基于PLC的啤酒发酵自动控制系统毕业论文设计
更新时间:2024-06-07 22:03:01 阅读量: 综合文库 文档下载
广州大学松田学院
毕业论文(设计)
题目___ 基于PLC的啤酒发酵自动控制系统设计
______
1
基于PLC啤酒发酵自动控制系统设计
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,对发酵过程缺乏精确的数学模型。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范围内。
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。
为止,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
2
Based on the design of PLC automatic control system of beer
fermentation
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 complex, 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
3
the stable quality of production, how to improve the comprehensive automation level of beer production, strengthen the beer industry to become 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: beer fermentation temperature control by PLC
4
目录
1绪 论 .................................................. 1 1.1课题的背景 ........................................ 1 1.2国内啤酒生产过程控制概况 ........................... 3 1.3啤酒生产过程自动控制的作用和意义 ................... 4 2啤酒发酵 ............................................... 4 2.1啤酒发酵概述....................................... 4 2.2啤酒发酵的具体过程 ................................. 5 2.3啤酒发酵设备....................................... 6 2.4啤酒发酵工艺曲线 ................................... 6 3啤酒发酵自控系统PLC选型和配置 .......................... 8 3.1PLC选型 ........................................... 8 3.2 S7-200主要功能及特点 ............................. 11 3.3文本显示器TD200 .................................. 13 3.4电磁阀PWM ........................................ 13 3.5 PID控制的原理和特点 .............................. 14 3.6 PLC其他资源配置 ................. 错误!未定义书签。 4啤酒发酵自控系统PLC程序 ............................... 10 4.1设计思路 ......................................... 10 4.2 系统硬件配置 ..................................... 15 4.2.1 CPU的选型 ................................... 15 4.2.2 模拟量扩展模块 .............................. 15
5
4.2.4 控制系统硬件配置 ............................ 17 4.2.5其他资源配置 ................................. 19 4.3 啤酒发酵温度PLC控制系统的I/O分配 ............... 19 4.3.1 I/O地址分配 ................................. 19 4.4 编程软件的介绍 ................................... 23 4.4.1 指令系统 .................................... 23 4.5程序流程图 ....................................... 24 4.6 PLC功能模块程序设计 .............................. 28 4.6.1 主程序 ...................................... 29 4.6.2 主酵自然升温段程序 .......................... 30 4.6.3 温度控制程序 ................................ 30 4.6.4模拟量信号采集处理 ........................... 31 4.6.5发酵状态处理 ................................. 33 4.6.6温度设定值的计算 ............................. 37 4.6.7 PID回路计算 ................................. 39 4.6.8电磁阀控制 ................................... 41 4.6.9软件调试..................................... 42 结论 .................................................... 42 主要参考文献 ............................................ 43 致谢 .................................................... 44 附录 .................................................... 46
6
1绪 论
1.1课题的背景
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,随着国家经济的发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,大部分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。大部分处于手动控制阶段,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。
1
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部分,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。啤酒的发酵过程能实现自动化后,工人的劳动强度将大大地减小,同时啤酒的质量与生产都有望升上一个新的台阶,企业通过技术改造增加了市场竞争。另一方面,不少化工生产过程都具有相似性,因此我们研制的这一套控制系统性价比高,以后还可以推广到其他很多化工厂生产的场合。应用前景乐观,能产生较大的社会经济效益,能应用新技术,新材料,新设备改进生产工艺,提高生产效率。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范围内。其中前发酵是啤酒发酵的主要过程,在这个过程中,酵母完成了增殖,厌氧发酵及其沉淀回收等。这个过程消耗了大部分可发酵性糖和可同化性氮等麦汁成分,排出的发酵代谢产物即啤酒的主要组成。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。促进发酵液成熟,改善口味,促进啤酒自然澄清,使其具有良好的稳定性。
2
啤酒发酵罐内部温度的精确控制,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。 1.2国内啤酒生产过程控制概况
我国啤酒的产量逐步发展,产品质量达较高水平,品种也赶上去,这就要求国内啤酒生产发酵过程控制和更新生产设备能否满足市场的需求。
引进国外控制技术。
北京华尔森啤酒厂从捷克全套引进生产设备;北京华都啤酒厂从丹麦引进生产设备;上海华光啤酒厂从瑞士引进生产设备等。引进设备的最大特点是自动化水平比较高,从而能严格满足啤酒生产工艺的要求,因此产量较高,质量较稳定。
2.根据国情自行研究的技术
1993年国家轻工业部自动化研究所研制的“PW-40啤酒发酵微机控制系统”在厦门华侨啤酒厂投入使用,其控制方案也是采用单变量温度控制;国内中小企业结合本厂生产实际自行研究的自动化仪表加手动的生产控制技术,造价低,效果一般,符合企业目前的状况,但不能满足企业长远发展的需求。
我国普遍啤酒厂存在的问题: 1产品低劣,品种单一;
3
2技术含量低,自控水平差,生产过程多为人工或简单控制,使得啤酒质量不稳定
3原材料消耗大,与国际先进水平存在较大差距 1.3啤酒生产过程自动控制的作用和意义
国内目前啤酒市场的竞争,体现在两个方面:质量和价格。为适应现在生产的要求,提高啤酒的质量,提高生产率,在啤酒生产中自动化控制可以增加竞争能力体现在
提高工艺厂品质量,以及原材料的利用,降低生产成本,减少工人的劳动强度。
强化产品质量管理。
辅助生产管理,方便生产成本的控制盒管理
啤酒生产有自己独有的环境,只有结合国内的啤酒行业实际情况,针对其特殊性,才能开发出适合的生产啤酒的自动控制系统。
2啤酒发酵
2.1啤酒发酵概述
啤酒发酵是一个复杂的过程,发酵过程是把糖化姜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。发酵过程的温度变化与发酵液的糖度和双乙酰成统计关系。实际上,控制发酵液的温度是以人工化验。在啤酒大规模生产中,要求发酵液温度按照一定的工艺曲线变化,温
4
度精确0.5℃。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啤酒发酵的具体过程
啤酒发酵主要有3个过程:主发酵、还原双乙酰和低温贮酒。 主发酵阶段,从原姜汁开始主发酵,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馈到糖化车间,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。还原双乙酰阶段,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。
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,否则会导致啤酒质量下降。
2主发酵和双乙酰还原阶段 ,酵母大量繁殖产生较多热量,当酵母进行无氧呼吸,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,要控制不同部分的温度。
3降温保温,还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
5
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 2.3啤酒发酵设备
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,啤酒发酵罐结构示意图
PIC电磁阀关01罐内压力排放CO2上层温度TIC01冷媒出口中层温度TIC02下层温度TIC03冷媒入口LI01罐内液位
啤酒发酵罐结构示意图
2.4啤酒发酵工艺曲线
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:
6
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 各个阶段进行简单地介绍:
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,酵母的加入,酵母菌逐渐开始生长和繁殖。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。
7
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加入的酵母菌进行沉淀、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、杀菌等过程的进行。
3啤酒发酵自控系统PLC选型和配置
3.1PLC选型
可编程控制器(PLC))工作原理
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;
8
电源 输入信号 编程器 盒式打印机 打印机 EPROM写入器 PLC或上位计算机 输 入 单 元 中央处理单元 (CPU) 输 出 单 元 扩 展 口 输出信号 外 设 接 口 存储器 EPROM (系统程RAM (用户程扩展单元
PLC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。
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在工厂中倍受欢迎,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。
9
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。
(1)S7-200PLC机械结构特性
体积小,重量轻,结构紧凑,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) S7的电气结构特性
1.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。
2..PLC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。
3.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
4.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
5.PLC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。
6.便于扩展,为系统备有专用的扩展模块(EN),可方便地进行输入,输出及模拟量扩展。
7.模拟电位器外部设定
10
3.2 S7-200主要功能及特点
(1)执行指令速度高。 (2)丰富的指令功能。
(3)灵活的中断功能,中断触发有几种形式:可用软件设定为中断输入信号的上升沿式下降沿,以便做出快速响应;可设为时间控制的自动中断;可由内置高数计数器自动触发中断;在与外设通信时可以以中断分式工作。
(4)输入和输出的直接查询和赋值。(5)严格的口令保护。 (6)调试和故障诊断功能。(7)输入或输出的强制功能。用户调试程序时,可对输入或输出强制接通。
(8)通信功能。用户提供了强大,灵活的通信功能。用户对点接口(PPI)作9.6Kbit/s的数据通信,用RS-485接口实现高速用户可编和接口。
S7-200CPU主要的性能指标见表。 特性 外形尺寸 用户程序 用户数据 用户存储器类型 数据后备(超级电容)典型值 CPU221 80*80*62 2048字 1024字 EEPROM 50小时 CPU222 90*80*62 存储器 2048字 1024字 EEPROM 50小时 输入输出
11
CPU224 120.5*80*62 4096字 2560字 EEPROM 50小时 CPU226 190*8.*62 4096字 2560字 EEPROM 50小时 本机I/O 扩展模块数量 数字量I/O映像区大小 模拟量I/O映像区大小 6入4出 无 256 无 8入/6出 2个模块 256 16如/16出 指令系统 14入/10出 7个模块 256 32入/32出 24入/16出 72个模块 256 32入/32出 33MHZ下布尔0.37us/指令 0.37us/指令 0.37us/指令 0.37us/指令 指令执行速度 FOR/NEXT循环 有 有 有 有 实数指令 有 有 有 有 整数指令 有 有 有 有 主要内部继电器 I/O映像寄存128I和128Q 128I和128Q 128I和128Q 128I和128Q 器 内部通用继电256 256 256 256 器 计数器/定时256/256 256/256 256/256 256/256 器 写入/写出 无 16/16 32/32 32/32 顺序控制继电256 256 256 256 器 附加功能 内置高速计数4H/W(20KHZ) 4H/W(20KHZ) 6H/W(20KHZ) 6H/W(20KHZ) 器 模块量调节电1 1 2 2 位器 脉冲输出 2(20KHZ,DC) 2(20KHZ,DC) 2(20KHZ,DC) 2(20KHZ,DC) 通信中断 1发送/2接收 1发送/2接收 1发送/2接收 1发送/4接收 硬件输入中断 4,输入滤波器 4,输入滤波器 4,输入滤波器 4,输入滤波器 定时中断 2(1~255ms) 2(1~255ms) 2(1~255ms) 2(1~255ms) 定时时钟 有(时钟卡) 有(时钟卡) 有(内置) 有(内置) 口令保护 有 有 有 有 通信功能 通信口数量 1(RS-485) 1(RS-485) 1(RS-485) 支持协议 PPI,DP/T PPI,DP/T PPI,DP/T PPI,DP/T 0号口 自由口 自由口 自由口 自由口
12
1号口
N/A N/A N/A S7-200CPU主要的性能指标 (同0号口) 3.3文本显示器TD200
S7-200系统中的文本显示器TD200是在现场监控的有效设备,TD-200连接简单,只需要用按特定的通信电缆连接到PPI接口上就可以了。
1显示信息,可以显示最多80条信息,每条信息最多可包含4个变量。
2可设定CPU214以上机型的实时时钟。 3提供强制I/O点诊断功能。 4过程参数的修改。
5可编程的8个功能键可以代替普通的控制按钮作为控制键。 6输入和输出设定。8个可编程式功能键盘的每一个都分配了一个存储器位。 3.4电磁阀PWM
脉冲宽度调制(PWM),是英文“Pulse Width Modulation”的缩写,简称脉宽调制,是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉宽调制(PWM)基本原理:控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等的脉
13
冲,用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲,使各脉冲的等值电压为正弦波形,所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,即可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。 3.5 PID控制的原理和特点
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史,它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的 其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。PID控制,实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。
14
正在阅读:
指导培养青年教师记录03-14
春联横批02-11
关于贵州建工集团施工组织设计规定06-25
街道20xx年安全生产月活动总结02-26
春色作文400字07-11
2012年文学院“蒲公英”青年志愿者服务队,杨心怡 - 图文10-25
成长的烦恼作文500字03-12
奶奶家的狗作文450字06-20
- 多层物业服务方案
- (审判实务)习惯法与少数民族地区民间纠纷解决问题(孙 潋)
- 人教版新课标六年级下册语文全册教案
- 词语打卡
- photoshop实习报告
- 钢结构设计原理综合测试2
- 2014年期末练习题
- 高中数学中的逆向思维解题方法探讨
- 名师原创 全国通用2014-2015学年高二寒假作业 政治(一)Word版
- 北航《建筑结构检测鉴定与加固》在线作业三
- XX县卫生监督所工程建设项目可行性研究报告
- 小学四年级观察作文经典评语
- 浅谈110KV变电站电气一次设计-程泉焱(1)
- 安全员考试题库
- 国家电网公司变电运维管理规定(试行)
- 义务教育课程标准稿征求意见提纲
- 教学秘书面试技巧
- 钢结构工程施工组织设计
- 水利工程概论论文
- 09届九年级数学第四次模拟试卷
- 发酵
- 控制系统
- 毕业论文
- 啤酒
- 基于
- 自动
- 设计
- PLC
- 2013年(行政类)安徽会计继续教育网上考试练习及答案(中华会计学
- 2015统计工作实务真题和答案
- 2015高考名校热身试卷_四川省南充市2015届高三第三次高考适应性
- (山东莱阳董福军原创2013.11.11)我的地理歌谣
- 汽车保险案例分析2011
- GM905指令
- 《计算机组成原理》课程习题答案_秦磊华2011-9-8
- 基于MATLAB的图像处理及跟踪算法
- 人教版小学六年级上册第11课《唯一的听众》课后复习检测及参考答
- STC15系列ADC通用程序
- 实验二运算器实验
- 陕西科技大学科目期末考试复习过程设备设计期末考试题
- 635关于印发杭长客专江西段当前工期影响敏感点分析评价的通知
- YJK参数设置详细解析
- 浅析欧债危机产生的原因以及影响---罗涛
- 学前教育热点分析教学大纲石利
- 最新黄冈小升初择校数学试卷
- 中国不应实行安乐死 一辩
- (最新)2012年 - 陈印老师word版葵花宝典
- 线下拓客方案、销使管理方案