基于PLC的啤酒发酵自动控制系统设计.doc

. .毕业设计论文成教题目：基于PLC的啤酒发酵自动控制系统设计 院 (系)：机电工程学院专 业： 机械制造与自动化 XX：学号：指导教师：二一四年一月二十日毕业设计论文任务书学生XX学号71专 业机械制造与自动化院系机电工程学院毕业设计论文题目基于PLC的啤酒发酵自动控制系统设计任务与要求一、设计的任务：1、综合运用平时所学理论根底，根本知识和根本技能，提高和分析解决实际问题的能力。2、查阅相关文献和资料，制定设计或实验方案。3、参考文献不得少于6篇。4、设计、计算、绘图。5、总结和撰写论文。6、在规定时间内完成教师布置的论文内容。二、设计的要求：1、内容丰富，立意新颖。2、资料详实，运用得当。3、语体正确，合符规X。4、层次清晰，中心突出。5、论证充分，结论合理。6、正文不少于4000字。完成时间段2013年11月28日 至2014年 4月17 日 共 20周指导教师单位XX科创职业学院职称讲师院系审核意见毕业设计(论文)进度方案表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签 字2013.11.28-2013.12.20查找资料，选题2013.12.22-2014.1.31完成论文的初稿2014.2.1-2014.3.15完成论文二稿的写作2014.3.16-2014.4.5完成论文的终稿及格式修改2014.4.6-2014.4.20定稿，打印论文，做好评阅的准备2014.4.21-2014.4.25论文评阅教师对进度方案实施情况总评 签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一。毕业设计(论文)中期检查记录表学生填写毕业设计(论文)题目:基于PLC的啤酒发酵自动控制系统设计学生XX: 学号：专业：机械制造与自动化指导教师XX:职称: 讲师检查教师填写毕业设计(论文)题目工作量饱满一般不够毕业设计(论文)题目难度大适中不够毕业设计(论文)题目涉及知识点丰富比拟丰富较少毕业设计(论文)题目价值很有价值一般价值不大学生是否按方案进度独立完成工作任务学生毕业设计(论文)工作进度填写情况指导次数学生工作态度认真一般较差其他检查内容：存在问题及采取措施:检查教师签字: 年 月 日院系意见(加盖公章): 年 月 日摘 要啤酒发酵是啤酒生产中最重要的一道工序，是决定啤酒质量的最关键的一步。啤酒的发酵是把糖化的姜汁分解成乙醇，由于发酵时间长，过程机理复杂，影响发酵因素很多，对发酵过程缺乏准确的数学模型。从原料到发酵过程，如何控制好温度，压力，让发酵满足总生产工艺曲线，决定了啤酒的生产质量和生产效率，发酵过程是啤酒生产过程中的重要环节，发酵控制系统的任务就是将发酵酒液的实际温度控制在和标准发酵曲线相差有限的误差X围内。过去的啤酒发酵过程，啤酒发酵罐多为人工现场操作调节，手工记录。但随着啤酒产量的不断增加，所需发酵罐也会增多，给生产啤酒带来极大的不便，造成生产质量的稳定，如何提高啤酒生产的综合自动化水平，增强啤酒产业实力成为一个好的研究课题。为此，本文通过对啤酒生产发酵过程的工艺及关键问题的分析，基于PLC设计啤酒生产过程中啤酒发酵自动控制系统。关键词：PLC 啤酒发酵 温度控制. .word.zl. .Abstract Beer fermentation is one of the most important procedure in beer production, is the most crucial step in determining the quality of beer. Beer fermentation is the breakdown of saccharification ginger into ethanol, due to the long fermentation time, the process mechanism is plex, many factors influencing the fermentation, the fermentation process is a lack of accurate mathematical model. From raw material to the fermentation process, how to control the temperature, pressure, and make full of the total fermentation technology curve, determines the production quality and production efficiency of beer, the fermentation process is the important link in the process of beer production, fermentation control system of the task is to control the fermentation liquid of actual temperature fermentation and standard curve is limited within the error range.The beer fermentation, beer fermentation tank for artificial field operation adjustment, manual record. But as the increase of beer production, the fermentation tank will be needed to increase, produced beer to bring huge inconvenience caused by the stable quality of production, how to improve the prehensive automation level of beer production, strengthen the beer industry to bee a good research topic.So far, this article through to the fermentation process of beer production process and the analysis of the key problems of beer production in the process of beer fermentation based on PLC design of automatic control system.KEYWORDS:beerfermentation temperaturecontrol byPLC目录第一章绪论1第二章啤酒发酵过程简介2第一节啤酒发酵设备2第二节啤酒发酵工艺曲线3第三章啤酒发酵自控系统PLC选型和配置5第四章啤酒发酵自控系统PLC程序设计7第一节编程软件的介绍7第二节温度设定值的计算9第三节 PID回路计算11第四节电磁阀控制13结论14致谢15参考文献16附录17. .word.zl. .第一章 绪论啤酒是一种低浓度的饮料，也是富含营养价值的食品，每100g中仅有酒精35g，一般不超过8g。它有特殊的酒精花清香味和适口的苦味，并有较高的营养成分即有较高的发热量。啤酒是世界上产量以及消费最大的一种酒，啤酒市场非常巨大，世界啤酒的未来充满希望，欧洲啤酒市场和美国啤酒市场，随着人均消费量增长，啤酒消费量增长显著，居世界前列。作为世界最大且增速最快的啤酒，饮料生产消费大国之一，中国已日趋成为最具吸引力市场。未来五年中国啤酒将保持平稳持续增长的态势。同时啤酒工业是我国食品工业中一个重要的产业，随着国家经济的开展和人民生活的改善，喝啤酒变成一种时尚，我们国家人均啤酒消费较世界水平少，这也透出了我国啤酒市场浓浓的商机。我国内生产啤酒的企业数以百计，但与国外的主要啤酒生产厂家相比，大局部企业的技术相对落后，国的啤酒生产工业前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装备落后，自动化程度低，产品质量不稳定。大局部处于手动控制阶段，只有极少数企业实现半自动化，国内的啤酒行业迫切要求进展技术改造，提高生产率，保证产品质量，以确保在剧烈的市场竞争中立于不败之地。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。啤酒酿造过程是这样的：糖化，麦汁充氧，添加酵母，发酵，降温，倒罐，贮酒。而我要做的就是其中发酵的一局部，啤酒发酵也是一个复杂的过程，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接影响啤酒的质量。啤酒发酵罐内部温度的准确控制，进而解决了啤酒发酵罐内部温度控制精度不高的问题，提高了啤酒生产的综合自动化水平，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。第二章 啤酒发酵过程简介第一节 啤酒发酵设备一、发酵罐设有上，中，下三个冷却带，有3个电磁阀控制冷却，并有3个温度传感器检测3点温度。二、啤酒发酵的具体过程。啤酒发酵主要有3个过程：主发酵、复原双乙酰和低温贮酒。三、主发酵阶段，从原姜汁开场主发酵，温度要控制在10。发酵液有糖化车间经管道灌入，起始温度8，每罐发酵液分批入罐，每次都要测定糖度信息反应到糖化车间，保证整罐发酵液符合标准，同时实施温度控制，保证发酵液在规定的温度。发酵液满罐一小时测量其糖度，每八小时一次，当糖度降至6.5度，每两小时测一次，直到6.0度。复原双乙酰阶段，温度要求12-18，进入第二阶段要每2小时测双乙酰的浓度和糖度，直到糖度降至3.0度每8小时测一次。当双乙酰浓度到合格标准，发酵就进入降温阶段。四、发酵温度控制机制：1自动升温阶段，姜汁满罐酵母自然升温，要控制温度，否那么会导致啤酒质量下降。2主发酵和双乙酰复原阶段，酵母大量繁殖产生较多热量，当酵母进展无氧呼吸，使罐内中，下部酒液浓度不同，要保持强烈的发酵并均衡的酒液状态，要控制不同局部的温度。3降温保温，复原双乙酰后转入降温阶段，将酒均为冷却与贮酒温度。酒在不同温度选会形成对流的作用。酒液密度温度在直接冷却3，要以上带和中带控温为主。3保温稳定酒液流态。3以下控制罐下部为主控温，打破温度梯度，满足控制温度效果。4啤酒发酵罐构造示意图:图2.1 发酵罐构造示意图第二节 啤酒发酵工艺曲线一、啤酒的合口和实际要求不同，啤酒发酵工艺曲线也不同，严格按照工艺曲线控制温度和压力才能保证啤酒质量。啤酒发酵工艺曲线如下：图2.2发酵工艺曲线图T0-麦汁进罐温度，t1-第一升温时间段，自然升温，t2-第一恒温时间段，t3-第二升温时间段，自然升温，主发酵保温，t4-第二恒温时间段，双乙酰含量，主发酵降温，t5-第一降温时间段，后发酵保温，t6-第二恒温时间段，后发酵降温，t7-第二降温时间段二、各个阶段进展简单地介绍：1麦汁进料，由糖化阶段产生的麦汁原料由糖化罐进入发酵罐中。2自然升温，酵母的参加，酵母菌逐渐开场生长和繁殖。产生大量的二氧化碳和热量，使原料的温度逐渐上升。3自然升温发酵，产生一种学名叫双乙酰的化学物质。这个过程需要将这个化合物除去，增加啤酒的品质。4降温过程其实属于啤酒发酵的后续过程，其作用是将发酵过程中参加的酵母菌进展沉淀、排出。5低温储酒发酵完成的原料继续储存在发酵罐已经发酵完成的原料继续储存在发酵罐等待过滤、稀释、杀菌等过程的进展。第三章 啤酒发酵自控系统PLC选型和配置一、当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段：1 输入采样：即检查各输入的开关状态，将这些状态数据存储起来为下一阶段使用；2 执行程序：然后PLC按用户程序中的指令逐条执行，但是把执行结果暂时存储起来；3刷新输出：按第1阶段的输入状态在第2阶段执行程序中确定的结果，在本阶段中对输出予以刷新；电源中央处理单元CPU存储器EPROM(系统程序)RAM用户程序输入单元输出单元外设接口扩展口扩展单元编程器输入信号输出信号盒式打印机打印机EPROM写入器PLC或上位计算机图3.1 组成示意图PLC的特点：控制程序可变，具有很好的柔性；具有高度可靠性，适用于工业环境；功能完善；易于掌握、便于维修。二、据啤酒发酵的工艺流程和需要，PLC的选型需要满足以下条件：1有简单回路控制算法。2有模拟量的采集、处理过程及开关量的输入/输出功能。3 有温度显示和用外部按键随时改变内部参数PLC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在工厂中倍受欢送，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。三、西门子S7-200系列PLC，S7-200系列的PLC具有体积小，运行速度高，功能强等特点。四、S7-200PLC机械构造特性：1体积小，重量轻，构造紧凑，可用接线端子排接线，而且接线端子前带有面板保护，PLC上设计有标准的DIN导轨安装机构和安装孔，可以垂直或水平方向安装。2免维护性。S7200CPU中配有EPROM，可以永久保护用户程序和一些重要参数。它还安装有大容量电容，可以长时间存储数据而不需要后备电池。3PLC内有24直流传感器或负载驱动电源，输出电流可达180mA或24mA灵活中断输入。4为了适合不同场合使用，每种CPU又都有3种不同的类型可供选择5灵活中断输入。S7-200cpu可以以极快的速度来响应中断请求信号的上升沿或下降沿6PLC内配有高速计数器。CPU212有一个2KHZ的加/减计数器，而CPU214-CPU216有两个独立的7KHZ的高速计数器，他们可用软件或硬件复位。7便于扩展，为系统备有专用的扩展模块EN，可方便地进展输入，输出及模拟量扩展。. .word.zl. .第四章 啤酒发酵自控系统PLC程序设计第一节 编程软件的介绍一、指令系统1可编程序控制器中所有指令的集合，就称它为指令系统。指令系统是表征PLC性能的重要指标，他的格式与功能硬件严密联系，而且直接影响程序的编制，从而影响机器系统的应用X围。2S7-200 系列PLC主机中有两类根本指令集：SIMATIC 指令集和IEC 1131-3指令集。3SIMATIC 指令集：是为 S7-200系列PLC设计的，本指令通常执行时间短，而且可以用LAD、STL和FBD三种编程语言。4IEC 1131-3 指令集是不同PLC厂家的指令标准，不能使用STL编程语言。5利用计算机编程软件STEP 7 MicroWIN /WIN32 提供的不同的编程语言，可以利用这些指令创立控制程序，两种指令集和所选用编程语言的可能组合。6STEP7-Micro/WIN 32是S7-200系列的PLC的编程软件。可以对S7-200的所有功能进展编程。该软件可以在Windows平台上运行，其根本功能是协助用户完成应用软件任务。例如创立用户程序、修改和编辑过程中编辑器具有简单的语法检查功能，还可以直接用软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控。本系统中采用的PID算法可由PID指令直接生成。二、发酵温度控制系统流程图PLC实现啤酒发酵温度控制的主要任务是承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展比拟，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。为了到达预定的控制效果，采用自动或由操作人员手动选择控制的方法。序中有人工阶段选择开关，可以在任意阶段间跳转，从而防止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。图4.1单罐啤酒发酵温度控制系统流程图三、控温程序流程图设计根据前面工艺流程的介绍，可以总结出实现啤酒发酵温度自动控制的双乙酰复原阶段、降温保温阶段、后酵保温阶段、第二降温阶段、贮酒保温阶段等控温阶段根本的程序流程图如图。图4.2啤酒发酵控制过程程序流程图四、主程序主程序控制系统的启动与停顿，整个发酵温度控制过程根据不同发酵时期的不同转换条件，调用相关子程序，完成主酵双乙酰复原冷却酵母回收后贮的阶段的温度根据设定好的曲线实现控制。主程序局部截图见附录。第二节 温度设定值的计算一、下面是计算温度的设定值的程序：温度设定值的计算由网络9网络13组成对发酵罐温度使用PID控制必须具备的条件是设定的温度和实际温度。二、按比例计算求值：如图4.3所示，曲线a是温度设定曲线的一局部，t1和t2是曲线的两个端点的横坐标，T1和T2是曲线的两个端点的纵坐标，t是当前的时间，T就是当前的设定温度。用很简单的比例关系式就可以求出当前的设定温度值T。图4.3温度曲线图三、网络梯形图：1网络12的指令解释见附录，网络12的梯形图如图4.4所示。图4.4网络12梯形图. .word.zl. .2网络35的指令解释见附录，网络35的梯形图如图4.5所示。图4.5 网络35梯形图第三节 PID回路计算在计算出温度的设定值之后，就可以根据以下的PID计算式计算出对应的输出值网络6网络12就是根据上面公式计算回路调节输出的一段程序。梯形图见图4.6所示。图4.6 网络612梯形图第四节 电磁阀控制计算出PID的回路输出值之后，就要相应的调节电磁阀的输出以控制发酵罐内的温度值。由PID输出值以及发酵阶段的不同，计算出不同的电磁阀开关时间，梯形图见图4.7所示。图4.7网络梯形图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，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展了综合比拟与评价，主要完成了以下几个方面：1该啤酒发酵工艺微机控制系统是基于S7-300PLC的控制系统。该系统性能/价格比高、可靠实用、技术先进，完全满足啤酒生产发酵工艺的技术要求，并兼顾了开展的需求。2在啤酒发酵生产过程中，为了克制了大惯性、时滞和非线性等特点制约啤酒生产质量和效率的缺点，采用了PID控制模块控制方案。但是本论文中许多方面还有待进一步研究和提高，主要有：1由于上位机局部已经有比拟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局部作详细的研究，有待今后继续研究，完善提高。2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。并实现厂级问计算机网络的联网。3采用更多的先进和完善的控制算法。. .word.zl. .致谢值此论文完成之际，谨向悉心指导我的导师教师致以诚挚的敬意和衷心的感谢!在我的学习生涯中，教师在学习上给予我不尽的帮助和鼓励!教师严谨的治学态度和谦逊的人格魅力将鞭策我在以后的人生道路上不断进取!感谢教师们的关心和帮助!感谢同学们在这三年中对我学习和生活上的鼓励！感谢我的父母，是他们给予我无尽的精神动力!最后，对所有关心我、支持我、帮助过我的教师、同学、同事和亲友们表示衷心的感谢和祝福。. .word.zl. .参考文献1 彭翠云，赵广耀，戎海龙.汽车倒车系统中超声波测距模块的设计M .XX工程科技学院，2004，12：1465.2 苏炜，龚壁建.超声波测距误差分析J .传感器技术，2004，23(6)：811.3 吴妍，袁佑新.可视倒车雷达预警系统设计. 微计算机信息，2007，2：268270.4 杨帮文.新型集成器件实用电路(修订版) M .电子工业，2006.5 沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实现M .电子工业，2005.6 谢维成，杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计M .清华大学，2006.7 X光斌.实用低功耗设计-原理、器件与应用M .人民邮电，2003. .word.zl. .附录啤酒发酵罐温度控主程序Network 1 LD I0.0CALL SBR0Network 2 / 急停LD I0.2CALL SBR1Network 3 / 麦汁进罐LD I0.5A Q4.4O Q1.0AN Q4.4AN M5.0AN I0.6= Q1.0Network 4 / 满罐检测LD Q1.0MOVW AIW16, VW18AENOITD VW18, VD56AENOAD= VD56, VD2000= M5.0Network 5 / 满罐温度保持阶段LD L0.0O I1.0= Q3.0= Q4.4= M1.0Network 6 / 满罐温度保持定时LDN T43A M1.0TON T43, 360Network 7 LD T43LD M1.1CTU C0, 10Network 8 / 满罐定时时间到LDW= C0, 10= M1.1Network 9 / 主酵自然升温阶段LD M1.1O I1O Q3.1= Q3.1CALL SBR2R Q4.3, QB3Network 10 / 主酵自然升温测量LD Q3.1MOVW AIW8, VW12AENOITD VW12, VD2044AENOAD= VD2044, VD2004= M1.2Network 11 / 双乙酰复原阶段LD M1.2O I1.3O Q3.2= Q3.2CALL SBR3Network 12 / 降温保温阶段LD I1.4O Q3.3= Q3.3CALL SBR4Network 13 / 降温保温温度检测LD M2.3MOVW AIW8, VW12AENOITD VW12, VD2044AENOAD= VD2044, VD2008S M1.4, MB1Network 14 / 后酵保温阶段LD M2.3A M1.4O Q3.4O I1.5= Q3.4CALL SBR5Network 15 / 第二降温阶段LD M2.5O I1.6O Q3.5= Q3.5CALL SBR6Network 16 / 第二降温段温度检测LD M2.6MOVW AIW8, VW12AENOITD VW12, VD2044AENOAD= VD2044, VD2012S M1.7, MB1Network 17 / 贮酒保温阶段LD M2.6A M1.7O I1.7O Q3.6= Q3.6CALL SBR7主酵自然升温控制程序Network 1 / Network Title/ Network mentLD M1.0MOVW AIW10, VW14MOVW AIW8, VW12MOVW AIW6, VW10Network 2 LD SM0.0MOVW VW12, VW3000AENO-I VW10, VW3000AENOLPSAW= VW3000, VW2020= Q4.1LRDAW= VW10, VW12= Q4.2双乙酰复原阶段温度控制程序Network 1 / 读罐状态值判断跳转LD SM0.0MOVB MB1, VB1000AENOLPSAB= VB1000, 1= Q3.0LRDAB= VB1000, 2= Q3.1LRDAB= VB1000, 3= Q3.2LRDAB= VB1000, 4= Q3.3LRDAB= VB1000, 5= Q3.4LRDAB= VB1000, 6= Q3.5LPPAB= VB1000, 7= Q3.6Network 2 / Network Title/ 读测量值LD M1.2LPSMOVW AIW10, VW14AENOMOVW AIW12, VW16LRDMOVW AIW8, VW12AENOMOVW AIW16, VW18LPPMOVW AIW6, VW10Network 3 / 将读入的上温、中温、下温、压力、液位由字变量转换为双字变量。LD M1.2LPSITD VW10, VD40AENOITD VW12, VD44LRDITD VW16, VD48AENOITD VW16, VD52LPPITD VW18, VD56Network 4 / 将上温、中温、下温、压力、液位由整数转换为浮点数。LD M1.2LPSDTR VD40, VD100AENODTR VD44, VD104LRDDTR VD48, VD108AENODTR VD52, VD112LPPDTR VD56, VD116Network 5 / 压力 温度超限报警LD SM0.0LPSAD= VD52, VD2030= Q1.1= Q4.4LPPAD= VD44, VD2060= Q4.1= Q4.2= Q4.3= Q1.2Network 6 / 工作方式选择LD I0.3LPSA I4.0S Q4.1, QB4LRDA I4.1S Q4.2, QB4LRDA I4.2S Q4.3, QB4LRDA I4.3R Q4.1, QB4LRDA I4.4R Q4.2, QB4LRDA I4.5R Q4.3, QB4LRDA I4.6S Q4.4, QB4LPPA I4.7R Q4.4, QB4Network 7 LD I0.4O Q0.0AN I0.3= Q0.0Network 8 LD Q0.0A SM0.4EUCALL SBR8Network 9 LD Q0.0 /PID输出值MOVR VD1272, VD1300AENOMOVR VD1300, VD1312AENO /PID输出值与温度控制周期相乘*R VD1304, VD1312AENOMOVD VD1312, VD1320AENO /总温度控制周期减去阀开时间等于阀关时间-D VD1304, VD1320AENO /温度控制时间由小时更改为分钟*R 600.0, VD1312AENOAN T37降温保温阶段控制程序Network 1 / LD Q3.3O M1.3AN M2.3