【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 1 1 第一章 緒論 課題背景 在 鞏固和提高我國經(jīng)濟體制的同時，特別是加入了國際世貿(mào)組織以后，中國啤酒行業(yè)正逐步融入世界啤酒業(yè)，由于外國啤酒進駐中國市場 ， 中國啤酒行業(yè)已經(jīng)進入了競爭激烈的成熟過渡期，重新整合擴張，這種“一體化”的擴張方式在一些大中型企業(yè)是尤其明顯的 。上世紀 90 年代，青島啤酒經(jīng)營了多種運營模式，在中國大部分省市自治區(qū)成立了 50 多家啤酒自動化生產(chǎn)基地，已經(jīng)初步完成了全國化的戰(zhàn)略布局。 因為啤酒生產(chǎn)內(nèi)部競爭激烈，外部也和同類酒類產(chǎn)品的競爭越來越激烈，有很大一部分啤酒廠倒閉或相互合并，啤酒生產(chǎn)企 業(yè)數(shù)量急劇下降。還有一部分生存下來的企業(yè)，逐步重視對產(chǎn)品質(zhì)量、口味、工藝，加大科技研發(fā)力度，自動化專業(yè)化設(shè)備得到全新的改變，新的包裝設(shè)備和先進的宣傳理念如雨后春筍般在市場上出現(xiàn)，整個啤酒行業(yè)更加良性的在市場中互相競爭，啤酒開始向著工業(yè)化、規(guī)模化生產(chǎn)，國內(nèi)的大部分啤酒生產(chǎn)企業(yè)逐步的向大型化、集團化發(fā)展，與國際之間的交流越來越頻繁。 現(xiàn)如今，人們的生活水平有了顯著的提高，老百姓對啤酒的需求量急速上升，這一需求給生產(chǎn)制造商提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，尤其是在各個廠家良性競爭的前提下，更是對啤酒的生產(chǎn)有了更嚴格的要求，如何在 保證質(zhì)量的前提下高效的生產(chǎn)出大批量的啤酒是現(xiàn)在每個廠家所必須解決的問題。 正是因為 PLC 的強大功能，給啤酒的自動化生產(chǎn)帶來了福音。啤酒生產(chǎn)所需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)比較繁瑣，比如溫度、壓力、濃度、渾濁程度等都有很嚴格的要求，而 PLC 在這些方面都有自己的獨特之處，能夠很自如的對這些模擬量進行時時監(jiān)控，從而解決了大量的剩余勞動力，而對 PLC 自動化啤酒生產(chǎn)線程序的調(diào)試優(yōu)化更是尤其重要。 本次設(shè)計就是對現(xiàn)有的和利時 PLC 啤酒自動化生產(chǎn)線進行軟、硬件的調(diào)試，通過現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集對啤酒生產(chǎn)線釀造部分進行程序優(yōu)化，最終得出與之對應(yīng)的 研究結(jié)論。 課題內(nèi)容 （ 1）啤酒自動化生產(chǎn)釀造工藝流程 通過查閱相關(guān)資料，對現(xiàn)有的啤酒自動化生產(chǎn)工藝有一個基本的了解，尤其是對啤酒釀造工藝的熟悉，從而對本課題有一個更深入的理解。 （ 2）根據(jù)現(xiàn)場實際需要設(shè)計適當(dāng)?shù)目刂品椒? 根據(jù)現(xiàn)場以及工藝流程的實際需要，編寫控制程序并對控制程序進行相應(yīng)的優(yōu)化，以及對優(yōu)化后的程序進行現(xiàn)場測試。 （ 3）通過組態(tài)軟件做出現(xiàn)場的動態(tài)監(jiān)控圖 一個合格的生產(chǎn)流水線離不開對設(shè)備生產(chǎn)過程本科畢業(yè)設(shè)計說明書 2 2 的監(jiān)控，不僅是從安全的角度出發(fā)，更要考慮到設(shè)備損壞及時維修及其包養(yǎng)，因此本課題設(shè)計 了組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于 HollyView 的一款組態(tài)軟件。 （ 4）控制面板觸摸屏的設(shè)計 對控制面板觸摸屏的設(shè)計是為了能夠更簡便控制現(xiàn)場設(shè)備，同時也起到對現(xiàn)場的監(jiān)控作用，與組態(tài)監(jiān)控界面起到雙重監(jiān)控的作用，使得生產(chǎn)的安全性以及流暢性有了保障。因此本課題設(shè)計了觸摸屏操控系統(tǒng)，方便對現(xiàn)場設(shè)備的控制，同時也能夠起到監(jiān)控的作用。 （ 5）對總體程序以及監(jiān)控進行可行性分析 根據(jù)實際的數(shù)據(jù)結(jié)果，對程序以及組態(tài)監(jiān)控方面進行可行性分析，并對整體進行優(yōu)化，對優(yōu)化后的系統(tǒng)能否正常運行做出整體性的規(guī)劃。 課題目的 本課題通過和利時 PLC 對啤酒自動化生產(chǎn)線釀造部分各個工序段進行自動化控制，從而節(jié)省了大量的勞動力，與此同時能夠很大程度的提高生產(chǎn)效率，對于產(chǎn)品的市場競爭有很大的技術(shù)支持，同時對于現(xiàn)有的啤酒自動化生產(chǎn)線進行系統(tǒng)優(yōu)化，從而對設(shè)備的升級進行有效的數(shù)據(jù)采集，對自動化控制的發(fā)展有更好的推進作用。 課題意義 啤酒自動化生產(chǎn)線運用自動化控制技術(shù)，運用 PLC 強大的控制功能達到自動化控制的目的，這其實是工業(yè)生產(chǎn)的一個縮影，正是因為有了這種系統(tǒng)的優(yōu)化研究，才能更好的使自動化控制技術(shù)得以有力的發(fā)展，才能大大提高工業(yè)生 產(chǎn)的生產(chǎn)效率。 現(xiàn)如今自動化控制技術(shù)在日常生產(chǎn)中應(yīng)用尤其廣泛，它不僅是工業(yè)生產(chǎn)的一次重要升級和改革，同時也為工業(yè)自動化生產(chǎn)帶來了春天，把工業(yè)生產(chǎn)引領(lǐng)到了一個全新的領(lǐng)域，自動化控制技術(shù)不僅節(jié)省了人為勞動力，生產(chǎn)成本也大大的降低，給生產(chǎn)商帶來了福音。在中國不斷發(fā)展的今天，自動化控制技術(shù)在中國的工業(yè)發(fā)展史上也發(fā)揮了極大的作用。 本次課題是基于實驗室研究自動化控制技術(shù)的課題，研究本課題對以后的實際應(yīng)用教學(xué)有著很強的現(xiàn)實意義，能夠更清楚直接的叫同學(xué)們了解自動化控制技術(shù)在現(xiàn)實生產(chǎn)當(dāng)中是如何應(yīng)用的，同時本課題也為后期自動 化專業(yè)的教學(xué)及研究奠定了必要的基礎(chǔ)，能夠從理論結(jié)合實際的角度出發(fā)，更加全面的為學(xué)生講解自動化控制技術(shù)在實際生產(chǎn)當(dāng)中是充當(dāng)一個怎樣的角色。同時，還有最重要的一點就是為以后啤酒生產(chǎn)線的進一步研發(fā)提供了一個很好的實驗平臺，能夠更加全面的鍛煉學(xué)生實際動手操作的能力。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 3 3 第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 釀造部分的總體結(jié)構(gòu) 釀酒工藝的基本流程：麥芽粉碎機→糖化鍋→過濾罐→煮沸鍋→沉淀池→冷卻鍋→發(fā)酵罐→清酒罐→灌裝機，如圖 。 圖 Fig. Brewing process flow diagram 釀造部分主要包括三個部分，各類硬件設(shè)備（如液體反應(yīng)罐、各種儀器儀表、電機、電磁閥等等）、 PLC 控制柜（主要包括 PLC、空氣開關(guān)、繼電器、電源模塊、觸摸屏等）以及工控臺（由一臺個人計算機組成，通過個人計算機控制 PLC 控制現(xiàn)場設(shè)備）。 釀造部分每一個反應(yīng)罐都有著自己的作用，每個工段都有著各自的所需要控制采集的數(shù)據(jù)，正是每個工段有序的工作，使得整個釀造部分有序的生產(chǎn)。 釀造部分基本設(shè)計步驟 根據(jù)啤酒釀造的工藝流程， 將各個反應(yīng)罐按照相應(yīng)的順序進行排列組裝在一起，每個反應(yīng)罐直接由管道以及電氣元件連接在一起（如液體流通管道、入水管、出水管、入口泵、出口泵、電磁閥、流量計、溫度表、壓力表等等）； PLC 控制柜分為五個部分，分別控制公共系本科畢業(yè)設(shè)計說明書 4 4 統(tǒng)工段、糖化工段、煮沸工段、發(fā)酵工段、清酒工段五個工段，通過對過程中變量的控制，從而使釀造部分嚴格的按照釀酒工藝運行，實現(xiàn)了自動化控制在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用。 在釀造過程當(dāng)中需要控制很多的變量，如何控制好這些變量才是本次課題設(shè)計的主要任務(wù)。溫度、壓力、攪拌電機的轉(zhuǎn)速等等都是啤酒工藝生產(chǎn)上重要的參數(shù)， 如何運用現(xiàn)如今的科技手段隨意自如的控制這些變量都是此次課題的重重之種，有了這些控制變量，對程序進行編寫，使得這些控制變量能夠隨意的去設(shè)定，通過科技手段進行監(jiān)測，從而使得啤酒自動化生產(chǎn)釀造工段更好的進行，也要根據(jù)實際的生產(chǎn)進行相應(yīng)的優(yōu)化，對系統(tǒng)進行升級。 釀造部分需要控制的對象 釀造部分由于釀酒工藝的要求，需要對反應(yīng)罐內(nèi)一些變量進行控制以及監(jiān)測，這就需要 PLC 去控制這些變量，釀造部分所需要控制的變量有： （ 1）溫度 釀酒工藝中對液體溫度的控制是非常嚴格的，因此對溫度控制以及溫度變化的監(jiān)測采集是自動 化控制的一大重要反饋數(shù)據(jù)。 （ 2）壓力 反應(yīng)灌內(nèi)的壓強大小也是釀造部分所需要重點監(jiān)控的對象。 （ 3）電機轉(zhuǎn)速 有些部分反應(yīng)罐內(nèi)的液體是需要加熱的，但是這就涉及到一個受熱是否均勻的問題，與此同時需要攪拌電機來使反應(yīng)罐內(nèi)的液體受熱更加均勻， PLC 通過控制變頻器的數(shù)值大小來控制攪拌電機攪拌的快于慢。 （ 4）入口泵、出口泵啟停 由于各個反應(yīng)罐都是處于同一水平面，當(dāng)完成當(dāng)前釀酒步驟，需要將當(dāng)前反映灌內(nèi)的液體轉(zhuǎn)移到下一個流程就需要入口泵以及出口泵的協(xié)助，使得液體更快速的轉(zhuǎn)移。 （ 5）流量 釀酒工藝還需要很好的控 制監(jiān)測液體流量的大小，進而達到釀酒工藝的各種需求。 （ 6）電磁閥、電動調(diào)節(jié)閥 對液體的流動啟停進行控制，節(jié)省了人為的勞動時間。 釀造部分的主要結(jié)構(gòu) 公共系統(tǒng)工段 公共系統(tǒng)工段主要由凈水罐、熱水罐、堿液罐、入口泵、出口泵、制冷壓縮機、冷水罐組成。熱水罐與冷水罐組成 CIP 系統(tǒng)，為整個釀造過程提供清潔無菌的衛(wèi)生環(huán)境，避免后續(xù)釀造過程中染菌。冷水泵、制冷機、冰水罐組成制冷系統(tǒng)為后續(xù)釀造發(fā)酵提供適宜溫度，提高發(fā)酵率。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 5 5 糖化工段 糖化工段主要是由糖化鍋和過濾槽組成。糖化鍋是麥芽淀粉及蛋白 質(zhì)的分解的容器，并與已糊化的麥牙粉溶液混合，維持溶液在一定的溫度，使溶液開始淀粉糖化，從而制出麥汁。麥汁經(jīng)過過濾槽過濾，麥芽汁與麥糟分開，得到清涼爽口的麥芽汁。 煮沸工段 煮沸工段主要由煮沸鍋和回旋槽組成。過濾后麥汁經(jīng)由煮沸鍋煮沸，在煮沸的過程當(dāng)中加入酒花賜予啤酒爽口的苦香味和特有的清爽味。在麥汁達到一定的濃度后，麥汁被泵入回旋槽進行熱凝固物的回旋沉淀和分離。 發(fā)酵工段 發(fā)酵工段主要由換熱器、發(fā)酵罐組成?；匦恋砗蟮柠溨?jīng)過板式換熱器調(diào)整為適宜的發(fā)酵溫度，在經(jīng)過沖氧，添加啤酒酵母的工 序，最終進入發(fā)酵罐進行麥芽發(fā)酵，啤酒酵母將可發(fā)酵性糖和氨基酸等分解成酒精。 清酒工段 清酒工段主要由過濾機和清酒罐組成。經(jīng)過發(fā)酵而成熟的啤酒在過濾機中將剩余的酵母和不溶解性蛋白濾除，使酒液成色更加透亮。經(jīng)過過濾后的啤酒由出口泵泵入清酒罐，最終啤酒在制冷壓縮機的作用下低溫保存在清酒罐。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 6 6 第三章 釀造部分硬件結(jié)構(gòu) 現(xiàn)場設(shè)備組成 液體反應(yīng)罐 液體反應(yīng)罐（如圖 ）由鍋體、鍋蓋、攪拌電機、夾套、支承桿及傳動裝置組成，液體反應(yīng)罐的材質(zhì)以及開孔具體位置可按照現(xiàn)場的實際情況進行定做。液 體反應(yīng)罐有許多種不同的加熱形式，比如電加熱器加熱、油體加熱、氣體加熱、水加熱以及冷卻等等；上面的夾套也有多種不同樣式供用戶選擇；攪拌的形式同樣也有不同的選擇，比如船槳式、拋錨式、框架式等等；高轉(zhuǎn)速類也有許多樣式供用戶選擇，以便應(yīng)付不同的生產(chǎn)工藝；傳動裝置大體分為普通電機、伺服電機、電磁調(diào)速電機幾種。 圖 Fig. Liquid reaction tank 交流電機 交流電機 （如圖 ） 能夠?qū)崿F(xiàn)機械能與交流電能互相轉(zhuǎn)換。由于交流電力系統(tǒng)大力發(fā)展，交流電機逐漸成為自動化 工業(yè)生產(chǎn)的寵兒。交流電機與 直流電機 相比，交流電機因為沒有 換向器 ，它具有整體結(jié)構(gòu)簡單、制造相對容易、耐久度高，較為容易做成高轉(zhuǎn)速、高電壓、大電流、大容量電機。交流電機 功率 所涵蓋的范圍是相對比較大的，幾瓦到幾萬千瓦，甚至本科畢業(yè)設(shè)計說明書 7 7 能夠達到上百萬千瓦。 本次課題選用交流電機用于對反應(yīng)罐液體的攪拌，由于交流電機的上述特點，故選擇交流電機用于對反應(yīng)罐內(nèi)液體的攪拌。 圖 Fig. Alternating current dynamo 耐腐蝕離心泵 由于本次設(shè)計有液體之間的傳輸，因此需要抽水泵來實現(xiàn)告訴液體傳輸，因為兩個反應(yīng)罐之間的液位是沒有明顯差距，因此需要入水泵以及出水泵來實現(xiàn)傳輸；更重要的是本次課題傳輸?shù)氖且后w，考慮到耐久性以及耐腐蝕性的問題，故選擇耐腐蝕離心泵來作為本次課題的入水泵以及出水泵，通過選擇耐腐蝕性離心泵能夠很好的解決耐久性以及耐腐蝕性這一問題。 圖 Fig. Corrosion resisting centrifugal pump 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 8 8 電磁閥、電動調(diào)節(jié)閥 電磁閥（如圖 ）是用電磁控制的自動化工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，是用來控制液體流動的自動化基礎(chǔ)元件。在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中用于調(diào)整被控對象的流動方向、流量、速度以及其他 可控參數(shù)。電磁閥能夠作用于不同的控制電路來實現(xiàn)預(yù)期的目標，而且在精度與靈活度方面都具有可靠性。電磁閥種類有很多種，不同的電磁閥在自動化控制系統(tǒng)中有不同的功能，自動化控制系統(tǒng)經(jīng)常用到的是單向閥、安全閥、方向控制閥、速度調(diào)節(jié)閥等等。 電動調(diào)節(jié)閥 （如圖 ） 是工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中的重要執(zhí)行儀表。電動調(diào)節(jié)閥與傳統(tǒng)的氣動調(diào)節(jié)閥相比有相當(dāng)大的優(yōu)勢：電動調(diào)節(jié)閥相對節(jié)能（僅僅在工作時消耗電能），安全環(huán)保（無碳雜質(zhì)排放），安