基于PLC的啤酒发酵罐温度控制系统设计(共55页)

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1、摘 要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，利用PLC实现对啤酒发酵过程温度的控制，这对更加牢固掌握PLC并将PLC应用于生产实际及了解啤酒的生产工艺有很好的作用。本文主要工作在于：由于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。为节省能源，降低生产成本，并且能够满足控制的要求，发酵罐的温度控制选择了检测发酵罐的上、中、下3段的温度，通过调节上、中、下3段液氨进口的两位式电磁

2、阀来实现发酵罐温度控制的方法，利用PLC来实现整个过程温度的控制。该系统性能/价格比高、可靠、技术先进，完全满足啤酒生产发酵工艺的技术要求，并兼顾了实用的需求。关键词：可编程逻辑控制器；发酵温度；温度控制AbstractBeer fermentation is one of the key steps of beer production. Thus, on the basis of some projects in breweries, this thesis investigated beer fermentation automation and Fuzzy Intelligent PI

3、D algorithm applied in this process. It is an attempt to apply high technology to traditional industry and has importantly practical meaning. In this paper, beer fermentation process for the project background, the use of PLC in the beer fermentation process temperature control, which is more firmly

4、 grasp PLC and used to produce practical and understanding of the beer production process have a very good role. What this research solute is: As the object of beer fermentation, degeneration, and the uncertainty of the delay, a decision must be in control of fermentation tank special control algori

5、thms. As each there are individual differences, but in different process conditions, different fermentation bacteria, the object characteristics vary. Therefore it is difficult to find or create a precise mathematical model to simulate and forecast control. To save energy, reduce production costs an

6、d to meet the requirements of control, temperature control of fermentation tank selected the detection of the fermentation tank, in the next paragraph 3 of the temperature, through the upper, middle and lower imports of liquid ammonia in paragraph three Electromagnetic valve to achieve fermentation

7、tank temperature control method. To solute the whole process temperature control by PLC, the system performance higher than price, reliable, advanced technology, to fully meet the fermentation process of beer production technology requirements, taking into account the practical needs.Keywords: progr

8、ammable logic controller; fermentation temperature; temperature control目 录第1章 概 述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

9、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、

10、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

11、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

12、、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。（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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、自动控制的PLC控制系统设计。1.4 本章小结本章主要论述了选择该题目作为毕业设计的意义，以及我国现阶段啤酒发酵工业的发展现状，并对啤酒发酵过程和啤酒发酵控制系统方案进行了综述，对利用PLC进行啤酒发酵过程温度控制所需要进行的研究工作进行了总结。第2章 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

18、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

19、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1218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/L）时，且糖度降至极限4248

20、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0.510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。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6。满罐温度的确定应考虑麦汁分锅次进罐中酵母繁殖代谢

21、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酒精，使罐内中下部酒液中酒精含量远远高于上部，酒体密度发生变化，在酒精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

22、慢，对上段控温应缓慢、慎重，不可急剧冷却，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T中T下，三带温差在0.20.3摄氏度左右。（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）

23、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

24、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12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

25、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

26、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: 1.54。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1624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，发酵液的温度会逐渐上升，因此在发酵罐外部罐壁设置有上、中、下三段冷却套，相应的设立上、中、下三个测温点和三个调节阀，通过阀门调节冷却套内冷却液的流量来实现对酒体温度的控制7。2.4 啤酒发酵温控基本要求由于啤酒酵母的作用，麦汁

27、在发酵罐内发酵，在发酵过程中释放出的生化反应热和CO2热量释放导致发酵温度上升，同时CO2的产生使罐内压力升高。在整个发酵过程中，根据麦芽发酵的反应规律来控制发酵的温度和时间是保证发酵过程正常安全地进行，提高啤酒质量和口味，减轻工人的劳动强度，节约能源的关键。罐类容器的主要工况参数有温度、液位、气体压力。温度参数的高低来提醒罐内物料已加热时间的长短，以便指导操作者进行物料储存及物料反应。液位间接反应了物料的多少，以便控制物料的储存量，实时调控或者进行物料反应等。气体压力的大小反应了罐内CO2的多少，压力到一定程度时需从罐顶排出一定的CO2以减小罐内的压力，防止爆炸。所以需要对发酵罐内液温的变化

28、进行实时控制，同时罐内的压力也是安全生产的必要控制量8。啤酒发酵生产工艺对控制的要求是：发酵罐上、中、下液温的实时测控，控制罐温在特定阶段与标准的工艺生产曲线相符；控制罐内气体的有效排放，使罐内压力符合不同阶段的需要控制。啤酒发酵控制系统流程图如图2-1所示。图2-1 啤酒发酵罐控制系统流程图2.5 啤酒发酵工艺流程根据锥形发酵大罐的特性将发酵的全过程分为多个阶段，在各个阶段，对象的特性相对稳定，温度和压力的控制方面存在一定的规律性。在发酵开始前，根据工艺要求预先设定工艺控制的温度、压力曲线；在发酵工程中，根据发酵进行的程度（发酵时间、糖度、双乙酰含量等），发酵罐上、中、下3段温度的差异，以及

29、3段温度各自的变化趋势，自动正确选择各个阶段相应的控制策略，从而达到预期的控制效果9。主要分为以下阶段：（l）麦汁充氧和酵母添加麦汁在泵入发酵罐进行发酵之前，麦汁中需要加入适量的酵母，整个发酵过程可以简单理解为酵母把麦汁中的糖类分解成C2H50H、H2O及其它产物的过程。这个阶段麦汁原料经由连接管道由糖化罐进入发酵罐中。（2）发酵啤酒发酵是一个复杂的微生物代谢过程，这是啤酒生产过程中耗时最长的一个环节。在发酵期间，一般是往附着于罐壁上的冷却夹套内通入致冷酒精水或液氨来吸收生化反应热，以维持适宜的发酵温度，致冷量通过调节冷媒流量来控制。整个发酵过程可以分为主酵和后酵两个阶段： 主酵这个阶段又称为

30、前酵。麦汁接种酵母进入发酵罐几小时以后逐渐开始主发酵，麦汁糖度下降，产生CO2，反应热的释放使整个罐内的温度逐渐上升。经过23天后进入发酵最为旺盛的高泡期，再过23天，降糖速度变慢，糖度很低，酵母开始沉淀，进行封罐发酵。此时，前酵基本结束，进行降温转入后酵阶段。普通啤酒在前酵时的工艺要求控制在12左右，从前酵进入后酵的降温过程。 后酵当罐内温度从前酵的12降到3左右时，后酵阶段开始了，这一阶段最主要的目的是进行双乙酰还原。此外，后酵阶段还完成了残糖发酵，充分沉淀蛋白质、降低氧含量，提高啤酒的稳定性。一旦双乙酰指标合格，发酵罐进入第二个降温过程，把罐内发酵温度从3降到01左右进行贮酒，以提高啤酒

31、的风味和质量。经过一段时间的贮酒，整个发酵环节基本结束。（3）啤酒过滤和杀菌主酵、后酵结束以后，啤酒将通过过滤机和高温瞬时杀菌进行生物以及胶体稳定处理然后灌装。啤酒过滤是一种分离过程，其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母细胞和其它混浊物从啤酒中分离出去，否则这些物质会在以后的时间里从啤酒中析出，导致啤酒混浊，目前多采用硅藻土过滤方式。如果啤酒中仍含有微生物（杂菌），则微生物可以在啤酒中迅速繁殖，导致啤酒混浊，其排泄的代谢产物甚至使啤酒不能饮用。杀菌就是啤酒在灌装之前对其进行生物稳定性处理的最后一个环节。啤酒发酵工艺曲线如图2-2所示。图中，0a段为自然升温段，不须外部控制；ab 段为主发酵阶段；

32、主酵阶段，典型的控制温度为12；bc段为降温逐渐进入后酵，典型降温速度为0.3/h；cd 段为后酵阶段，典型控制点3；de 段为降温进入贮酒阶段，典型降温速度为0.15/h；e f 段为贮酒阶段。啤酒口味和实际要求的不同，啤酒的发酵工艺曲线也就不同，但是对于确定好的啤酒发酵工艺，就应严格按照工艺曲线去控制温度和压力等，这样才能保证啤酒的质量。图2-2 啤酒发酵工艺曲线2.6 本章小结本章对啤酒发酵整个过程做了概述，对发酵过程各阶段温度控制机理进行了详细的说明，并对啤酒发酵设备和发酵温控基本要求做了研究，从而总结出啤酒发酵工艺流程中PLC在各阶段温度控制中能起到的作用。第3章 应用PLC实现啤酒

33、发酵温度控制的可行性分析3.1 可编程序控制器PLC的特点可编程序控制器（Programmable Controller）是一种以计算机（微处理器）为核心的通用工业控制装置。早期可编程序控制器主要用于开关量的逻辑控制，被称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，这个名称被一直沿用。现代PLC采用微处理器作为中央处理单元，其功能大大增强，不仅具有逻辑控制功能，还具有算术运算、模拟量处理和通信联网等功能，目前已经被广泛应用于工业生产的各个领域。自1969年DEC公司研制出世界上第一台PLC后，经过30多年的发展，有的已经使用RISC（精简指令

34、系统CPU）芯片。最快的PLC处理一步程序仅需几十纳秒；软件上使用容错技术，硬件上使用多CPU技术，具有二三百步以上的高级指令，使PLC具有强大的数值运算、函数运算和大批量数据处理能力10。PLC的迅猛发展和广泛应用是与其自身的性能特点密切相关的，与继电器、微机控制相比，PLC具有以下特点：（1）高可靠性PLC是为了适应工业环境而专门设计的控制装置，可靠性高、抗干扰能力强是它的最重要的特点。PLC在硬件和软件方面采取了如下一系列可靠性设计方法。硬件设计方面：采用可靠性高的元件，对干扰的屏蔽、隔离和滤波，对电源的掉电保护，存储器内容保护，采用看门狗和其他自诊断措施等。软件设计方面：采用软件滤波，

35、软件自诊断，简化编程语言，信息保护和恢复，报警和运行信息的显示等。这些措施的采用使PLC的可靠性和抗干扰能力大大优于一般的计算机控制系统，PLC的平均故障间隔时间（MTBF）可达几十万小时。（2）易操作性PLC的易操作性表现为编程简单，使用方便。考虑到大多数电气技术人员的读图习惯和应用微机的水平，PLC采用了面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，易于掌握。例如目前大多数PLC采用的梯形图语言，继承了继电器控制线路的清晰直观感，很容易被电气技术人员所接受和掌握。PLC的输入输出接口可直接与控制现场的用户设备相连接，可拆卸的接线端子排使接线工作及其简单。PLC的自诊断功能使在系统出现故障的时候

36、，维护人员可根据各种异常状态的指示或自诊结果，快速确定故障的位置，以便迅速处理和修复。（3）通用性现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D、D/A转换，PID控制、数值运算和数据处理等功能。因此，它既可对开关量进行控制，也可对模拟量进行控制；既可以控制单台设备，也可以控制一条生产线或全部生产工艺过程。PLC还具有通信联网功能，可与各类型的PLC联网，并可与上位机通信构成分布式的控制系统。（4）易于实现机电一体化由于PLC采用半导体集成电路，因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点。而且由于PLC是专为工业控制而设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用，并具有很强的可靠

37、性和抗干扰能力，易于装入机械设备内部，因而成为实现机电一体化十分理想的控制设备。3.2 PLC的组成与基本原理3.2.1 PLC的组成结构PLC本质上是一台用于控制的专用计算机，因此它与一般的控制机在结构上有很大的相似性。PLC的主要特点是与控制对象有更强的接口能力，也就是说，它的基本结构主要是围绕着适宜于过程控制的要求来进行设计的。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。主机中CPU是PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的

38、接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m。无论哪知结构类型的PLC，都可根据需要进行配置与组合。例如SIEMENS S7-224型PLC为整体式结构，通过主机连接I/O扩展单元，I/O点数可在24点到168点的范围内进行配置。组合式PLC则在I/O配置上更方便、更灵活11。图3-1为PLC的组成示意图。电源中央处

39、理单元（CPU）存储器EPROM(系统程序)RAM（用户程序）输入单元输出单元外设接口扩展口扩展单元编程器输入信号输出信号盒式打印机打印机EPROM写入器PLC或上位计算机图3-1 PLC组成示意图3.2.2 PLC的工作原理与其它计算机系统相同，PLC的CPU采用分时操作原理，每一时刻执行一个操作，随时间顺序执行各个操作。这种分时操作进程称为CPU对程序的扫描。PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按序号顺序排列。CPU从第一条指令开始，顺序逐条的执行用户程序，直到用户程序结束。然后返回第一条指令开始，新一轮扫描。除了执行用户程序外，在每次扫描过程中还要完成系统自检测，输入输出处理

40、，处理外设请求等工作。以上几个过程共同构成了PLC工作的一个工作周期。PLC按工作周期方式周而复始的循环工作。PLC上电后，首先进行初始化，然后进图循环工作过程，一次循环可归纳为五个工作阶段，如图3-2所示。各个阶段完成的任务如下：（1）公共处理。复位监控定时器（WDT），进行硬件检查、用户内存检查等。检查正常后，方可进行下面的操作。如果有异常情况，则根据错误的严重程度发出报警或停止PLC运行。（2）I/O刷新。输入刷新时，CPU从输入电路中读出各输入点状态，并将此状态写入输入映像寄存器中；输出刷新时候，将输出继电器的元件影响寄存器的状态传送到输出锁存电路，再经输出电路隔离和功率放大，驱动外部

41、负载。（3）执行用户程序。在程序执行阶段，CPU按先左后右，先上后下的顺序对每条指令进行解释、执行，CPU从输入映像寄存器和输出映像寄存器中读出各继电器的状态，根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算，运算结果再写入输出映像寄存器中。（4）外设端口服务。完成与外设端口连接的外围设备（如编程器）或通讯适配器的通信处理。3.2.3 PLC的主要功能和应用可编程控制器的设计思想是尽可能地利用当前先进的计算机技术去满足用户的需要，PLC与继电器接触器控制电路的一个本质区别就是除了必要的与外部物理世界的接口（即I/O点）外，其它的逻辑功能均在其内部实现。这些逻辑功能不仅可以取代，而且远远超过诸如中间继电器

42、、时间继电器等硬件逻辑所能达到的功能，从而为PLC在可靠性和便利性上形成特色奠定了基础12。PLC的主要功能：逻辑控制、定时控制、计数控制、步进（顺序）控制、PID控制、数据处理、通信和联网，还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如定位控制模块，CRT模块。电源接上（b）（a）外设端口服务执行用户程序I/O刷新公共处理初始化否是异常报警否I/O内部继电器清零；定时器复位；检查I/O单元连接程序结束？检查结果正常？检查硬件和用户程序存储器采样输入信号，刷新I/O数据，更新输出信号监控定时器复位逐条执行用户程序指令外设端口服务故障性质错误标志置位，故障灯亮初始化图3-2 PLC工作流程图

43、目前，国内外的PLC产品有几十个系列，上百个型号。各个种类PLC的容量、结构形式、性能、指令系统、编程方法、价格各不相同，适应的工作场合也有差异。因此，对于每一个准备使用PLC的用户来说，合理的选择PLC是非常重要的，它直接影响到所设计系统的性能与造价。PLC的选择包括机型、容量、I/O模块等几个方面的内容。（1）PLC机型的选择目前国内使用的PLC以国外产品居多。美国是PLC的发源地，以大中型机为主，功能完备，单机价格高，GE公司、MODICON公司、AB公司是其代表。日本的PLC以中小型机为主，价格便宜，典型代表为OMRON公司、三菱（MITSUBISHI）公司的产品。德国SIEMENS公

44、司的产品以可靠性高著称，其主要产品有S5、S7两个系列，包括了从大型机到小型机各个型号，在国内使用广泛。（2）选择容量。PLC的容量包括主机用户存储器的内存容量和I/O控制点数两个方面，选择时应留有适当的裕量做备用。 （3） 选择I/O模块。输入模块有直流24VDC和交流220VAC两种。输出模块有三种形式：继电器输出，晶体管输出和可控硅输出。晶体管输出模块只能带直流负载，是直流输出模块，用于高速小功率负载;可控硅输出模块是交流输出模块，只用于高速大功率负载；继电器输出模块是交直流输出模块，即可带直流也可带交流，因其有触点，故只能用于低速负载。上煤系统电控部分控制对象为接触器，属于交流低速负载

45、。据此选择原则可以选用合理便捷的PLC产品。本系统选用了SIMENS SIMATIC S7系列PLC组件。3.3 PLC在啤酒发酵中应用的可行性啤酒发酵过程控制是啤酒酿造过程的一个重要工艺控制环节，发酵过程控制得好坏直接影响到整罐啤酒的产品质量。旧式的啤酒发酵过程控制是用许多单回路的温度控制仪表控制每个发酵罐上的各点温度，根据温度变化情况去控制冷媒阀的开度，达到温度调节的目的。该过程控制因线路复杂，控制参数单一，故维护工作量大，且调节效果差，特别是在发酵罐数量多，体积大，系统滞后大的情况下更是如此。随着计算机控制技术的广泛应用，啤酒发酵过程也逐步开始应用计算机控制系统。PLC是一种具有很高可靠

46、性的控制装置，它与可编程调节器、DCS系统同被列为“不损坏仪表”。这不仅是由于它在硬件上采取了诸如隔离、滤波、屏蔽、接地等一系列抗干扰措施，在模板机箱进行了完善的电磁兼容性设计，对元器件进行了精心的挑选;而且更重要的是它采用了诸如数字滤波、指令复执、程序卷回、差错校验等一系列软件抗干扰措施及故障诊断技术，以及在系统一级的容余配置等；此外，PLC采用周期循环扫描方式工作，对输入输出集中进行处理。这种特殊的工作方式本身就具有抗干扰功能。在一个循环扫描周期T中，仅只有一小段时间集中进行I/O处理，也只有在这一小段集中I/O时间中的干扰才会被引入PLC内部，在扫描周期的其余大部分时间，干扰都被阻挡在P

47、LC之外。以上这些原因使PLC的可靠性更高。因此，PLC被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。PLC是以控制开关量起家的，它采用循环扫描方式，通过串行处理使其在逻辑上等效于并行处理的继电器逻辑控制系统，为了不丢失输入信号，要求循环扫描周期愈短愈好，这就使得在PLC中配置的处理器性能好，速度快。这些高性能处理器本身有很大的潜能，只要处理好不同性质的实时多任务的调度，在PLC中加入针对慢连续量的过程控制并不困难。而在大中型PLC中普遍采用了多微处理器结构进行多道处理，这使得PLC不仅速度快，而且可以独立各自处理不同问题，也可分解协调，共同处理非常复杂的问题。此外，PLC配置着大量内含CP

48、U的智能模板，有些专用于PID控制，有些用于运动控制，有些用于高速计数器，有些用于连网通信，它们采用模块结构，通过背板并行总线连成有机的整体。所有这些都使得PLC适合于各种规模的自动化系统13。正是由于PLC具有多种功能，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。3.4 本章小结本章介绍了西门子PLC的组成，并对其特点及基本原理做了深入分析，对PLC的基本功能做了介绍，由于PLC具

49、有多种功能，因此其在啤酒发酵中起着相当重要的作用。然后着重论述了PLC在啤酒发酵中应用的可行性。第4章 啤酒发酵温度PLC控制方案4.1 系统控制要求及功能4.1.1 啤酒发酵温度要求啤酒发酵期间，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（称发酵温度）、还原双乙酰温度和贮酒温度。啤酒发酵期罐压力设定为00.15Mpa。其各阶段转换条件及控制要求见表4-1所示。 表4-1 啤酒发酵各阶段状态表工作阶段名称进入条件控制要求时间（小时）温度冷媒阀门麦汁进罐启动麦汁进罐不需设定不需设定关闭所有满罐温度保持满罐后，由人工输入“开始”指令t010小时不需设定关闭所有主酵自然升温段t0结束

50、t1不需设定中段温度为参考点，自然升至Tl程序控制双乙酰还原阶段Tl12t2不需设定T1=12程序控制降温保温阶段化验决定，人工输入指令t3=100小时程序控制后酵保温阶段t3结束且T2=3t448小时T2=3程序控制第二降温阶段t4结束t572小时程序控制贮酒保温阶段t5结束且T3=1不需设定T3=1程序控制4.1.2 系统功能控制系统对发酵过程中温度、压力、液位、周期等工艺参数进行全方位检测控制。为了使罐内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，控制罐内酒液温度，使之形成自上而下的温度梯度。（1）对每个发酵罐的上、中、下3个测量点的温度进行检测，实现自动控制，罐内实行

51、压力检测。整个发酵过程的温度控制在不同发酵时期是不同的，根据主酵双己酰还原冷却酵母回收后贮的阶段，分别设定曲线进行控制，并采用PI、PID等控制方法，使系统控制精度符合工艺要求按啤酒发酵工艺要求，其中从12保温向3下降的转折点取决于酒液残糖量而不取决于发酵时间。（2）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，为了保证罐内压力在不同阶段的压力设定值，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。整个系统还设定了手动操作和自动控制选择开关，在任意阶段都能够实现两者间的切换，实现了温度、压力的手、自动选择控制。程序中有人工阶段选

52、择开关，可以在任意阶段间跳转，从而避免了因操作人员操作偶尔失误而无法实现后续程序正常运行的情况。 （3）上位计算机可以动态显示每个发酵罐的工艺流程，即温度、压力、进酒时间、酒龄及超限声光报警等，以便对发酵罐进行宏观管理，并具有阀门的开关状态显示，阀门的手自动控制，实时报表打印等功能。能监视每个发酵罐的温度、压力周期曲线，当累积酒龄达到时，自动出信号，以便人工确定是否执行下步操作。 4.1.3 PLC控制系统方案根据啤酒发酵工艺控制需求，充分考虑企业的综合实力、现状与发展等因素，设计PLC控制系统方案。通过对系统的整体分析，可以分析出来系统要提供21个开关量输入，16个开关量输出，五路模拟量的输

53、入，实现啤酒发酵各阶段温度控制。表4-2表明各类具体信号及性质分类。 表4-2 输入/输出节点统计表输入信号输出信号启动麦汁进罐手动方式麦汁进罐泵运行关闭麦汁进罐自动方式满罐温度保持指示满罐温度保持开上冷媒开关电磁阀主酵自然升温段指示主酵自然升温段开中冷媒开关电磁阀双乙酞还原阶段指示双乙酞还原阶段开下冷媒开关电磁阀降温保温阶段指示降温保温阶段关上冷媒开关电磁阀后酵保温阶段指示后酵保温阶段关中冷媒开关电磁阀第二降温阶段指示第二降温阶段关下冷媒开关电磁阀贮酒保温阶段指示贮酒保温阶段开发酵罐排气阀上冷媒开关电磁阀发酵罐上部温度关发酵罐排气阀中冷媒开关电磁阀发酵罐中部温度系统启动SB1下冷媒开关电磁阀

54、发酵罐下部温度系统急停SB2发酵罐排气阀发酵罐压力压力超限报警发酵罐液位温度超限报警自动运行状态首先，发酵工艺过程模拟量加温度、压力、液位以及各种阀门的状态，进人PLC。PLC可以根据工艺要求设定的程序自动完成模拟量和开关量的处理，通过控制算法，输出控制信号至执行机构，对阀门进行控制调节，从而完成发酵工艺过程的控制。同时，相关数据通过PLC的通信接口单元和上位机通信链路传至上位机和模拟屏；上位机及模拟屏相同的图形完成系统组态监控与动态处理。此外，为确保系统工作安全，系统设计了手动装置。在意外故障情况下，可以切换自动，进人手动状态，从而保证发酵工艺过程的正常运行。系统采用上下位机两级递阶结构。具

55、体结构见图4-1。图4-1 系统组成结构图4.2 系统硬件配置4.2.1 CPU的选型SIMATIC S7-200系列是西门子公司生产的小型可编程程序控制器14，结构小巧，可靠性高，运行速度快，有极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，配有功能丰富的扩展模块，性能价格比非常高，在各行各业中的应用迅速推广，在规模不太大的控制领域是较为理想的控制设备。从CPU模块的功能来看，SIMATIC S7-200系列小型可编程程序控制器发展至今，大致经历了两代。在由于第一带产品已经过时，在这里只讨论第二带产品。第二代产品其CPU模块为CPU22X，是21世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通信能力

56、。它具有四种不同结构配制的CPU单元：CPU221，CPU222，CPU224，CPU226，除CPU221之外，其他都可以加扩展模块。（1）CPU 221CPU221，输入输出点数只有10点，而且无扩展能力，具有高速计数器和高速脉冲输出端，CPU221多用于点数较少的开关量控制系统中。（2）CPU222CPU222，输入输出点数增为14点，具有扩展能力，最大扩展为78点数字量或10路模拟量的输入输出，存储容量也得到扩充，还新增了PID控制器。它的适应范围更广。（3）CPU224它在CPU222的基础上使主机上的输入输出点数增为24点，扩展能力增强，最大可扩展为168点数字量或35点模拟量的输

57、入输出，存储容量也进一步增加，还增加了高速计数器的数量，它具有较强的控制能力。（4）CPU226这种模块在CPU224的基础上功能又进一步增强，主机输入输出点数增为40点，具有扩展能力，最大扩展为248点数字量或35点模拟量，增加了通信口的数量，通信能力大大增强，它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。根据对整个系统的考察，啤酒发酵温度PLC控制系统的I/O点数及类型确定，可知PLC要提供21个开关量输入和15个开关量输出，5个模拟量输入，同时考虑到要留有20%30%的余量。通过比较S7200四种CPU的各种技术指标，选定CPU226为啤酒发酵温度PLC控制的控制器。S7-200CPU

58、主要的性能指标见表4-3。表4-3 S7-200CPU主要的性能指标特性CPU221CPU222CPU224CPU226外形尺寸80*80*6290*80*62120.5*80*62190*8.*62存储器用户程序2048字2048字4096字4096字用户数据1024字1024字2560字2560字用户存储器类型EEPROMEEPROMEEPROMEEPROM数据后备（超级电容）典型值50小时50小时50小时50小时输入输出本机I/O6入4出8入/6出14入/10出24入/16出扩展模块数量无2个模块7个模块72个模块数字量I/O映像区大小256256256256模拟量I/O映像区大小无16

59、如/16出32入/32出32入/32出指令系统33MHZ下布尔指令执行速度0.37us/指令0.37us/指令0.37us/指令0.37us/指令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映像寄存器128I和128Q128I和128Q128I和128Q128I和128Q内部通用继电器256256256256计数器/定时器256/256256/256256/256256/256写入/写出无16/1632/3232/32顺序控制继电器256256256256附加功能内置高速计数器4H/W（20KHZ）4H/W（20KHZ）6H/W（20KHZ）6H/W（20K

60、HZ）模块量调节电位器1122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（1255ms）2（1255ms）2（1255ms）2（1255ms）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0号口1号口PPI，DP/T自由口N/APPI，DP/T自由口N/A PPI，DP/T自由口N/APPI，DP/T

61、自由口（同0号口）4.2.2 模拟量扩展模块4.2.2.1 PLC对模拟量信号的PID控制方式用可编程控制器对模拟量进行PID控制时，可采用以下方式：（1）用PID过程控制模块：这种模块的PID控制程序是可编程控制器生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路，但是，这种模块价格昂贵，一般在大型的控制系统能中使用。（2）用PID功能指令：现在很多可编程控制器都有供PID控制用的功能指令，如S7-200的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序，与模拟量输入/输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效

62、果，但是价格便宜的多。可以用STEP7-Micro/WIN32编程软件中的“指令向导”简单快速的设置PID程序中的各种参数，设置完成后，指令向导自动生成PID程序。（3）用自编的程序实现PID闭环控制：有的可编程序控制器没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令，有时虽然可以使用PID控制指令，但是希望采用某种改进的PID控制算法15。在上述情况下都需要用户自己编制PID控制程序。本系统需对啤酒发酵过程中温度、压力、液位、周期等工艺参数进行全方位检测控制，选择S7-200PLC主机，扩展模拟量处理模块，利用PLC提供的PID编程功能模块，即可实现相应模拟量的闭环控制。在模拟量闭环过程控制领域内，扩展模拟量处理模块，如EM231、EM232、EM235，根据PLC提供的PID编程功能模块，只需设定好PID参数， 运行PID控制指令，就能求得输出控制值，实现模拟量闭环控制。4.2.2.2 模拟量扩展模块EM231模块提供了模拟量输入/输出的功能，优点如下：（1）最佳适应性：可适用于复杂的控制场合（2）直接与传感器和执行器相连，12 位的分辨率和多种输入/输出范围能够不用外加放大器而与