基于PLC的啤酒发酵自动控制系统开题报告Word下载.doc

1、青岛农业大学教务处二OO八 年 四 月 一 日一、选题依据（拟开展研究项目的研究目的、意义等）随着我国社会主义市场经济的发展，我国啤酒工业在突飞猛进的快速向前发展，各啤酒厂家为了适应当前形势，增强产品的巾场竞争能力，先后在啤酒生产过程中采用计算机控制技术，从而扩大了生产规模，使啤酒品牌不断出新，质量不断提高，以适应市场的需求。我国是轻工发酵工业大国，但此行业的控制技术相对比较落后，生产中仍以人工控制为主，采用计算机技术起步较晚，普及率较低。目前轻工发酵行业正面临着日益激烈的全球竞争，因此对以计算机为核心的自动控制技术有着强烈的需求。以机电系统为代表的工程应用系统日趋复杂，这种复杂性不仅表现在系

2、统本身难以用精确的数学模型描述，还体现在运行环境以及系统要实现目标的复杂性上。根据不相容原理，当系统的复杂性增加时，人们描述其动态行为的精确程度将随之降低，因此传统的单学科的理论和方法已经难以适应这种复杂性的需要。因而传统的手工控制的方法已经无法满足现代大生产的要求。近些年来， 随着计算机技术和智能控制技术的飞速发展，在啤酒发酵控制这一领域已经出现了许多自动化应用的实例。本文以啤酒发酵控制系统为对象，提出了一套基于PLC的啤酒发酵自动控制系统的设计方案，并给出一个利用PID控制算法用于控制发酵温度的方案，实现啤酒厂发酵过程的控制与管理的自动化设计要求。 课题的意义：啤酒发酵是放热反应的过程，随

3、着反应的进行，罐内的温度会逐渐升高，随着二氧化碳等产物的不断产生，密闭罐内的压力会逐渐升高。发酵过程中温度、压力会直接影响到啤酒发酵质量和生产效率，因此，对发酵过程中的温度、压力进行控制显得十分重要。因此，如何有效地提高生产的检测技术和自动化水平，提高啤酒质量和周期稳定性，对增强企业的市场竞争力，具有十分重要的意义。所以这次毕业设计的课题具有很大的理论意义和实践意义。这次毕业设计是全面运用所学基本理论、专业知识和基本技能，对实际问题进行设计的综合性训练。以达到以下目的：（1） 巩固课程的理论知识；（2） 学习和掌握基于PLC的啤酒发酵自动控制系统的基本设计方法；（3） 培养独立分析和解决问题的

4、工作能力及实际工程设计的基本技能；（4） 对学生的知识面、掌握知识的深度全面考察，对学生运用理论知识去处理问题的能力、实践能力、外语水平、计算机运用水平进行综合训练。二、文献综述内容（在充分收集研究主题相关资料的基础上，分析国内外研究现状，提出问题，找到研究主题的切入点，附主要参考文献）啤酒的生产技术，以德国、丹麦等国较为先进3。目前，世界啤酒工业总的技术特点是设备自动化、生产周期短，经济效益高的方向发展。从世界范围来看，啤酒工业发展的趋向大型化，提高经济效益，扩大产品覆盖面，占领市场，是世界各国啤酒行业竞争的重点1,4。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

5、的改善，我国啤酒工业也得到空前发展。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。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。目前我国大部分啤酒生产厂家仍然采用常规仪表进行控制，靠人工监控各种参数，人为因素较多17。啤酒发酵是整个啤酒生产过程最重要的环节，它是一个复杂的微生物代谢过程。由于发酵过程的内部机理非常复杂，影响发酵的因素也很多，对于整个过程目前还缺乏精确的定量的数学描述。所以，这种人工控制方式很难保证生产工艺的正确执行，使啤酒质量不稳定，波

6、动性大且不利于扩大再生产的规模4, 5。发酵过程是啤酒生产过程中的重要环节之一，本文以啤酒发酵过程为工程背景，对啤酒发酵过程的自动化及温度、压力、液位控制策略进行研究，这对利用高新技术提升传统产业的综合技术水平具有现实意义5, 6。啤酒发酵系统的时变性、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，对象的特性也不尽相同。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。在不同的季节，甚至在同一季节的不同发酵罐，要求生产不同品种的啤酒，这样就要求每个罐具有独立的工艺控制曲线。这不仅要求高精度、高稳定性

7、的控制，还要求控制系统有极大的灵活性2, 4。利用PLC进行自动控制就可以解决以上问题。PLC是专为工业控制设计的，能适应工业现场的恶劣环境。在PLC设计和制造过程中采取了精选元器件及多层次抗干扰措施，使PLC的平均无故障时间MTBF通常在10万小时以上，有些PLC的平均无故障时间可以达到几十万小时以上。而且PLC能进行闭环过程控制。PLC能进行控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。PID（Proportional Integral Derivative）模块的提供使PLC具有闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中的某一个变量出现偏差时，PID控

8、制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上7,8。本文以啤酒发酵控制系统为对象, 提出了一套基于PLC的啤酒发酵自动控制系统的设计方案, 并给出一个利用PID控制算法用于控制发酵温度的方案, 解决啤酒厂发酵过程的控制与管理的自动化设计要求12。作为一个啤酒发酵自动控制系统，应能满足实际生产的要求。主要从以下几个方面考虑：（1） 必须符合啤酒发酵的工艺要求；（2） 必须提供合理的控制解决方案；（3） 必须符合流程控制的一般要求，包括温度的采集和控制、压力的采集和控制、控制过程中的保护等15, 16。发酵过程中温度、压力会直接影响到啤酒质量和生产的效率，因此，对发酵过程中的温度、压力进行控制显

9、得十分重要。对发酵过程中的温度、压力进行控制也就成为设计中需要解决的主要问题10。主要参考文献：1王文甫. 啤酒生产工艺. 北京：中国轻工业出版社，1997，30-462史仲平，潘丰. 发酵过程解析、控制与检测技术. 北京：化学工业出版社，2005，86-95 3张星元. 发酵原理 北京：科学出版社，2005，88-1174黄儒强，李玲. 生物发酵技术与设备操作. 北京：化学工业出版社，2006，144-1535张爱民. 自动控制原理. 北京：清华大学出版社，2006，448-4526胡学林. 可编程控制器教程. 电子工业出版社，2003，150-2037高钦和. 可编程控制器应用技术与设计实

10、例. 北京：人民邮电出版社，2004，25-608许僇，王淑英. 电气控制与PLC控制技术.北京：机械工业出版社，2005，133-1839王建华，黄河清. 计算机控制技术. 北京：高等教育出版社，2003，25-5310汪晓平，等. PLC可编程控制器系统开发实例导航. 北京：人民邮电出版社，2004，109-126 11储炬,李友荣. 现代工业发酵调控学. 北京:化学工业出版社,2002，92-11412张曾科. 模糊数学在自动化技术中的应用.北京：清华大学出版社, 1997，24-4213陶水华. 新型PID控制及其应用.北京:机械工业出版社，2002，42-6314王斌，王孙安，杜海峰

11、. 基于模糊遗传算法的工业过程控制参数优化.西安交通大学学报，2004，38（1）:P56一5915王斌，庄健，王孙安. 啤酒发酵过程的智能监控系统研究. 农业工程学报，2004，20（3）:197一20016张嗣良. 发酵过程多水平问题及其生物反应器装置技术研究J. 中国工程科学2001，3（8）:37一4517张舒. 发酵过程控制器的研制J. 工业控制计算机2004，17（4）:49一5018Honda H，Kobayashi T. Fuzzy conrtol of bioprocessJ，Journal of Bioscience and Bioengineering ,2000，89（

12、5）: 401一40819Frank J.Romeu，Development of biotechnology conrtol systemsj，ISA transactions，1995，34:3一19三、研究方案（研究内容、目标、研究方法、技术路线、拟解决的问题、特色或创新点等）3.1研究内容：啤酒发酵是非常复杂的生化变化过程，其中温度、压力、液位、浓度和时间是发酵过程的最主要的参数，设计中采用PLC控制，运用简单的PID算法完成控制要求，以提高啤酒质量和生产效率。 3.2实现目标：（1） 采用高级智能控制算法，提高控制水平；（2） 减少人工参与,实现无污染生产,减少质量风险；（3） 替代

13、人工，降低生产成本；（4） 测、管、控一体化,满足信息化需求，提高企业管理水平与竞争力。3.3研究方法：工业发酵控制具有很大的应用价值，通常酿造业的发酵是在密闭的容器（罐）中进行的，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，控制罐内酒液温度，使之形成自上而下的温度梯度。在上、中、下分别设有温度检测点。实践证明，三段冷媒入口装设分配阀，并适当调节分配比，只以中段温度为被控参数，并控制冷媒于管入口总流量可以达到工艺提出的控制要求。按啤酒发酵工艺要求，整个发酵过程的温度控制在不同发酵时期是不同的，为了保证贮酒在不同阶段的温度设定值，设有温度的上下限报警，为了保证罐内压力

14、在不同阶段的压力，设有压力的上下限报警。每个罐设有液位指示，可以作为装酒和成品计量用，还可以了解整个发酵过程的液位变化。整个系统还设有温度自动控制、压力自动控制，液位检测等，以提高控制系统的可靠性。3.4技术路线：本课题设计应用西门子PLC编程器的STEP7 程序设计语言编程完成了相关的数据采集、处理和控制。3.5欲解决的问题：（1） 满足啤酒发酵工艺要求；（2） 提供比较合理的控制解决方案；（3） 完成编程器及各种传感器的选择；（4） 完成模拟量的采集和比较精确的控制，包括温度，压力的采集和控制过程中的保护；（5） 完成I/O点的分配，设计I/O接线图，并编制梯形图程序；（5） 编制梯形图程序完成实验及各项调试。3.6特色及创新点：（1）设计中采用PLC控制，运用简单的PID算法完成控制要求，以提高啤酒质量和生产效率。（2）提高、稳定产品质量，降低原料消耗；（3）采用高级智能控制算法，提高控制水平；（4）替代人工,降低生产成本，减少质量风险；（5）测、管、控一体化，满足信息化需求，提高企业管理水平与竞争力。四、进程计划（各研究环节的时间安排、实施进度、完成程度等）周数设计内容1了解设计内容及要求，熟悉设计题目2收集与设计有关的相关资料并阅读3完成编程器及各种传感器的选择4-5