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(一)立项依据和研究内容1.立项依据近年来,随着人民生活水平的不断提高,对啤酒的消费越来越大。根据国际饮料生产协会的2003年统计调差表明,我国的啤酒产量和需求量已经位于世界前列,成为啤酒生产和消费大国。专家预测中国的啤酒行业进入了高速发展的时期【5】。啤酒糖化过程控制是整个啤酒生产过程中至关重要的一部分,其工艺指标控制的好坏,对啤酒的稳定性、口感度等技术指标起着决定性的作用。而现在国内的一些中小规模啤酒企业的生产状况滞后于啤酒的发展趋势。普遍存在自动化程度地,生产效率低下等问题。为了消除人工操作带来的弊端,降低生产成本和粮食消耗,提高啤酒质量和产量。啤酒企业迫切需要自动化程度高、安全可靠性好、便于操作维护的自动化系统。1.1国内啤酒生产的控制水平我国是一个啤酒生产大国【5】,目前共有400多个生产厂家(1998年为495家),但其中仅l8家的产达到20万吨以上(占总产量的1/3),其它绝大多数为中小型啤酒厂。这为数众多的中小型啤酒厂都普遍存在:(1)自控水平差,技术含量低,生产过程主要采用简单控制甚至人工控制为主,表现在啤酒质量不稳定,理化和感官质量都需要亟待提高;(2)产品档次低,品种单一;(3)能耗和原料消耗大,目前该指标的国内先进水平与国际先进水平存在较大差距。目前,国内啤酒生产(糖化、发酵工段)的控制水平基本上可分为4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)上控制主要设备的启停,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(如低压煮沸工艺),生产成本较高。许多中、小型啤酒厂家还在采用手动控制,但将逐步被智能仪表和自控系统所代替。(2)半自动控制方式(集中手动控制方式)。主要特点为阀门多采用气动或电动自动阀门。采用数据采集器采集各种过程量进入控制室,控制室设有模拟屏或上位机,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与工艺参数对比,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,其啤酒质量与口味也有较大的波动,工人的劳动强度也比较大,目前国内中小型啤酒厂较多采用。(3)PC机+数据采集插卡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,来满足生产工艺要求。目前国内不少啤酒厂发酵车间采用这类系统进行控制。一般在PC机上运行Windows95操作系统,可在一定程度上解决啤酒生产过程控制问题。但存在以下缺点:①系统的可靠性差,这一方面是由于上位机操作系统及数据采集卡的可靠性较差造成的,另一方面是由于上位机软件自身不完善造成的。②画面呆版,缺乏一般工控组态软件灵活的程序脚本控制功能,同时系统本身的安全性较差,难以建立有效的操作等级与权限制度,易受到病毒及操作者的恶意攻击。③系统的可扩充性差,控制系统无网络构成,不便于下一步工厂管理网络与生产网络的联结,不能有效保护工厂投资的长期效益,同时也不便于整个车间、工厂的联锁控制。(4)分布式控制方式。采用先进的计算机控制技术与多层网络结构及先进控制算法对生产工序进行自动控制,主要特点为采用PLC作下位机。目前有DCS(分布式控制系统)控制系与FCS(现场总线控制系统)控制系统两种。在DCS控制系统中,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(例TCP/IP协议),便于下一步与管理网络的联结,完全有效克服了PC机+数据采集卡控制方式的缺点。这种控制方式是国内啤酒生产控制发展的主流方向,主要缺点为一次性投入资金较大,大多中小规模的啤酒生产厂商无力承担。啤酒糖化生产过程是啤酒生产的第一个关键性环节【1】,对整个啤酒生产的产量、质量、消耗等影响很大。糖化过程工艺指标控制的好坏,对啤酒的稳定性、口感、外观会起到决定性的影响,整个糖化过程主要包括原料糊化、糖化、过滤、煮沸、沉淀、冷却等生产工序。糊化锅辅料添加罐糖化锅过滤槽麦汁罐煮沸锅麦汁检测台酒花添加罐漩涡沉淀槽原料送发酵罐2.研究内容、研究目标及拟解决的关键问题2.1研究内容:(1)进行啤酒糖化装置和糖化工艺进行分析和研究。结合啤酒厂商提出的工艺要求以及拥有的啤酒糖化设备,设计出符合工艺要求以及与设备能力匹配的自动化方案,完成总体设计框图。(2)软件设计根据总体设计框图和设计方案,编写控制器程序以及上位机程序,实现啤酒糖化装置的自动控制以及良好的人机界面。(3)实验验证通过将程序以及自动化装备安装下载到位,进行实验数据的采集,检验设计的自动化系统能否达到工艺要求。2.2研究目标:本课题研究的主要目的是设计一种安全高效、成本相对低廉、实时性较好、控制精度高、可靠性高的自动化的啤酒糖化系统,以满足当前我国啤酒市场对啤酒生产设备的需求。2.3拟解决的关键问题1.糊化与糖化的温度控制是关键在糊化和糖化过程中要保障温度控制准确迅速【2】。一方面,这是一个生化反应过程,温度对麦汁产量和质量的影响都非常大,各种分解酶都需要在各自特定的温度下才能发挥其最佳作用;另一方面,这也是一个能耗很大的过程,如何在自动运行过程中尽可能降低能耗,也是衡量整个系统质量的一个关键。2.系统工作的连续性基于啤酒糖化工艺对生产过程连续化得要求,当系统中一部分出现故障时避免整个系统长时间处于停止状态,保证系统工作的连续性【4】。3.不同厂家的设备的兼容性在啤酒糖化自动化装置中会有好几家设备厂商的传感器或者执行机构,当不同厂家的设备运行在同一个系统中时,能够相互兼容,是系统能否实现控制的至关重要的要求。3.拟采取的研究设计方案及可行性分析3.1拟采取方案1.硬件组成部分:采用高性能的两台西门子S7-400HPLC作为主控制器,安装在U2控制板上组成双机热冗余控制系统,在糊化锅、糖化锅、过滤罐等装置采用西门子S7-200中小型PLC进行温度及其各种阀门的控制,通过profibus现场总线实现S7-400H对S7-200多台PLC的控制,PC通过profibus实现与S7-400HPLC的连接,达到对整个系统的监控。扎啤啤酒糖化工艺流程图框图2.软件组成部分:系统采用STEP7V5.4完成对S7-400HPLC的组态以及编程,使用STEP7microWIN4.0实现对S7-200多台PLC的编程以及组态。上位机采用西门子高性能监控软件WINCC实现对整个系统的采样、处理以及图形化的控制。3.控制策略;由于系统对温度以及PH值等指标要求较高,拟采用PID控制策略以及模糊控制策略实现对系统准确、快速的做出控制,使系统更好的满足要求。3.2可行性分析1.S7-400H是西门子的高性能大型PLC,具有采样周期短,处理速度快,安全性能好的特点。当将其安装在U2板上时通过两根连接在两个plc上的同步通讯线可以实现同步数据传输,当一个作为主PLC的控制器中的内容发生变化时,从PLC同步更新实现两PLC内容一致,当主PLC发生故障时从PLC迅速启动继续主PLC发生故障处的控制,停机周期非常短暂,几乎感受不到故障对系统的影响,具有很强的运行连续性,可以满足系统的设计要求。2.与其它现场总线系统相比【6】,PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证,并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造.过程控制和自动化等。PROFIBUS开放性和不依赖于厂商的通信的思想,已在10多万成功应用中得以实现。市场调查确认,在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场超过40%。PROFIBUS有国际著U2基板双机热冗余的S7-400HCPUPROFIBUS..PROFIBUSPROFIBUSPROFIBUSS7-200CPUS7-200CPUS7-200CPU糊化罐过滤槽糖化罐安装有wincc和cp5611卡的pc可扩展名自动化技术装备的生产厂商支持,它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。Profibus得到自动设备供应商的广泛支持,使得不同厂商的设备相互通信兼容成为了可能。4.研究的特色与创新之处基于s7-400H的双机热冗余啤酒糖化自动化控制系统具有控制周期短、故障停机时间短、系统的可扩展性强、系统价格相对DCS低廉等特点。5.年度研究计划基预期设计结果2011.08-2011.09:查阅相关资料进行选题并完成开题报告;2011.10-2011.12:调研,总体方案研究;2012.012012.03:系统关键技术的研究论证;2012.04-2012.06:系统软硬件的设计;2012.07-2012.09:实验模拟;2012.10-2012.11:改进;2012.12-2013.04:硕士论文的撰写及修改。(二)研究基础与工作条件1.工作基础我的导师教授,以及其他参加本课题立项老师包括电机与电器专业、电气工程专业、自动化专业、电器传动专业教师,均为重点大学研究生或者博士毕业,具有良好的教研素质与一定的解决实际问题的经验,均参加过产品项目开发,具有新产品开发经验。机电工程学院电工实验室具有实验设备总价值600多万,具有电机拖动、电力拖动自动控制系统、电力电子技术、单片机原理与应用、自动控制原理、传感器与检测技术等专业实验室。为本课题的完成提供了良好的实验条件。2.本人简历及知识结构现正在大学机电工程学院巩固硕士学位,研究方向是运动控制与过程控制。作者在读本科和研究生期间学习了大量的相关课程,并取得了良好的成绩。其主要课程如下:发电厂变电站、高电压技术、电力系统分析、电机与拖动基础、电路原理、数字电子技术、模拟电子技术、电力电子技术、微机原理、单片机原理及应用、可编程控制应用技术、c语言程序设计、自动控制原理、智能控制、模糊控制等。(三)经费预算材料费:150000元研制费:60000元试验费:30000元材料费:5000元调研费:5000元总经费:250000元附:参考文献【1】.学位论文姜映红基于PROFIBUS现场总线技术的啤酒发酵过程PLC自动控制系统2006【2】.期刊论文黄兆奇浅谈啤酒能耗及能源管理工作-广州食品工业科技2001,17(1)【3】季树太.我国啤酒行业现状与发展前景展望[J】.酿酒,2003,(6):15-16.【4】.张光新.啤酒生产过程的全自动控制及其应用研究.浙江大学博士学位论文,2002【5】王念春.国内啤酒生产自动控制的现状与展望[J】.工业仪表与自动化装置,2002,(1):64.66【6】西门子自动控制设备有限公司.profibus应用手册
本文标题:基于S7-400H的双机热冗余啤酒糖化自动化控制系统的设计
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