毕业设计读书笔记

基于PLC的啤酒生产过程控制研究与实现
文章主要介绍了啤酒发酵的现状,控制水平, 不足以及生产过程, 其中主要研究了啤酒发酵过程中麦芽烘干过程以及发酵环节的温度控制（如何用控制系统更好的实现）。

1)啤酒的生产过程:
a:糖化(包括粉碎、糖化、糊化、过滤、煮沸以及CIP等工序)
b:发酵(包括麦汁充氧、酵母添加、酵母扩培和酵母回收、酒发酵、修饰、清酒、硅藻土过滤以及CIP、冷/热脱氧水的制备等工序)
c:灌装()
2)啤酒发酵国内的技术水平与控制水平:
技术水平: 自控水平差；能耗多；品种单一；发展空间大。

控制水平:
a:手动阀门包括各模拟量的检测控制都由人工现场控制, 不确定因素太多, 生产出的产品质量的不到保证。

b:半自动阀门为电动, 各模拟量由数据采集器收集, 生产能够满足一般的工艺要求, 目前被大多数中小型企业所应用。

c: PC 机+数据采集插卡方式控制过程中各信号传输到PC机, 同时PC机控制阀门的启停, 国内许多啤酒厂采用这种控制系统, 但是本身的可靠性与安全性较差, 且扩充性差不利于长期发展。

d: 分布式控制方式采用先进的计算机控制技术与多层网络结构及先进控制算法对生产工序进行自动控制。

目前是国内啤酒厂的主流控制方法, 但需要大量资金。

3)自动控制的作用
a:提高产品质量水平, 降低原料生产水平, 减轻工人工作强度
b:真实的记录了现场的数据, 有利于改进生产工艺
c: 能够更准确的记录水, 电, 气的消耗量, 方便成本的控制和管理4)自动控制的意义与不足
意义: 成本太贵, 节流是关键；工人的工资在涨, 大量的劳动力太耗费；自动控制是趋势, 否则企业必将淘汰。

不足: 自动控制不足；产品之间的耦合问题；在线检测问题包括锅炉车间自控问题等等。

5)工业控制过程的一般特征
a: 纯滞后特性包括输入延时（控制介质需要传输一定的距离才能作用于被控对象, 其间会产生输入延时）和状态延时。

b: 时变特性（时变性是指对象特性随时间发生变化的现象）, 例如啤酒发酵中温度控制。

6)啤酒生产过程工艺简介
6.1: 啤酒生产过程可分为麦汁制备、发酵、啤酒处理、清酒、灌装、麦芽的烘干、CO的回收、脱氧水制备、热水制备、CIP、冷冻、空气压缩等等。

6.2: 糖化: 主要目的是将原料中的非水溶性物质转化成水溶性物质, 特别是可发酵性糖, 此为麦汁发酵生成啤酒的前提条件。

整个糖化过程主要包括原料粉碎（对麦芽和大米进行机械破碎的过程）、糊化和糖化（淀粉分解转化为糖）、过滤（尽最大可能使麦汁（浸出物的水
溶液叫“麦汁”）与麦糟（浸出物非水溶性物质）分离）、煮沸（煮沸是一项复杂的物理化学过程, 其主要目的是稳定麦汁成分）、沉淀和冷却（将麦汁中的冷、热凝固物分离）等生产工序。

6.3：发酵过程（即使把麦汁转换为啤酒的过程）, 其中包括麦汁充氧、酵母添加、发酵、过滤、修饰以及酵母培养等等。

7)PLC 在啤酒生产麦芽烘干过程中的应用（以PLC为控制的燃油循环式谷物烘干机）
7.1 麦芽烘干流程如下:
麦芽到提升机, 干了到排粮仓, 未干经上绞龙, 调质仓, 干燥仓, 排粮仓, 下绞龙再到提升机, 直到麦芽烘干为止。

7.2 系统硬件设置
可选用S7-200-CPU224 型PLC作为控制器它具有14个输入点和10个输出点。

总的输入点为开关量9 点。

模拟量 1 点, 输出点为开关量 6 点。

PLC 的I/O
定义如表 3.1 所示。

表3-1 PLC 的I/O 定义表
7.3 系统软件设计
系统主要对麦芽水分检测和燃油机进行控制, 水分检测每隔一定的时间进行一次, 将检测到的水分与给定值进行比较, 如果水分不大于给定值, 则控制燃油机熄火, 反之则控制燃油机点火燃烧。

结构图如下:
8)啤酒发酵中的温度控制
啤酒发酵是啤酒生产工艺流程中关键环节之一, 也是一个极其复杂的在发酵罐内发生并释放大量热量的生化放热反应过程。

同时还会产生种类繁多的中间代谢产物, 这些代谢产物的含量虽然极少, 但它们对啤酒质量和口味的影响很大, 中间代谢产物的生成取决于发酵温度。

啤酒发酵的温度控制就是利用冷媒介质对罐内温度按工艺要求进行分段控制。

发酵罐的形状一般为圆锥状, 容积较大, 目前国内大多数啤酒企业采用的是露天发酵罐, 材质一般为碳钢或不锈钢。

在设计中, 采用圆锥底角为60°~85°的倒圆锥体, 圆筒直径与高D: H=1: (1~2.5), 罐体直径在5~6m 之间。

发酵罐的结构如图所示:
为了有利于热量的散发, 在发酵罐上、中、下部有3 个冷却带, 相应有 3 个冷媒阀门, 通过控制流过冷却带的冷媒流量, 控制发酵罐的温度。

国内啤酒企业首选的冷媒制剂为乙醇或25%的乙二醇。

冷媒阀门在发酵自动控制情况下, 一般采用电磁开关或气动开关阀。

当啤酒的发酵温度高于工艺要求的温度时, 打开冷媒, 通过啤酒罐罐壁的冷带给啤酒降温；当发酵温度低于工艺要求的温度时, 关闭冷媒, 则啤酒按工艺要求继续发酵, 整个发酵过程大约20 多天完成。

因此, 控制好啤酒发酵过程中温度及其升降速率是决定啤酒质量和生产效率的关键。

发酵过程中的温度曲线：①自然升温段：控制系统不工作, 任其自然升温；②恒温段：通过控制冷媒开关阀, 保持发酵罐内温度恒定；③降温段：通过控制冷媒开关阀, 以指定速度降温。

在不同发酵时期, 酵母活力不同, 罐内流体的运动状态有很大差异。

9)控制系统的硬件设计
下位机的选择:采用可编程控制器（plc）
plc的优点:
1.稳定性高, 抗电磁干扰、抗恶劣环境的能力强, 平均故障时间长。

2、配套齐全, 功能完善, 适应环境的能力强。

3.编程简单, 易学易用, 维护也相当方便。

下位机一般采用手动—自动双控制电路:
SA打到手动, 由SB人工控制电路；
SA打到自动, 由PLC输入信号控制电路。

上位机的选择: 操作站采用工控机（IPC）
IPC的优点:
采用2台工控机, 一台设在控制室, 一台设在主任室, 分别进行监控。

10)控制系统的软件设计
控制系统最重要的环节是控制每个时间段发酵罐内啤酒的发酵温度, 根据发酵工艺的要求, 设计出发酵温度-时间曲线, 输入可编程序控制器（PLC）, 使系统自动根据不同时间段的温度给定值进行调节。

主程序开始先计算出实际该罐啤酒的发酵时间, 然后取出该段时间对应的标准温度值, 将标准温度值与实际温度值比较, 若相等则再次回到主程序入口进行下一轮的标准值查找, 若不相等则系统由CPU 计算出相应的PID 系数, 输出信号去控制电磁阀, 用电磁阀控制的气路打开或关闭冷媒阀, 进行温度调节。

下位机选择: 选择STEP 7 编程软件,不仅可以非常方便地使用梯形图和语句表等形式进行离线编程, 并通过转接电缆可直接送入PLC 的内存中执行, 而且在调试运行时, 还可在
线监视程序中各个输入输出或状态点的通断情况, 甚至进行在线修改程序中变量的值, 给调试工作也带来极大的方便。

上位机选择：上位机编程软件采用功能强大, 编程可视化的VB6.0, 采用VB6.0 可方便地实现PLC 和上位机的串行通讯。

并且可以实现实时曲线显示, 方便了解被控对象的变化过程。

主要有监控界面、当前温度显示、动态温度曲线显示、温度
数据库管理、参数设置以及与PLC 通信等方面的设计。

上位机选择: 上位机编程软件采用功能强大, 编程可视化的VB6.0, 采用VB6.0 可方便地实现PLC 和上位机的串行通讯。

并且可以实现实时曲线显示, 方便了解被控对象的变化过程。

主要有监控界面、当前温度显示、动态温度曲线显示、温度
数据库管理、参数设置以及与PLC 通信等方面的设计。

11）控制算法: 采用PID控制算法来编写PLC程序
PID控制算法优点与介绍:
①不需要被控对象的精确数学模型;
②结构简单, 易于构建, 参数调整方便;
③有较强的灵活性和适应性, 易于搭建先进的复杂PID控制器;
④已有工业化PID控制器产品, 使用方便在闭环控制系统中, PID控制算法是控制器最常用的控制规律, 常规PID控制系统
原理如图4一3所示, 系统由模拟PID 控制器、被控对象和检测元件组成。

一般数字PID 控制方法有2种:
1）位置型 PID
2）增量型PID
1）PID 位置型控制算法 01
()()[()()]t P D I de t u t K e t e t dt T T dt
=++⎰ 由于计算机是一种采样控制,
它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量, 因此在计算机控制系统中, PID 控制规律的实现只能采用数值逼近的方法。

当采样周期相当短时, 用求和代替积分、用后向差分代替微分, 使模拟PID 离散化, 变为差分方程。

具体如下近似方法:
⎰t dt t e 0)(≈∑=k i i Te 0)(
dt t de )(≈T
k e k e )1()(-- 式中, T 为采样周期, k 为采样序号。

由上述式子得数字PID 位置型控制算式为 0()(1)()[()()]k P D i I
T
e k e k u k K e k e i T T T =--=++∑ 2）PID 增量型控制算法
根据上式不难写出第k-1次采样时的控制算式
10(1)(2)(1)[(1)()]k P D i I T e k e k u k K e k e i T T T
-=----=-++∑ 将上两式相减, 即得数字PID 增量型控制算式为
()()(1)u k u k u k ∆=--
[()(1)]()[()2(1)(2)]P I D K e k e k K e k K e k e k e k =--++--+-
其中P K 称为比例增益；
I P I T k K T =称为积分系数；
D P Td K K T
=称为微分系数。

为编程方便可将式整理成如下形式
012()()(1)(2)u k q e k q e k q e k ∆=+-+- 其中
K K K q D I p ++=0
K K D P 2-q 1-=
K q D =2
PID 各个参数的作用:
从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各
方面来考虑, 参数P、I、D的作用分别如下:
①比例系数(P)的作用是加快系统的响应速度, 提高系统的调节精度。

P越大, 系统的响应速度越快, 调节精度越高, 但易产生超调, 甚至会导致系统不稳定;P取值过小, 则会降低调节精度, 使响应速度缓慢, 从而延长调节时间, 使系统静态、动态特性变坏。

②积分作用系数(I)的作用是消除系统的稳态误差。

I越大, 系统的静态误差消除越快, 但工过大, 在响应过程的初期会产生饱和现象, 从而引起响应过程的较大超调;若f过小, 将使系统静态误差难以消除, 影响系统的调节精度。

③微分作用系数(D)的作用是改善系统的动态特性, 主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化, 并对偏差的变化进行提前预报。

但D过大, 会使响应过程提前动作, 从而延长调节时间, 而且会降低系统的抗干扰能力。