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1、xxx师范大学毕业论文（设计）基于PLC啤酒发酵自动控制系统设计The Design of Automatic Control System of Beer Fermentation Based on PLC姓 名： xxx 学 号： 1105000529 系 别： 物理与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2011级 指导教师： xxx 2014 年 12 月 21 日I摘 要 啤酒生产是我国的一个传统产业，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了空前的发展。啤酒发酵过程是啤酒生产过程中的重要环节之一，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
2、工艺曲线，决定了啤酒的生产质量和生产效率。因此，本文以啤酒发酵过程为工程背景，利用PLC实现对啤酒发酵过程温度的控制。为节约能源，减少生产成本，同时满足控制要求，发酵罐的温度控制采用检测发酵罐的上、中、下三段的温度，通过调节上、中、下三段冷媒电动阀来实现发酵罐控温的方法。由于啤酒发酵对象具有时变性、时滞性以及不确定性，决定了发酵罐温控须采用特殊的控制算法系统。该系统性价比高、可靠、技术先进，能完全满足啤酒发酵工艺的技术要求。关键词：啤酒发酵；温度控制；PLCAbstract Beer production is one of traditional industry in our countr
3、y. With the development of civil economy and the improvement of peoples living condition, beer industry has also been rapidly improvedBeer fermentation is one of the key steps of beer production. From raw material to the fermentation process, how to control the temperature, pressure, and make full o
4、f the total fermentation technology curve, determines the production quality and production efficiency of beer. Thus, this thesis is on the basis of some fermentation projects in breweries to control the fermentation temperature of the whole process by PLC. To save energy, reduce production costs an
5、d meet the requirements of control, temperature control of fermentation tank adopts the detection of the three paragraphs of the temperature of the fermentation tank, through the upper, middle and lower imports of refrigerant in three motor-driven valves to achieve fermentation tank temperature cont
6、rol. As a result of beer fermentation at the time-varying, time-delay and uncertainty, it determines the fermentation tank special control algorithm must be used. The system performance higher than price, reliable, advanced technology, fully meets the fermentation process of beer production technolo
7、gy requirements.Keywords:beer fermentation;temperaturecontrol; plc目录中英文摘要I1 引言11.1 选题的背景和意义11.2啤酒生产过程自动控制的意义12啤酒发酵工艺流程12.1啤酒发酵概述12.2啤酒发酵各阶段的转换条件及控制要求22.3啤酒发酵工艺曲线及各阶段工艺过程33啤酒发酵控制系统方案设计43.1啤酒发酵罐43.1.1啤酒发酵设备概述43.1.2啤酒发酵罐的温控机理53.2啤酒发酵控制系统的设计功能63.3设计啤酒发酵控制系统结构框图74啤酒发酵控制系统硬件设计74.1 PLC型号的选定以及特殊模块的选型74.2啤酒发
8、酵罐附件设备选型84.3啤酒发酵控制系统PLC外部 I/O 分配94.4 啤酒发酵控制系统PLC外部接线图105啤酒发酵系统软件设计125.1 啤酒发酵系统总流程图设计125.2 啤酒发酵系统子程序流程图设计135.3模拟量信号采集处理程序设计195.4 PID控制器的参数整定方法及响应曲线206程序调试与总结216.1硬件功能调试216.2 系统软件调试216.3 现场调试227.结论22参考文献23附录i致谢ixI1 引言1.1 选题的背景和意义啤酒是世界上产量以及消费量最大的一种酒，啤酒市场非常巨大，世界啤酒的未来充满希望，随着人均消费量增长，啤酒消费量增长显著，居世界前列。我国作为世界
9、最大的啤酒饮料生产消费大国之一。我国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，大部分企业的技术相对落后，国内啤酒生产工业目前存在许多不尽人意的地方。目前我国大多数啤酒生产企业装备落后，啤酒生产过程自动化程度低，大部分处于手动控制阶段，只有极少数企业实现半自动化。由于啤酒生产的工艺复杂，而啤酒发酵过程作为啤酒生产工艺过程至关重要的一步，因此我国啤酒业发酵技术迫切需要进行改造，提高啤酒生产率，保证成品酒质量，确保在市场激烈的竞争中力争上游1。1.2啤酒生产过程自动控制的意义国内目前啤酒市场的竞争，体现在两个方面：质量和价格。为适应当前生产的要求，在啤酒发酵过程中实现自动化控制可以
10、提高竞争力体现在：(1) 提高啤酒产品质量，提高原材料的利用率，降低生产成本。(2) 实现自动化后，大大减少了工人的劳动强度，啤酒的质量与生产都有望达到一个新的高度。(3) 提高啤酒的质量和生产效率的同时，辅助生产管理，方便生产成本的控制和管理。2啤酒发酵工艺流程2.1啤酒发酵概述 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3-5g，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。啤酒是以大麦芽、水和酒花为主要原料，经酵母发酵酿制而成的一种饱含二氧化碳的低浓度酒精饮料，被称为“液体面包”。酵母在通风后的冷却麦汁中吸收糖：C6H12O6 + 6O
11、2 + 38ADP + 38Pi 6H2O + 6CO2 + 38ATP+ 28kj （2-1） （腺二磷）（高能磷酸） (腺三磷) 酵母增殖到一定程度时：C12H22O12 + H2O 2C6H12O6 + 4ADP + 2Pi 4C2H5OH + 4CO2 + 4ATP + 113kj 发酵过程是啤酒生产中一个非常重要的环节，整个发酵过程也包含若干个生产工序，如：麦汁充氧、酵母添加、发酵、过滤、CO2和酵母的回收以及酵母扩充培养等等。发酵过程是把糖化麦汁经过酵母生产乙醇、水、二氧化碳等产物。最终控制为糖度和双乙酰。糖量决定乙醇含量，双乙酰有气味的物质。前发酵是啤酒发酵的主要过程，在这个过程
12、中，酵母完成了增殖，厌氧发酵等。而后发酵就是对主发酵的残糖继续发酵，达到要求的发酵度，排除氧气，增加酒精中的CO2的溶解量及其沉淀回收等。生产过程中要求发酵液的温度精度控制在0.5范围内，温度按照一定的工艺曲线变化，如果温度过高，会影响啤酒质量，反之则影响了啤酒生产效率。2.2啤酒发酵各阶段的转换条件及控制要求啤酒发酵期间，发酵温度分为起始温度（即麦汁冷却温度、满罐温度）、最高温度（即发酵温度、还原双乙酰温度）和贮酒温度。啤酒发酵期罐压力设定为0.10.15Mpa。其各阶段转换条件及控制要求见表2-1所示。表2-1发酵各阶段转换条件及控制要求工作阶段名称进入条件时间（h）温度冷媒阀门麦汁进罐启
13、动麦汁进罐不需设定不需设定关闭满灌温度保持满灌后，人工手动或自动输入“开始”t0=10hT1=8关闭主酵自然升温阶段t0结束t1不需设定自然升温至T2=12关闭双乙酰还原阶段温度至T2=12t2=72hT2=12程序控制第一降温阶段t2结束t3=100h程序控制后酵保温阶段t3结束，T3=3t4=48hT3=3程序控制第二降温阶段t4结束t5=72h程序控制贮酒保温阶段t5结束，T4=-1不需设定T4=-1程序控制2.3啤酒发酵工艺曲线及各阶段工艺过程 啤酒的口味和实际要求不同，啤酒发酵工艺曲线也不同，严格按照一定的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图2-1：t1 t2
14、 t3 t4 t5 t6 时间/d温度/12 8T0 5-1t767图2-1啤酒发酵工艺曲线T0-麦汁进罐温度 t1-第一升温时间段，自然升温 t2-满灌保温时间段 t3-第二升温时间段，自然升温 t4-主发酵保温（双乙酰还原）时间段 t5-第一降温时间段 t6-后发酵保温时间段 t7-第二降温时间段 下面对各个阶段进行简单地介绍：（1）满灌保温，自然升温阶段 此阶段启动麦汁进罐，当麦汁满灌时，使其保持一定温度，温度高低直接关系到发酵工艺的准确执行以及酵母前期增值速度，进而影响到发酵周期的长短，发酵度的高低，一般设定为8，过低和过高的满罐温度均不利于酵母和成品酒质量。同时此阶段酵母进行了有氧呼吸和完成了增殖过程，为下一发酵阶段做好充足准备。（2）主发酵（双乙酰还原）阶段 主发酵阶段酵母继续增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成大量的酒精，由于发酵旺盛产生大量CO2，罐体下部CO2密度高于中上部，使罐内中下部酒液中酒精量高于上部，酒体密度发
