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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date啤酒发酵温度控制系统设计摘 要摘 要发酵过程是啤酒生产过程中的重要环节之一，以往系统多采用PC机加数据采集卡对外围信号进行采集，同时控制阀门、泵、电机等设备的启停来满足工艺生产要求。本文以啤酒发酵过程为工程背景，利用PLC实现对啤酒发酵过程的温度控制。本设计主要采用串级控制方案对啤酒发酵罐的温度进行控制，温度变送器从发酵罐中采集温度，通过模拟量控制模块，把采集的模拟信
2、号转换成对应的数字信号送入PLC中，与给定的温度信号进行比较，经过PID运算后，输出脉宽可调的信号来控制冷却液流量。温度检测点选择在发酵罐的上、中、下3段位置，并通过调节上、中、下3段液氨进口的二位式电磁阀来实现发酵罐温度控制。该系统性能/价格比高、可靠、技术先进，完全满足啤酒生产发酵工艺的技术要求，并兼顾了实用的需求。关键词：PLC；发酵温度；温度控制；发酵罐AbstractThe fermentation process is one of the important links of the beer production process, the system uses the PC
3、data acquisition card to collect peripheral signal, at the same time control equipment valve, pump, motor starting and stopping to meet production requirements. In this paper, the beer fermentation process for the project background, to realize the control of the temperature of beer fermentation pro
4、cess with PLC.This design is mainly controlled by the cascade control scheme on the fermentation temperature, temperature transmitter to collect temperature from the fermentation tank, control module through the analog, analog signal acquisition is converted into a digital signal corresponding to th
5、e PLC, compared with the temperature signal given, after PID operation, the output pulse signal adjusted to control the coolant flow. Temperature test point selection in the fermentation tank, 3 position, and through the two electromagnetic valve, 3 ammonia imports to achieve fermentation temperatur
6、e control.To solute the whole process temperature control by PLC, the system performance higher than price, reliable, advanced technology, to fully meet the fermentation process of beer production technology requirements, taking into account the practical needs.Key words：programmable Logic Controlle
7、r; fermentation temperature; temperature control；fermentor目 录第1章 绪 论11.1 啤酒发酵的意义和发展趋势11.2 PLC在啤酒发酵应用中的可行性论述21.3 啤酒发酵控制系统的设计任务及要求3第2章 啤酒发酵控制系统方案论证52.1 啤酒发酵工艺52.2 发酵各阶段的温度控制机理62.2.1 自然升温过程62.2.2 主发酵及双乙酰还原阶段62.2.3 降温保湿阶段72.2.4 双乙酰还原温度冷却阶段72.2.5 低温保温阶段72.2.6 三摄氏度以下深冷藏过程72.2.7 贮酒阶段72.3 啤酒发酵控制系统流程82.3.1 麦
8、汁充氧和酵母添加92.3.2 啤酒发酵过程92.3.3 啤酒过滤和杀菌92.4 啤酒发酵控制系统方案确定102.4.1 啤酒发酵控制方案综述102.4.2 啤酒发酵罐温度过程控制方案12第3章 硬件设计143.1 系统I/O点分析143.2 PLC的选型153.3 扩展模块163.4 I/O编址173.5 系统的I/O分配183.6 温度变送器的选型193.7 压力变送器的选型203.8 液位变送器的选型213.9 流量计的选型223.10 电磁阀的选型243.11 安全栅的选型263.12 指示灯的选型273.13 蜂鸣器的选型28第4章 软件设计304.1 发酵温度控制系统流程图304.2
9、 温度控制系统程序流程图设计314.3 系统程序设计334.3.1 模拟量信号采集处理程序334.3.2 发酵罐状态处理程序344.3.3 温度设定控制程序354.3.4 PID回路计算程序374.3.5 电磁阀控制程序38第5章 组态405.1 啤酒发酵过程分析405.2 实时数据库的创建405.3 动画组态界面的绘画415.4 运行结果41第6章 总结43参考文献44致 谢45附 录I46附 录II71-第1章 绪 论1.1 啤酒发酵的意义和发展趋势0啤酒是世界上产量及消费最大的一种酒，特别是北美及欧洲国家的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
10、，啤酒己成为人们的时尚饮品，市场的宠儿，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的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，仅相当于世界水平的1/3差距很大；近年来，虽然我国的啤酒装备配套水平有很大提高，但与国外的主要啤酒生产厂家相比大部分企业技术落后，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。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。啤酒发酵
11、是啤酒生产过程非常重要的环节，是决定啤酒质量的最关键的一步，特别是对发酵过程中温度、压力的控制尤其重要，控制指标的好坏将直接影响啤酒的质量。早期，由于人们对发酵机理认识不深，再加上采用控制器的限制，对发酵采取自动控制未能成功。随着人们对发酵机理的逐步认识，并随着可靠性高、能经受恶劣环境器件的引用，对发酵采用自动控制逐渐取得成功。啤酒发酵具有非线性、时间滞后和大惯性等特征，发酵过程的精密控制一直是自动控制领域较难解决的问题之一。按啤酒发酵的生产工艺，生产周期一般在十五天左右，要求发酵液的温度严格按照一定的工艺曲线变化。温度控制精度在0.5范围内，这样的控制精度单凭传统的热工仪表加上手工操作方式是
12、完全不能满足要求的，但目前国内的不少生产厂家都是采用这种生产方式。随着控制领域新技术、新方法的不断涌现，这些问题也在不断地得到改进。改进啤酒发酵生产过程控制是酿造业技术进步的有效措施，它可以在不增加原材料及动力消耗的前提下，增加产品产量、提高产品质量，同时还可以减轻劳动强度、改善工作条件、提高发酵工艺水平及生产管理水平。因此，优化啤酒发酵控制应用前景乐观，能产生较大的社会经济效益，具有很大的应用价值。利用PLC实现啤酒发酵罐温度的自动控制的选题。对提高啤酒发酵温度控制精度，优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，具有非常现实的意义。同时我个人可以通过这次设计更加巩固PLC知识
13、，更好地掌握梯形图等编程。熟悉啤酒的制造工艺及过程，并通过此次设计锻炼将理论应用于实际的能力。1.2 PLC在啤酒发酵应用中的可行性论述啤酒发酵过程控制是啤酒酿造过程的一个重要工艺控制环节，发酵过程控制得好坏直接影响到整罐啤酒的产品质量。旧式的啤酒发酵过程控制是用许多单回路的温度控制仪表控制每个发酵罐上的各点温度，根据温度变化情况去控制冷媒阀的开度，达到温度调节的目的。该过程控制因线路复杂，控制参数单一，故维护工作量大，且调节效果差，特别是在发酵罐数量多，体积大，系统滞后大的情况下更是如此。随着计算机控制技术的广泛应用，啤酒发酵过程也逐步开始应用计算机控制系统。PLC是一种具有很高可靠性的控制
14、装置，它与可编程调节器、DCS系统同被列为“不损坏仪表”。这不仅是由于它在硬件上采取了诸如隔离、滤波、屏蔽、接地等一系列抗干扰措施，在模板机箱进行了完善的电磁兼容性设计，对元器件进行了精心的挑选;而且更重要的是它采用了诸如数字滤波、指令复执、程序卷回、差错校验等一系列软件抗干扰措施及故障诊断技术，以及在系统一级的容余配置等；此外，PLC采用周期循环扫描方式工作，对输入输出集中进行处理。这种特殊的工作方式本身就具有抗干扰功能。在一个循环扫描周期T中，仅只有一小段时间集中进行I/O处理，也只有在这一小段集中I/O时间中的干扰才会被引入PLC内部，在扫描周期的其余大部分时间，干扰都被阻挡在PLC之外
15、。以上这些原因使PLC的可靠性更高。因此，PLC被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。PLC是以控制开关量起家的，它采用循环扫描方式，通过串行处理使其在逻辑上等效于并行处理的继电器逻辑控制系统，为了不丢失输入信号，要求循环扫描周期愈短愈好，这就使得在PLC中配置的处理器性能好，速度快。这些高性能处理器本身有很大的潜能，只要处理好不同性质的实时多任务的调度，在PLC中加入针对慢连续量的过程控制并不困难。而在大中型PLC中普遍采用了多微处理器结构进行多道处理，这使得PLC不仅速度快，而且可以独立各自处理不同问题，也可分解协调，共同处理非常复杂的问题。此外，PLC配置着大量内含CPU的智能
16、模板，有些专用于PID控制，有些用于运动控制，有些用于高速计数器，有些用于连网通信，它们采用模块结构，通过背板并行总线连成有机的整体。所有这些都使得PLC适合于各种规模的自动化系统。正是由于PLC具有多种功能，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。目前国内使用的PLC以国外产品居多。美国是PLC的发源地，以大中型机为主，功能完备，单机价格高，GE公司、MODICON公司、AB公
17、司是其代表。日本的PLC以中小型机为主，价格便宜，典型代表为OMRON公司、三菱（MITSUBISHI）公司的产品。德国SIEMENS公司的产品以可靠性高著称，其主要产品有S5、S7两个系列，包括了从大型机到小型机各个型号，在国内使用广泛。输入模块有直流24VDC和交流220VAC两种。输出模块有三种形式：继电器输出，晶体管输出和可控硅输出。晶体管输出模块只能带直流负载，是直流输出模块，用于高速小功率负载;可控硅输出模块是交流输出模块，只用于高速大功率负载；继电器输出模块是交直流输出模块，即可带直流也可带交流，因其有触点，故只能用于低速负载。上煤系统电控部分控制对象为接触器，属于交流低速负载。
18、据此选择原则可以选用合理便捷的PLC产品。本系统选用了SIMENS SIMATIC S7系列PLC组件。1.3 啤酒发酵控制系统的设计任务及要求本设计的主要设计任务为：（1）该控制系统，能自动完成温度、压力及液位的检测，可控制温度变化范围在-112；所达到的温度控制精度0.5；可控制压力变化范围在00.15Mpa；实现啤酒发酵过程的自动监控；（2）了解和熟悉啤酒生产过程；确定控制系统的整体方案；（3）选择PLC型号及扩展单元；（4）设计PLC的外部接线图；（5）完成梯形图设计和指令表的编写；（6）查阅相关外文资料，并将其中一篇翻译为中文。本设计的设计要求为：（1）在毕业设计过程中，要求毕业设计
19、学生认真查阅与题目内容相关的书籍、文献资料，根据给定的设计任务，设计工作安排，按时保量的完成毕业设计规定的全部内容。（2）要求独立完成毕业设计任务，设计计算准确，叙述清楚,格式正确。（3）毕业设计说明书，要求正文部分达到1.5万字以上，其中应该包括：设计方案的论证、设计的过程和结果。要求设计控制系统梯形图，指令表，设计内容客观真实。为了完成本设计内容，需要熟悉啤酒发酵的工艺过程，详细分析控制要求，选定装置所需检测和控制的参数，确定系统的控制方案。完成系统的硬件设计及其系统选型，包括系统的硬件连线，PLC的选型，PLC的I/O分配、扩展模拟量处理模块等部分。第2章 啤酒发酵控制系统方案论证2.1
20、 啤酒发酵工艺啤酒是采用麦芽和水为主要原料，加酒花，经酵母发酵酿制而成的一种含有二氧化碳、气泡的低酒精度饮料。啤酒生产工艺主要由麦汁制备（俗称糖化）、啤酒发酵、啤酒罐装等工艺流程组成。发酵过程是啤酒生产中一个非常重要的环节，啤酒发酵是一个复杂的生化过程，这个过程可以理解为把麦汁转化为啤酒的过程，整个发酵过程同样也包含若干个生产工序，如：麦汁充氧、酵母添加、发酵、过滤、修饰以及酵母扩培等等。生产周期都在十几天以上，要求发酵液的温度严格按照一定的工艺曲线变化，温度控制精度在0.5范围内如果温度控制偏低，就会使得发酵过程缓慢，影响生产进度；如果温度偏高，又会造成生化参数超出标准，影响啤酒的质量。啤酒
21、发酵整个过程分为：主发酵阶段、还原双乙酰阶段和低温贮酒阶段。从原麦汁入罐时刻起，就开始进行主发酵，这一阶段的温度控制在12摄氏度（不同工艺数值不同）。发酵液直接由糖化车间经管道灌入，初始的温度大约为8摄氏度左右，糖度为10度左右，每一罐发酵液需要分几批入罐，每一次入罐后都要由化验员测定一次糖度并把信息反馈到糖化车间，保证最后整罐发酵液的初始糖度符合标准。同时温度控制开始实施，以保证满罐后发酵液的温度在规定范围内。发酵液满罐后1小时工人开始测量发酵液的满罐糖度，以后每隔八小时测量一次。当糖度降至低于6.5度时，每两小时测量一次，直至到达6.0度。当糖度降到6.0度时主发酵阶段结束，主发酵阶段约历
22、时4天。发酵进入还原双乙酰阶段，这一阶段要求温度控制在1218摄氏度 （不同工艺数值）。进入第二阶段后，要求化验员每隔2小时测量一次双乙酞的浓度和糖度，直到糖度降至3.0度时变为每八小时测量一次。当糖度降至3.0度时再经过16小时糖度监测工作就结束。当双乙酰浓度下降到合格标准 （0.08mg/L）时，且糖度降至极限4248小时后，如果此时距离装罐时间已大于6天，发酵就可以进入降温阶段，分两个阶段按不同的速率降温，此时把所有冷媒阀打开，使发酵液全速降温。当温度到达1摄氏度以下时发酵进入低温储酒阶段，在低温储酒阶段温度控制在0.510摄氏度。这一阶段主要是让酵母和一些固态物进行充分沉淀并进行回收。
23、正常情况下，全过程必须在14天以上。发酵罐是啤酒生产的主要设备，目前，我国绝大部分啤酒厂均采用园柱锥底式发酵罐简称锥形罐，般在圆柱部分焊有两到三段冷却夹套，锥底还有一冷却夹套。整个罐体除罐顶装置和罐底的進出口以外，全部用绝热材料包裹起来，用其来阻隔与外界的热交换。这样使得罐内发酵液与外界的热交换量和发酵液产生的生化热相比较可忽略不计，控温中通过冷却夹套由冷却介质带走的热量主要是生化热。锥形发酵罐的直径与高度之比一般为1: 1.54。锥底内角，不锈钢罐锥角一般为60度，内有涂料的钢罐锥角通常为75度，使排污时可强制酵母滑出。罐的有效容量是每批麦汁的整数倍，应在1624小时内装满一个锥形罐，罐的容
24、量系数取80%85%。发酵是一个放热的过程，如果让啤酒自然发酵，发酵液的温度会逐渐上升，因此在发酵罐外部罐壁设置有上、中、下三段冷却套，相应的设立上、中、下三个测温点和三个调节阀，通过阀门调节冷却套内冷却液的流量来实现对酒体温度的控制。2.2 发酵各阶段的温度控制机理2.2.1 自然升温过程麦汁满罐温度高低直接关系到发酵工艺的准确执行，酵母前期增值速度，发酵周期的长短，发酵度的高低，酵母还原双乙酰能力以及副产物形成、泡沫、口味等，过低和过高的满罐温度均不利于酵母和成品酒质量。满罐温度的确定应考虑麦汁分锅次进罐中酵母繁殖代谢使温度上升因素的影响，满罐后的自然升温阶段切忌因各种失误出现的控温，应通
25、过此过程，使酵母尽快其发酵增殖适应新的麦汁环境形成良好的酒液对流。2.2.2 主发酵及双乙酰还原阶段主发酵阶段酵母大量繁殖并产生较多的热量，随着发酵液中氧的迅速消耗，酵母在无氧呼吸下转化为生成大量的酒精，使罐内中下部酒液中酒精含量远远高于上部，酒体密度发生变化，在酒精释放及密度变化的共同作用下，发酵液发生自下而上的强烈对抗，此阶段温控应促进对流充分进行，保持旺盛发酵并均衡罐内酒液状态，以控制上段温度为主，适度辅以中段，形成的温度梯度，三带温差在0.5左右。双乙酰还原阶段控温原理与主酵段类似，但此过程发酵速度趋缓，热量产生少，对流慢，对上段控温应缓慢、慎重，不可急剧冷却，防止罐内温度出现较大幅度
26、下滑，酵母大量沉积将影响双乙酞还原。此过程以保持发酵液适度对流和一定数量悬浮酵母为主，温度梯度为T上T中T下，三带温差在0.20.3摄氏度左右。2.2.3 降温保湿阶段发酵液双乙酰还原达标后即开始转入降温阶段，此过程应按照工艺设定的速度将酒液均匀冷却至贮酒温度，由于此时酒液发酵已基本结束，二氧化碳生成和放热趋于停止，原二氧化碳上升托拉力等形成的自下而上对流大为减弱，酒液在不同温度下密度差形成对流的作用渐占主导，根据啤酒最大密度温度计算公式可知，酒液最大密度时温度约为3摄氏度，3摄氏度上下的酒液对流方向相反，控温时应据此区别对待。2.2.4 双乙酰还原温度冷却阶段酒液在此阶段降温中密度逐渐增大，
27、对流方向仍为自下而上，酒液沿罐壁向下流动，由于此时冷媒与酒液温差较大，降温及罐内均衡过程不容易控制，应以上带和中带控温为主，须防止冷却过于强烈造成贴近罐壁处部分酒液结冰，影响降温效果及啤酒质量。2.2.5 低温保温阶段在整体降温过程中，3摄氏度以前的降温速度较快，降温惯性大，在接近3摄氏度对流方向变化过程中，易出现罐内各点酒液温度的紊乱，或温度出现突升突降，或温度持续变化，无法按工序执行，且难以总结出变化规律。针对此情况，在生产中采用了3摄氏度保温工艺，目的是稳定酒液流态，是对流过程放缓或停顿，罐内温度均衡准确，并在保温过程彻底排放剩余的废酵母和沉积物，3摄氏度保温结束后开始进行新的对流降温过
28、程，实践证明此工艺有效的保证了降温速率及酒液澄清。2.2.6 三摄氏度以下深冷藏过程酒液降温至3摄氏度最高密度时将形成密度相同而温度不同的酒液，自行区域性对流，状态紊乱，酒液温度形成梯度，冷却加套冷量传递达不到要求，冷却速度和酒液温度下降缓慢，此时应以下部控温为主，加大锥罐底酒液控温强度，降低酒液密度，使对流方向由自下而上转变为自上而下，打破形成的温度梯度，满足温度控制效果，此过程下段温度应低于中、上段温度12摄氏度。2.2.7 贮酒阶段贮酒阶段的温控对发酵液成熟及酒液澄清等影响很大，控温不当将可能造成发酵液结冰。此阶段温度控制应以上、中、下三段均衡控温为主，缩小罐内发酵液温差。在贮酒过程中罐
29、内下段二氧化碳的密度梯度高于中上段，而下段发酵液的密度高于中、上段，同时存在自下而上和自上而下的对流，状态紊乱，缓慢而不规则，使用调节阀控制冷媒可采用长时间小流量的操作方法，对于开关阀则可采用高频短时间开启控制，避免长时问深度冷却，温控精度要求在0.2摄氏度，严禁出现温度回升。2.3 啤酒发酵控制系统流程由于啤酒酵母的作用，麦汁在发酵罐内发酵，在发酵过程中释放出的生化反应热和CO2热量释放导致发酵温度上升，同时CO2的产生使罐内压力升高。在整个发酵过程中，根据麦芽发酵的反应规律来控制发酵的温度和时间是保证发酵过程正常安全地进行，提高啤酒质量和口味，减轻工人的劳动强度，节约能源的关键。罐类容器的
30、主要工况参数有温度、液位、气体压力。温度参数的高低来提醒罐内物料已加热时间的长短，以便指导操作者进行物料储存及物料反应。液位间接反应了物料的多少，以便控制物料的储存量，实时调控或者进行物料反应等。气体压力的大小反应了罐内CO2的多少，压力到一定程度时需从罐顶排出一定的CO2以减小罐内的压力，防止爆炸。所以需要对发酵罐内液温的变化进行实时控制，同时罐内的压力也是安全生产的必要控制量。啤酒发酵生产工艺对控制的要求是：发酵罐上、中、下液温的实时测控，控制罐温在特定阶段与标准的工艺生产曲线相符；控制罐内气体的有效排放，使罐内压力符合不同阶段的需要控制。啤酒发酵控制系统流程图如图2.1所示。图2.1 啤
31、酒发酵控制系统流程图根据锥形发酵大罐的特性将发酵的全过程分为多个阶段，在各个阶段，对象的特性相对稳定，温度和压力的控制方面存在一定的规律性。在发酵开始前，根据工艺要求预先设定工艺控制的温度、压力曲线；在发酵工程中，根据发酵进行的程度（发酵时间、糖度、双乙酰含量等），发酵罐上、中、下3段温度的差异，以及3段温度各自的变化趋势，自动正确选择各个阶段相应的控制策略，从而达到预期的控制效果。主要分为以下阶段：2.3.1 麦汁充氧和酵母添加麦汁在泵入发酵罐进行发酵之前，麦汁中需要加入适量的酵母，整个发酵过程可以简单理解为酵母把麦汁中的糖类分解成C2H50H、H2O及其它产物的过程。这个阶段麦汁原料经由连
32、接管道由糖化罐进入发酵罐中。2.3.2 啤酒发酵过程啤酒发酵是一个复杂的微生物代谢过程，这是啤酒生产过程中耗时最长的一个环节。在发酵期间，一般是往附着于罐壁上的冷却夹套内通入致冷酒精水或液氨来吸收生化反应热，以维持适宜的发酵温度，致冷量通过调节冷媒流量来控制。整个发酵过程可以分为主酵和后酵两个阶段： 主酵这个阶段又称为前酵。麦汁接种酵母进入发酵罐几小时以后逐渐开始主发酵，麦汁糖度下降，产生CO2，反应热的释放使整个罐内的温度逐渐上升。经过23天后进入发酵最为旺盛的高泡期，再过23天，降糖速度变慢，糖度很低，酵母开始沉淀，进行封罐发酵。此时，前酵基本结束，进行降温转入后酵阶段。普通啤酒在前酵时的
33、工艺要求控制在12左右，从前酵进入后酵的降温过程。 后酵当罐内温度从前酵的12降到3左右时，后酵阶段开始了，这一阶段最主要的目的是进行双乙酰还原。此外，后酵阶段还完成了残糖发酵，充分沉淀蛋白质、降低氧含量，提高啤酒的稳定性。一旦双乙酰指标合格，发酵罐进入第二个降温过程，把罐内发酵温度从3降到01左右进行贮酒，以提高啤酒的风味和质量。经过一段时间的贮酒，整个发酵环节基本结束。2.3.3 啤酒过滤和杀菌主酵、后酵结束以后，啤酒将通过过滤机和高温瞬时杀菌进行生物以及胶体稳定处理然后灌装。啤酒过滤是一种分离过程，其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母细胞和其它混浊物从啤酒中分离出去，否则这些物质会在以后的
34、时间里从啤酒中析出，导致啤酒混浊，目前多采用硅藻土过滤方式。如果啤酒中仍含有微生物（杂菌），则微生物可以在啤酒中迅速繁殖，导致啤酒混浊，其排泄的代谢产物甚至使啤酒不能饮用。杀菌就是啤酒在灌装之前对其进行生物稳定性处理的最后一个环节。啤酒发酵工艺曲线如图2.2所示。图中，0a段为自然升温段，不须外部控制；ab 段为主发酵阶段；主酵阶段，典型的控制温度为12；bc段为降温逐渐进入后酵，典型降温速度为0.3/h；cd 段为后酵阶段，典型控制点3；de 段为降温进入贮酒阶段，典型降温速度为0.15/h；e f 段为贮酒阶段。啤酒口味和实际要求的不同，啤酒的发酵工艺曲线也就不同，但是对于确定好的啤酒发酵
35、工艺，就应严格按照工艺曲线去控制温度和压力等，这样才能保证啤酒的质量。图2.2 啤酒发酵工艺曲线2.4 啤酒发酵控制系统方案确定2.4.1 啤酒发酵控制方案综述目前，国内啤酒生产（糖化、发酵工段）的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的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，而且工人的操作劳动强度很大，主要生产设备与装置不能工作在较佳
36、状态，原材料利用率低，产品能耗大，不可能采用较复杂的先进工艺生产啤酒，生产成本较高。（2）半自动控制方式（集中手动控制方式）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、阀门的开启状态，对生产过程进行监控，操作人员根据显示的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，生产中的关键数据由人工记录。但由于需要操作工人的频繁介入，其啤酒质量和口味也有较大的波动，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
37、各种数据采集卡为代表，过程控制中的各种信号在外围通过相应的变送器送入插在工业PC机插槽中的数据采集卡，在PC机画面上显示各种生产过程参数，同时控制阀门与泵、电机等设备的启、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的程序脚本控制功能，同时系统本身安全性差，难以建立有效的操作等级和权限制度。c系统的可扩充性差。d由于外围器件的漂移较大，系统控制精度受一年四季影响大，控制效果不理想。（4）分布式控制系统采用先进的计算机控制技术与多层网络结构加先进的控制算法对生产工序
38、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。目前啤酒工业总的技术特点是向设备大型化、自动化、生产周期短，经济效益高的方向发展。近十年来，我国的啤酒工业得到了迅速发展，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，
39、这都是我国啤酒工业急待解决的问题。为了达到系统性价比高、可靠、技术先进，完全满足啤酒生产发酵工艺的技术并兼顾实用的需求。本设计选择分布式控制系统，主要针对于对啤酒发酵控制系统下位机的设计，通过PLC对单个发酵罐发酵过程的温度、压力等系数进行监控，实现对啤酒发酵系统的监控。根据控制方案确定总体框图如下图2.3：图2.3 总体框图2.4.2 啤酒发酵罐温度过程控制方案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我
40、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的正确执行，导致啤酒质量不稳定，波动性大且不利于扩大再生产规模。在啤酒生产过程中，糖度的控制是由控制发酵的温度来完成的，而在一定麦芽汁浓度、酵母数量和活性的条件下时间的控制也取决于发酵的温度。因此控制好啤酒发酵过程的温度及其升降速率是解决啤酒质量和生产效率的关键。在本次啤酒发酵温度控制系统设计过程中各种工艺参数的控制采用串级控制系统实现，主要控制锥形发酵罐的中部温度，采用常规自动化仪表及装置来实现温度及其他参数的检测与控制、显示。根据发酵罐的结构以及发酵工艺特点，采用串级控制系统，
41、充分发挥它的优点，合理准确的测量并控制发酵罐温度。发酵罐中温度串级控制系统图如图2.4所示：图2.4 锥形发酵罐中温度串级控制系统图在系统设计时，必须明白主、副被控参数的选择；副回路的设计；主、副回路的关系以及主副调节器控制规律的选择及其正反作用方式的确定等问题。设计被控系统时，选取的参数要能有效的反映工艺状况。根据工艺主参数为发酵罐中麦汁的温度。而副参数的选取是串级控制系统的关键所在，副回路设计的合理与否决定了串级控制的特点能否发挥。根据副回路的设计原则，副被控参数的选择应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏，副回路包含被控对象所受的主要干扰，当对象具有较长纯滞后时间时，应尽量将纯滞后
42、部分包含在主对象中。因此，选取冷却液的流量作为副被控参数，构成如图所示的串级温度控制系统框图2.5：图2.5 发酵罐温度控制系统方框图第3章 硬件设计3.1 系统I/O点分析根据啤酒发酵控制原理可以得出：每只发酵罐需要测量上温、中温、下温、压力、液位五个检测量。由于本设计方案针对于对200500吨位发酵罐的监控系统设计，所以对啤酒发酵罐的上温、中温、下温分别采用三点测量，所以每个发酵罐有12个模拟量需要测量。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，罐内压力及罐内液位也各需要一个二位式电磁阀进行控制。所以每只发酵罐的I/O点数为3个开关量输入、12个模拟量输入和15个开关量输出。
43、输入/输出统计如表3.1所示：表3.1 输入/输出点数统计表输入信号输出信号数字量输入信号模拟量输入信号数字量输出信号系统启动开关1上部温度变送器11麦汁进罐阀1系统急停开关1上部温度变送器21满罐温度保持指示灯1手/自动转换开关1上部温度变送器31主酵自然升温段指示灯1中部温度变送器11双乙酞还原阶段指示灯1中部温度变送器21降温保温阶段指示灯1中部温度变送器31后酵保温阶段指示灯1下部温度变送器11第二降温阶段指示灯1下部温度变送器21贮酒保温阶段指示灯1下部温度变送器31上冷媒开关电磁阀1发酵罐压力变送器1中冷媒开关电磁阀1发酵罐液位变送器1下冷媒开关电磁阀1液氨流量计1发酵罐排气阀1压
44、力超限报警1温度超限报警1自动运行状态指示灯1共计：31215 3.2 PLC的选型 SIMATIC S7-200系列是西门子公司生产的小型可编程程序控制器，结构小巧，可靠性高，运行速度快，有极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，配有功能丰富的扩展模块，性能价格比非常高，在各行各业中的应用迅速推广，在规模不太大的控制领域是较为理想的控制设备。西门子第二代产品是21世纪初投放市场的，其CPU模块为CPU22X，速度快，具有较强的通信能力。它具有四种不同结构配制的CPU单元：CPU221，CPU222，CPU224，CPU226，除CPU221之外，其他都可以加扩展模块。根据对整个系统
45、的考察，啤酒发酵温度PLC控制系统的I/O点数及类型确定，可知PLC要提供3个开关量输入和15个开关量输出，12个模拟量输入，同时考虑到要留有20%30%的余量。通过比较S7200四种CPU的各种技术指标，选定CPU226（6ES7 216-2AD23-0XB8）晶体管输出型为啤酒发酵温度PLC控制的控制器。CPU226（6ES7 216-2AD23-0XB8）晶体管输出型具有24入/16出，这种模块在CPU224的基础上功能又进一步增强，主机输入输出点数增为40点，具有扩展能力，最大扩展为248点数字量或35点模拟量，增加了通信口的数量，通信能力大大增强，它可用于点数较多、要求较高的小型或中
46、型控制系统。CPU226（6ES7 216-2AD23-0XB8）晶体管输出型实物图如图3.1：图3.1 CPU226实物图CPU226（6ES7 216-2AD23-0XB8）外部连接图如下图3.2所示：图3.2 CPU226外部连接图3.3 扩展模块 CPU226主机上的I/O口为24入、16出所以需要对其进行扩展，根据设计要求选择模拟量输入扩展模块EM231（6ES7231-0HC22-0XA0），EM231 （6ES7231-0HC22-0XA0）模拟量输入模块，4 输入,其实物图如下图3.5所示：图3.5 EM231实物图 EM231（6ES7231-0HC22-0XA0）模拟量输入，4输入连接图如图3.6所示：图3.6 EM231连接图 根据对系统的I/O点数分析，需要扩展12个模拟量输入，EM231具有4模拟量输入，考虑系统冗余，本设计在主机外扩展4个EM231以满足系统要求。主机与扩展模块扩展图如图3.7所示：模块4EM231AI4DC24V模块3EM231AI4DC24V模块2EM231AI4DC24V模块1EM231AI4DC24V主机中央处理单元CPU226图3.7 扩展模块3.4 I/O编址根据系统设计要求对CPU及扩展模块进行I/O编址