基于PLC的啤酒發(fā)酵溫度控制設(shè)計(jì)

1、基于PLC的啤酒發(fā)酵溫度控制設(shè)計(jì)1、查找“基于PLC的啤酒發(fā)酵溫度控制設(shè)計(jì)”相關(guān)文章（專業(yè)相關(guān)課題）。一、分析信息需求，明確檢索目的 1、明確信息需求：通過(guò)分析題目可知，主題需求是“基于PLC的啤酒發(fā)酵溫度控制設(shè)計(jì)”的相關(guān)文章。2、用戶信息需求分析二、制定檢索策略三、計(jì)算機(jī)信息檢索步驟：1、檢索前的準(zhǔn)備工作：通過(guò)對(duì)本題信息需求進(jìn)行分析，明確本次檢索所需要使用工具為“維普數(shù)據(jù)庫(kù)”。2、登錄并熟悉所需要使用的檢索系統(tǒng)或工具，即“維普數(shù)據(jù)庫(kù)”。3、擬定并執(zhí)行具體檢索操作：基于PLC的啤酒發(fā)酵溫度控制設(shè)計(jì)XXXXXXXXXX XXXXX XXXXXX【摘要】 發(fā)酵過(guò)程是啤酒生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)之一，本

2、文以啤酒發(fā)酵過(guò)程為工程背景，利用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)啤酒發(fā)酵過(guò)程溫度的控制，這對(duì)更加牢固掌握PLC并將PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際及了解啤酒的生產(chǎn)工藝有很好的作用。本文主要工作在于：由于啤酒發(fā)酵對(duì)象的時(shí)變性、時(shí)滯性及其不確定性，決定了發(fā)酵罐控制必須采用特殊的控制算法。由于每個(gè)發(fā)酵罐都存在個(gè)體的差異，而且在不同的工藝條件下，不同的發(fā)酵菌種下，對(duì)象特性也不盡相同。因此很難找到或建立某一確切的數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)控制。為節(jié)省能源，降低生產(chǎn)成本，并且能夠滿足控制的要求，發(fā)酵罐的溫度控制選擇了檢測(cè)發(fā)酵罐的上、中、下3段的溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)上、中、下3段液氨進(jìn)口的兩位式電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐溫度控制的方法，利用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)整

3、個(gè)過(guò)程溫度的控制。該系統(tǒng)性能/價(jià)格比高、可靠、技術(shù)先進(jìn)，完全滿足啤酒生產(chǎn)發(fā)酵工藝的技術(shù)要求，并兼實(shí)用的需求【關(guān)鍵字】 可編程邏輯控制器；發(fā)酵溫度；溫度控制【中圖分類號(hào)】TP202Beerfermentation temperature controldesignbased on PLCXXXXXXXXXXXXXXy XXXXX XXXXX【Abstract】Fermentation process is one of the important link in the process of beer production, based on the engineering background

4、 of beer fermentation process, using PLC to realize control of the beer fermentation temperature, the more solid grasp of PLC and PLC was applied to the production practice and understand the production process of beer has a very good role. In this paper, the main work is: as a result of beer fermen

5、tation at the time-varying, time-delay and uncertainty, determine the fermentation tank control special control algorithm must be used. Because each fermenter there are individual differences, and under different process conditions, different strains of fermentation, the object properties are also d

6、ifferent. So it is difficult to find or create a precise mathematical model to simulate and predictive control. To save energy, reduce the production cost, and can meet the requirements of control, temperature control of fermentation tank chose on test of fermentation tank, medium and temperature of

7、 the segment, by adjusting the next 3 period of liquid ammonia, which imports the two type of solenoid valve to realize the fermentation tank temperature control method, the use of PLC to realize the whole process of temperature control. The system high performance/price, reliable, advanced technolo

8、gy, fully meet the technical requirement of beer fermentation production process, and practical demand。【Keywords】Programmable logic controller; Fermentation temperature; The temperature control1、前言啤酒是世界上產(chǎn)量及消費(fèi)最大的一種酒，特別是北美及歐洲國(guó)家的總產(chǎn)量及人均消費(fèi)量均居世界前列 啤酒發(fā)酵具有非線性、時(shí)間滯后和大慣性等特征，發(fā)酵過(guò)程的精密控制一直是自動(dòng)控制領(lǐng)域較難解決的問(wèn)題之一。按啤酒發(fā)酵的生產(chǎn)

9、工藝，生產(chǎn)周期一般在十五天左右，要求發(fā)酵液的溫度嚴(yán)格按照一定的工藝曲線變化。溫度控制精度在0.5范圍內(nèi)，這樣的控制精度單憑傳統(tǒng)的熱工儀表加上手工操作方式是完全不能滿足要求的，但目前國(guó)內(nèi)的不少生產(chǎn)廠家都是采用這種生產(chǎn)方式。隨著控制領(lǐng)域新技術(shù)、新方法的不斷涌現(xiàn)，這些問(wèn)題也在不斷地得到改進(jìn)。改進(jìn)啤酒發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程控制是釀造業(yè)技術(shù)進(jìn)步的有效措施，它可以在不增加原材料及動(dòng)力消耗的前提下，增加產(chǎn)品產(chǎn)量、提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)還可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善工作條件、提高發(fā)酵工藝水平及生產(chǎn)管理水平。因此，優(yōu)化啤酒發(fā)酵控制應(yīng)用前景樂(lè)觀，能產(chǎn)生較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。 利用PLC實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵罐溫度的自動(dòng)控制的

10、選題。對(duì)提高啤酒發(fā)酵溫度控制精度，優(yōu)化啤酒溫度控制過(guò)程，使用效果好且性能穩(wěn)定可靠，編程簡(jiǎn)單，具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。同時(shí)我個(gè)人可以通過(guò)這次設(shè)計(jì)更加鞏固PLC知識(shí)，更好地掌握梯形圖等編程。熟悉啤酒的制造工藝及過(guò)程，并通過(guò)此次設(shè)計(jì)鍛煉應(yīng)用于實(shí)際的能力基于PLC的啤酒發(fā)酵溫度控制啤酒發(fā)酵過(guò)程控制是啤酒釀造過(guò)程的一個(gè)重要工藝控制環(huán)節(jié)，發(fā)酵過(guò)程控制得好壞直接影響到整罐啤酒的產(chǎn)品質(zhì)量。舊式的啤酒發(fā)酵過(guò)程控制是用許多單回路的溫度控制儀表控制每個(gè)發(fā)酵罐上的各點(diǎn)溫度，根據(jù)溫度變化情況去控制冷媒閥的開(kāi)度，達(dá)到溫度調(diào)節(jié)的目的。該過(guò)程控制因線路復(fù)雜，控制參數(shù)單一，故維護(hù)工作量大，且調(diào)節(jié)效果差，特別是在發(fā)酵罐數(shù)量多，體積大

11、，系統(tǒng)滯后大的情況下更是如此。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，啤酒發(fā)酵過(guò)程也逐步開(kāi)始應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 PLC是一種具有很高可靠性的控制裝置，它與可編程調(diào)節(jié)器、DCS系統(tǒng)同被列為“不損壞儀表”。這不僅是由于它在硬件上采取了諸如隔離、濾波、屏蔽、接地等一系列抗干擾措施，在模板機(jī)箱進(jìn)行了完善的電磁兼容性設(shè)計(jì)，對(duì)元器件進(jìn)行了精心的挑選;而且更重要的是它采用了諸如數(shù)字濾波、指令復(fù)執(zhí)、程序卷回、差錯(cuò)校驗(yàn)等一系列軟件抗干擾措施及故障診斷技術(shù)，以及在系統(tǒng)一級(jí)的容余配置等；此外，PLC采用周期循環(huán)掃描方式工作，對(duì)輸入輸出集中進(jìn)行處理。這種特殊的工作方式本身就具有抗干擾功能。在一個(gè)循環(huán)掃描周期T中，僅只有一小段

12、時(shí)間集中進(jìn)行I/O處理，也只有在這一小段集中I/O時(shí)間中的干擾才會(huì)被引入PLC內(nèi)部，在掃描周期的其余大部分時(shí)間，干擾都被阻擋在PLC之外。以上這些原因使PLC的可靠性更高。因此，PLC被稱為“專為適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)”。 PLC是以控制開(kāi)關(guān)量起家的，它采用循環(huán)掃描方式，通過(guò)串行處理使其在邏輯上等效于并行處理的繼電器邏輯控制系統(tǒng)，為了不丟失輸入信號(hào)，要求循環(huán)掃描周期愈短愈好根據(jù)啤酒發(fā)酵工藝控制需求，充分考慮企業(yè)的綜合實(shí)力、現(xiàn)狀與發(fā)展等因素，設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)方案。2、控制系統(tǒng)概述通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的整體分析，可以分析出來(lái)系統(tǒng)要提供21個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入，16個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出，五路模擬量的輸入，實(shí)現(xiàn)啤酒

13、發(fā)酵各階段溫度控制。表4-2表明各類具體信號(hào)及性質(zhì)分類。 輸入信號(hào) 、輸出信號(hào)、啟動(dòng)麥汁進(jìn)罐、手動(dòng)方式、麥汁進(jìn)罐泵運(yùn)行 ，關(guān)閉麥汁進(jìn)罐 自動(dòng)方式，滿罐溫度保持指示，滿罐溫度保持，開(kāi)上冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥，主酵自然升溫段指示，主酵自然升溫段，開(kāi)中冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥，雙乙酞還原階段指示，雙乙酞還原階段，開(kāi)下冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥，降溫保溫階段指示，降溫保溫階段，關(guān)上冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥。后酵保溫階段指示后酵保溫階段，關(guān)中冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥，第二降溫階段指示。第二降溫階段，關(guān)下冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥貯酒保溫階段指示，貯酒保溫階段，開(kāi)發(fā)酵罐排氣閥，上冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥 發(fā)酵罐上部溫關(guān)發(fā)酵罐排氣閥 中冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥。發(fā)酵罐中部溫度，系統(tǒng)啟動(dòng)S

14、B1下冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥發(fā)酵罐下部溫度系統(tǒng)急停SB2發(fā)酵罐排氣閥發(fā)酵罐壓力，壓力超限報(bào)警發(fā)酵罐液位溫度超限報(bào)警自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。首先，發(fā)酵工藝過(guò)程模擬量加溫度、壓力、液位以及各種閥門的狀態(tài)，進(jìn)人PLC。PLC可以根據(jù)工藝要求設(shè)定的程序自動(dòng)完成模擬量和開(kāi)關(guān)量的處理，通過(guò)控制算法，輸出控制信號(hào)至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)閥門進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，從而完成發(fā)酵工藝過(guò)程的控制。啤酒發(fā)酵工藝曲線如圖1所示，包括自然升溫、高溫恒溫控制、降溫及低溫恒溫控制等三個(gè)階段。在前期的自然升溫階段基本上不需要加以控制，這是由于啤酒罐發(fā)酵過(guò)程中，升溫是靠發(fā)酵本身產(chǎn)生的熱量進(jìn)行的，任其自然升溫；在恒溫階段，通過(guò)控制冷媒開(kāi)關(guān)閥，保持發(fā)酵罐內(nèi)溫度恒定；在

15、降溫階段，通過(guò)控制冷媒開(kāi)關(guān)閥，以指定速率降溫。圖1 典型啤酒發(fā)酵曲線根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)以PLC為核心的啤酒發(fā)酵控制器。每個(gè)控制器控制一個(gè)發(fā)酵罐。具體的溫度控制采用PID 算法實(shí)現(xiàn)。PID控制以其簡(jiǎn)單可靠、容易實(shí)現(xiàn)、靜態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)過(guò)程中。3 控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由SIEMENS S7系列PLC（控制站）和若干臺(tái)IPC（操作站）組成。該系統(tǒng)采用3級(jí)總線結(jié)構(gòu)：底層鏈路為PROFIBUS-DP總線，連接遠(yuǎn)程I/O機(jī)架，負(fù)責(zé)PLC、CPU與分布式I/O站點(diǎn)的連接，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備就近連接到分布式I/O機(jī)架上。圖2 發(fā)酵罐群PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.1 控制

16、站（下位機(jī)）下位機(jī)系統(tǒng)只需配置一套S7-200或者S7-300PLC系統(tǒng)（根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模而定），主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)控制、遙控和聯(lián)鎖等功能。下位機(jī)系統(tǒng)具有可靠性高、擴(kuò)展方便的特點(diǎn)。3.2 操作站（上位機(jī)）上位機(jī)系統(tǒng)由兩套以上的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)結(jié)合相應(yīng)的通信接口設(shè)備構(gòu)成。4 控制系統(tǒng)組成溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要的被控參數(shù)之一。溫度控制系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。圖中的控制器即為PLC，它按PID控制規(guī)律來(lái)設(shè)計(jì)控制程序。PID調(diào)節(jié)器的輸出量變換成PWM脈寬調(diào)制量，用于控制PLC的輸出繼電器，從而控制啤酒發(fā)酵罐的冷媒開(kāi)關(guān)閥。圖3 溫度控制系統(tǒng)組成框圖溫度測(cè)量元件采用線性度好且時(shí)間常數(shù)小的鉑電阻來(lái)測(cè)量發(fā)酵罐溫度

17、，經(jīng)溫度變送器把溫度轉(zhuǎn)換成與其成比例的電壓。V/F轉(zhuǎn)換器的作用是將溫度轉(zhuǎn)換器輸出的電壓轉(zhuǎn)換成與其成比例的頻率，該頻率代表發(fā)酵罐內(nèi)的實(shí)際溫度。用PLC內(nèi)的高速計(jì)數(shù)器記錄此頻率，以便和溫度的給定值相比較產(chǎn)生誤差信號(hào)。啤酒的發(fā)酵工藝過(guò)程共有十多天時(shí)間，最重要的環(huán)節(jié)是控制每個(gè)時(shí)間段發(fā)酵罐內(nèi)不同的發(fā)酵溫度，我們根據(jù)發(fā)酵工藝的要求，設(shè)計(jì)出發(fā)酵溫度-時(shí)間曲線，輸入可編程序控制器，使系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)不同時(shí)間段的溫度給定值進(jìn)行調(diào)節(jié)。整個(gè)系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。圖4 控制主程序主程序開(kāi)始先計(jì)算出實(shí)際該罐啤酒的發(fā)酵時(shí)間，然后取出該段時(shí)間對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)溫度值，將標(biāo)準(zhǔn)溫度值與實(shí)際溫度值比較，若相等則再次回到主程序入口進(jìn)行下

18、一輪的標(biāo)準(zhǔn)值查找，若不相等則系統(tǒng)由CPU計(jì)算出相應(yīng)的PID系數(shù)，輸出信號(hào)去控制電磁閥，用電磁閥控制的氣路打開(kāi)或關(guān)閉冷媒閥，進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)可用S7軟件編程。應(yīng)用這些軟件，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)，隨時(shí)可顯示出整個(gè)發(fā)酵罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，各個(gè)閥門的實(shí)時(shí)狀態(tài)，可讀出每個(gè)發(fā)酵罐各點(diǎn)的實(shí)際溫度值，液位置等參數(shù)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，并有各種報(bào)警實(shí)時(shí)顯示和溫度控制情況曲線記錄等，以便操作者及時(shí)掌握。本系統(tǒng)采用德國(guó)SIMENS公司的S7-300PLC為控制核心，可實(shí)現(xiàn)溫度的采集與自動(dòng)調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)12路溫度控制，每一回路均為設(shè)定固定值控制。根據(jù)實(shí)際要求選用相應(yīng)的功能模塊。其中CPU模塊選用CPU-314IFM

19、，其帶有一個(gè)MPI接口，集成有20個(gè)數(shù)字輸入端、16個(gè)數(shù)字輸出端、4個(gè)模擬輸入端、1個(gè)模擬輸出端，內(nèi)部集成PID控制功能塊，可以方便的實(shí)現(xiàn)PID控制。PID控制器是比例積分微分控制（Proportional-Integral-Derivative）的簡(jiǎn)稱，之所以得到廣泛應(yīng)用是因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：（1）不需要精確的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。由于非線性和時(shí)變性，很多工業(yè)控制對(duì)象難以得到其準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此不能使用控制理論中的設(shè)計(jì)方法。對(duì)于這一類系統(tǒng)，使用PID控制可以得到比較滿意的效果。（2）有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。積分控制可以消除系統(tǒng)的靜差，微分控制可以改善系統(tǒng)得動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，比例、積分和微分控制三者有效的結(jié)合就可以滿足不同的控制要求。根據(jù)被控對(duì)象的具體情況，還可以采用各種PID控制的改進(jìn)的控制方式，如PI、PD、帶死區(qū)的PID、積分分離PID、變速積分PID等。（3）PID控制器的結(jié)構(gòu)模型，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，工程上易于實(shí)現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整方便。式用PLC對(duì)模擬量進(jìn)行PID控制時(shí)，可以采用以下幾種方法：A 使用PID過(guò)程控制模塊。這種模塊的PID控制程序是PLC生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)的，并存放在模塊中，用戶在使用時(shí)只需設(shè)置一些參數(shù)，使用起來(lái)非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路。但是這種模塊的價(jià)格較高，一般在大型控制系統(tǒng)中使用。B 使用PID功能指令?，F(xiàn)在很多的PLC都有供PID控制