工业自动化控制论文 - 图文

长春工业大学

1 绪论

1.1 选题的目的和意义

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；近年来，虽然我国的啤酒装备配套水平有很大提高，但与国外的主要啤酒生产厂家相比大部分企业技术落后，国内的啤酒行业迫切要求进行技术改造，提高生产率，保证产品质量，以确保在激烈的市场竞争中立于不败之地。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[1]。

啤酒发酵是啤酒生产过程非常重要的环节，是决定啤酒质量的最关键的一步，特别是对发酵过程中温度、压力的控制尤其重要，控制指标的好坏将直接影响啤酒的质量。早期，由于人们对发酵机理认识不深，再加上采用控制器的限制，对发酵采取自动控制未能成功。随着人们对发酵机理的逐步认识，并随着可靠性高、能经受恶劣环境器件的引用，对发酵采用自动控制逐渐取得成功。

啤酒发酵具有非线性、时间滞后和大惯性等特征，发酵过程的精密控制一直是自动控制领域较难解决的问题之一。按啤酒发酵的生产工艺，生产周期一般在十五天左右，要求发酵液的温度严格按照一定的工艺曲线变化。温度控制精度在?0.5℃范围内，这样的控制精度单凭传统的热工仪表加上手工操作方式是完全不能满足要求的，但目前国内的不少生产厂家都是采用这种生产方式。随着控制领域新技术、新方法的不断涌现，这些问题也在不断地得到改进。改进啤酒发酵生产过程控制是酿造业技术进步的有效措施，它可以在不增加原材料及动力消耗的前提下，增加产品产量、提高产品质量，同时还可以减轻劳动强度、改善工作条件、提高发酵工艺水平及生产管理水平。因此，优化啤酒发酵控制应用前景乐观，能产生较大的社会经济效益，具有很大的应用价值。

利用PLC实现啤酒发酵罐温度的自动控制的选题。对提高啤酒发酵温度控制精度，优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。

1.2啤酒发酵控制系统方案综述

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]。

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2) 半自动控制方式(集中手动控制方式)——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[3]。

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[4]。

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。

1.3实现啤酒发酵罐温度PLC控制的主要研究工作

(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。

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2 啤酒发酵工艺概述

2.1啤酒发酵概述

啤酒是采用麦芽和水为主要原料，加酒花，经酵母发酵酿制而成的一种含有二氧化碳、气泡的低酒精度饮料。啤酒生产工艺主要由麦汁制备(俗称糖化)、啤酒发酵、啤酒罐装等工艺流程组成。发酵过程是啤酒生产中一个非常重要的环节，啤酒发酵是一个复杂的生化过程，这个过程可以理解为把麦汁转化为啤酒的过程，整个发酵过程同样也包含若干个生产工序，如：麦汁充氧、酵母添加、发酵、过滤、修饰以及酵母扩培等等。生产周期都在十几天以上，要求发酵液的温度严格按照一定的工艺曲线变化，温度控制精度在?0.5℃范围内如果温度控制偏低，就会使得发酵过程缓慢，影响生产进度;如果温度偏高，又会造成生化参数超出标准，影响啤酒的质量。

啤酒发酵整个过程分为：主发酵阶段、还原双乙酰阶段和低温贮酒阶段。从原麦汁入罐时刻起，就开始进行主发酵，这一阶段的温度控制在12摄氏度(不同工艺数值不同)。发酵液直接由糖化车间经管道灌入，初始的温度大约为8摄氏度左右，糖度为10度左右，每一罐发酵液需要分几批入罐，每一次入罐后都要由化验员测定一次糖度并把信息反馈到糖化车间，保证最后整罐发酵液的初始糖度符合标准。同时温度控制开始实施，以保证满罐后发酵液的温度在规定范围内。发酵液满罐后1小时工人开始测量发酵液的满罐糖度，以后每隔八小时测量一次。当糖度降至低于6.5度时，每两小时测量一次，直至到达6.0度。当糖度降到6.0度时主发酵阶段结束，主发酵阶段约历时4天。发酵进入还原双乙酰阶段，这一阶段要求温度控制在12~18摄氏度 (不同工艺数值)。进入第二阶段后，要求化验员每隔2小时测量一次双乙酞的浓度和糖度，直到糖度降至3.0度时变为每八小时测量一次。当糖度降至3.0度时再经过16小时糖度监测工作就结束。当双乙酰浓度下降到合格标准 (0.08mg/升)时，且糖度降至极限42~48小时后，如果此时距离装罐时间已大于6天，发酵就可以进入降温阶段，分两个阶段按不同的速率降温，此时把所有冷媒阀打开，使发酵液全速降温。当温度到达1摄氏度以下时发酵进入低温储酒阶段，在低温储酒阶段温度控制在0. 5~10摄氏度。这一阶段主要是让酵母和一些固态物进行充分沉淀并进行回收。正常情况下，全过程必须在14天以上[5] [6]。

2.2 发酵各阶段温度控制机理

(1) 自然升温阶段

麦汁满罐温度高低直接关系到发酵工艺的准确执行，酵母前期增值速度，发酵周期的长短，发酵度的高低，酵母还原双乙酰能力以及副产物形成、泡沫、口味等，过低和过高的满罐温度均不利于酵母和成品酒质量。满罐温度的确定应考虑麦汁分锅次进罐中酵母繁殖代谢使温度上升因素的影响，满罐后的自然升温阶段切忌因各种失误出现的控温，应通过此过程，使酵母尽快其发酵增殖适应新的麦汁环境形成良好的酒液对流。

(2) 主发酵及双乙酰还原阶段

主发酵阶段酵母大量繁殖并产生较多的热量，随着发酵液中氧的迅速消耗，酵母在无氧呼吸下转化为生成大量的 ，使罐内中下部酒液中 含量远远高于上部，酒体密度发生变化，在 释放及密度变化的共同作用下，发酵液发生自下而上的强烈对抗，此阶段温控应促进对流充分进行，保持旺盛发酵并均衡罐内酒液状态，以控制上段温度为主，适度辅以中段，形成的温度梯度，三带温差在0.5℃左右。双乙酰还原阶段控温原理与主酵段类似，但此过程发酵速度趋缓，热量产生少，对流慢，对上段控温应缓慢、慎重，不可急剧冷却，

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防止罐内温度出现较大幅度下滑，酵母大量沉积将影响双乙酞还原。此过程以保持发酵液适度对流和一定数量悬浮酵母为主，温度梯度为T上

(3) 降温保温阶段

发酵液双乙酰还原达标后即开始转入降温阶段，此过程应按照工艺设定的速度将酒液均匀了冷却至贮酒温度，由于此时酒液发酵已基本结束，二氧化碳生成和放热趋于停止，原二氧化碳上升托拉力等形成的自下而上对流大为减弱，酒液在不同温度下密度差形成对流的作用渐占主导，根据啤酒最大密度温度计算公式可知，酒液最大密度时温度约为3摄氏度，3摄氏度上下的酒液对流方向相反，控温时应据此区别对待。

(4) 双乙酰还原温度冷却至3摄氏度

酒液在此阶段降温中密度逐渐增大，对流方向仍为自下而上，酒液沿罐壁向下流动，由于此时冷媒与酒液温差较大，降温及罐内均衡过程不容易控制，应以上带和中带控温为主，须防止冷却过于强烈造成贴近罐壁处部分酒液结冰，影响降温效果及啤酒质量。

(5) 三摄氏度保温过程

在整体降温过程中，3摄氏度以前的降温速度较快，降温惯性大，在接近3摄氏度对流方向变化过程中，易出现罐内各点酒液温度的紊乱，或温度出现突升突降，或温度持续变化，无法按工序执行，且难以总结出变化规律。针对此情况，在生产中采用了3摄氏度保温工艺，目的是稳定酒液流态，是对流过程放缓或停顿，罐内温度均衡准确，并在保温过程彻底排放剩余的废酵母和沉积物，3摄氏度保温结束后开始进行新的对流降温过程，实践证明此工艺有效的保证了降温速率及酒液澄清。

(6) 三摄氏度以下深冷过程

酒液降温至3摄氏度最高密度时将形成密度相同而温度不同的酒液，自行区域性对流，状态紊乱，酒液温度形成梯度，冷却加套冷量传递达不到要求，冷却速度和酒液温度下降缓慢，此时应以下部控温为主，加大锥罐底酒液控温强度，降低酒液密度，使对流方向由自下而上转变为自上而下，打破形成的温度梯度，满足温度控制效果，此过程下段温度应低于中、上段温度1~2摄氏度。

(7) 贮酒阶段

贮酒阶段的温控对发酵液成熟及酒液澄清等影响很大，控温不当将可能造成发酵液结冰。此阶段温度控制应以上、中、下三段均衡控温为主，缩小罐内发酵液温差。在贮酒过程中罐内下段二氧化碳的密度梯度高于中上段，而下段发酵液的密度高于中、上段，同时存在自下而上和自上而下的对流，状态紊乱，缓慢而不规则，使用调节阀控制冷媒可采用长时间小流量的操作方法，对于开关阀则可采用高频短时间开启控制，避免长时问深度冷却，温控精度要求在?0.2 摄氏度，严禁出现温度回升。

2.3 啤酒发酵设备概述

发酵罐是啤酒生产的主要设备，目前，我国绝大部分啤酒厂均采用园柱锥底式发酵罐简称锥形罐，—般在圆柱部分焊有两到三段冷却夹套，锥底还有一冷却夹套。整个罐体除罐顶装置和罐底的進出口以外，全部用绝热材料包裹起来，用其来阻隔与外界的热交换。这样使得罐内发酵液与外界的热交换量和发酵液产生的生化热相比较可忽略不计，控温中通过冷却夹套由冷却介质带走的热量主要是生化热。锥形发酵罐的直径与高度之比一般为1：1.5~4。锥底内角，不锈钢罐锥角一般为60度，内有涂料的钢罐锥角通常为75度，使排污时可强制酵母滑出。罐的有效容量是每批麦汁的整数倍，应在16~24小时内装满一个锥形罐，罐的容量系数取80%~85%。发酵是一个放热的过程，如果让啤酒自然发酵，发酵液

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