啤酒生产线控制系统设计酿造部分Word格式.docx
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节省了大量的劳动力，与此同时能够很大程度的提高生产效率，对于产品的市场竞争有很大的技术支持，同时对于现有的啤酒自动化生产线进行系统优化，从而对设备的升级进行有效的数据采集，对自动化控制的发展有更好的推进作用。
1.4课题意义
啤酒自动化生产线运用自动化控制技术，运用PLC强大的控制功能达到自动化控制的目的，这其实是工业生产的一个缩影，正是因为有了这种系统的优化研究，才能更好的使自动化控制技术得以有力的发展，才能大大提高工业生产的生产效率。
现如今自动化控制技术在日常生产中应用尤其广泛，它不仅是工业生产的一次重要升级和改革，同时也为工业自动化生产带来了春天，把工业生产引领到了一个全新的领域，自动化控制技术不仅节省了人为劳动力，生产成本也大大的降低，给生产商带来了福音。
在中国不断发展的今天，自动化控制技术在中国的工业发展史上也发挥了极大的作用。
本次课题是基于实验室研究自动化控制技术的课题，研究本课题对以后的实际应用教学
有着很强的现实意义，能够更清楚直接的叫同学们了解自动化控制技术在现实生产当中是如何应用的，同时本课题也为后期自动化专业的教学及研究奠定了必要的基础，能够从理论结合实际的角度出发，更加全面的为学生讲解自动化控制技术在实际生产当中是充当一个怎样的角色。
同时，还有最重要的一点就是为以后啤酒生产线的进一步研发提供了一个很好的实验平台，能够更加全面的锻炼学生实际动手操作的能力。
第二章系统总体方案设计
2.1酿造部分的总体结构
酿酒工艺的基本流程：
麦芽粉碎机T糖化锅T过滤罐T煮沸锅T沉淀池T冷却锅T发酵
罐—清酒罐—灌装机，如图2.1。
酿造部分主要包括三个部分，各类硬件设备（如液体反应罐、各种仪器仪表、电机、电磁阀等等）、PLC控制柜（主要包括PLG空气开关、继电器、电源模块、触摸屏等）以及工控台（由一台个人计算机组成，通过个人计算机控制PLC控制现场设备）。
酿造部分每一个反应罐都有着自己的作用，每个工段都有着各自的所需要控制采集的数据，正是每个工段有序的工作，使得整个酿造部分有序的生产。
2.2酿造部分基本设计步骤
根据啤酒酿造的工艺流程，将各个反应罐按照相应的顺序进行排列组装在一起，每个反应罐直接由管道以及电气元件连接在一起（如液体流通管道、入水管、出水管、入口泵、出口泵、电磁阀、流量计、温度表、压力表等等）；
PLC控制柜分为五个部分，分别控制公共系
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统工段、糖化工段、煮沸工段、发酵工段、清酒工段五个工段，通过对过程中变量的控制，从而使酿造部分严格的按照酿酒工艺运行，实现了自动化控制在工业生产上的应用。
在酿造过程当中需要控制很多的变量，如何控制好这些变量才是本次课题设计的主要任务。
温度、压力、搅拌电机的转速等等都是啤酒工艺生产上重要的参数，如何运用现如今的科技手段随意自如的控制这些变量都是此次课题的重重之种，有了这些控制变量，对程序进行编写，使得这些控制变量能够随意的去设定，通过科技手段进行监测，从而使得啤酒自动化生产酿造工段更好的进行，也要根据实际的生产进行相应的优化，对系统进行升级。
2.3酿造部分需要控制的对象
酿造部分由于酿酒工艺的要求，需要对反应罐内一些变量进行控制以及监测，这就需
要PLC去控制这些变量，酿造部分所需要控制的变量有：
（1）温度酿酒工艺中对液体温度的控制是非常严格的，因此对温度控制以及温度变化的监测采集是自动化控制的一大重要反馈数据。
（2）压力反应灌内的压强大小也是酿造部分所需要重点监控的对象。
（3）电机转速有些部分反应罐内的液体是需要加热的，但是这就涉及到一个受热是
否均匀的问题，与此同时需要搅拌电机来使反应罐内的液体受热更加均匀，PLC通过控制变
频器的数值大小来控制搅拌电机搅拌的快于慢。
（4）入口泵、出口泵启停由于各个反应罐都是处于同一水平面，当完成当前酿酒步骤，需要将当前反映灌内的液体转移到下一个流程就需要入口泵以及出口泵的协助，使得液体更快速的转移。
（5）流量酿酒工艺还需要很好的控制监测液体流量的大小，进而达到酿酒工艺的各种需求。
（6）电磁阀、电动调节阀对液体的流动启停进行控制，节省了人为的劳动时间。
2.4酿造部分的主要结构
2.4.1公共系统工段公共系统工段主要由净水罐、热水罐、碱液罐、入口泵、出口泵、制冷压缩机、冷水罐组成。
热水罐与冷水罐组成CIP系统，为整个酿造过程提供清洁无菌的卫生环境，避免后续酿造过程中染菌。
冷水泵、制冷机、冰水罐组成制冷系统为后续酿造发酵提供适宜温度，提高发酵率。
2.4.2糖化工段
糖化工段主要是由糖化锅和过滤槽组成。
糖化锅是麦芽淀粉及蛋白质的分解的容器，并与已糊化的麦牙粉溶液混合，维持溶液在一定的温度，使溶液开始淀粉糖化，从而制出麦汁麦汁经过过滤槽过滤，麦芽汁与麦糟分开，得到清凉爽口的麦芽汁。
2.4.3煮沸工段煮沸工段主要由煮沸锅和回旋槽组成。
过滤后麦汁经由煮沸锅煮沸，在煮沸的过程当中加入酒花赐予啤酒爽口的苦香味和特有的清爽味。
在麦汁达到一定的浓度后，麦汁被泵入回旋槽进行热凝固物的回旋沉淀和分离。
2.4.4发酵工段发酵工段主要由换热器、发酵罐组成。
回旋沉淀后的麦汁经过板式换热器调整为适宜的发酵温度，在经过冲氧，添加啤酒酵母的工序，最终进入发酵罐进行麦芽发酵，啤酒酵母将可发酵性糖和氨基酸等分解成酒精。
2.4.5清酒工段
清酒工段主要由过滤机和清酒罐组成。
经过发酵而成熟的啤酒在过滤机中将剩余的酵母和不溶解性蛋白滤除，使酒液成色更加透亮。
经过过滤后的啤酒由出口泵泵入清酒罐，最终啤酒在制冷压缩机的作用下低温保存在清酒罐。
第三章酿造部分硬件结构
3.1现场设备组成
3.1.1液体反应罐
液体反应罐（如图3.1）由锅体、锅盖、搅拌电机、夹套、支承杆及传动装置组成，液体反应罐的材质以及开孔具体位置可按照现场的实际情况进行定做。
液体反应罐有许多种不同的加热形式，比如电加热器加热、油体加热、气体加热、水加热以及冷却等等；
上面的夹套也有多种不同样式供用户选择；
搅拌的形式同样也有不同的选择，比如船桨式、抛锚式、框架式等等；
高转速类也有许多样式供用户选择，以便应付不同的生产工艺；
传动装置大体分为普通电机、伺服电机、电磁调速电机几种。
图3.1液体反应罐
Fig.3.1Liquidreactiontank
3.1.2交流电机
交流电机（如图3.2）能够实现机械能与交流电能互相转换。
由于交流电力系统大力发展，交流电机逐渐成为自动化工业生产的宠儿。
交流电机与直流电机相比，交流电机因为没有换向器，它具有整体结构简单、制造相对容易、耐久度高，较为容易做成高转速、高电压、大电流、大容量电机。
交流电机功率所涵盖的范围是相对比较大的，几瓦到几万千瓦，甚至
能够达到上百万千瓦。
本次课题选用交流电机用于对反应罐液体的搅拌，由于交流电机的上述特点，故选择交流电机用于对反应罐内液体的搅拌。
图3.2交流电机
Fig.3.2Alternatingcurrentdynamo
3.1.3耐腐蚀离心泵
由于本次设计有液体之间的传输，因此需要抽水泵来实现告诉液体传输，因为两个反应罐之间的液位是没有明显差距，因此需要入水泵以及出水泵来实现传输；
更重要的是本次课题传输的是液体，考虑到耐久性以及耐腐蚀性的问题，故选择耐腐蚀离心泵来作为本次课题的入水泵以及出水泵，通过选择耐腐蚀性离心泵能够很好的解决耐久性以及耐腐蚀性这一问题。
图3.3耐腐蚀离心泵
Fig.3.3Corrosionresistingcentrifugalpump
3.1.4电磁阀、电动调节阀
电磁阀（如图3.4.1）是用电磁控制的自动化工业生产设备，是用来控制液体流动的自动化基础元件。
在工业自动化控制系统中用于调整被控对象的流动方向、流量、速度以及其他可控参数。
电磁阀能够作用于不同的控制电路来实现预期的目标，而且在精度与灵活度方面都具有可靠性。
电磁阀种类有很多种，不同的电磁阀在自动化控制系统中有不同的功能，自动化控制系统经常用到的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等等。
电动调节阀（如图3.4.2）是工业自动化控制系统中的重要执行仪表。
电动调节阀与传统的气动调节阀相比有相当大的优势：
电动调节阀相对节能（仅仅在工作时消耗电能），安全环保（无碳杂质排放），安装方便快捷。
阀门按其所配备的执行机构所使用的动力，按其自身功能和自身特性分为线性特性，等百分比特性及抛物线特性三种。
图3.4.1电磁阀图3.4.2电动调节阀
Fig.3.4.1SolenoidvalveFig.3.4.2Electriccontrolvalve
3.1.5传感器
传感器是一种检测装置各种参数的电元器件，能检测接收被测数据的具体参数信息，并能检测接收到的信息，并且按照一定的规律转换成电信号或者其他形式的参数进行输出，以便满足不同要求的信息输出处理、存储显示、记录、控制等要求，有了传感器基本能够实现自动检测和自动控制。
本次课题选择了多种不同的传感器，例如：
温度传感器（主要用于对温度的检测）、压力传感器（主要用反应罐内压力的测量），通过这两种传感器对温度以及压力进行检测，从而达到控制以及反馈温度以及压力的目的。
3.1.6差压变送器
差压变送器（如图3.5）是测量差压变送器两端压力之差的变送器，输出如4~20mA、0~5V的标准信号。
差压变送器与一般的压力变送器有比较大的不同点，差压变送器有两个压力接口，分为正压端和负压端，在一般的情况下，仅仅在差压变送器正压端大于负压段才能进行测量以及输出。
差压变送器主要是用于测量两个反应罐内压力差值的大小，通过差压变送器来给定以及反馈反应罐内的压力。
图3.5差压变送器
Fig.3.5Differentialpressuretransmitter
3.1.7电加热器
电加热器的作用是通过本身升温，来对周围的介质进行升温，从而能够达到生产工艺流程的各项需求；
主要用于对运动的液体、一些气态气体等升温以及保温。
在本次课题中，根据电加热器的本身工作原理，与现场的某些控制软件进行有效的连接，从而能够通过控制电加热器来对反应罐内的温度进行有效的控制以及反馈采集信息。
3.1.8变频器
变频器是应用变频技术和微电子技术，通过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机转速的控制设备。
本次课题中由于某些部分液体反应罐内需要对液体进行搅拌，从而能够使得液体反应罐内的物质受热均匀，更加严格的符合啤酒酿造的工艺生产流程。
由于工业自动化控制系统软硬件的不断提高，变频器在现在的工业自动化控制生产中得到了非常广泛的应用，已经发展成为自动化工业生产上必不可少的设备。
3.1.9液体流量计
智能液体流量计（如图3.6）采用先进的低功耗单片微机技术研制的涡轮流量传感智能仪表，采用了双排液晶现场显示，具有以下特点：
结构小巧紧凑、读数显示直观清晰、可靠性强、抗干扰能力强、抗雷击、成本低廉等显著优点。
图3.6液体流量计
Fig.3.6Liquidflowmeter
3.2PLC控制面板组成
3.2.1PLC概述以及选型
1.PLC概述最初的可编程控制器被称为可编程逻辑控制器，主要是用来代替继电器实现逻辑控制。
随着相关技术的逐步发展，采用微型计算机技术的工业控制装置功能已经有了新的提升，完全超出了逻辑控制的范围，所以今天这种装置被称为可编程控制器，简称PC但是为了与个
人计算机的简称有所区别，故将可编程控制器简称为PLCPLC在1969年由美国数据设备公
司研发出现，在现有的PLC品牌中，德国、美国、日本的可编程序控制器的整体性能在国际上享有很高的声誉，功能全面，产品可靠性极强。
自从PLC的出现，并经过了长时间的发展，在德国、美国、日本等一些工业发达国家PLC已经成为了重要的产业链。
由于世界范围内自动化控制技术的不断发展、需求量不断攀升、生产厂家的不断涌现、品种的更新速度加快、成本价逐步降低，因此生产PLC慢慢演变成一
种重要产业链，目前，世界上有200多个制造商生产PLC比较有名的是：
德国西门子公司；
日本三菱、欧姆龙、松下电工等；
美国AB通用电气、莫迪康公司；
法国TE、施耐德公司；
韩国三星、LG公司等。
PLC在工业生产方面应用极其广泛，功能强大，在实际应用上也体现出了与其他软件的优势之处，抗干扰能力强，自由度高等都是PLC的特点。
关于PLC在啤酒自动化生产线中应用的实际概况，现如今在世界各地啤酒的需求量都是非常之大，如何在保证质量的前提下更多的进行工业生产是目前各大制造商急需解决的问
题。
再与其他软件相比在此方面PLC体现出了一定的优势，抗干扰能力强、不间断运行、程序直观易懂等都是同类型软件中的佼佼者，正是因为有了这些优势，才得以使得PLC在啤酒
自动化生产线中得到了广泛的大量的应用。
2.PLC选型
此次毕业设计所选用的PLC为北京和利时集团的LM系列小型PLC（如图3.7），该PLC有以下特点：
（1）小巧紧凑：
此次毕业设计所选择的PLC体积小巧，节省了安装空间，同时也具备了强大的处理功能等特点。
（2）简便可靠的安装：
根据现场环境的不同，PLC面板安装以及导轨安装可任意选择。
（3）丰富的模块种类：
LM系列PLC是由北京和利时自主研发，拥有CPU模块和丰富的扩展模块组成，CPU模块最多可扩展7个模块，最大I/O点数为152点，最大模拟量点数为56点。
LM系列PLC有多种选择可供不同现场的应用需求。
（4）灵活的系统配置：
本次PLC的选型有多种扩展模块，比如模拟量扩展模块、数字量扩展模块以及专用功能模块。
（5）强大的模拟量处理：
可同时处理几十个模拟量点，能够执行多个回路的PID运算。
（6）丰富的指令系统：
具有400多条指令可满足客户不同需求。
图3.7LM系列PLC
Fig.3.7LMseriesPLC
3.2.2空气开关
空气开关，又被叫做空气断路器，它是断路器的一种。
它是根据所在支路流经的总电流大小进行选型，他集控制和保护于一身，它能完成闭合和断开电路的作用以外，还能对电路中短路以及过载的情况等进行相应的保护，同时还能够不频繁的启动停止电机。
3.2.3熔断器
熔断器（如图3.8）是指当电流超过其本身的额定值时，自身会产生热量，而这个热量会使熔体熔断，从而断开电路，保护电路的一种电器
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图3.8熔断器
Fig.3.8Fuse
3.2.4电源模块
电源模块（如图3.9）是电路面板上为某些电元器件供电的设备，他的特点是可以为一
些特定的电元器件进行电源供应。
下图即为本次课题选用的电源模块，将交流220V转换成
24V直流给PLC柜上的触摸屏供电。
图3.9电源模块
Fig.3.9Thepowersupplymodule
3.2.5继电器
继电器（如图3.10）是一种电控制器件，能够将电信号进行转换，实际上是用小电流控制大电流的一种自动开关。
通过PC平台控制继电器是否上电，若继电器得电，则继电器内
部线圈有电，贝U产生电磁场，线圈出现极性则吸合线圈上部的金属片状物，从而使得整个回路导通，控制回路的开与关，实现了对现场的自动化控制。
本次所选用的继电器为欧姆龙品牌的，本产品的继电器在市场上有很大的竞争力，有比较大的竞争优势，比如说他的可靠性、耐久度、简单易安装等等特点，安装继电器需要注意继电器上的电路图，根据现场不同的设备需求进行安装，底座的接线方式严格按照产品说明书进行安装，要熟悉继电器的工作原理，从而更好的了解每部分各个电元器件的作用。
图3.10继电器
Fig.3.10Relay
3.2.6触摸屏
触摸屏（如图3.11）作为现在及以后比较流行的人机互动方式，会逐步取代键盘鼠标的人机互动方式，触摸屏的种类大概分为以下几种，下面来给大家介绍一下各自的优缺点：
（1）电阻式优点：
电阻触摸屏，可以使用手指、戴手套的手等进行触摸，它主要是靠物体对它压力来感应坐标、触摸灵敏精准缺点：
因电阻屏表面是膜与玻璃相结合，所以表面的触摸膜时间久了就可能会有磨损。
（2）红外式优点：
纯玻璃表面，防刮花性能好，透光率良好缺点：
触摸屏的边缘触摸不够灵敏，触摸精准度一般，室外光线较强的地方无法操作。
（3）声波屏优点：
纯玻璃表面，防刮花性能好，透光率好缺点：
触摸屏边缘怕灰，有一点灰就有可能导致触摸不灵甚至不能触摸
（4）电容式优点：
只能用手指与触摸屏接触才能识别，带手套无法操作，用其他物体完全不能触摸。
图3.11触摸屏
Fig.3.11Touchscreen
3.2.7端子排
端子排，是如今面板接线必需的一种器件，通过端子排不仅能够使得接线美观，还能更加方便的进行查线，同时拆卸容易，更加方便维修，同时也能起到信号传输的作用。
在远距离传输两端之间通过端子排连接更加牢靠，施工更加方便，维修简易快捷。
第四章酿造部分软件设计
4.1和利时PLC编程软件介绍
PowerPro软件是和利时公司专为LM系列PLC所开发的基于Windowes的编程工具。
PowerPro软件具有控制方案的编辑和仿真调试功能，是LM系列PLC的硬件配置和软件编程的标准软件包。
本课题编程所需要此款软件，它用于LM系列PLC产品的编程软件，是一种追求现场操作便利性的高性能工具软件。
如图4.1是该软件的编程界面。
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图4.1PowerPro编程界面
Fig.4.1PowerProprogramminginterface
4.2PLC程序设计
4.2.1公共系统工段程序
HEVL^GiNOIHEX_ENGIN
EM
AI6001AT%MD500:
REAL;
（*热水罐温度*）%IW68模拟量输入（热水罐温度）
AI6002AT%MD504:
（*热水罐压力*）%IW70模拟量输入（热水罐压力）
指令注释：
该指令为工程量转换指令，将16进制数转换为工程量数据，该指令一般用于模
拟量输入数据的处理。
该指令主要用于对现场设备进行模拟量输入。
程序注释：
通过现场的传感器设备采集到某一反应罐的温度（压力），之后传输给模拟量输
入模块，通过模拟量输入模块进行数据处理后变为变量％IW68（%IW70,该变量
通过HEX_ENGIN0的转换，转换为变量AI6001（AI6002），该变量即为直接读取的数据变量，即温度（压力）的直接显示，可供组态软件以及触摸屏进行数据读取。
A06001AT%MD600:
（*热水罐液位*）A06001%QW66模拟量输出（热水罐液位）
A06002AT%MD604:
（*热水罐压力*）A06002%QW68模拟量输出（热水罐压力）
（1）BYTE_TO_<
TYP为字节类型转换指令，把字节类型转换为其他数据类型。
（2）ENGIN_HE为工程量数据转换为16进制数据指令，该指令一般用于模拟量输出数据处理。
该指令主要用于现场数据采集的反馈信息。
（3）POT01（POT02为一个保持当前状态的指令，由于采集到的数据为一个动态变量，因此需要对当前变量进行保持，以便数据的实时传输。
（4）Analog_OUT指令为模拟量输出调用指令，由于此次设计需要DCS勺监控控制，因此DCS需要调用本地PLC内的一些模拟量输出模块的数据。
POTOI令进行状态保持，使得ENGIN_HE指令持续使能，从而得到持续的模拟量输出以便控制现场设备；
AO6001AO6002为现场采集的实时数据，通过ENGIN_HEX指令将工程量数据转换为16进制数，再传给模拟量输出模块，经过其内部处理
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