基于PLC的啤酒发酵自动控制系统.doc
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青岛农业大学
本科生毕业论文（设计）
题目：
基于PLC的啤酒发酵自动控制系统的设计
姓名：
ddd
学院：
机电工程学院
专业：
电气工程及其自动化
班级：
2004.1
学号：
0320040510
指导教师：
dddddd
完成时间：
2008.6.18
2008年6月18日
如果需要请联系liuyungang123@
QQ348262497
7
基于PLC的啤酒发酵自动控制系统的设计
摘要
啤酒工业是我国食品工业中一个重要的产业部门，随着国民经济的发展和人民生活的改善，我国啤酒工业也得到空前发展。
尽管如此，目前我国的啤酒生产工业与发达国家相比还存在许多不尽如人意的地方。
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。
发酵过程是啤酒生产过程中的重要环节之一，本文以啤酒发酵过程为工程背景，对啤酒发酵过程的自动化及温度控制策略进行研究，这对利用高新技术提升传统产业的综合技术水平具有现实意义。
本设计介绍了国内目前啤酒生产自动控制的现状、存在的不足，对比了多种控制方案的优缺点，探讨了国内啤酒生产自动化控制的发展方向。
在啤酒发酵过程中，温度是一个重要的过程参数。
因此，温度的控制将直接影响啤酒的质量。
本设计针对啤酒发酵温度控制过程中的难点引入了PID控制算法，有效地改善了原有控制方法存在的问题。
关键词：
啤酒发酵；可编程控制器；PID控制
DesignofAutocontrolSystemofBeerFermentationProcessBasedonPLC
Abstract
BeerProduction,asoneofthemostimportanttraditionalindustry,hasbeendevelopedquicklyinourcountrywiththedevelopmentofcivileconomyandtheimprovementofstandardofliving.However,becauseofthecomplexityofthebeerproduction,domesticbrewerieshavemanydisadvantageswhencomparedwithbreweriesinadvancedcountries,suchasoutdatedmeasurementandcontrolequipments,lowlevelofautomation,instableproductquality,etc.Howtoimprovetheintegratedautomationlevelinbeerproductionbecomesanurgentresearchproject.Beerfermentationisoneofthekeystepsofbeerproduction.Thus,onthebasisofsomeprojectsinbreweries,thisthesisinvestigatedbeerfermentationautomationandPIDalgorithmappliedinthisprocess.Itisanattempttoapplyhightechnologytotraditionalindustryandhasimportantlypracticalmeaning.ThisdesigngivesanaccountofthestatusofbrewageprocessingautomationcontrolinChina,incursiveofsomeexistingshortcomings,andpointsoutthestrongandweakpointsofmanykindsofautomationcontrolschemethroughcomparison.ThedevelopingtrendofthebrewageprocessingautomationcontrolinChinaisalsodiscussed.Inbeerfermentation,temperatureisanimportantparameterthatcaneffectthequalityofbeer.Thisdesignaccordingtothedifficultyoftemperaturecontrollinginbeerfermentation,asortofaPIDcontrolisintroduced.Theinsufficiencyofoldcontrolmethodiseffectivelyimprovedbythisway.
Keywords:
BeerFermentation；PLC；PIDControl
目录
摘要 I
Abstract II
第一章绪论 1
1.1论文选题依据 1
1.2国内啤酒发酵生产过程自动控制现状 1
1.3课题的背景及意义 2
1.4本文主要的研究内容 3
1.5小结 4
第二章啤酒发酵工艺简介 5
2.1啤酒发酵概述 5
2.2发酵各阶段温度控制机理 6
2.3啤酒发酵设备概述 8
2.4啤酒发酵工艺控制 9
2.4.1啤酒发酵工艺曲线 9
2.4.2啤酒发酵温度和压力的控制 9
第三章啤酒发酵自动控制系统硬件选择及配置 11
3.1机型的选择与I/O口的分配 11
3.1.1PLC选型 11
3.1.2西门子S7-200 12
3.1.3PLC的I/O口资源配置 16
3.1.4PLC其它资源配置 16
3.2S7-200编程软件简介 16
3.2.1SIMATIC工业软件（STEP7-Micro/WIN）简介 17
3.2.2通讯口参数设置 17
3.3模拟量输入模块 18
3.3.1输入特性 18
3.3.2EM235端子连线 19
3.3.3EM235的校准和配置 20
第四章啤酒发酵自动控制系统程序的设计 21
4.1程序设计总体思路 21
4.2PLC功能模块程序设计 21
4.3啤酒发酵自动控制系统PLC程序说明 22
4.3.1模拟量信号采集处理 22
4.3.2发酵状态处理 25
4.3.3温度设定值的计算 29
4.3.4PID回路计算 32
4.3.5电磁阀控制 34
第五章结论与展望 37
5.1结论 37
5.2展望 37
参考文献 39
致谢 40
青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计
第一章绪论
1.1论文选题依据
目前我国大部分啤酒生产厂家仍然采用常规仪表进行控制，靠人工监控各种参数，人为因素较多。
所以，这种人工控制方式很难保证生产工艺的正确执行，使啤酒质量不稳定，波动性大且不利于扩大再生产规模。
随着我国社会主义市场经济的发展，我国啤酒工业在以突飞猛进的速度快速向前发展，各啤酒为了适应当前形势，增强产品的市场竞争能力，先后在啤酒生产过程中采用计算机控制技术，从而扩大了生产规模，使啤酒品牌不断出新，质量不断提高，以适应市场的需求。
此外，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优劣，将有接影响啤酒的质量。
为此，对啤酒生产的发酵工序提出基于PLC的啤酒发酵自动控制技术，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水，使企业的技术进步、生产管理以及市场竞争能力达到个全新的水平[2]。
1.2国内啤酒发酵生产过程自动控制现状
国内啤酒生产自动控制只有近十几年的历史。
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[1~3]。
第四章啤酒发酵自动控制系统程序的设计
4.1程序设计总体思路
发酵过程中，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、下三段温度的差异，以及三段温度各自的变化趋势，为了达到预定的控制效果，采用自动控制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，再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，从而避免了因操作偶尔失误而无法实现后续程序正常运行的情况。
以下为基本程序流程图：
图4-1啤酒发酵控制过程程序流程图
4.2PLC功能模块程序设计
4.3啤酒发酵自动控制系统PLC程序说明
下面对本系统的核心程序进行分析说明。
4.3.1模拟量信号采集处理
模拟量采集处理部分由网络1—网络3组成。
主要完成温度、压力、液位等
模拟量的采集和处理。
网络1的梯形图如图所示：
下面是网络1的代码：
网络1
LDSM0.0//sm0.0程序运行时始终为on
LPS
MOVWAIW0,VW10//读取模拟量输入值1#发酵罐上部温度
AENO
MOVWAIW2,VW12//读取模拟量输入值1#发酵罐中部温度
AENO
MOVWAIW4,VW14//读取模拟量输入值1#发酵罐下部温度
LRD
MOVWAIW6,VW16//读取模拟量输入值1#发酵罐压力
AENO
MOVWAIW8,VW18//读取模拟量输入值1#发酵罐液位
LRD
MOVWAIW10,VW20//读取模拟量输入值2#发酵罐上部温度
AENO
MOVWAIW12,VW22//读取模拟量输入值2#发酵罐中部温度
AENO
MOVWAIW14,VW24//读取模拟量输入值2#发酵罐下部温度
LPP
MOVWAIW16,VW26//读取模拟量输入值2#发酵罐压力
AENO
MOVWAIW18,VW28//读取模拟量输入值2#发酵罐液位
网络2的梯形图如图所示：
第五章结论与展望
5.1结论
本文针对我国啤酒发酵控制工艺环境与工艺控制需求，对啤酒发酵工艺作了详细的研究，经过认真研究、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，又充分考虑啤酒发酵生产过程中大惯性、大时滞和非线性等制约啤酒生产的不利因素，提出了一种PID控制方案。
利用PID控制算法来控制发酵温度，解决啤酒厂发酵过程的控制与管理的自动化设计要求。
啤酒发酵过程是一个比较复杂的物理、化学过程，整个工艺流程从进料、保温、发酵、降温、储酒到出料，以及后续一些工段如空罐、洗罐等。
在控制算法方面，只涉及到PID的单回路控制，使这个控制过程显得简单明了，但是这里所涉及到的只是整个工艺流程中的一部分，其余大部分程序将随现场用户的需求以及其控制工艺的不同而改变。
本论文中许多方面还有待进一步研究和提高，由于上位机部分己经有比较成熟的组态界面和执行程序，并且自身时间限制所以暂时没有对控制系统上位机部分作详细的研究，有待今后继续研究，完善提高，它能更全面的应用可编程控制器的通信功能，使控制系统更具有可靠性，并实现厂级间与计算机网络的联网。
为了减少误差，提高控制精度，需要采用更多的先进和完善的控制算法[15]。
5.2展望
针对于啤酒发酵自动控制系统，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。
目前国外包括我国引进、合资的许多大型啤酒生产厂都在使用分布式控制系统。
这种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，其主要特点是采用PLC作为下位机。
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/PI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。
按照工艺参数和流程要求对各个工艺过程中的泵、搅拌电机、电动或气动阀门等开关量和温度、压力、液位、流量等模拟量进行检测控制，能记录完整的生产工艺数据，在电子模拟屏或计算机屏幕上显示工艺流程中各阀门、电机的运行状况。
同时对各种超、欠压、温度超限、阀门故障、液位超限进行报警。
并且设有“自动”和“手动”两种状态，当现场出现故障或要对工艺进行人工干预时，可将开关转换到“手动”状态，对各种执行机构进行手动操作，这样技术人员可以设定新的参数，操作人员可以在现场处理紧急问题，从而达到理想的效果。
这种控制方式是国内啤酒生产控制发展的主流方向，主要缺点是一次投入资金较大。
但是随着社会生产力的提高，各种设备的价格也会不断降低，随着企业的发展，对生产力和管理水平要求也不断提高，这种控制系统将会越来越普遍[14,17]。
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3一19
致谢
首先要感谢gg老师，他在我进行课题研制，论文撰写的过程中给了我许多帮助，使我在理论基础，实践能力上有了长足的提高。
老师严谨治学，一丝不苟的态度也给我的人生观带来了巨大的影响。
在我的论文和学业完成之际，特向老师表示最衷心的感谢。
同时我还要感谢系里其他的各位老师，在我的学业和论文编写的过程中给予我的诸多帮助。
此外，我还要感谢在602实验室的各位同学的帮助,特别是等同学，在我的论文编写中给我的帮助，在此，向他（她）们表示感谢!
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