基于PLC的啤酒发酵自动控制系统开题报告

农业大学

本科生毕业论文（设计）开题报告

题目：基于PLC的啤酒发酵自动控制系统的设计

姓名：dddd 学号：0320040510

年级：2004级专业：电气工程及其自动化

指导教师：dddd 职称________

农业大学教务处

二00八年四月一日一、选题依据（拟开展研究项目的研究目的、意义等）

二、文献综述容(在充分收集研究主题相关资料的基础上，分析国外研究现状，提出问题，找到研究主题的切入点，附主要参考文献)

啤酒的生产技术，以德国、丹麦等国较为先进［3］。目前，世界啤酒工业总的技术特点

是设备自动化、生产周期短，经济效益高的方向发展。从世界围来看，啤酒工业发展的趋向大型化，提高经济效益，扩大产品覆盖面，占领市场，是世界各国啤酒行业竞争的重点［1,4］。啤酒工业是我国食品工业中一个重要的产业部门，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空前发展。

尽管如此，我国的啤酒生产工业目前还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。目前我国大部分啤酒生产厂家仍然采用常规仪表进行控制，靠人工监控各种参数，人为因素较多［17］。啤酒发酵是整个啤酒生产过程最重要的环节，它是一个复杂的微生物代过程。由于发酵过程的部机理非常复杂，影响发酵的因素也很多，对于整个过程目前还缺乏精确的定量的数学描述。所以，这种人工控制方式很难保证生产工艺的正确执行，使啤酒质量不稳定，波动性大且不利于扩大再生产的规模［4, 5］。

发酵过程是啤酒生产过程中的重要环节之一，本文以啤酒发酵过程为工程背景，对啤酒发酵过程的自动化及温度、压力、液位控制策略进行研究，这对利用高新技术提升传统产业的综合技术水平具有现实意义［5, 6］。

啤酒发酵系统的时变性、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，对象的特性也不尽相同。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。在不同的季节，甚至在同一季节的不同发酵罐，要求生产不同品种的啤酒，这样就要求每个罐具有独立的工艺控制曲线。这不仅要求高精度、高稳定性的控制，还要求控制系统有极大的灵活性［2, 4］。

利用PLC进行自动控制就可以解决以上问题。PLC是专为工业控制设计的，能适应工

业现场的恶劣环境。在PLC设计和制造过程中采取了精选元器件及多层次抗干扰措施，使PLC的平均无故障时间MTBF通常在10万小时以上，有些PLC的平均无故障时间可以达到几十万小时以上。而且PLC 能进行闭环过程控制。PLC能进行控制大量的物理参数，如温

度、压力、速度和流量等。PID( Proportional Integral Derivative )模块的提供使PLC具有

闭环控制的功能，即一个具有 PID 控制能力的PLC 可用于过程控制。当过程控制中的某一

个变量出现偏差时，PID 控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上

恥。 本文以啤酒发酵控制系统为对象，提出了一套基于 PLC 的啤酒发酵自动控制系统的设

计方案，并给出一个利用 PID 控制算法用于控制发酵温度的方案

，解决啤酒厂发酵过程的 控制与管理的自动化设计要求 [12]。

作为一个啤酒发酵自动控制系统，应能满足实际生产的要求。主要从以下几个方面考 虑:

(1)

必须符合啤酒发酵的工艺要求; (2) 必须提供合理的控制解决方案;

(3) 必须符合流程控制的一般要求，包括温度的采集和控制、压力的采集和控制、控

啤酒发酵是放热反应的过程，随着反应的进行，罐的温度会逐渐升高，随着二氧化碳 等产物的不断产生，密闭罐的压力会逐渐升高。发酵过程中温度、压力会直接影响到啤酒 质量和生产的效率，因此，对发酵过程中的温度、压力进行控制显得十分重要。对发酵过 程中的温度、压力进行控制也就成为设计中需要解决的主要问题 [10]。

主要参考文献:

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[2] 史仲平，丰•发酵过程解析、控制与检测技术

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[4] 黄儒强，玲•生物发酵技术与设备操作•：化学工业，2006，144-153

⑸爱民•自动控制原理•：清华大学，2006，448-452 ⑹胡学林•可编程控制器教程•电子工业，2003，150-203

[7] 高钦和•可编程控制器应用技术与设计实例 •：人民邮电，2004，25-60

[8] 许僇，王淑英•电气控制与PLC 控制技术•：机械工业，2005，133-183

[9] 王建华，黄河清•计算机控制技术•：高等教育，2003，25-53

[10] 汪晓平，等• PLC 可编程控制器系统开发实例导航 •：人民邮电，2004，109-126

[11] 储炬，友荣•现代工业发酵调控学•:化学工业,2002，92-114

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[13] 水华•新型PID 控制及其应用机械工业，2002，42-63

制过程中的保护等 [15, 16]

。

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[19] Fra nk J.Romeu ，Developme nt of biotech no logy con rtol systems[j] ，ISA

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三、研究方案（研究容、目标、研究方法、技术路线、拟解决的问题、特色或创新点等）

3・1研究容：

啤酒发酵是非常复杂的生化变化过程，其中温度、压力、液位、浓度和时间是发酵过程的最主要的参数，设计中采用PLC控制，运用简单的PID算法完成控制要求，以提高啤

酒质量和生产效率。

3・2实现目标：

（1）采用高级智能控制算法，提高控制水平；

（2）减少人工参与，实现无污染生产，减少质量风险；

（3）替代人工，降低生产成本；

（4）测、管、控一体化，满足信息化需求，提高企业管理水平与竞争力。

3.3研究方法：

工业发酵控制具有很大的应用价值，通常酿造业的发酵是在密闭的容器（罐）中进行的，为了使罐酒液循环并有利于不同发酵期的酵母沉淀，一般采用分三段间冷方式，控制罐酒液温度，使之形成自上而下的温度梯度。在上、中、下分别设有温度检测点。实践证明，三段冷媒入口装设分配阀，并适当调节分配比，只以中段温度为被控参数，并控制冷媒于管入口总流量可以达到工艺提出的控制要求。按啤酒发酵工艺要求，整个发酵过程的温度控制在不同发酵时期是不同的，为了保证贮酒在不同阶段的温度设定值，设有温度的上下限报警，为了保证罐压力在不同阶段的压力，设有压力的上下限报警。每个罐设有液位指示，可以作为装酒和成品计量用，还可以了解整个发酵过程的液位变化。整个系统还设有温度自动控制、压力自动控制，液位检测等，以提高控制系统的可靠性。