【導(dǎo)讀】改善，我國啤酒工業(yè)也得到空前發(fā)展。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。如何提高啤酒生產(chǎn)的綜合自動化水平，增強(qiáng)我國啤酒產(chǎn)業(yè)的綜合實(shí)。力是一個很好的研究課題。為此，本通過對啤酒生產(chǎn)發(fā)酵過程的工藝及關(guān)鍵問題的分析，從硬。行設(shè)計，整個系統(tǒng)采用分級結(jié)構(gòu)。第一級為可編程邏輯控制器，系統(tǒng)選用SIEMENSS7-300，進(jìn)行實(shí)時控制的功能。第二級為工業(yè)控制計算機(jī),主要完成控制軟件的界面和控制過程。數(shù)據(jù)的監(jiān)視、管理和記錄功能。

　　

【正文】 酒液沿罐壁向下流動；罐底部溫度高，相對密度小，同時借助酒液底部二氧化碳上升的拖動力，酒液就會由罐中央向上流動，這樣可加強(qiáng)罐內(nèi)酒液對流作用，有利于酵母懸浮發(fā)酵，縮短主發(fā)酵期。雙乙酰還原期：酒液自然升溫到 12176。 C～ 13176。 C，糖度已達(dá)到工藝要求，雙乙酰還原進(jìn)人高峰期，此時發(fā)酵液產(chǎn)生的熱量相對減少，溫升緩慢，可適當(dāng)開啟罐底或下段冷帶，同時關(guān)閉上段冷帶，以減弱酒液 對流，為酵母凝聚創(chuàng)造條件。為了保持一定量的酵母懸浮數(shù)和避免已沉降酵母自溶，罐底溫度控制在 7176。 C～ 9176。 C。在這兩段溫控中，若都以下部為主的話，則將減弱向上的流動，導(dǎo)致發(fā)酵速度減慢，甚至造成酵母早期沉降，使得降糖緩慢或終止。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，實(shí)施罐體不同部位的冷卻方式，不僅可以利用溫差引起的熱對流作用而加快向上流動的速度，使得發(fā)酵速度快、酵母懸浮性增強(qiáng)、雙乙酰還原快，而 且還有利于啤酒的成熟。 (2)發(fā)酵第二階段 當(dāng)發(fā)酵溫度降至 8． 5～ 3176。 C，壓力在 ～ 0． 12MPa時，此階段由于發(fā)酵速度隨著發(fā)酵溫度的降低 而逐漸減弱，以及酒液溫度變化引起的熱對流作用，這階段的對流情況將會變?yōu)橛稍瓉淼南蛏狭鲃又饾u變?yōu)橄蛳铝鲃印ｅF形罐內(nèi)酒液由此產(chǎn)生了第一個流向轉(zhuǎn)折點(diǎn)。此時，降溫的主要目的是促使酵母及雜質(zhì)與酒液的盡快分離。因此，在下降 5176。 C的過程中，通過冷量梯度控制下段溫度低于中上段 l～ 2176。 C，以便罐中央酒液由上向下流動，便于酵母沉降回收，盡快實(shí)現(xiàn)酒液流向的轉(zhuǎn)變，有利于酒液的澄清和 C02的溶解。 (3)發(fā)酵第三階段 當(dāng)發(fā)酵溫度降至 31176。 C，壓力在 ～ ，開始酒液是向下流動的，但是隨著發(fā)酵溫度的繼續(xù)緩慢降低，這 時由于密度變化引起的對流作用使酒液緩慢向上流動。又由于發(fā)酵更加緩慢地進(jìn)行，錐形罐內(nèi)酒液下部的 C02密度梯度高于中上部，面這時下部酒液的密度低于中上部，同樣引起對流作用而使酒液向上緩慢流動。因此這階段的酒液對流情況便由原來的向下緩慢流動轉(zhuǎn)為向上流動。因溫差變化較小，所以酒液流向很不規(guī)則，向下與向上對流趨于平衡。錐形罐內(nèi)酒液由此產(chǎn)生了第二個流向轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時如果溫控波動較大，將會影響到酒液的澄清及成熟，嚴(yán)重時會造成酒液混濁不清，甚至導(dǎo)致已沉降的酵母及雜質(zhì)重新懸浮，造成酵母自溶。在 5176。 25 C～ 3176。 C降溫期：由于啤酒的密 度在 3176。 C時最大，在 5176。 C～ 3176。 C降溫期，控制酒液溫度應(yīng)上低下高，酒液密度上大下小，使酒液沿罐壁形成自上而下的對流，提高冷卻速度。在 3～ 0。 C降溫期：控制酒液溫度應(yīng)下低上高，使下段和錐部酒液冷卻至 O176。 C，以降低酒液密度，罐壁形成自下而上對流，從而使酒液均勻快速地降至 O176。 C。這時采用“冷媒流量小冷卻時間長 的緩冷卻方式進(jìn) 行降溫，避免局部結(jié)冰。貯酒期：控制酒液溫度上高下低，酒溫保持在 1～ O176。 C范圍內(nèi)，避免溫度回升，造成酒液翻騰。此階段盡量避免產(chǎn)生較大的 (上、中、下 )溫差，冷卻控制以上、中、下三段為主并盡量縮小 三段之間的溫差，這樣可使酒液保持相對平穩(wěn)狀態(tài)，使不規(guī)則的流向趨于平衡，避免罐體的結(jié)冰，以溫度低而又不至于結(jié)冰為最佳冷卻效果。綜合上述，錐形發(fā)酵罐冷卻帶使用及溫控方法歸納見 (表 41) 從發(fā)酵工藝曲線看 溫度控制 似乎非常簡單，但實(shí)際上發(fā)酵過程中工藝 曲線隨時都可更改。由于發(fā)酵罐大都采用上中下三層冷卻，在發(fā)酵不同階段對層溫度控制也不一樣?？刂频碾y點(diǎn)在于兩個降溫過程，因?yàn)槠【瓢l(fā)酵到了這兩個階段本身所產(chǎn)生的熱量很少，幾乎只能維持，如果在降溫過程中控制不好，易產(chǎn)生較大的超調(diào)。同時，由于控制手段中沒有加熱措施，超調(diào)后的溫度很難回升到給定的工藝要求值，因而將嚴(yán)重影響啤酒的質(zhì)量。 按發(fā)酵工藝，在發(fā)酵過程中要控制發(fā)酵罐溫度。溫度曲線如圖 4． 2所示 啤酒發(fā) 26 酵曲線分成 3部分： ①自然升溫段：控制系統(tǒng)不工作，任 其自然升溫：②恒溫段：通過控制冷媒開關(guān)閥，保持發(fā)酵罐內(nèi)溫度恒定；⑨降溫段：通過控制冷媒開關(guān)閥，以指定速度降溫。在不同發(fā)酵時期，酵母活力不同，罐內(nèi)流體的運(yùn)動狀態(tài)有很大差異。由于冷流體密度較大，上層開關(guān)閥開通同樣會造成下一層的溫度下降，因此，發(fā)酵罐是一個三輸入三輸出的多變量溫度控制系統(tǒng)，具有大慣性、強(qiáng)關(guān)聯(lián)、變大時滯等特點(diǎn)，控制較復(fù)雜。 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計 一個啤酒發(fā)酵罐共有 5個輸入點(diǎn)， 3點(diǎn)用于溫度輸入， l點(diǎn)用于壓力輸入， l點(diǎn)用于液位輸入；有 4個輸出點(diǎn)， 3點(diǎn)用于冷媒開關(guān)閥， 1點(diǎn)用于壓力開關(guān)閥。系統(tǒng)的點(diǎn)數(shù)要求不多，模擬量也不多，從性價比考慮，可選用 CPU 312. 選用 PS307， 輸入電源電壓 ： 24VDC, DI16/DO16。 在本系統(tǒng)中 PLC的主要任務(wù)是接受由發(fā)酵罐傳遞來的溫度、壓力模擬量輸入信號。然后與工藝曲線設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，計 算出偏差值，在使用簡單的 PID控制回路計算出電磁閥的開度，從而實(shí)現(xiàn)對發(fā)酵溫度的控制。除此之外，另一個重要的任務(wù)就是接受工控機(jī)（一級主站）的控制命令，從而實(shí)現(xiàn)臺面控制系統(tǒng)的控制。 發(fā)酵過程中，根據(jù)發(fā)酵進(jìn)行的程度（發(fā)酵時間、糖度、雙乙酰含量等），發(fā)酵罐上、中、下三段溫度的差異，以及三段溫度各自的變化趨勢，為了達(dá)到預(yù)定的控制效果，采用自動或操作人員手動控制選擇控制的方法。程序中設(shè)定了手動操作和自動控制選擇開關(guān)，在任意階段都能夠?qū)崿F(xiàn)兩者間的切換，實(shí)現(xiàn)溫度、壓力的手、自動選擇控制。程序中有人工階段選擇開關(guān)，可以在任意 階段跳轉(zhuǎn)，從而避免了因操作人員操作偶爾失誤而無法實(shí)現(xiàn)后續(xù)程序正常運(yùn)行的情況。 控制主程序 設(shè)計 27 PLC的 I/O定義 :啟動按鈕 ,模擬量讀取開關(guān) ,溫度設(shè)定值計算開關(guān),PID啟動為 ,電磁閥控制為 ,罐狀態(tài)操作為 。對應(yīng)的輸出 :初始化過程 ,模擬量讀取處理 ,PID計算 ,電磁閥控制輸出 ,罐狀態(tài)操作 ,停止按鈕 . 表 4 序號 輸入元件 輸入地址 輸出元 件 輸出地址 1 啟動按鈕 模擬量讀取處理 2 模擬量讀取開關(guān) 初始化過程 3 溫度設(shè)定計算開關(guān) PID計算 4 PID 啟動 電磁閥控制輸出 5 電磁閥控制 罐狀態(tài)操作 6 罐狀態(tài)操作 7 停止按鈕 8 PLC接線圖 圖 43 PLC接線圖 28 控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖 4． 4所示。啤酒的發(fā)酵工藝過 程共有十多天時間，最重要的環(huán)節(jié)是控制每個時間段發(fā)酵罐內(nèi)啤酒的發(fā)酵溫度，根據(jù)發(fā)酵工藝的要求，設(shè)出發(fā)酵溫度．時間曲線，輸入可編程序控制器 (PLC)，使系統(tǒng)自動根據(jù)不同時間段的溫度給定值進(jìn)行調(diào)節(jié)。主程序開始先計算出實(shí)際該罐啤酒的發(fā)酵時間，然后取出該段時間對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)溫度值，將標(biāo)準(zhǔn)溫度值與實(shí)際溫度值比較，若相等則再次回到主程序入口進(jìn)行下一輪的標(biāo)準(zhǔn)值查找，若不相等則 系統(tǒng)由 CPU計算出相應(yīng)的 PID系數(shù)，輸出信號去控制電磁閥，用電磁閥控制的 氣路打開或關(guān)閉冷媒閥，進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。 根據(jù)啤酒發(fā)酵工藝流程的要求，設(shè)計出基本的程序流 程圖 如圖 44 圖 44 基本的程序流程圖 發(fā)酵罐的控制：根據(jù)發(fā)酵罐過程設(shè)定的狀態(tài)，判斷所處工序段，在根據(jù)溫度、開始 初始化 過程 模擬量讀取處理 計算溫度設(shè)定值 PID 計算 電磁閥控制輸出 罐狀態(tài)操作 29 時間、人工測定等參數(shù)判斷此工序是否完成，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的順序控制。 主程序的梯形圖如下 初始化過程 Network1 模擬量讀取處理 計算溫度設(shè)定值 PID計算 30 電磁閥控制輸出 罐裝 系統(tǒng)為主從結(jié)構(gòu)， 該系統(tǒng)性能 /價格比高、可靠實(shí)用、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，并兼顧了發(fā)展的需求。 程序中設(shè)定了手動操作和自動控制選擇開關(guān)，在任意階段都能夠?qū)崿F(xiàn)兩者間的切換，實(shí)現(xiàn)溫度、壓力的手、自動選擇控制。程序中有人工階段選擇開關(guān)，可以在任意階段跳轉(zhuǎn)，從而避免了因操作人員操作偶爾失誤而無法實(shí)現(xiàn)后續(xù)程序正常運(yùn)行的情況。 31 第五章總結(jié) 與展望 啤酒生產(chǎn)是一個大型的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，工藝復(fù)雜，操作步驟多。而我國大多數(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，缺乏市場競爭力。如何提高啤酒生產(chǎn)過 程的綜合自動化水平，提升企業(yè)的生產(chǎn)和管理水平，是一個刻不容緩的研究課題。因此，本文以啤酒生產(chǎn)過程為工程背景，對啤酒生產(chǎn)過程的麥芽烘干過程控制及啤酒發(fā)酵過程的溫度控制展開研究，這對利用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，提高我國啤酒產(chǎn)業(yè)的綜合實(shí)力具有重大的實(shí)際意義和研究價值。 啤酒廠自動控制的展望 (1) 對啤酒糖化、發(fā)酵工段進(jìn)行自動化控制并努力擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模是現(xiàn)階段國內(nèi)啤酒廠發(fā)展主流。 (2) 隨著國內(nèi)純生啤生產(chǎn)線的上馬 , 在線檢測設(shè)備將會增多 , 管板數(shù)量會下降 , 生產(chǎn)自動化程度會進(jìn)一步提高。 (3) 不同設(shè)備、不同工段自 控系統(tǒng)間的銜接問題將會得到更多的重視 , 并逐步實(shí)施。 (4) 制冷車間的自控及與糖化、發(fā)酵工段自控的配合是啤酒廠降低能耗的重要途徑之一 , 有條件的廠家會努力實(shí)施。 (5) 全廠生產(chǎn)、管理、銷售系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合 ,會將啤酒這種傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)管理水平帶上一個新的臺階 ,實(shí)施 CIMS系統(tǒng)是此行業(yè)的努力方向。 參考文獻(xiàn) [1]徐昌榮 、 呂衛(wèi)陽 . PLC工程應(yīng)用實(shí)例解析 .中國電力出版社 .2020. [2]王永華 .現(xiàn)代電氣控制及 PLC應(yīng)用技術(shù) (第 2版 ). 北京 ： 航空航天大學(xué)出版社 . 2020. [3]高正中等編著 .西門子 S7300CN PLC編程技術(shù)及工程應(yīng)用 . 電子工業(yè)出版社 .2020 [4]陳在平 . 可編程序控制器（ PLC）系統(tǒng)設(shè)計 . 電子工業(yè) . 2020 [5]方強(qiáng)、李麗娜、孫宏昌 . PLC可編程控制器技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用實(shí)踐 電子工業(yè)出版社 . 2020 [6]程玉華 等編著 . 西門子 S7300工程應(yīng)用實(shí)例分析 . 電子工業(yè)出版社 . 2020 [7]管敦儀 . 啤酒工業(yè)手冊 (修訂版 ) .中國輕工業(yè)出版社 . 2020 [8]程殿林主編 . 啤酒生產(chǎn)技術(shù) . 化學(xué)工業(yè)出版社 . 2020 [9]徐斌 啤酒生產(chǎn)問答 中國輕工業(yè)出版社 2020 [10]張鳳登 . 現(xiàn)場總線技術(shù)與應(yīng)用 . 科學(xué)出版社 . 2020. [11]Murphy Electronic Control of AC :Pergamon,2020 [12]袁佑新、蘭艷 .呂琳基于 PROFIBUSDP .北京 ： 機(jī)械工業(yè)出版社 . [13]陳在平 .岳有軍編著 .工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線技術(shù) . 機(jī)械工業(yè)出版社 . 2020. [14]陽憲惠主編 . 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng) —— 現(xiàn)場總線技 . 清華大學(xué)出版社 . 2020. [15]仇慎謙 . PID調(diào)節(jié)規(guī)律和過程控制 . 江蘇科學(xué)技術(shù)出版社 .2020 [16]劉華波 、 何文雪 、 王雪 .西門子 S7300/400PLC編程 . 機(jī)械工業(yè)出版社 . 2020. [17]孫竹梅 主編 . PLC實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教程（西門子 S7300系列） . 中國電力出版社 . 2020. 32 致謝 辭 值此 畢業(yè)設(shè)計完成之際，謹(jǐn)向悉心指導(dǎo)我的老師 ***講師以及機(jī)電學(xué)院的各位任課老師 致以誠摯的敬意和衷心的感 謝 !四年的本科 生涯中，老師在學(xué)習(xí)上給予我不盡的幫助和鼓勵 !老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和謙遜的人格魅力將鞭策我在以后的人生道 路上不斷進(jìn)取 ! 導(dǎo)師不僅教授我知識，還教給我做人的道理，他的言傳身教更使我此生受益匪淺 。 感 謝 機(jī) 械與 電 氣 工程學(xué)院的老師們的關(guān)心和幫助 ! 感 謝 2020 級的同學(xué)們在這四 年中對我學(xué)習(xí)和生活上的鼓勵。 最 后， 對 所有關(guān)心我、 支持我、幫助過我的老師、同學(xué) 和親友們 衷心的感 謝 和祝福 !