毕业设计开题方案---利用PLC实现啤酒发酵罐温度的自动控制

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的自动控制一、设计方案内容：（本页可另加页）1.国内外研究现状、水平及存在的问题：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)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1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，这都是我国啤酒工业急待解决的问题。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。1.选题的目的、意义：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，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，因此说我国的啤酒工业有很大的发展潜力。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，生产工序控制指标的好坏将直2接影响啤酒的质量。为此，对啤酒生产的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的需要，使啤酒的质量及企业的自动化程度有较大的提高。所以我选择利用PLC实现啤酒发酵罐温度的自动控制的选题。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，具有非常现实的意义。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。3.实施方案及主要研究手段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。为节省能源，降低生产成本，并且能够满足控制的要求，发酵罐的温度控制选择了检测发酵罐的上、中、下3段的温度，通过上、中、下3段冷媒进口的两位式电磁阀来实现发酵罐温度控制的方法，本系统利用S7-200实现发酵罐温度的控制，PLC实现啤酒发酵温度控制的主要任务是接受由发酵罐传来的温度、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，再使用简单的PID控制回路计算出电磁阀的开度，从而实现对发酵罐温度的控制。为了达到预定的控制效果，采用自动或由操作人员手动选择控制的方法。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的切换，实现了温度、压力的手、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的情况。根据啤酒发酵温度控制各阶段转换条件及控制要求。4.选题的创新之处：在啤酒发酵这一重要环节中，温度变化是主要因素。发酵温度控制的好坏，将直接影响啤酒的质量。在发酵控制方法方面有人工控制器和以PID控制为代表的传统控制方法，正在兴起以专家系统为代表的智能控制方法。目前存在的发酵过程温度控制策略有时变性、大滞后等特点，针对啤酒发酵过程的时变性、大滞后等特点，决定利用PLC控制的方法提高啤酒发酵温度的控制精度，又具有形式简单易于操作的特点。5.预期研究成果或结论：3本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的发酵工艺控制系统进行了综合比较与评价，同时，又充分考虑企业的综合实力、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。（2）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点数确定、PLC,扩展模拟量处理模块等部分。（3）采用的是德国SIEMENS公司的S7-200系列PLC，运用与之相配的STEP7编程软件，通过STL和LAD两种编程语言编制了下位机的控制程序,完成系统软件设计，实现啤酒发酵温度自动控制的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，1997[2]王念春.自控系统在啤酒生产中应用的现状与展望.自动化与仪表.2001,16(4):9-11[3]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):102-102[4]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):91-92[5]薛福珍，庞国仲，林盛荣.啤酒发酵过程的建模仿真与控制.中国科学技术大学学报，2001，31(4):502-508[6]王畅，发酵过程温度控制PID-P参数的模糊自校正.佛山科学技术学院学报(自然科学版)1999,17(3):25-27[7]ZhenYuZhao,MasayoshiTomizuka,SatoruIsaka，FuzzygainschedulingofPIDcontrollers.IEEETransSyst,Man,Cybern,1993,23(5):P1392-1398[8]杜立强，韩兵欣，刘利贤.啤酒发酵过程的单神经元自适应PID控制.河北建筑科技学院学报，2001，18(2):40-43[9]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:P34-36[10]薛福珍，庞国仲，胡京华，等.啤酒发酵温度的多变量控制.自动化学报，2001,28(1):150-154[11]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，2000[12]阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京:清华大学出版社，19994[13]S.G,TzafestasandN.P.Papanikolopoulous.IncrementalfuzzyexpertPIDcontrol.IEEETransInd,Electron,1993,vol,37,no5,P1392-1398二、设计方案：（本页可另加页）5一、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的过程，作为一个啤酒发酵控制系统，应该能够满足实际生产的要求。因此，从以下几方面来考虑是十分必要的：（1）必须要符合啤酒发酵的工艺要求；（2）必须设计出较合理的控制解决方案；（3）应该符合流程控制的一般要求，包括温度的采集和控制。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，反应放出的热量会使温度自然上升，随着反应的进行，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。后酵是前酵的延续，进一步使残留的糖分解成二氧化碳溶于酒内达到饱和；再降温到-1~0摄氏度，使其低温陈酿促进酒的成熟和澄清。啤酒发酵过程中，其对象特性是时变的，并且存在很大的滞后。正是这种时变性和大的时滞性造成了温度控制的难点，而发酵温度直接影响着啤酒的风味、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的参数，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，发酵的周期短。因而必须根据产品的种类、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的要求。1.2控制原理分析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。为节省能源，降低生产成本，并且能够满足控制的要求，发酵罐的温度控制选择了检测发酵罐的上、中、下3段的温度，通过上、中、下3段液氨进口的两位式电磁阀来实现发酵罐温度控制的方法。原理图如图1-2-1。用外部l冷媒间接换热方式来控制体积大、惯性大的发酵罐温度的情况，采用普通的控制方案极易引起超调和持续的震荡，很难取得预期的控制效果，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、高稳定性的控制，还要求控制系统有极大的灵活性。6二、啤酒发酵自控系统工艺流程根据锥形发酵大罐的特性将发酵的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，各个阶段温度的曲线图如图1-2-2所示。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。PIC01TIC01TIC02TIC03