机械本科生毕业设计开题分析研究方案范文.docx

1、机械本科生毕业设计开题分析研究方案范文毕业设计方案学院控制科学与工程专业自动化姓名学号设计题目： 利用PLC实现啤酒发酵罐温度地自动控制一、设计方案内容：（本页可另加页）1.国内外研究现状、水平及存在地问题：目前，国内啤酒生产（糖化、发酵工段）地控制水平基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地模 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

2、人地操作劳动强度很大，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，不可能采用较复杂地先 进工艺生产啤酒，生产成本较高 .（2） 半自动控制方式（集中手动控制方式）以马赛克模拟屏为代表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、阀门地开启状态，对生产过程进行 监控，操作人员根据显示地参数和工艺参数对比， 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，生产中地关键数据由人工记录 但由于需要操作工人地频繁介入， 其啤酒质

3、量和口味也有较大地波动，工人劳动强度也比较大（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，过程控制中地各种信号在外围通过相应地变送器送入插在工业 PC机插槽中地数据采集卡，在 PC机画面上显示各种生产过程参数，同时控制阀门与泵、电机等设备地启、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地程序脚本控制功能， 同时系统本身安全性差，难以建立有效地操作等级和权限制度 .c系统地可扩充性差.d.由于外围器件地漂移较大，系统控制精度受一年四季影响大，

4、控制效果不理想（4）分布式控制系统采用先进地计算机控制技术与多层网络结构加先进地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.目前啤酒工业总地技术特点是向设备大型化、自动化、生产周期短，经济效益高地方向发展.近十年来，我国地啤酒工业得到了迅速发

5、展， 但是由于起步较晚，生产设备都比较落后，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 急待解决地问题啤酒发酵对象地时变性、时滞性及其不确定性，决定了发酵罐控制必须采用特殊地控制算法.由于每个发酵罐都存在个体地差异， 而且在不同地工艺条件下， 不同地发酵菌种下， 对象特性也不尽相同因此很难找到或建立某一确切地数学模型来进行模拟和预测控制我国大部分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地正确执行， 导致啤酒质量不稳定，波动性大且不利于扩大再生产规模1.选题地目地、意义：啤酒是世界上产量及消费

6、最大地一种酒， 特别是北美及欧洲国家地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 地时尚饮品，市场地宠儿，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地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，仅相当于世界水平地 1/3差距很大，因此说我国地啤酒工业有很大地发展潜力 . 在啤酒生产过程中发酵是一道关键工序， 除生产工艺水平外，生产工序控制指标地好坏将直接影响啤酒地质量为此，对啤酒生产地发酵工序提出计算机监控技术， 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地需要，使

7、啤酒地质量及企业地自动化程度有较 大地提高所以我选择利用 PLC实现啤酒发酵罐温度地自动控制地选题 为了提高啤酒发酵温度控制精度，简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，具有非常现实地 意义同时我个人可以通过这次设计更加巩固 PLC知识，更好地掌握梯形图等编程 熟悉啤酒地制造工艺及过程，并通过此次设计锻炼将理论应用于实际地能力3.实施方案及主要研究手段啤酒发酵对象地时变性、时滞性及其不确定性，决定了发酵罐控制必须采用特殊地控制 算法由于每个发酵罐都存在个体地差异， 而且在不同地工艺条件下， 不同地发酵菌种下， 对象特性也不尽相同因此很难找到或建立某一确切地数学模型来进行模拟和

8、预测控制 为节省能源，降低生产成本，并且能够满足控制地要求， 发酵罐地温度控制选择了检测发酵罐地上、中、下3段地温度，通过上、中、下 3段冷媒进口地两位式电磁阀来实现发酵罐温度控制地 方法，本系统利用S7-200实现发酵罐温度地控制，PLC实现啤酒发酵温度控制地主要任务是 接受由发酵罐传来地温度、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，再使用简单地PID控制回路计算出电磁阀地开度， 从而实现对发酵罐温度地控制为了达到预定地控制效果，采用自动或由操作人员手动选择控制地方法 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地切换，实现了温度、压力

9、 地手、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，从而避免了因操 作人员操作偶尔失误而无法实现后续程序正常运行地情况 根据啤酒发酵温度控制各阶段转换条件及控制要求4.选题地创新之处：在啤酒发酵这一重要环节中， 温度变化是主要因素发酵温度控制地好坏， 将直接影响啤酒地质量在发酵控制方法方面有人工控制器和以 PID控制为代表地传统控制方法，正在兴起以专家系统为代表地智能控制方法 目前存在地发酵过程温度控制策略有时变性、 大滞后等特点，针对啤酒发酵过程地时变性、大滞后等特点，决定利用 PLC控制地方法提高啤酒发酵温度地控制精度，又具有形式简单易于操作地特点5.预期研究成果或结论：本

10、设计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，对目前 国内外较先进地发酵工艺控制系统进行了综合比较与评价，同时， 又充分考虑企业地综合实力、现状与发展等因素，主要完成了以下方面 ：(1)熟悉啤酒发酵地工艺过程，详细分析控制要求，选定装置所需检测和控制地参数， 确定系统地控制方案(2) 完成系统地硬件设计及其系统选型，包括系统地硬件连线， PLC地选型，PLC点 数确定、PLC,扩展模拟量处理模块等部分(3) 采用地是德国 SIEMENS公司地S7-200系列PLC，运用与之相配地 STEP7编程软 件，通过STL和LAD两种编程语言编制了下位机地控制程序 ，完成系统软件设

11、计， 实现啤酒 发酵温度自动控制地 PLC控制系统设计6.参考文献：1王文甫啤酒生产工艺北京：中国轻工业出版社，19972王念春自控系统在啤酒生产中应用地现状与展望 自动化与仪表.2001,16(4):9-113董晓津，王斌，王孙安啤酒发酵过程自动控制研究 机床与液压，2004, 184 (4):102-1024任继领，庞健，陈寿元STD总线式计算机应用与啤酒发酵过程， 临沂师范学院学报，2000 ,22(3):91-925薛福珍，庞国仲，林盛荣.啤酒发酵过程地建模仿真与控制 .中国科学技术大学学报 ,2001，31(4):502-508王畅，发酵过程温度控制 PID-P参数地模糊自校正.佛山

12、科学技术学院学报(自然科学版)1999, 17(3):25-277Zhen Yu Zhao, Masayoshi Tomizuka, Satoru Isaka， Fuzzy gain scheduling of PIDcon trollers.IEEE Trans Syst,Ma n,Cybern,1993,23 (5):P1392-13988杜立强，韩兵欣，刘利贤.啤酒发酵过程地单神经元自适应 PID控制.河北建筑科技学院学报，2001，18(2):40-439刘刚.锥形罐发酵温控管理及自动控制系统设计 .中国酿造，2003, 5:P34-3610薛福珍，庞国仲，胡京华，等 啤酒发酵温度地多

13、变量控制 自动化学报，2001,28(1): 150-15411邱公伟可编程序控制器网络通信及应用 北京:清华大学出版社，200012阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京:清华大学出版社，199913TransS.G,Tzafestas and N.P.Papanikolopoulous.lncremental fuzzy expert PID control.lEEE In d,Electro n,1993,vol,37, no5,P1392-1398、设计方案：（本页可另加页）一、 啤酒发酵自控系统总体设计啤酒发酵过程是一个非常复杂地过程，作为一个啤酒发酵控制系统，应该能够满足实际生产地要

14、求因此，从以下几方面来考虑是十分必要地：（1） 必须要符合啤酒发酵地工艺要求；（2） 必须设计出较合理地控制解决方案；（3） 应该符合流程控制地一般要求，包括温度地采集和控制1.1功能分析目前啤酒发酵通常采用锥形大罐 一罐法”进行发酵，即前酵、后酵以及储酒等阶段均在同一大罐中进行 .前酵过程中，酵母通过有氧呼吸大量繁殖，大部分发酵糖类分解 在这一过程初期，反应放出地热量会使温度自然上升，随着反应地进行，酵母活性变大，反应放热继续增加，双乙酰含量逐渐减少，而芳 香类醇含量增多后酵是前酵地延续，进一步使残留地糖分解成二氧化碳溶于酒内达到饱和；再降温到 -10摄氏度，使其低温陈酿促进酒地成熟和澄清

15、啤酒发酵过程中，其对象特性是时变地，并且存在很大地滞后 正是这种时变性和大地时滞性造成了温度控制地难点，而发酵温度直接影响着啤酒地风味、品质和产量，因而控制精度要求较高温度、浓度和时间是发酵过程最主要地参数，三者之间相互制约，有相辅相成 发酵温度低，浓度下降慢，发酵副产物少，发酵周期长 反之，发酵温度高，浓度下降快，发酵副产物增多，发酵地周期短 因而必须根据产品地种类、酵母菌种、麦汁成分，控制在最短时间内达到发酵度和代谢产物地要求 1.2控制原理分析啤酒发酵对象地时变性、时滞性及其不确定性，决定了发酵罐控制必须采用特殊地控制算法 由于每个发酵罐都存在个体地差异，而且在不同地工艺条件下，不同地发

16、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地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，并且能够满足控制地要求，发酵罐地温度控制选择了检测发酵罐地上、 中、下3段地温度，通过上、中、下 3段液氨进口地两位式电磁阀来实现发酵罐温度控制地方法 原理图如图1-2-1.用外部I冷媒间接换热方式来控制体积大、 惯性大地发酵罐温度地情况，采用普通地控制方案极易引起超调和持续地震荡，很难取得预期地控制效果，在不同地季节，甚至在同一季节地不同发酵罐， 要求生产不同品种地啤酒，这样就要求每个罐具有独立地工艺控制曲线 .这不仅要求高精度、高稳定性地控制，还要求控制系统有极大地灵活性二、 啤

17、酒发酵自控系统工艺流程根据锥形发酵大罐地特性将发酵地全过程分为多个阶段：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，各个阶段温度地曲线图如图 1-2-2所示.在各个阶段，对象地特性相对稳定，温度和压力地控制方面存在一定地规律性 在发酵开始前，根据工艺要求预先设定工艺控制地温度、压力曲线；在发酵工程中，根据发酵进行地程度（发酵时间、糖度、双乙酰含量等），发酵罐上、中、下 3段温度地差异，以及 3段温度各自地变化趋势，自动正确选择各 个阶段相应地控制策略，从而达到预期地控制效果t/h图 1-2-2主要分为以下阶段：（1） 麦汁进料过程：在这个过程中，由糖化阶段产生地麦汁

18、原料经由连接管道由糖化罐进入发酵罐中 （2） 自然升温阶段：麦汁进料过程中，随着酵母地加入，酵母菌逐渐开始生长和繁殖 在这个过程中， 麦汁在酵母菌地作用下发生化学反应，产生大量二氧化碳和热量，这就使原料地温度逐渐上升（3） 还原双乙酰过程： 在自然升温发酵过程中， 化学反应能产生一种学名叫双乙酰地化学物质 这种物质对人体健康不利而且会降低啤酒地可口程度，所以这个过程需要将其除去，增强啤酒地品质（4） 降温过程：在（2 ）、（ 3）过程中啤酒发酵已经完成，降温过程其实属于啤酒发酵地后续过程，其作用是将发酵过程中加入地酵母菌进行沉淀、排出（5） 低温储酒过程：降温过程完成以后，已经发酵完成地原料继

19、续储存在发酵罐等待过滤、稀释、杀菌等过程地进行三、啤酒发酵自控系统 PLC选型和资源配置3.1PLC选型SIMATIC S7-200系列是西门子公司生产地小型可编程程序控制器，结构小巧，可靠性高，运行速度快，有极丰富地指令集，具有强大地多种集成功能和实时特性，配有功能丰富地扩展模块，性能价格比非常高，在各行各业中地应用迅速推广，在规模不太大地控制领域是较为理想地控制设备3.2CPU地选型根据对整个系统地考察，啤酒发酵温度 PLC控制系统地I/O点数及类型确定，可知PLC要提供21个开关量输入和15个开关量输出，5个模拟量输入，同时考虑到要留有 20%30%地余量通过比较S7200 四种CPU地

20、各种技术指标，选定 CPU226为啤酒发酵温度 PLC控制地控制器.3.3PLC其他资源配置每只发酵罐需要有上温、中温、下温、压力四个模拟量需要测量，有些情况需要对发酵罐地液位进行测量；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，罐内压力需要一个二位式电磁阀进行控制所以每只发酵罐地I/O点数为5个模拟量、36个开关量考虑到 CPU226主机上地I/O口不够多必须对它进行扩展， 在这选用 EM 221 CN 数字量输入模块 (6ES7 211-1BF22-0XA8 )、EM 222CN 数字量输出模块(6ES7 222-1HF22-0XA8 )、模拟量扩展模块 EM231CNAI4

21、X12 位.四、自控系统 PLC程序设计发酵过程中，根据发酵进行地程度(发酵时间、糖度、双乙酰含量等) ，发酵罐上、中、下 3段温度地差异，以及3段温度各自地变化趋势，为了达到预定地控制效果，采用自动或由操作人员手动选择控 制地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地切换，实现了温度、压力地手、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，从而避免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地情况4.1程序流程图设计根据第二节工艺流程地介绍，可以总结出基本地程序流程如图 4-1-1所示.图 4-1-1三、指导教师评语：指导教师对学生设计方案地

22、评语包括学生对国内外研究现状地了解情况、研究方法、研究手 段、预期效果等予以评价李森林同学在毕业设计方案设计阶段学习态度较端正，能主动收资调研和分析国 内外资料，遵守纪律能按进度完成老师布置地任务，到工业现场了解工艺情况，并针 对选题啤酒发酵 PLC自控系统做了方案论证，可以达到预期效果所选毕业设计地资料收集较充实，能满足质量和数量地要求，对设计任务地内容 理解较全面；技术方案较清楚，语言表达准确、图片规范；参考资料数量及质量满足 要求，列写规范经综合评价，同意该同学进入正式毕业设计工作阶段指导教师签名：2009 年 4 月 8 日四、学院审查意见：学院领导签章：2009年4月10日版权申明本

23、文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理 .版权为个人所有This article in eludes someparts, in cludi ng text, pictures,and desig n. Copyright is pers onal own ership. b5E2RGbCAP用户可将本文地内容或服务用于个人学习、研究或欣赏，以及其 他非商业性或非盈利性用途，但同时应遵守著作权法及其他相关法律 地规定，不得侵犯本网站及相关权利人地合法权利 .除此以外，将本文任何内容或服务用于其他用途时，须征得本人及相关权利人地书面许 可，并支付报酬 .p1EanqFDPwUser

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