【正文】 gy, 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)酵菌種下，對象特性也不盡相同。本文主要工作在于：由于啤酒發(fā)酵對象的時變性、時滯性及其不確定性，決定了發(fā)酵罐控制必須采用特殊的控制算法。該系統(tǒng)性能/價格比高、可靠、技術(shù)先進(jìn)，完全滿足啤酒生產(chǎn)發(fā)酵工藝的技術(shù)要求，并兼顧了實用的需求。但是我國人均啤酒消費水平只有 8 升，僅相當(dāng)于世界水平的 1/3 差距很大；近年來，雖然我國的啤酒裝備配套水平有很大提高，但與國外的主要啤酒生產(chǎn)廠家相比大部分企業(yè)技術(shù)落后，國內(nèi)的啤酒行業(yè)迫切要求進(jìn)行技術(shù)改造，提高生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，以確保在激烈的市場競爭中立于不敗之地。早期，由于人們對發(fā)酵機理認(rèn)識不深，再加上采用控制器的限制，對發(fā)酵采取自動控制未能成功。溫度控制精度在177。因此，優(yōu)化啤酒發(fā)酵控制應(yīng)用前景樂觀，能產(chǎn)生較大的社會經(jīng)濟效益，具有很大的應(yīng)用價值。熟悉啤酒的制造工藝及過程，并通過此次設(shè)計鍛煉將理論應(yīng)用于實際的能力。這種方式下啤酒生產(chǎn)工藝參數(shù)得不到可靠執(zhí)行，一致性較差，啤酒質(zhì)量受人為因素影響較大，而且工人的操作勞動強度很大，主要生產(chǎn)設(shè)備與裝置不能工作在較佳狀態(tài)，原材料利用率低，產(chǎn)品能耗大，不可能采用較復(fù)雜的先進(jìn)工藝生產(chǎn)啤酒，生產(chǎn)成本較高 [2]。但由于需要操作工人的頻繁介入，其啤酒質(zhì)量和口味也有較大的波動，工人勞動強度也比較大。c ．系統(tǒng)的可擴充性差。在這種控制方式中，下位機網(wǎng)絡(luò)中控制單元一般采用 PLC，其可靠性非常高（一般可連續(xù)可靠工作 20 年） ，性能穩(wěn)定，上位機網(wǎng)絡(luò)可兼容多種通訊協(xié)議（如 TCP/IP 協(xié)議） ，和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，掛在局域以太子網(wǎng)上，便于信息集成管理，和功能拓展。啤酒發(fā)酵對象的時變性、時滯性及其不確定性，決定了發(fā)酵罐控制必須采用特殊的控制算法。 實現(xiàn)啤酒發(fā)酵罐溫度 PLC 控制的主要研究工作（1）熟悉啤酒發(fā)酵的工藝過程，詳細(xì)分析控制要求，選定裝置所需檢測和控制的參數(shù)，確定系統(tǒng)的控制方案。第 2 章 啤酒發(fā)酵工藝概述 啤酒發(fā)酵概述啤酒是采用麥芽和水為主要原料，加酒花，經(jīng)酵母發(fā)酵釀制而成的一種含有二氧化碳、氣泡的低酒精度飲料?！娣秶鷥?nèi)如果溫度控制偏低，就會使得發(fā)酵過程緩慢，影響生產(chǎn)進(jìn)度；如果溫度偏高，又會造成生化參數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)，影響啤酒的質(zhì)量。同時溫度控制開始實施，以保證滿罐后發(fā)酵液的溫度在規(guī)定范圍內(nèi)。發(fā)酵進(jìn)入還原雙乙酰階段，這一階段要求溫度控制在 12~18 攝氏度 （不同工藝數(shù)值） 。當(dāng)溫度到達(dá) 1 攝氏度以下時發(fā)酵進(jìn)入低溫儲酒階段，在低溫儲酒階段溫度控制在 ~10 攝氏度。滿罐溫度的確定應(yīng)考慮麥汁分鍋次進(jìn)罐中酵母繁殖代謝使溫度上升因素的影響，滿罐后的自然升溫階段切忌因各種失誤出現(xiàn)的控溫，應(yīng)通過此過程，使酵母盡快其發(fā)酵增殖適應(yīng)新的麥汁環(huán)境形成良好的酒液對流。（3）降溫保溫階段發(fā)酵液雙乙酰還原達(dá)標(biāo)后即開始轉(zhuǎn)入降溫階段，此過程應(yīng)按照工藝設(shè)定的速度將酒液均勻冷卻至貯酒溫度，由于此時酒液發(fā)酵已基本結(jié)束，二氧化碳生成和放熱趨于停止，原二氧化碳上升托拉力等形成的自下而上對流大為減弱，酒液在不同溫度下密度差形成對流的作用漸占主導(dǎo)，根據(jù)啤酒最大密度溫度計算公式可知，酒液最大密度時溫度約為3 攝氏度，3 攝氏度上下的酒液對流方向相反，控溫時應(yīng)據(jù)此區(qū)別對待。（6）三攝氏度以下深冷過程酒液降溫至 3 攝氏度最高密度時將形成密度相同而溫度不同的酒液，自行區(qū)域性對流，狀態(tài)紊亂，酒液溫度形成梯度，冷卻加套冷量傳遞達(dá)不到要求，冷卻速度和酒液溫度下降緩慢，此時應(yīng)以下部控溫為主，加大錐罐底酒液控溫強度，降低酒液密度，使對流方向由自下而上轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨隙?，打破形成的溫度梯度，滿足溫度控制效果，此過程下段溫度應(yīng)低于中、上段溫度 1~2 攝氏度。 攝氏度，嚴(yán)禁出現(xiàn)溫度回升。錐形發(fā)酵罐的直徑與高度之比一般為 1: ~4。 啤酒發(fā)酵溫控基本要求由于啤酒酵母的作用，麥汁在發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵，在發(fā)酵過程中釋放出的生化反應(yīng)熱和CO2 熱量釋放導(dǎo)致發(fā)酵溫度上升，同時 CO2 的產(chǎn)生使罐內(nèi)壓力升高。液位間接反應(yīng)了物料的多少，以便控制物料的儲存量，實時調(diào)控或者進(jìn)行物料反應(yīng)等。啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)流程圖如圖 21 所示。這個階段麥汁原料經(jīng)由連接管道由糖化罐進(jìn)入發(fā)酵罐中。麥汁接種酵母進(jìn)入發(fā)酵罐幾小時以后逐漸開始主發(fā)酵，麥汁糖度下降，產(chǎn)生 CO2，反應(yīng)熱的釋放使整個罐內(nèi)的溫度逐漸上升。② 后酵—當(dāng)罐內(nèi)溫度從前酵的 12℃降到 3℃左右時，后酵階段開始了，這一階段最主要的目的是進(jìn)行雙乙酰還原。（3）啤酒過濾和殺菌主酵、后酵結(jié)束以后，啤酒將通過過濾機和高溫瞬時殺菌進(jìn)行生物以及膠體穩(wěn)定處理然后灌裝。啤酒發(fā)酵工藝曲線如圖 22 所示。第 3 章 應(yīng)用 PLC 實現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度控制的可行性分析 可編程序控制器 PLC 的特點可編程序控制器（Programmable Controller）是一種以計算機（微處理器）為核心的通用工業(yè)控制裝置。最快的 PLC 處理一步程序僅需幾十納秒；軟件上使用容錯技術(shù)，硬件上使用多 CPU 技術(shù)，具有二三百步以上的高級指令，使 PLC 具有強大的數(shù)值運算、函數(shù)運算和大批量數(shù)據(jù)處理能力 [10]。軟件設(shè)計方面：采用軟件濾波，軟件自診斷，簡化編程語言，信息保護(hù)和恢復(fù)，報警和運行信息的顯示等。例如目前大多數(shù) PLC 采用的梯形圖語言，繼承了繼電器控制線路的清晰直觀感，很容易被電氣技術(shù)人員所接受和掌握。因此，它既可對開關(guān)量進(jìn)行控制，也可對模擬量進(jìn)行控制；既可以控制單臺設(shè)備，也可以控制一條生產(chǎn)線或全部生產(chǎn)工藝過程。 PLC 的組成與基本原理 PLC 的組成結(jié)構(gòu)PLC 本質(zhì)上是一臺用于控制的專用計算機，因此它與一般的控制機在結(jié)構(gòu)上有很大的相似性。另外還有獨立的 I/O 擴展單元與主機配合使用。CPU 底板與擴展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過 10m。圖 31 為 PLC 的組成示意圖。CPU 從第一條指令開始，順序逐條的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束。PLC 按工作周期方式周而復(fù)始的循環(huán)工作。檢查正常后，方可進(jìn)行下面的操作。（3）執(zhí)行用戶程序。 PLC 的主要功能和應(yīng)用可編程控制器的設(shè)計思想是盡可能地利用當(dāng)前先進(jìn)的計算機技術(shù)去滿足用戶的需要，PLC 與繼電器接觸器控制電路的一個本質(zhì)區(qū)別就是除了必要的與外部物理世界的接口（即 I/O 點）外，其它的邏輯功能均在其內(nèi)部實現(xiàn)。各個種類 PLC 的容量、結(jié)構(gòu)形式、性能、指令系統(tǒng)、編程方法、價格各不相同，適應(yīng)的工作場合也有差異。美國是 PLC 的發(fā)源地，以大中型機為主，功能完備，單機價格高，GE 公司、MODICON 公司、 AB 公司是其代表。PLC 的容量包括主機用戶存儲器的內(nèi)存容量和 I/O 控制點數(shù)兩個方面，選擇時應(yīng)留有適當(dāng)?shù)脑Ａ孔鰝溆?。晶體管輸出模塊只能帶直流負(fù)載，是直流輸出模塊，用于高速小功率負(fù)載。本系統(tǒng)選用了 SIMENS SIMATIC S7系列 PLC 組件。隨著計算機控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，啤酒發(fā)酵過程也逐步開始應(yīng)用計算機控制系統(tǒng)。這種特殊的工作方式本身就具有抗干擾功能。PLC 是以控制開關(guān)量起家的，它采用循環(huán)掃描方式，通過串行處理使其在邏輯上等效于并行處理的繼電器邏輯控制系統(tǒng)，為了不丟失輸入信號，要求循環(huán)掃描周期愈短愈好，這就使得在 PLC 中配置的處理器性能好，速度快。所有這些都使得 PLC 適合于各種規(guī)模的自動化系統(tǒng) [13]。然后著重論述了 PLC 在啤酒發(fā)酵中應(yīng)用的可行性。 表 41 啤酒發(fā)酵各階段狀態(tài)表控制要求工作階段名稱 進(jìn)入條件 時間（小時） 溫度℃ 冷媒閥門麥汁進(jìn)罐 啟動麥汁進(jìn)罐 不需設(shè)定 不需設(shè)定 關(guān)閉所有滿罐溫度保持 滿罐后，由人工輸 入“開始”指令 t0＝10 小時 不需設(shè)定 關(guān)閉所有主酵自然升溫段 t0結(jié)束 t1不需設(shè)定 中段溫度為參考點， 自然升至 Tl程序控制雙乙酰還原階段 Tl＝12℃ t2不需設(shè)定 T1=12℃ 程序控制降溫保溫階段 化驗決定，人工輸 入指令 t3=100 小時 132t????程序控制后酵保溫階段 t3結(jié)束且 T2=3℃ t4＝48 小時 T2=3℃ 程序控制第二降溫階段 t4結(jié)束 t5＝72 小時 253t程序控制貯酒保溫階段 t5結(jié)束且 T3=－1℃ 不需設(shè)定 T3=－1℃ 程序控制 系統(tǒng)功能控制系統(tǒng)對發(fā)酵過程中溫度、壓力、液位、周期等工藝參數(shù)進(jìn)行全方位檢測控制。（2）為了保證貯酒在不同階段的溫度設(shè)定值，設(shè)有溫度的上下限報警，為了保證罐內(nèi)壓力在不同階段的壓力設(shè)定值，設(shè)有壓力的上下限報警。 （3）上位計算機可以動態(tài)顯示每個發(fā)酵罐的工藝流程，即溫度、壓力、進(jìn)酒時間、酒齡及超限聲光報警等，以便對發(fā)酵罐進(jìn)行宏觀管理，并具有閥門的開關(guān)狀態(tài)顯示，閥門的手自動控制，實時報表打印等功能。表 42 表明各類具體信號及性質(zhì)分類。此外，為確保系統(tǒng)工作安全，系統(tǒng)設(shè)計了手動裝置。顯示器 鍵盤上位計算機C P U D OD M A I A I A I D O現(xiàn)場傳感器 執(zhí)行裝置打印機圖 41 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)硬件配置 CPU 的選型SIMATIC S7200 系列是西門子公司生產(chǎn)的小型可編程程序控制器 [14]，結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，運行速度快，有極豐富的指令集，具有強大的多種集成功能和實時特性，配有功能豐富的擴展模塊，性能價格比非常高，在各行各業(yè)中的應(yīng)用迅速推廣，在規(guī)模不太大的控制領(lǐng)域是較為理想的控制設(shè)備。它具有四種不同結(jié)構(gòu)配制的 CPU 單元：CPU221，CPU222，CPU224 ，CPU226，除 CPU221 之外，其他都可以加擴展模塊。（3）CPU224它在 CPU222 的基礎(chǔ)上使主機上的輸入輸出點數(shù)增為 24 點，擴展能力增強，最大可擴展為 168 點數(shù)字量或 35 點模擬量的輸入輸出，存儲容量也進(jìn)一步增加，還增加了高速計數(shù)器的數(shù)量，它具有較強的控制能力。 S7200CPU 主要的性能指標(biāo)見表 43。可以用 STEP7Micro/WIN32 編程軟件中的“指令向?qū)А焙唵慰焖俚脑O(shè)置 PID 程序中的各種參數(shù)，設(shè)置完成后，指令向?qū)ё詣由?PID 程序。在模擬量閉環(huán)過程控制領(lǐng)域內(nèi)，擴展模擬量處理模塊，如 EM23EM23EM235，根據(jù) PLC 提供的 PID 編程功能模塊，只需設(shè)定好 PID 參數(shù)， 運行 PID 控制指令，就能求得輸出控制值，實現(xiàn)模擬量閉環(huán)控制。需要連接的擴展模塊較多時，模塊連接起來會過長，兩組模塊之間可使用擴展連接電纜，將模塊安裝成兩排。其擴展圖如圖 44。本機及擴展模塊 I/O 地址分配見表 44。指令系統(tǒng)是表征 PLC 性能的重要指標(biāo)，他的格式與功能硬件緊密聯(lián)系，而且直接影響程序的編制，從而影響機器系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。提供了許多類型的指令完成廣泛的自動化任務(wù)。利用計算機編程軟件 STEP 7 MicroWIN /WIN32 提供的不同的編程語言，可以利用這些指令創(chuàng)建控制程序，兩種指令集和所選用編程語言的可能組合如表 51 所示。② 由于助記符是二進(jìn)制機器代碼的翻譯，兩者存在一一對應(yīng)的關(guān)系，翻譯后的機器代碼被 CPU 直接執(zhí)行，用語句表編寫的控制程序在 PLC 主機中生成的源機器代碼最短，因而執(zhí)行速度最快。（2）梯形圖梯形圖（LAD）最接近于繼電器接觸控制系統(tǒng)中的電器控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種編程語言。功能塊圖中每個模塊都有輸入和輸出端，輸入和輸出端的函數(shù)關(guān)系也是與、或、非、異或等邏輯，模塊之間的連接方式與電路的連接方式也基本相同。這一步工作主要是通過系統(tǒng)設(shè)計方案了解控制系統(tǒng)的全部功能、控制方式、輸入/輸出信號數(shù)量等。例如，硬件工具：編程器、FIT（工廠智能終端） 。另外，編寫程序過程中要及時地對編出的程序進(jìn)行注釋，以免忘記其間的關(guān)系，要隨編隨注。PLC 系統(tǒng)控制程序的原則：控制軟件采用全符號化的梯形圖編寫。中斷程序：它們是程序的可選部分，只有當(dāng)中斷事件發(fā)生時，才能夠執(zhí)行。例如創(chuàng)建用戶程序、修改和編輯過程中編輯器具有簡單的語法檢查功能，還可以直接用軟件設(shè)置 PLC 的工作方式、參數(shù)和運行監(jiān)控。如圖 51 所示，STEP 7Micro/WIN 項目窗口為創(chuàng)建控制程序提供了一個便利的工作環(huán)境。程序編輯器中包括程序邏輯和局部變量