZ，DC）
通信中断
1发送/2接收
1发送/2接收
1发送/2接收
1发送/4接收
硬件输入中断
4，输入滤波器
4，输入滤波器
4，输入滤波器
4，输入滤波器
定时中断
2（1~255ms）
2（1~255ms）
2（1~255ms）
2（1~255ms）
定时时钟
有（时钟卡）
有（时钟卡）
有（内置）
有（内置）
口令保护
有
有
有
有
通信功能
通信口数量
1（RS-485）
1（RS-485）
1（RS-485）
支持协议
0号口
1号口
PPI，DP/T
自由口
N/A
PPI，DP/T
自由口
N/A
PPI，DP/T
自由口
N/A
PPI，DP/T
自由口
（同0号口）
S7-200CPU主要的性能指标
3.3文本显示器TD200
S7-200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。
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。
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。
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。
3.4电磁阀PWM
脉冲宽度调制（PWM），是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
脉宽调制（PWM）基本原理：
控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。
也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。
按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。
3.5PID控制的原理和特点
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
4啤酒发酵自控系统PLC程序
4.1设计思路
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。
为节省能源，降低生产成本，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，通过上、中、下3段冷媒进口的两位式电磁阀来实现发酵罐温度控制的方法，
本系统利用S7-200实现发酵罐温度的控制，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较，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。
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
升级会员 