陈伟毕业设计啤酒发酵

闽南师范大学毕业论文（设计）基于PLC啤酒发酵自动控制系统设计The Design of Automatic Control System of BeerFermentation Based on PLC姓 名：陈伟学 号： 1105000529系另U：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：洪清辉2014年12月21日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；PLCAbstractBeer production is one of traditional industry in our country. With the development of civileconomy and the improvement of peoples living condition, beer industry has also been raimproved. Beer 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 of 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 and 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 control. 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 technology requirements.Keywords: beer fermentation; temperature control; 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23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4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ix1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 + 6O2 + 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 k4C2H5OH + 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0.5r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C冷媒阀门麦汁进罐启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=8C关闭主酵自然升温阶段t0结束t1不需设定自然升温至T2=12C关闭双乙酰还原阶 段温度至T2=12Ct2=72hT2=12C程序控制第一降温阶段t2结束t3=100hf T3-T2小T=*t +T2t3程序控制后酵保温阶段t3 结束，T3=3Ct4=48hT3=3C程序控制第二降温阶段t4结束t5=72hT 4 - T 3T =* t + T 315程序控制贮酒保温阶段t5 结束，T4=-1C不需设定T4=-1C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：温度/cT0-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8C，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，酒体密度发生变化，形成。02气体的搅拌作 用，使锥形罐内酒液由下向上流动。主发酵期，温度控制应以上部为主，上低下高以控 制上段温度为主，形成的温度梯度，三带温差在0.5C左右。罐底部酒液就会由罐中央向 上流动是由于其相对密度小，借助酒液底部C02上升力的拖动，加强了罐内酒液对流作 用，这样有利于酵母悬浮发酵，从而缩短主发酵期。当糖度达到工艺要求时，双乙酰还原 进入高峰，发酵液产生的热量相对减少，可适当开启下段冷带，关闭上段冷带，以减弱酒 液对流，利于酵母凝聚。进入该阶段后，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。如果此时距离装罐时间已大于4天， 发酵就可以进入降温阶段，降温阶段可分两次，此时把所有冷媒阀打开，使发酵液全速降 温。(3) 第一降温阶段发酵液双乙酰还原达标后即开始转入降温阶段，此时酒液发酵已基本结束，CO2生成 和放热趋于停止，原CO2上升拖力形成的自下而上对流减弱。根据啤酒最大密度温度计算 公式，酒液最大密度时温度约为3C。在降温至3C的过程中，控制酒液温度应上低下 高，使酒液密度上大下小，酒液沿罐壁形成自上而下的对流。(4) 3C保温阶段酒液降温至3C最高密度时将形成密度相同而温度不同的酒液，形成区域性对流，状 态紊乱，形成温度梯度，冷却套冷气传递达不到要求，酒液温度下降缓慢，通过冷气控 制下段温度低于中上段l2C，加大罐底控温强度，降低酒液密度，使对流方向变为自上 而下，打破温度梯度，满足温度控制要求。这样使罐中央酒液由上向下流动，便于酵母 沉降回收，利于酒液的澄清和CO2的溶解。(5) 第二降温阶段在3C保温过程结束后，发酵进入第二降温过程，在发酵温度降至0C过程中，刚开始 酒液是向下流动的，发酵温度缓慢降低，由于发酵更加缓慢地进行，罐内下部酒液的C02 密度高于中上部，引起对流作用而使酒液向上缓慢流动。此阶段的酒液对流由原来的向 下缓慢流动转为向上流动。因酒液温差变化较小，所以酒液流向很不规则，在30C降温 期，应控制酒液温度应上低下高，上下对流趋于平衡，罐壁形成自下而上对流，使酒液 均匀快速地降至0C。(6) 贮酒阶段在经降温阶段降至0C后，进入贮酒阶段，为缩小罐内酒液温差，温度控制应以上、中、 下三段均衡控温为主。在贮酒过程中罐内下段CO2的密度高于中上段，而下段酒液的密度 高于中、上段，同时存在自下而上和自上而下的对流，状态紊乱而不规则，避免长时间 深度冷却，应采用长时间小流量方式，温度控制精度要求在0.5C，控制酒液温度上高下 低，酒温保持在0C1C范围内，避免温度回升。这样可使酒液保持相对平稳状态，使 不规则对流趋于平衡，避免罐体的结冰。3啤酒发酵控制系统方案设计3.1啤酒发酵罐3.1. 1啤酒发酵设备概述发酵罐是啤酒生产的主要设备。发酵罐一般为圆柱锥底形状，在圆柱部分焊有两到三 段冷却夹套。整个罐体除罐顶装置和罐底的进出口以外，全部用绝热材料包裹起来，罐 内发酵液与外界的热交换量和发酵液产生的生化热相比较可忽略不计。发酵罐容量为 100 m 3。每个发酵罐的上、中、下需装设3个温度传感器，并且对3个测温点进行检测，罐内 压力通过电接点压力表检测，每个发酵罐上部、中部、下部各需要一个电动调节阀进行 冷媒控制，还需各装设一个电动截止阀用于手动对冷媒控制，罐内压力需要一个电动截 止阀进行排气控制。在发酵期间，一般是往附于罐壁上的冷却夹套内通入液氨水来吸收生化反应热，来 保持适宜的发酵温度，冷媒量通过调节冷媒阀来控制。啤酒发酵罐流程图如图3-1。、上部温度下部冷媒调节阀温度发酵罐液位温度C02上部冷却带中部冷却带下部冷却带冷媒出麦汁图3-1啤酒发酵罐流程图啤酒发酵罐的温控机理当啤酒的发酵温度高于工艺要求的温度时，通过啤酒罐壁的冷媒阀开启给啤酒降 温；当发酵温度低于工艺要求的温度时，关闭冷媒阀，则啤酒按工艺要求继续发酵，整个 发酵过程大约10多天完成。啤酒发酵罐控制对象具有时滞性、时变性。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 一双己酰还原-冷却 一酵母回收-后贮的阶段，分别设定曲线进行控制，使系统控制精度符合啤酒发酵工艺 要求。各阶段发酵罐冷却带使用及温控方法见表3-1。表3-1发酵罐各阶段冷却带使用及温控方法发酵阶段使用冷带温度梯度控制酒液对流方向主酵期上段或上、中段T T中T中丁下对流减弱第一降温期上段T T中T中丁下罐壁:下一上、中， 上一下第二降温期上段T T中T中丁下对流基本停止3.2啤酒发酵控制系统的设计功能PLC系统具有故障率低、可靠性高、接线简单、维护方便等诸多优点，PLC的控制功 能使啤酒发酵自动化程度大大提高，减轻了工人的劳动强度。PLC和传感器、电动调节 阀、电动截止阀配合使用，使系统控制可靠性大大提高，使啤酒生产率提高闵。为满足啤 酒发酵系统控制的要求，系统的具体设计要求如下：(1) 系统具有手动和自动两种工作模式，各阶段状态显示以及故障报警等功能。(2) 温度传感器将所测信号转换为标准量程的电压电流模拟量信号，模拟量再经特殊 模块转换为数字量输入？匚。，经PLC内部CPU程序处理输出控制冷媒电动调节阀，实现对 温度的自动控制囹。(3) 在自动方式下，当啤酒发酵罐内温度在正常范围内时，根据各阶段转换条件实现 自动化运行，当温度超过上限时，发出报警信号，可以切换到手动状态进行报警处理， 报警信号主要为灯光信号，报警处理完毕后，使系统回到初始化状态。(4) 手动状态。对发酵罐的各部位冷媒电动截止阀进行手动操作，但调节精度低，当 啤酒发酵罐自动方式下的报警时可切换到手动方式处理，手动状态是为确保系统工作安 全而设计的。3.3设计啤酒发酵控制系统结构框图发酵工艺过程有温度、压力、液位以及各种阀门的状态。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。选用一台PLC、电接点压力表和温度传感器、电 动调节阀、电动截止阀、功能模块等组成一个控制系统结构框图如图3-2。图3-2啤酒发酵控制系统结构框图4啤酒发酵控制系统硬件设计4.1 PLC型号的选定以及特殊模块的选型根据系统需要的I/O 口数及工艺控制等问题，本系统设计采用三菱的FX2N-32MR，具 有功能强大，处理速度快，容量大等优点，属于高性能小型机，系统I/O口总点数为32 点，输入、输出分别为16/16点。本系统特殊功能模拟量模块考虑到学校PLC实验室拥有的硬件设备选用FX0N-3A模 块，该模块具有A/D转换模块和D/A转换模块。通过控制系统中的传感器，将采集的模拟量 信号送入模拟量输入模块进行A/D转换，将连续的模拟量（010V、420mA）信号转换 成离散的数字量（0255），存储到PLC内存里，用户程序对转换后的信息进行处理并将处 理结果通过模拟量输出模块进行D/A转换为模拟量（010V、420mA）信号去驱动执行 元件6。4.2啤酒发酵曜附件设备选型设备所需仪表有Pt10 0温度传感器、电接点压力表、电动调节阀、电动截止阀7等。Pt10 0温度传感器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。Pt100温 度传感器输出信号与温度变量之间有一给定的连续函数关系(线性函数)，标准化输出信 号主要为05V和420mA的直流信号。采集温度范围：-200C+200C,工作温度范围：-40C+85C,综合精度：0.3 C,供电电源：+7.530V。YXC-100电接点压力表广泛应用于石油、化工、冶金、电站等工业部门或机电设备配 套中测量无爆炸危险的各种流体介质压力。压力表的指针和设定针上分别装有触头，通 过将上限和下限设定针设定后，当指针上的触头与上、下限设定针上的触头相连触时， 通过电气线路使指示灯发出报警信号的目的。公称直径：150mm，精度等级：1.5，测量范围：02.0Mpa，使用环境条件：温度-4070C，相对湿度85%工作电压：AC220V等。ZAZP电动调节阀通过接受010mA或420mA直流信号，对管道内流体的流量、压力 等工艺参数的连续调节，是通过控制调节阀开度来实现的。电动单座调节阀具有动作灵 敏、信号传输迅速等特点。广泛应用电力、冶金、化工等工业自动控制系统中。公称通径DN (mm) :200，额定流量系数kv : 450，公称压力PN (MPa) :4.0，输入信号:DC 420mA，供电电源:AC220V，环境温度范围：-20+200C。J941H-16电动截止阀是一种直通式截止阀。在启闭过程中密封面之间摩擦力小，耐磨, 开启高度小，制造工艺性能好等特点。J941H电动截止阀适用于石油、化工、电力行业等 各种管路上，能切断或接通管路介质。适用介质为：水、油品、蒸汽等。公称通径DN(mm)： 50-1000mm，压力范围：1.616.0MPa，适用温度：200 C，压力环境：常压，工作温度：-196C-650C，驱动方式：手动，类型（通道位置）：直通式。4.3啤酒发酵控制系统PLC外部I/O分配根据啤酒发酵控制的工艺流程，每个发酵罐需要有上温、中温、下温3个模拟量需要 测量，所以确定整个系统共有16个输入点，其中3个模拟量输入，17个输出点，3个模拟量 输出。啤酒发酵控制系统PLC外部I/O分配表4-1如下：表4-1 PLC I/O 口分配表序号输入端口外接设备功能序号输出端口外接设备功能1X01SB1系统启动开关17Y00KM1麦汁进罐泵2X02SB2玄幺玄刍伐18Y01指示灯HL1满灌保温指示系统总停开大3X03SB3启动麦汁进罐开关19Y02指示灯HL2主酵自然升温指示4X04SB4关闭麦汁进罐开关20Y03指示灯HL3主酵及双乙酰还原指示5X05SL1麦汁满灌液位限位开关21Y04指示灯HL4第一降温指示6X07SB5自动/手动切换开关22Y05指示灯HL5后酵保温指示7X10SA1上冷媒电动截止阀开关23Y06指示灯HL6第二降温指示8X11SA2中冷媒电动截止阀开关24Y07指示灯HL7贮酒保温指示9X12SA3下冷媒电动截止阀开关25Y10KM2上冷媒电动截止 阀10X13SQ1电接点压力表上限位开关26Y11KM3中冷媒电动截止阀11X14SQ2电接点压力表下限位开关27Y12KM4下冷媒电动截止 阀12X15SB6双乙酰检测完毕断开开关28Y13KM5发酵罐排气电动截止阀续表13X16FR热继电器29Y14报警指示灯HL8温度超限报警14CH1发酵罐上部温度30Y15指示灯HL9双乙酰检测提醒15CH2发酵罐中部温度31CH1输出控制上部冷媒电动调节阀16CH3发酵罐下部温度32CH2输出控制中部冷媒电动调节阀33CH3输出控制下部冷媒电动调节阀4.4啤酒发酵控制系统PLC外部接线图啤酒发酵控制系统PLC外部接线图如图4-1所示。系统启动系统急停 启动麦汗进瞌 关闭麦汗进撬SE1SE2SE3SE4麦1一液.位诚位升玄 W自动=动选择升关由上冷媒电动截止冏开美 冷媒电动截止阀升关 冷媒电动截止阀升美SA3石电接点压力表上艰位升电接点压力表=娘位升3双乙院检删囹开开关飞画15FR上部温度传感器中部温度传感器下部温度传感器XIYOX2X3Y1X4Y2X5Y：iX7Y4XLOY5XUY6XL2Y7XL3W4 FX2N-32MRXL5Y10YL1xieY12Y13Y14 .COMYlb .COM1COM4VINVOUTFX0N-3A ( L)COMCOMVINVOUTFX0N-3A (2)COMCOMVINVOUT ,FX0N-3A (3)COMCOMH1H2H23HuuA URF_rJ 1 2 3 4 5 6 7 2 3 LJ麦汁迸握芸满罐保温指云灯 自然升温段指示灯 .酵及双乙酰还原指示灯 第一降温指乒灯 后酵保温指云灯 第二降温指示灯 贮酒保温指乒灯上冷媒电动截止阀FU 3AC220VO上冷媒电动调节阀中冷媒电动调节阀下冷媒电动调节阀图4-1啤酒发酵控制系统PLC外部接线图5.1啤酒发酵系统总流程图设计啤酒发酵总流程图包括控制系统的启动与停止，模拟量信号采集，手动自动切换、 温度超限报警以及压力调节等。整个发酵温度控制过程根据不同发酵时期的不同转换条 件，调用相关子程序，根据设定好的曲线，完成满罐保温一自然升温-主发酵-第一降 温阶段-后发酵保温-第二降温阶段-贮酒保温阶段的温度控制。图5-1为啤酒发酵控制5.2啤酒发酵系统子程序流程图设计根据前面啤酒发酵工艺流程的介绍，设计实现啤酒发酵温度自动控制的满罐保温阶 段、自然升温及主发酵阶段、第一降温阶段、后酵保温阶段、第二降温阶段、贮酒保温 阶段、故障报警等基本的系统子程序流程图。其中啤酒发酵温度控制主要以PID闭环控制 系统为主。啤酒发酵罐温度闭环控制系统框图如图5-2。图5-2啤酒发酵罐温度闭环控制系统框图根据发酵工艺的要求，设计出发酵温度、时间曲线，使系统自动根据不同阶段的温 度设定值进行调节。首先对系统的各子程序执行，各阶段对应的标准温度值通过进入各 阶段程序设定得出，比较实际温度值和标准温度值，经过比较后如果结果相等则再次回 到主程序入口，对下一轮的实际值和标准值进行比较，经过比较后结果不相等则系统由 内部CPU运算执行相应的PID指令，调节冷媒阀开度，从而对温度进行调节。（1）满罐保温阶段子程序进入满罐保温阶段后，通过设定发酵控制温度T=8C，利用PID温度闭环控制使发酵 罐里的发酵液稳定，利于酵母加快繁殖速度，进而影响到发酵周期的长短。满罐保温阶 段子程序流程图如图5-3。来自压力表自动调压启动麦汁进鲤，温度PID数字运算1rPID输出】电动调3宙制冷媒阀升度图E啤酒发酵满罐保温子程序流程图(2 )自然升温阶段子程序、丁,此阶段需控制发酵罐的冷媒阀关闭，使发酵罐温度迅速升温到12 C,缩短发酵周期。自然升温阶段子程序流程图如图5-4。肝皇宝(3)主发酵阶段子程序 到温度超限判断满罐保温一段时间后经过自然升温进入主酵阶段。由于发酵是放热反应，温度升 高，产生大量的CO2,使发酵液产生强大的对流。在控制过程中应设定发酵罐上T中T 下T,通过PLC程序里设计的PID程序执行，相应地对上、中、下冷媒电动调节阀进行调 节控制，同时还需每隔一段时间对双乙酰浓度检测，检测双乙酰浓度达标后方可进入下 一阶段。主发酵阶段子程序流程图如图5-5。来自温度超限判断温度PID运算PID输出控制冷媒电动调节阀开度乙酰达标?图5弱第一降温阶段子程序流程图 酵阶段子程序流程图(4) 第一降温阶段子程序主发酵及双乙酰还原阶段完成后进入第一降温阶段，此时酒液发酵已基本结束，CO2 上升拖力形成的酒液对流减弱，降温过程中度骚控温断采用PID闭环控温系统利于实现 发酵罐酒液的对流趋于平衡，方便高效。第一降温阶段子程序流程图如图5-6。来自温度超限判断(5) 后酵保温阶段子程序当第一降温过程温度达到设定值且设定时间到，进入后酵保温阶段，此阶段应控制 发酵罐下部温度为主，利于酵母沉降回收，同时利用PID实现对温度的控制。后酵保温阶 段子程序流程图如图5-7。来自第一降温温度PID运算图5-7后发酵保温阶段子程序流程图(6) 第二降温阶段子程序后酵保温阶段时间到后进入第二降温阶段。第二降温阶段子程序流程图如图5-8。来自后酵保温阶段温度PID运算PID输出控制冷媒电动调节阀开度图5-8第二降温阶段子程序流程图(6)贮酒保温阶段子程序第二降温阶段完成后，进入贮酒保温阶段，此阶段应控制发酵罐下部温度为主，用 PID实现均衡控温，控制酒液保持相对平稳状态，避免长时间深度冷却，防止罐体局部结 冰。贮酒保温阶段子程序流程图如图5-9。来自第二到初始化图5-9贮酒保温阶段子程序流程图(7) 手动控制子程序对发酵罐的各部位进行手动操作只能控制冷媒阀，排气阀开和关两种状态，对冷媒 阀的开度不可调，且控制不稳定。主要用于调试阶段和处理异常情况。手动控制子程序 流程图如图5-10。来自是否自动手动控制上部冷媒截止阀手动控制中部冷媒截止阀手动控制下部冷媒截止阀图号却手动控制子程序流程(8) 故障报警处理子程序T当啤酒发酵罐自动方式下出现温度超限时，进行报警处理，切换到手动方式处理，便 于快速处理故障情况，手动控制处理也是为确保系统工作安全而设计的。故障报警处理子 程序流程图如图5-11。来自温度超限判断手动控制压力表调压手动控制上部冷媒截止阀手动控制中部冷媒截止阀手动控制下部冷媒截止阀图5-11故障报警处理子程序流程图5.3模拟量信号采集处理程-一茉统停止运行通过选取的FX0N-3A特殊功能模取将读取的发酵罐上部温度、中部温度、下部温度 模拟信号转换成数字信号，经PLC内部的CpU执行程序后输出数字量转换为模拟量控制冷 媒电动调节阀。模拟量模块采集信号程序娇图2所示。M8000K0K17H0K1K0K0K0K0K0K1K1K1K17K0K16K17K17K17K17K0H2K1D100D106H0H4H0H2D101K1K1K1K1K1K1K1(TOKIK17HOE1 1(TOKIK17H4E1 1(TOK2K17HOE1 1(TOK2K17H2E1 1FROMK2KOD102E1 1(TOK2K16D108E1 1(TOK2K17HOE1 1 采集信号程序KITH4 K1 )5.4 PID控制器的参数整定方法及响应曲线PID是闭环控制系统中比例-积分-微分控制算法，根据设定值与被控对象实际值的差 值，按PID方式计算出控制输出量，使反馈跟随设定值变化，因此PID控制是负反馈闭环 控制。其中比例项是增益与偏差的乘积，积分项与偏差的和成正比，而微分项与偏差的 变化成正比罔。发酵罐温度模型是大时性，一阶纯滞后或二阶纯滞后系统。通常PID参数整定方法如下：(1) 采样周期Ts 一般等于PLC的扫描周期或扫描周期的整数倍；(2) 输入滤波系数a 一般选取50%；(3) 在比例控制的过程中，将比例Kp置较大的值，再逐步减小以得到满意的曲线。(4) 在比例积分控制的过程中，将步骤(3)中的Kp减小为原来的5080%，再将Ti置一 个较大值，观测响应曲线。然后减小，反复试凑至较满意的响应曲线，确定比例积分的 参数。(5) 在进行PID控制的过程中，首先将Kd置零，满意曲线的获得是通过调比例积分控 制方法实现的，再把比例Kp进行调节，调节到比原值小(1020) %位置，之后再对Ti进行 减小，再增加Td，调节到所需要的满意的曲线出现为止。啤酒发酵罐温度模型主要是控制其降温过程，是使温度反馈值降温达到设定值的过 程如图5-13，以及整定好的阶跃响应曲线如图5-14。T/r温度/T12Kp=2. 0, Ti=8. 0s,Td=0s10t/h图5-13发酵罐温度模型降温过程图5-14啤酒发酵罐控制温度阶跃响应曲线6程序调试与总结实验室现场调试主要是根据各种应用环境可能出现的情况对PLC程序进行调试，检查 它是否与预期设计目标相符合。我们把实验室现场调试分为两部分：硬件功能性调试与 系统软件调试。6.1硬件功能调试检测?匚。硬件是否可以正常工作：(1) 万用表检测电路接通是否可以实现，保证电路的接线是正确的；(2) 检查FX系列PLC的I/O模块，通信模块，功能模块和电源模块是否完好，电源接线 是否正确；(3) 对PLC各所需模拟模块进行检测，看模块是否正常，指示灯和按键有没有失灵。当上述步骤调试都可以时，可以进行总体的调试。6.2系统软件调试在开始调试PLC系统程序时，要先把PLC的开关拨到停止；把写好的程序输入到电脑 中，下载完以后，把PLC拨到开始,打开软件监控，即可以在线进行调试。由于没有温度 传感器，可以用普通开关取代进行模拟，设定3个主要参数，用户的程序一般先在试验室 进行调试。一般不用接PLC实际的负载,PLC的发光二极管来显示各输出量的通断状态。各种可能发生的状况在调试时应都需要充分考虑，整个流程图中的每一条支路，都 不能遗漏，认真排查。为了节省调试时间，当程序中的计数器或定时器的设定的数值过 大，可以适当减小设置数值，调试结束后将实际值写入即可。测试时先从各功能单元入 手，测试完成各功能单元后，将全部程序连通，对各部分的接口情况测试进行，直到调 试成功。6.3现场调试在系统其它硬件安装和接线工作才可进行现场调试线路接通正确，各个模块均可正 常运行时，进行下面检测：手动状态，能否正常对电动截止阀进行开关控制，指示灯是否显示；自动状态，传感器检测相应的模拟量，输送相应的标准电压信号，A/D转换模块是否 可以将其转换为相对应的数字量。现场调试观察各个输入量的变化的时候还要将PLC与现场信号隔离，为了防止事故发 生也可以对输入输出模板的外部电源进行切断。7.结论本文主要介绍了用PLC控制的发酵罐自动控制系统，首先我们分析了目前啤酒发酵实 际背景和意义，通过了解啤酒发酵工艺流程确定了整体的设计方案和系统结构框图设 计，其次，对系统PLC选型，然后进行系统的硬件设计，包括特殊功能模块的选型、电接 点压力表和传感器的选型、输入输出端口的配置以及外部接线图的描绘等，最后画出系 统的流程图和程序设计，再把写好的程序在PLC实验台上进行调试，并且调试成功。根据 本控制系统在PLC上的调试结果与理论结果相比较，本设计可以实现发酵罐全过程的自动 手动控制，利用闭环控制系统可使冷媒调节阀放冷气使温度保持恒定，利用PLC把发酵罐 作为对象来设计，系统具有简单、可靠、高效、易于维护、实用性强且成本底、性价比 高等优点。参考文献1 张兰威.发酵食品原理与技术M.北京：科学出版社，2014： 147-151.2 周广田.现代啤酒工艺技术M.北京：化学工业出版社，2007: 174-182.3 徐国林.PLC应用技术M.北京：机械工业出版社，2007： 21-90.4 郑凤翼.PLC程序设计方法与技巧（三菱系列）M.北京：机械工业出版社，2014： 124-175.5 廖常初.FX系列PLC编程及应用M.北京:机械工业出版社，2012： 11-20.6 吴启红.可编程控制系统设计技术（FX系列）M.北京：机械工业出版社，2012： 333-345.7 陈建明，等.电气控制与PLC应用M.北京：电子工业出版社，2006： 49-67.8 廖常初.FX系列PLC编程及应用M.北京：机械工业出版社，2005： 190-208.附录KOKOKOKOKOKOKIKIKIKIKIKIK2K2K2K2K2K2KOO1K002K016163pJ4-KITHOKIK17H2KIKOD1OOKIK16D106KIK17HOKIK17H4KIK17HOKIK17H2KIKOD1O1KIK16D107KIKITHOKIKITH4KIKITHOKIKITH2KIKOD102KIK16D108KIKITHOKIKITH4KI0)1)1)1)221piovK130D103piovK130D104piovK130D105(YOOlM20K600(COK20(TOS22M8014T FcoM HTOCO逾 T I1 H252 STL S22253 21002 STCO(ZRST D106D108M50262 | |-265 266 SETSTLK132K133K133S23S23D103D104D105312C2n315316K120K20K36| MSPY015SET(STLK126S24S24D103piovK127D1O4piO7K127D105YOO4(RSTC2M8014M HT2C334 |1 |-349 SET(STL350(MOVK127K127K126M8014T FC4T3C438 |1 384 385 (MOVK60003K20T2S25S25D103D104D105N25(Y005K2880C4K20T3RST C3SETS26(STL S26K125K124K124D103D104D105N261111)1)1414Y006ST C4 M8014K4320I IC5)C5K20I IT4)T4C5 | |SET S27418 STL S27419piovK124D103piovK124D104piovK124D105449 27 007M8014K6000T I登C6K20T ITSST C5T5C6 |1 |S28453K007454 | |K003M2K002馈 t I拌AL TPRETM2522M24_| |=D102K135M2 5_| |(D100K135-D102K135 15M2 6T 1M2 7M15_| | OV K1OOO D300KOD301K50D302K20D303K8000D304)1)KOD306(PIDD103D100D300D106(PIDD104D101D300D107(PIDD105D102D300D108)580M21D100K1331 50D101K133D102K133；598 ND致谢在毕业设计过程中，得到洪老师的悉心指导。特别是在课题的设计过程中，对论文 的技术问题，导师都花费了大量的心血，付出了大量的劳动，并一直给予我无微不全的 指导与多方面的帮助，使我的知识、能力等各方面都有了很大的进步，在此，谨向导师 表示最衷心的感谢！在课题进行期间，学院为我们提供了良好的学习和设计环境。在课 题的研究和进展中，同组同学也给予了很大的帮助，这里也一同表示感谢！由于时间和 知识水平所限，论文中还可能会有许多纰漏或错误之处，恳请各位老师和同学批评指 正。