自动化专业毕业设计 啤酒发酵计算机控制系统硬件设计与实现文档格式.docx
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2.2控制策略和控制算法4
3啤酒发酵控制系统方案综述6
3.1方案构想6
3.2方案比较及选用依据8
4啤酒发酵控制系统硬件设计9
4.1上位机系统硬件设计10
4.2下位机系统硬件设计10
4.2.1可编程控制器（PLC）简述10
4.2.2西门子S7-300系列PLC11
4.2.3PLC模块的配置12
4.2.4PLC的I/O资源配置14
4.2.5选择变送器和执行机构14
4.3上，下位机通信15
4.3.1PROFIBUS现场总线15
4.3.2PROFIBUS-DP15
5啤酒发酵控制系统软件设计17
5.1系统程序流程图设计17
5.2PLC功能模块设计17
5.3上位机组态软件设计18
6啤酒发酵控制系统可靠性，经济性，抗干扰设计21
7结论22
参考文献23
附录24
谢辞37
1引言
1.1啤酒工业概述
啤酒（beer）为外来酒种，具有很高的营养价值，素有“液体面包”的雅称。
啤酒采用了优质大麦、水为主要原料，添加大米、淀粉和啤酒花作为辅料，经过制麦，糖化、发酵、过滤、包装等工序精制而成。
自18世纪中叶至19世纪中叶，啤酒工业从手工业生产跨进了大规模机械化生产，为现代啤酒工业打下了良好的基础。
近几十年间，世界啤酒工业出现了生产规模大型化，酿造工艺科学化，生产管理自动化的总趋势。
如今，不断涌现的先进科学技术有力地推动了啤酒工业水平的提升，使全球啤酒业的面貌焕然一新。
1.2我国啤酒工业发展现状
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,我国啤酒工业发展迅速。
尽管如此,我国的啤酒生产工业目前还存在许多不尽如人意的地方。
大多数啤酒生产企业技术装备落后,生产效率低,产品质量不稳定，自动化程度低，不易于现代化管理。
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。
1.3啤酒发酵工艺流程
啤酒发酵是啤酒生产过程中关键环节。
目前，啤酒发酵通常采用锥形发酵罐“一罐式”进行发酵，即前酵，后酵及储酒等阶段均在同一个大罐中进行。
按其发酵工艺流程分成多个阶段：
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。
啤酒发酵各阶段温度工艺曲线图如图1-1所示。
田洪涛：
《现代发酵工艺原理与技术》
黄丛生，刘东汉：
《基于IPC的啤酒发酵过程控制系统》
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：
在麦汁进料过程中，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，会产生一种双乙酰的化学物质。
这种物质对人体健康不利而且会降低啤酒的可口程度，所以在这个过程需要将其去除，增强啤酒的品质。
（4）降温过程：
在自然升温和还原双乙酰过程中啤酒发酵已经完成，降温过程其实属于发酵工程的后续过程，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。
2啤酒发酵控制系统总体方案设计
2.1控制系统要求分析
2.1.1被控对象
主要控制对象是锥形发酵罐。
罐体由上下两部分组成
，上部是圆柱体，下部是圆锥体，发酵罐的内层是用不锈钢板焊接而成的，内层与外层中间是保温材料和上中下3段冷却带。
啤酒发酵是一个复杂的生物化学反应过程。
在啤酒酵母所含酶的作用下，其主要代谢产物是酒精和二氧化碳。
啤酒发酵对象特性是时变的，并且存在滞后性和不确定性随着反应的进行，罐内的温度，压力会逐渐升高。
发酵过程中的温度压力直接会影响到啤酒质量和生产效率，因此，对发酵过程中温度，压力进行控制显得十分重要。
在啤酒酿造过程中，要对发酵罐内的温度进行实时检测与控制，按照工艺曲线进行，使其在给定温度的±
0.5℃范围内。
此外，在发酵过程中，还需在各段工艺中实行保压，压力控制精度0．5％；
即要求发酵罐顶部气体压力恒定。
2.1.2控制功能
控制功能主要是对发酵罐温度和压力的控制。
为了使罐内酒液循环并有利于不同发酵期的酵母沉淀，一般采用分三段间冷方式，使之形成自上而下的温度梯度。
每个发酵罐的温度控制选择了检测发酵罐的上，中，下段的温度，通过上，中，下3段液氨进口的两位式电磁阀VT上，VT中，VT下来实现发酵罐温度控制的方法；
压力控制则检测罐内压力并由电磁阀PT来控制。
啤酒发酵控制过程原理图如图2-1所示。
薛弘晔：
《计算机控制技术》
控制机理：
在啤酒发酵期间，当罐内温度低于给定的温度时，则要求关闭液氨的阀门，使之自然发酵升温；
当罐内温度高于给定温度时，则要求接通液氨的阀门，自动地将其打入冷却带循环使之降温，直至满足工艺要求为止。
另外，在发酵过程中，还需在工艺中实行保压，即要求发酵罐顶部气体压力恒定，保证发酵过程的正确进行。
此外，系统须具有运行参数显示，打印报表，参数设置等功能，支持自动控制或现场手动控制。
2.2控制策略和控制算法
在实际工程应用中，PID控制一直是过程控制的主要手段而得以广泛应用。
所以本系统选择单回路PID控制算法对啤酒发酵罐的上，中，下温度进行控制。
在实际生产现场中，影响啤酒发酵的不确定因素有很多，配合一些特殊的控制策略，PID控制算法是能够控制精度在±
0.5℃范围内的。
工业控制中最常用的控制算法是PID算法，根据偏差的比例（P）,积分（I）,微分（D）的关系进行运算用以输出控制。
本系统采用数字PID增量式控制算法
：
△u（k）=
e（k）+
e（k-1）+
e（k-2）
式中：
=
（1+
+
）
=-
=
e（k）=r（k）-y（k）
其中：
r（k）为第k个采样周期的给定温度值，y（k）为第K个采样周期的实测温度值，
T为采样周期
针对啤酒发酵过程具有大惯性、时滞性，非线性的特点，本系统采样周期取T=2s，拟定在现场利用凑试法确定PID控制器的控制参数，先比例，后积分，再微分。
温度的设定值，是按比例计算求值。
如下图所示，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T。
T=
图2-2温度设定值曲线图
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：
为PID回路输出的输出值，
为PID回路的增益，
为在第n采样时刻的偏差值，
为在n-1采样时刻的偏差值，
为采样周期，
为积分时间常数，
为微分时间常数，P
为第n采样时刻的过程变量，
为在n-1采样时刻的过程变量值。
PID控制具有原理简单，使用方便，适用性强，鲁棒性强等优点，而增量式算法与位置式算法相比，不需要做累加，对控制量影响较小，易于实现手动到自动的无冲击切换。
针对以上控制算法，利用MATLAB仿真软件对被控对象进行仿真，仿真图见图2-3.
图2-3MATLAB仿真图
于海生：
3啤酒发酵控制系统方案综述
3.1方案构想
方案一：
采用单片机80C51实现啤酒发酵控制系统
本系统采用单片机80C51作为微处理器，通过温度传感器LM35对发酵罐内温度进行采样，信号放大后，经A／D转换送单片机80C51中进行判断和运算。
再通过集成转化电路AD694进行v／i转换，从而得到4～20mA的电流信号并自动地调节阀门的开度，实现发酵罐温度的控制。
同时通过键盘还可以对控制温度进行设定和修改，发酵罐的温度可以通过液晶实时显示。
硬件原理框图如图3-1所示。
该方案的特点是随着芯片技术及单片机功能的不断发展和成熟，单片机具有体积小、价格低、重量轻的优势，但编程复杂，开发困难，在工业现场抗干扰能力不好。
可维护性较差：
一旦单片机系统出现故障，很难诊断出故障元件，最简单的方法是更换整个系统，这样维修成本增加了。
可扩展性较低：
由于单片机的线路是根据一定的功能要求特别设计的，所以要增加一个功能就要重新设计线路，而且对应的程序都要重新设计。
这样对于增加功能的开发成本和周期都会增加。
图3-1方案一硬件原理框图
方案二：
采用工业控制机IPC实现啤酒发酵控制系统
本系统控制主机采用康拓IPC一8500工业控制机，并配有模拟量输入，输出通道设计。
该方案硬件原理框图如图3-2所示。
该方案具有可靠性高，实时响应处理，组态灵活，易于扩展，具有自生成和自开发能力，丰富的数字量，模拟量，能适应恶劣的工业现场环境等特点，但已较为落伍，目前除了在工厂中作为监控机并不直接参与控制的场合大量使用外，在工业现场已很少采用。
一旦工控机系统出现故障，必须经专业人员进行维修，如果故障由于程序设计不合理引起，由于缺乏合适的调试工具，要找出故障原因也很困难。
邓荣：
《基于AT89C52单片机的啤酒发酵温度控制系统》
方案三：
采用计算机控制系统实现啤酒发酵控制系统
本系统采用计算机控制系统中的集散控制系统（DCS）作为控制理念。
集散控制系统是利用计算机技术对啤酒发酵这一生产过程进行集中监视，操作，管理和分散控制的一种新型控制技术。
其显著特点是分散控制、集中管理、危险分散、可靠性高。
它由计算机技术，信号处理技术，测量控制技术，通信网络技术和人机接口技术相互发展而综合产生。
分散过程控制装置，控制器，人机界面和通信网络构成了DCS系统的基本组成。
啤酒发酵过程生产过程中现场环境的比较复杂，干扰大，采用集散控制系统可以对啤酒发酵过程中的温度，压力因素通过下位机进行分散控制，再通过上位机集中管理监控.该方案硬件原理框图如图3-3所示。
.系统可实现智能化的控制模式，操作简捷方便、界面友好美观。
操作员站监视，控制整个生产过程；
工程师站进行组态修改，办公楼各个管理层通过IE浏览器了解现场情况，查询和统计生产数据。
系统的实现功能：
（1）实时监控功能操作员不仅可以通过美观的界面监视、控制自己的工艺流程，而且可以浏览相关过程的生产状况。
实时查看各个采集点的运行值及工艺参数设定。
（2）数据记录功能 各个工艺数据的实时趋势曲线、历史趋势曲线记录。
（3）报警功能为了保证温度设定值正常，设有温度的上下限报警，为了保证罐内压力恒定，设有压力的上下限报警。
报警记录可查阅。
（4）打印报表功能连接打印机生成统计报表。
（5）远程浏览和通信功能。
3.2方案比较及选用依据
综合三个方案进行比较，方案一和方案二都显得较为落伍，控制过程简单，操作性能差，生产过程数据不能进行有效地保存和分析，控制精度和灵活性也欠佳，很容易出现质量的问题，不太适应现代工业生产过程控制与管理。
而方案三技术先进，具有可靠性高，环境适应性强，性价比高，实时性强，功能完善，通用性好便于扩展，安装调试简单，人机交互友好等优势，所以选用方案三作为具体研究实施的方案。
4啤酒发酵控制系统硬件设计
集散控制系统（DCS）对于一个规模庞大，结构复杂，功能全面的现代化生产过程控制系统来说，具有硬件积木化，软件模块化的突出特点。
DCS采用积木化的硬件组装结构，使得系统配置灵活，方便扩大或缩小系统规模而不影响整体系统，有利于企业分批投资，逐渐形成一个在功能和结构上从简单到复杂，从低级到高级的现代化管理系统。
它还为用户丰富的软件控制模块，用户只需根据需要选用即可，大大减少了开发的工作量。
集散控制系统（DCS）体系结构通常分为3级
第一级为分散过程控制级；
第二级为集中操作监控级；
第三级为综合信息管理级，各级之间由通信网络连接
。
（1）分散过程控制级此级是直接面向生产过程的，是DCS的基础，它直接完成生产过程的数据采集，调节控制，顺序控制等功能，其过程输入为面向传感器的信号，如热电偶，热电阻，变送器（温度，压力，液位）及开关量信号，其输出是驱动执行机构。
（2）集中操作监控级这一级以操作监视为主要任务，兼有部分管理功能。
它面向操作员和就控制系统工程师，配备有功能强的计算机及外部设备（如CRT显示器，打印设备和键盘），以及需要较大存储空间支持。
（3）综合信息管理级这一级由管理计算机，办公自动化系统等组成，从而实现整个企业的综合信息管理。
针对啤酒生产过程，采用PC-PLC主从式结构，总体系统工程规划图如下（图4-1）：
许立梓，程良伦：
《工业控制机及其网络控制系统》
赵众，冯晓东，孙康：
《集散控制系统原理及其应用》
4.1上位机系统硬件设计
DCS的第二级集中操作监控级（包括操作员站和工程师站）即上位机，用于集中监视和管理功能。
本系统采用3台PC机作为上位机，2台作为操作员站，1台作为工程师站。
操作员站完成现场监视，包括报警，工艺流程显示，控制操作，参数修改，趋势显示，打印等功能。
工程师站则主要完成系统的维护和组态。
在此，选用32位微处理器，内存量512MB以上，硬盘80GB以上，软盘驱动器（1.44MB），光盘驱动器（40倍速以上），ZIP盘驱动器（100MB以上）的PC机并安装Windows系统。
另相应配备有一个到两个大容量40GB以上作为外部存储设备，高分辨率的CRT显示器，具有防水，防尘能力的键盘及鼠标和打印机。
（注：
操作员键盘在键体内装有电子蜂鸣器，以提示信息和操作响应）
4.2下位机系统硬件设计
DCS的第一级分散过程控制级即下位机，本系统选用若干可编程控制器（PLC）作为下位机实现分布式控制，完成现场信号采集及控制功能。
4.2.1可编程控制器（PLC）简述
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。
它采用了可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC的主要功能
①开关量控制这是PLC最基本的功能，具有强大的逻辑运算功能，常用于取代传统的继电器控制系统；
②模拟量控制在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度，压力，流量，液位等都是模拟量。
而PLC中的微处理器CPU只能处理数字量，所以PLC中配备了A/D,D/A转换模块，把现场输入的模拟量经A/D转换后送CPU处理，处理完的数字量结果，经D/A转换后，转换成模拟量去控制被控设备，以完成对连续量的控制。
用PLC进行模拟量控制的优点是，在进行模拟量控制的同时，开关量也可以控制。
这个优点是别的控制器所不具备的，或实现起来不如PLC方便；
③闭环过程控制运用PLC不仅可以对模拟量进行开环控制，还可以进行闭环控制。
配置PID控制模块，对控制过程中的某一变量（如电压，电流，温度等）进行PID控制；
④顺序（步进）控制PLC能通过移位寄存器方便完成步进控制功能；
⑤定时，计数控制PLC为用户提供若干定时器，计数器，实现定时，延时，计数；
⑥数据处理可进行数字运算和数据传送，比较，转换等功能；
⑦通信及联网现代PLC具有网络通信的功能，它既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC与PLC，PLC与计算机之间的通信，从而构成“集中管理，分散控制”的集散式控制系统，实现工厂自动化。
PLC的特点
㈠可靠性高，抗干扰能力强
PLC是专为工业环境下应用而设计的，能适应工业现场的恶劣环境。
在PLC的设计和制造过程中，采取了多层次抗干扰及精选元器件等措施，是PLC的平均无故障时间通常在20000小时以上，这是一般的其他电气设备做不到的。
PLC在设计中能抗诸如电噪声，电源波动，振动，电磁干扰等的干扰，能在高温，高湿以及空气中存有各种强腐蚀物质粒子的恶劣环境下可靠地工作。
PLC能承受电网电压的变化，可直接交流市电供电，直接取自电控箱电源。
即使在电源瞬间断电的情况下，仍可正常工作。
其硬件和软件还采用屏蔽，滤波，光电隔离和故障诊断，自动恢复，冗余技术等功能来增强PLC的可靠性。
㈡通用性强，灵活性好，功能齐全
由于PLC产品已系列化，模块化，且软件包齐全，用户可灵活组成各种规模和要求不同的控制系统。
用户在硬件设计方面，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，不需要诸如继电器之类的固体电子器件和大量繁杂的硬接线电路。
当控制系统要求改变，需要变更控制系统的功能时，只要改变存储器中的控制程序即可。
㈢编程简单，易于操作及维护
PLC一般采用易于理解和掌握的梯形图语言及面向工业控制的控制系统流程图和语句表进行编程，形式简练，直观性强，广大电气工程人员易于接受。
PLC的故障率很低，并有很强的自诊断能力，能随时检查出自身的故障，并显示给操作人员进行故障排查。
如果出现故障是PLC本身的问题，在维修时只需更换插入式模块或其他易损坏部件即可，既方便又减少影响生产的时间。
㈣设计，安装，调试周期短
用PLC完成一项控制工程时，由于硬软件齐全，设计和施工可同时进行。
由于用户程序大都可以在实验室模拟调试，到生产现场时可进行联机调试，因此大大缩短了设计和投运周期。
4.2.2西门子S7-300系列PLC
西门子S7-300系列PLC按控制规模分类为中型PLC，控制点数在1024点以下，存储器容量为12～192KB。
按结构来分属于模块式，PLC各部分分成若干个单独的模块，例如CPU模块，输入模块，输出模块，电源模块等。
模块式PLC由机架和各个模块组成，模块插在机架内插座上，由DIN导轨安装固定。
西门子S7-300采用模块式结构设计，组合方式灵活，性价比优越，具有较强的控制功能和较强的运算能力，可以非常好的满足中，小规模的自动化控制任务要求，指令集功能更加强大，广泛的应用于石化/化工行业，食品加工业，包装工业，饮料工业等。
4.2.3PLC模块的配置
一个完整的S7-300系统主要由CPU模块，数字量输入模块，数字量输出模块，模拟量输入模块，模拟量输出模块，电源模块及一些特殊模块组成。
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PID调节控制功能。
（3）I/O点数留有充分的余量，考虑以后系统修改升级及扩大生产规模。
在本系统中，选择西门子S7-315-2DP作为CPU模块。
该模块内置40KBRAM最大可扩展512KBFLASHEPROM存储卡，最大数字量量I/O点数为1024，最大模拟量I/O点数为
升级会员 