【正文】 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 algorithms. 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 and 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 Electromagic valve to achieve fermentation 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: programmable logic controller。由于啤酒生產(chǎn)的工藝復(fù)雜，目前我國大多數(shù)啤酒生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)裝備落后，自動化程度低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。隨著人們對發(fā)酵機理的逐步認(rèn)識，并隨著可靠性高、能經(jīng)受惡劣環(huán)境器件的引用，對發(fā)酵采用自動控制逐漸取得成功。℃范圍內(nèi)，這樣的控制精度單憑傳統(tǒng)的熱工儀表加上手工操作方式是完全不能滿足要求的，但目前國內(nèi)的不少生產(chǎn)廠家都是采用這種生產(chǎn)方式。利用 PLC 實現(xiàn)啤酒發(fā)酵罐溫度的自動控制的選題。東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）2 啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)方案綜述目前，國內(nèi)啤酒生產(chǎn)（糖化、發(fā)酵工段）的控制水平基本上可以分為四個檔次。（2）半自動控制方式（集中手動控制方式）——其主要特點為閥門多采用氣動或電動自動閥門。（3）PC 機+數(shù)據(jù)采集插卡方式——以工業(yè) PC 機加各種數(shù)據(jù)采集卡為代表，過程控制中的各種信號在外圍通過相應(yīng)的變送器送入插在工業(yè) PC 機插槽中的數(shù)據(jù)采集卡，在PC 機畫面上顯示各種生產(chǎn)過程參數(shù)，同時控制閥門與泵、電機等設(shè)備的啟、停來滿足工藝生產(chǎn)要求，目前國內(nèi)不少啤酒廠發(fā)酵車間采用這種系統(tǒng)進行控制。 d．由于外圍器件的漂移較大，系統(tǒng)控制精度受一年四季影響大，控制效果不理想 [3]。但主要缺點是一次投入資金較大 [4]。由于每個發(fā)酵罐都存在個體的差異，而且在不同的工藝條件下，不同的發(fā)酵東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）3菌種下，對象特性也不盡相同。（2）完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計及其系統(tǒng)選型，包括系統(tǒng)的硬件連線，PLC 的選型，PLC點數(shù)確定、PLC ，擴展模擬量處理模塊等部分。啤酒生產(chǎn)工藝主要由麥汁制備（俗稱糖化） 、啤酒發(fā)酵、啤酒罐裝等工藝流程組成。啤酒發(fā)酵整個過程分為：主發(fā)酵階段、還原雙乙酰階段和低溫貯酒階段。發(fā)酵液滿罐后 1 小時工人開始測量發(fā)酵液的滿罐糖度，以后每隔八小時測量一次。進入第二階段后，要求化驗員每隔 2 小時測量一次雙乙酞的濃度和糖度，直到糖度降至 度時變?yōu)槊堪诵r測量一次。這一階段主要是讓酵母和一些固態(tài)物進行充分沉淀并進行回收。（2）主發(fā)酵及雙乙酰還原階段主發(fā)酵階段酵母大量繁殖并產(chǎn)生較多的熱量，隨著發(fā)酵液中氧的迅速消耗，酵母在無氧呼吸下轉(zhuǎn)化為生成大量的酒精，使罐內(nèi)中下部酒液中酒精含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上部，酒體密度發(fā)生變化，在酒精釋放及密度變化的共同作用下，發(fā)酵液發(fā)生自下而上的強烈對抗，此階段溫控應(yīng)促進對流充分進行，保持旺盛發(fā)酵并均衡罐內(nèi)酒液狀態(tài)，以控制上段溫度為主，適度輔以中段，形成的溫度梯度，三帶溫差在 ℃左右。（4）雙乙酰還原溫度冷卻至 3 攝氏度酒液在此階段降溫中密度逐漸增大，對流方向仍為自下而上，酒液沿罐壁向下流動，由于此時冷媒與酒液溫差較大，降溫及罐內(nèi)均衡過程不容易控制，應(yīng)以上帶和中帶控溫為主，須防止冷卻過于強烈造成貼近罐壁處部分酒液結(jié)冰，影響降溫效果及啤酒質(zhì)量。（7）貯酒階段貯酒階段的溫控對發(fā)酵液成熟及酒液澄清等影響很大，控溫不當(dāng)將可能造成發(fā)酵液東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）6結(jié)冰。 啤酒發(fā)酵設(shè)備概述發(fā)酵罐是啤酒生產(chǎn)的主要設(shè)備，目前，我國絕大部分啤酒廠均采用園柱錐底式發(fā)酵罐簡稱錐形罐，—般在圓柱部分焊有兩到三段冷卻夾套，錐底還有一冷卻夾套。錐底內(nèi)角，不銹鋼罐錐角一般為 60 度，內(nèi)有涂料的鋼罐錐角通常為75 度，使排污時可強制酵母滑出。在整個發(fā)酵過程中，根據(jù)麥芽發(fā)酵的反應(yīng)規(guī)律來控制發(fā)酵的溫度和時間是保證發(fā)酵過程正常安全地進行，提高啤酒質(zhì)量和口味，減輕工人的勞動強度，節(jié)約能源的關(guān)鍵。氣體壓力的大小反應(yīng)了罐內(nèi) CO2 的多少，壓力到一定程度時需從罐頂排出一定的 CO2 以減小罐內(nèi)的壓力，防止爆炸。東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）7P I C0 1T I C0 1T I C0 2T I C0 3L I0 1電磁閥 關(guān)排放 C O2上層溫度中層溫度下層溫度罐內(nèi)壓力罐內(nèi)液位冷媒出口冷媒入口圖21 啤酒發(fā)酵罐控制系統(tǒng)流程圖 啤酒發(fā)酵工藝流程根據(jù)錐形發(fā)酵大罐的特性將發(fā)酵的全過程分為多個階段，在各個階段，對象的特性相對穩(wěn)定，溫度和壓力的控制方面存在一定的規(guī)律性。（2）發(fā)酵啤酒發(fā)酵是一個復(fù)雜的微生物代謝過程，這是啤酒生產(chǎn)過程中耗時最長的一個環(huán)節(jié)。經(jīng)過 2~3 天后進入發(fā)酵最為旺盛的高泡期，再過 2~3 天，降糖速度變慢，糖度很低，酵母開始沉淀，進行封罐發(fā)酵。此外，后酵階段還完成了殘?zhí)前l(fā)酵，充分沉淀蛋白質(zhì)、降低氧含量，提高啤酒的穩(wěn)定性。啤酒過濾是一種分離過程，其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母細(xì)胞和其它混濁物從啤酒中分離出去，否則這些物質(zhì)會在以后的時間里從啤酒中析出，導(dǎo)致啤酒混濁，目前多采用硅藻土過濾方式。圖中，0a 段為自然升溫段，不須外部控制； ab 段為主發(fā)酵階段；主酵階段，典型的控制溫度為 12℃；bc 段為降溫逐漸進入后酵，典型降溫速度為 ℃/h；cd 段為后酵階段，典型控制點 3℃；de 段為降溫進入貯酒階段，典型降溫速度為 ℃/h；e f 段為貯酒階段。早期可編程序控制器主要用于開關(guān)量的邏輯控制，被稱為可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller） ，簡稱 PLC，這個名稱被一直沿用。PLC 的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用是與其自身的性能特點密切相關(guān)的，與繼電器、微機控制相比，PLC 具有以下特點：（1）高可靠性PLC 是為了適應(yīng)工業(yè)環(huán)境而專門設(shè)計的控制裝置，可靠性高、抗干擾能力強是它的最重要的特點。這些措施的采用使 PLC 的可靠性和抗干擾能力大大優(yōu)于一般的計算機控制系統(tǒng)，PLC 的平均故障間隔時間（MTBF）可達(dá)幾十萬小時。PLC 的輸入輸出接口可直接與控制現(xiàn)場的用戶設(shè)備相連接，可拆卸的接線端子排使接線工作及其簡單。PLC 還具有通信聯(lián)網(wǎng)功能，可與各類型的 PLC 聯(lián)網(wǎng)，并可與上位機通信構(gòu)成分布式的控制系統(tǒng)。PLC 的主要特點是與控制對象有更強的接口能力，也就是說，它的基本結(jié)構(gòu)主要是圍繞著適宜于過程控制的要求來進行設(shè)計的。主機中CPU 是 PLC 的核心，I/O 單元是連接 CPU 與現(xiàn)場設(shè)備之間的接口電路，通信接口用于PLC 與編程器和上位機等外部設(shè)備的連接。無論哪知結(jié)構(gòu)類型的 PLC，都可根據(jù)需要進行配置與組合。東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）12電源中央處理單元（CPU）存儲器EPROM(系統(tǒng)程序)RAM（用戶程序）輸入單元輸出單元外設(shè)接口擴展口擴展單元編程器輸入信號輸出信號盒式打印機打印機EPROM 寫入器PLC 或上位計算機圖 31 PLC 組成示意圖 PLC 的工作原理與其它計算機系統(tǒng)相同，PLC 的 CPU 采用分時操作原理，每一時刻執(zhí)行一個操作，隨時間順序執(zhí)行各個操作。然后返回第一條指令開始，新一輪掃描。PLC 上電后，首先進行初始化，然后進圖循環(huán)工作過程，一次循環(huán)可歸納為五個工作階段，如圖 32 所示。如果有異常情況，則根據(jù)錯誤的嚴(yán)重程度發(fā)出報警或停止 PLC 運行。在程序執(zhí)行階段，CPU 按先左后右，先上后下的順序?qū)γ織l指令進行解釋、執(zhí)行，CPU 從輸入映像寄存器和輸出映像寄存器中讀出各繼電器的狀態(tài)，根據(jù)用戶程序給出的邏輯關(guān)系進行邏輯運算，運算結(jié)果再寫入輸出映像寄存器中。這些邏輯功能不僅可以取代，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過諸如中間繼電器、時間繼電器等硬件邏輯所能達(dá)到的功能，從而為 PLC 在可靠性和便利性上形成特色奠定了基礎(chǔ) [12]。因此，對于每一個準(zhǔn)備使用 PLC 的用戶來說，合理的選擇 PLC 是非常重要的，它直接影響到所設(shè)計系統(tǒng)的性能與造價。日本的 PLC 以中小型機為主，價格便宜，典型代表為 OMRON 公司、三菱（MITSUBISHI）公司的產(chǎn)品。 （3） 選擇 I/O 模塊?？煽毓栎敵瞿K是交流輸出模塊，只用于高速大功率負(fù)載；繼電器輸出模塊是交直流輸出模塊，即可帶直流也可帶交流，因其有觸點，故只能用于低速負(fù)載。 PLC 在啤酒發(fā)酵中應(yīng)用的可行性啤酒發(fā)酵過程控制是啤酒釀造過程的一個重要工藝控制環(huán)節(jié)，發(fā)酵過程控制得好壞直接影響到整罐啤酒的產(chǎn)品質(zhì)量。PLC 是一種具有很高可靠性的控制裝置，它與可編程調(diào)節(jié)器、DCS 系統(tǒng)同被列為“不損壞儀表” 。在一個循環(huán)掃描周期 T 中，僅只有一小段時間集中進行 I/O 處理，也只有在這一小段集中 I/O 時間中的干擾才會被引入 PLC 內(nèi)部，在掃描周期的其余大部分時間，干擾都被阻擋在 PLC 之外。這些高性能處理器本身有很大的潛能，只要處理好不同性質(zhì)的實時多任務(wù)的調(diào)度，在 PLC 中加入針對慢連續(xù)量的過程控制并不困難。正是由于 PLC 具有多種功能，集三電于一體，PLC 網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)良的性能價格比和PLC 具有高可靠性等等，使得 PLC 在工廠中倍受歡迎，用量高居首位，成為現(xiàn)代工業(yè)自動化的支柱。東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）17第 4 章 啤酒發(fā)酵溫度 PLC 控制方案 系統(tǒng)控制要求及功能 啤酒發(fā)酵溫度要求啤酒發(fā)酵期間，發(fā)酵溫度分為起始溫度（即麥汁冷卻溫度、滿罐溫度） 、最高溫度（稱發(fā)酵溫度） 、還原雙乙酰溫度和貯酒溫度。為了使罐內(nèi)酒液循環(huán)并有利于不同發(fā)酵期的酵母沉淀，一般采用分三段間冷方式，控制罐內(nèi)酒液溫度，使之形成自上而下的溫度梯度。每個罐設(shè)有液位指示，可以作為裝酒和成品計量用，還可以了解整個發(fā)酵過程的液位變化。 能監(jiān)視每個發(fā)酵罐的溫度、壓力周期曲線，當(dāng)累積酒齡達(dá)到時，自動出信號，以便人工確定是否執(zhí)行下步操作。 表 42 輸入/輸出節(jié)點統(tǒng)計表輸入信號 輸出信號啟動麥汁進罐 手動方式 麥汁進罐泵運行關(guān)閉麥汁進罐 自動方式 滿罐溫度保持指示滿罐溫度保持 開上冷媒開關(guān)電磁閥 主酵自然升溫段指示主酵自然升溫段 開中冷媒開關(guān)電磁閥 雙乙酞還原階段指示雙乙酞還原階段 開下冷媒開關(guān)電磁閥 降溫保溫階段指示降溫保溫階段 關(guān)上冷媒開關(guān)電磁閥 后酵保溫階段指示后酵保溫階段 關(guān)中冷媒開關(guān)電磁閥 第二降溫階段指示第二降溫階段 關(guān)下冷媒開關(guān)電磁閥 貯酒保溫階段指示貯酒保溫階段 開發(fā)酵罐排氣閥 上冷媒開關(guān)電磁閥發(fā)酵罐上部溫度 關(guān)發(fā)酵罐排氣閥 中冷媒開關(guān)電磁閥發(fā)酵罐中部溫度 系統(tǒng)啟動 SB1 下冷媒開關(guān)電磁閥發(fā)酵罐下部溫度 系統(tǒng)急停 SB2 發(fā)酵罐排氣閥發(fā)酵罐壓力 壓力超限報警發(fā)酵罐液位 溫度超限報警自動運行狀態(tài)首先，發(fā)酵工藝過程模擬量加溫度、壓力、液位以及各種閥門的狀態(tài)，進人PLC。在意外故障情況下，可以切換自動，進人手動狀態(tài)，從而保證發(fā)酵工藝過程的正常運行。從 CPU 模塊的功能來看，SIMATIC S7200 系列小型可編程程序控制器發(fā)展至今，大致經(jīng)歷了兩代。（1）CPU 221CPU221，輸入輸出點數(shù)只有 10 點，而且無擴展能力，具有高速計數(shù)器和高速脈沖輸出端，CPU221 多用于點數(shù)較少的開關(guān)量控制系統(tǒng)中。（4）CPU226這種模塊在 CPU224 的基礎(chǔ)上功能又進一