【導(dǎo)讀】啤酒發(fā)酵是啤酒生產(chǎn)中最重要的一道工序，是決定啤酒質(zhì)量的最關(guān)鍵的一步。酵過(guò)程缺乏精確的數(shù)學(xué)模型。從原料到發(fā)酵過(guò)程，如何控制好溫度，壓力，讓發(fā)酵滿總生產(chǎn)。過(guò)去的啤酒發(fā)酵過(guò)程，啤酒發(fā)酵罐多為人工現(xiàn)場(chǎng)操作調(diào)節(jié)，手工記錄。何提高啤酒生產(chǎn)的綜合自動(dòng)化水平，增強(qiáng)啤酒產(chǎn)業(yè)實(shí)力成為一個(gè)好的研究課題。產(chǎn)過(guò)程中啤酒發(fā)酵自動(dòng)控制系統(tǒng)。

　　

【正文】 麥 汁 進(jìn) 罐滿 罐初 始 化 進(jìn) 程滿 罐 溫 度 保 持1 0 小 時(shí) 定 時(shí) 到主 酵 自 然 升 溫 段溫 度 T = 1 2 ℃雙 乙 酰 還 原 段 （ 1 2 ℃ ）糖 度 達(dá) 標(biāo)降 溫 保 溫 階 段1 0 0 小 時(shí) 定 時(shí) 到溫 度 T = 3 ℃后 酵 保 溫 段4 8 小 時(shí) 定 時(shí) 到第 二 次 降 溫 段7 2 小 時(shí) 定 時(shí) 到溫 度 T = 1 ℃貯 酒 保 溫 段啟 動(dòng)aa出 酒NYNNNNNNNNYYYYYYYY單罐啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)流程圖 控溫程序流程圖設(shè)計(jì) 21 根據(jù)前面工藝流程的介紹，可以總結(jié)出 實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度自動(dòng)控制的雙乙酰還原階段、降溫保溫階段、后酵保溫階段、第二降溫階段、貯酒保溫階段等控溫階段 基本的程序流程圖如圖 開(kāi) 始初 始 化讀 開(kāi) 關(guān) 量 信 號(hào) 狀 態(tài)模 擬 量 讀 取 處 理溫 度 、 壓 力 超 限工 作 方 式 選 擇自 動(dòng)設(shè) 定 發(fā) 酵 溫 度 時(shí) 間 曲 線計(jì) 算 實(shí) 際 工 作 時(shí) 間計(jì) 算 溫 度 設(shè) 定 值讀 取 實(shí) 際 溫 度 值溫 度 設(shè) 定 值等 于 實(shí) 際 溫 度P I D 運(yùn) 算輸 出 控 制 冷 媒 電 磁 閥罐 狀 態(tài) 操 作手 動(dòng)故 障 報(bào) 警 處 理輸 出 電 磁 閥 開(kāi) 關(guān) 狀 態(tài)YYNN 圖 41 啤酒發(fā)酵控制過(guò)程程序流程圖 22 S7200 的 PID 指令 PID 算法的實(shí)現(xiàn) 在模擬量閉環(huán)過(guò)程控制領(lǐng)域內(nèi)，擴(kuò)展模擬量處理模塊 。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(yùn)行 PID 控制指令，就能求得輸出控制值，實(shí)現(xiàn)模擬量閉環(huán)控制。 PID 算法 在模擬量的控制中，經(jīng)常用到 PID 運(yùn)算來(lái)執(zhí)行 PID 回路的功能， PID 回路指令使這一任務(wù)的編程和實(shí)現(xiàn)變得非常容易。 用可編程序控制器控制 PID 回路時(shí)，要把實(shí)際測(cè)量輸入量、設(shè)定值和回路表中的其他輸入?yún)?shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即用程序轉(zhuǎn)化為 PLC 能夠識(shí)別和處理的數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，例如把從 AIW 采集來(lái)的 16 位整數(shù)轉(zhuǎn)化為 ～ 之間的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)又分為雙極性（圍繞 上下變化）和單極性（以 為起點(diǎn)在 和 之間的范圍內(nèi)變化）兩種。 程序執(zhí)行時(shí)把各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)量用離散化 PID 算式進(jìn)行處理，產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)運(yùn)算結(jié)果，這一結(jié)果同樣也要用程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為相應(yīng) AQW，用以驅(qū)動(dòng)模擬量的輸出負(fù)載，實(shí)現(xiàn)控制。 PLC 功能模塊程序設(shè)計(jì) （ 1）計(jì)算出啤酒發(fā)酵時(shí)間。在程序中必須能夠得到每個(gè)發(fā)酵罐的起始發(fā)酵時(shí)間，然后由當(dāng)前時(shí)間計(jì)算出罐內(nèi)啤酒的 已經(jīng)發(fā)酵時(shí)間。這個(gè)過(guò)程中需要考慮到的問(wèn)題是，每個(gè)月的天數(shù)、該年是否可能為潤(rùn)年等。 （ 2）計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的設(shè)定溫度。處在發(fā)酵過(guò)程中的每一個(gè)發(fā)酵罐根據(jù)各自的生產(chǎn)需要，都有一個(gè)工藝設(shè)定曲線。在計(jì)算出發(fā)酵的時(shí)間之后，可以通過(guò)計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻的設(shè)定溫度。 （ 3）計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的電磁閥開(kāi)度。計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻設(shè)定溫度之后，可以計(jì)算出溫度的偏差值，使用簡(jiǎn)單的 PID 控制回路就可以計(jì)算出電磁閥的開(kāi)度。由于電磁閥是二位式的，所以其閥的開(kāi)關(guān)動(dòng)作作為占空比連續(xù)變化的 PWM 輸出。電磁閥 PWM 輸出波形如圖所示。 23 T tT 1 T 2 電磁閥 PWM 輸出波形圖 圖中 Tt 為電磁閥動(dòng)作周期。 T1 為電磁閥關(guān)閉時(shí)間。 T2 為電磁閥打開(kāi)時(shí)間。 Tt、 T T2 之間關(guān)系為 Tt=T1+T2. 電磁閥的閥位值 =T2/T1100% 。 主程序 主程序控制系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止，整個(gè)發(fā)酵溫度控制過(guò)程根據(jù)不同發(fā)酵時(shí)期的不同轉(zhuǎn)換條件，調(diào)用相關(guān)子程序，完成主酵 → 雙乙酰還原 → 冷卻 → 酵母回收 → 后貯的階段的溫度根據(jù)設(shè)定好的曲線實(shí)現(xiàn)控制。主程序部分截圖見(jiàn)附錄。 主酵自然升溫段程序 當(dāng)麥汁和酵母進(jìn)入發(fā)酵罐后，就開(kāi)始進(jìn)入主酵階段。由于發(fā)酵是入熱反應(yīng)，溫度升高，產(chǎn)生大量的 CO2，使發(fā)酵液產(chǎn)生強(qiáng)大的對(duì)流。在控制上應(yīng) T上 T 中 T下，故控制冷卻液閥門(mén)的開(kāi)啟順序是上冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥 → 中冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥 → 下冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥。以上、中兩點(diǎn)溫度的差值為 Δt1 時(shí)，只開(kāi)啟 TV上；當(dāng)差值溫度大于設(shè)定曲線溫度值的 Δt2 時(shí)，同時(shí)開(kāi)啟 TV 上 TV 中閥。主酵自然升溫段的程序截圖見(jiàn)附錄。 24 溫度控制程序 啤酒發(fā)酵溫度自動(dòng)控制的雙乙酰還原階段、降溫保溫階段、后酵保溫階段、第二降溫階段、貯酒保溫階段等控溫階段，控制原 理和程序流程相同，根據(jù)分別設(shè)定曲線進(jìn)行 PID 控制，使系統(tǒng)控制精度符合啤酒發(fā)酵工藝要求。下面以由雙乙酰還原階段至后酵保溫階段間的降溫保溫階段為例說(shuō)明其相關(guān)的主要 程 序。 25 模擬量信號(hào)采集處理 模擬量采集處理部分由網(wǎng)絡(luò) 1~網(wǎng)絡(luò) 3 組成。主要完成溫度、壓力、液位等模擬量的采集和處理。網(wǎng)絡(luò) 1 的梯形圖如圖 51 所示。 圖 51 網(wǎng)絡(luò) 1 梯形圖 網(wǎng)絡(luò) 1 的指令 解釋見(jiàn)附錄 網(wǎng)絡(luò) 2 梯形圖如圖 52所示。 26 圖 52 網(wǎng)絡(luò) 2 梯形圖 網(wǎng)絡(luò) 2 的指令 解釋見(jiàn)附錄 網(wǎng)絡(luò) 3 梯形圖如圖 53所示。 圖 53 網(wǎng)絡(luò) 3 梯形圖 27 網(wǎng)絡(luò) 3 的指令 解釋見(jiàn)附錄 發(fā)酵狀態(tài)處理 根據(jù)操作人員輸入的當(dāng)前操作狀態(tài)，對(duì)每個(gè)發(fā)酵罐狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。這個(gè)過(guò)程由網(wǎng)絡(luò) 4～網(wǎng)絡(luò) 8 來(lái)實(shí)現(xiàn)。 網(wǎng)絡(luò) 4 梯形圖如圖 54所示。 圖 54 網(wǎng)絡(luò) 4 梯形圖 網(wǎng)絡(luò) 4 的指令 解釋見(jiàn)附錄 網(wǎng)絡(luò) 5 的梯形圖如圖 55 所示。 圖 55 網(wǎng)絡(luò) 5 梯形圖 28 網(wǎng)絡(luò) 5 的指令 解釋見(jiàn)附錄 網(wǎng)絡(luò) 6 的梯形圖如圖 56 所示。 圖 56 網(wǎng)絡(luò) 6 梯形圖 網(wǎng)絡(luò) 6 的指令 解釋見(jiàn)附錄 網(wǎng)絡(luò) 7 的梯形圖如圖 57 所示。 29 圖 57 網(wǎng)絡(luò) 7 梯形圖 網(wǎng)絡(luò) 7 的指令 解釋見(jiàn)附錄 網(wǎng)絡(luò) 8 的梯形圖如圖 58 所示。 30 圖 58 網(wǎng)絡(luò) 8 梯形圖 網(wǎng)絡(luò) 8 的指令 解釋見(jiàn)附錄 溫度設(shè)定值的計(jì)算 下面是計(jì)算溫度的設(shè)定值的程序。溫度設(shè)定值的計(jì)算由網(wǎng)絡(luò) 9～網(wǎng)絡(luò) 13 組成對(duì)發(fā)酵罐溫度使用 PID 控制必須具備的條件是設(shè)定的溫度和實(shí)際溫度。 溫度的設(shè)定值很簡(jiǎn)單，就是按比例計(jì)算求值。如圖 59 所示，曲線 a是溫度設(shè)定曲線的一部分， t1 和 t2 是曲線的兩個(gè)端點(diǎn)的橫坐標(biāo)， T1 和 T2是曲線的兩個(gè)端點(diǎn)的縱坐標(biāo)， t是當(dāng)前的時(shí)間， T就是當(dāng)前的設(shè)定溫度。用很簡(jiǎn)單的比例關(guān)系式就可以求出當(dāng)前的設(shè)定溫度值 T。 ? ?21 1121TTT t t Ttt?? ? ? ?? 31 T 溫 度t 時(shí) 間0t 1 tt 2T 1TT 2 圖 59 溫度曲線 網(wǎng)絡(luò) 9~10 的梯形圖如圖 510 所示。 圖 510 網(wǎng)絡(luò) 9~10 梯形圖 網(wǎng)絡(luò) 9~10 的指令 解釋見(jiàn)附錄 網(wǎng)絡(luò) 11～ 13的梯形圖如圖 511 所示。 32 圖 511 網(wǎng)絡(luò) 11~13 梯形圖 網(wǎng)絡(luò) 11～ 13的指令 解釋見(jiàn)附錄 PID 回路計(jì)算 在計(jì)算出溫度的設(shè)定值之后，就可以根據(jù)以下的 PID 計(jì)算式計(jì)算出對(duì)應(yīng)的輸出值： ? ? ? ?1 1 2 11Ts TDM n M n Kc E n E n E n P V P V n P V nT Ts??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????? 網(wǎng)絡(luò) 14～網(wǎng)絡(luò) 20 就是根據(jù)上面公 式計(jì)算回路調(diào)節(jié)輸出的一段程序。 梯形圖見(jiàn)圖 512。 33 圖 512 網(wǎng)絡(luò) 14~20 梯形圖 34 電磁閥控制 計(jì)算出 PID 的回路輸出值之后，就要相應(yīng)的調(diào)節(jié)電磁閥的輸出以控制發(fā)酵罐內(nèi)的溫度值。由 PID 輸出值以及發(fā)酵階段的不同，計(jì)算出不同的電磁閥開(kāi)關(guān)時(shí)間。這段程序由網(wǎng)絡(luò)21～ 24 組成。 梯形圖見(jiàn)圖 513 所示。 圖 513 網(wǎng)絡(luò) 21~24 梯形圖 35 軟件調(diào)試 溫度 T: P=20~60%,T=180~600s,D=3180s PID: 參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查，先是比例后積分 ，最后再把微分加，曲線振蕩很頻繁，比例度盤(pán)要放大，曲線漂浮繞大灣，比例度盤(pán)往小扳，曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降，曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)，曲線振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)，動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢，微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)，理想曲線兩個(gè)波，前高后低 4比 1。一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低。 調(diào)整 ：（ 1）對(duì)于比例控制來(lái)說(shuō)，將比例度調(diào)到比較大的位置，逐步減小以得到滿意的曲線。（ 2）對(duì)于比例積分來(lái)說(shuō)，先將積分時(shí)間無(wú)限大，按純比例作用正定比例度。得到滿意曲線后，將比例度放大（ 10~20） %，將積分時(shí)間由大到小加入，直到獲得滿意曲線 。（ 3）對(duì)于 PID 控制，先將微分時(shí)間置零，按照調(diào)比例積分控制方法得到滿意取先后將比例度將到比原值?。?10~20） %位置，適當(dāng)減小積分時(shí)間后，將微分時(shí)間逐漸加大，直到獲得滿意的曲線 。 結(jié)論 本文針對(duì)我國(guó)啤酒發(fā)酵控制工藝環(huán)境與工藝控制需求，經(jīng)過(guò)認(rèn)真調(diào)研、分析，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外較先進(jìn)的發(fā)酵工藝控制系統(tǒng)進(jìn)行了綜合比較與評(píng)價(jià)，主要完成了以下幾個(gè)方面： 1．該啤酒發(fā)酵工藝微機(jī)控制系統(tǒng)是基于 S7300PLC 的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)性能 /價(jià)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。 2．在啤酒發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中，為了克服了大慣性、時(shí)滯和非線性等特點(diǎn)制約啤酒生產(chǎn)質(zhì)量和效率的缺點(diǎn)，采用了 PID 控制模塊控制方案。 但是本論文中許多方面還有待進(jìn)一步研究和提高，主要有： 1．由于上位機(jī)部分已經(jīng)有比較成熟的組態(tài)界面和執(zhí)行程序，并且自身時(shí)間限制所以暫時(shí)沒(méi)有對(duì)控制系統(tǒng)上位機(jī)部分作詳細(xì)的研究，有待今后繼續(xù)研究，完善提高。 2．更全面的應(yīng)用可編程控制器的通信功能，使控制系統(tǒng)更具有可靠性。并實(shí)現(xiàn)廠級(jí)問(wèn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)網(wǎng)； 。 36 主要參考文獻(xiàn) [1] 彭翠云 ， 趙廣耀 ， 戎海龍 .汽車倒車系統(tǒng)中超聲波測(cè)距模塊的設(shè)計(jì) [M] .安徽工程科技學(xué)院， 2020， 12： 14~65. [2] 蘇煒，龔壁建 .超聲波測(cè)距誤差分析 [J] .傳感器技術(shù)， 2020， 23(6)： 8~11. [3] 吳妍，袁佑新 .可視倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 微計(jì)算機(jī)信息， 2020， 2： 268~270. [4] 楊幫文 .新型集成器件實(shí)用電路 (修訂版 ) [M] .電子工業(yè)出版社， 2020. [5] 沈紅衛(wèi) .基于單片機(jī)的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [M] .電子工業(yè)出版社， 2020. [6] 謝維成，楊加國(guó) .單片機(jī)原理與應(yīng)用及 C51 程序設(shè)計(jì) [M] .清華大學(xué)出版社， 2020. [7] 劉光斌 .實(shí)用低功耗設(shè)計(jì) 原理、器件與應(yīng)用 [M] .人民郵電出版社， 2020. [8] YPHuang and JSWang. Envelope pulsed ultrasonic distance measurement system based upon amplitude modulation and phase OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS,2020. [9] ,Multisensor obstacle detection and and Vision Computing,2020:389~396. [10]H. Araki, K. Yamada,Development of Rearend Collision Avoidance Proceeding of IEEE Intelligent Transportation Systems. (7):232~236. 致謝 值此論文完成之際，謹(jǐn)向悉心指導(dǎo)我的導(dǎo)師閆哲老師致以誠(chéng)摯的敬意和衷心的感謝 !四年大學(xué)生涯中，老師在學(xué)習(xí)上給予我不盡的幫助和鼓勵(lì) !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 ! 感謝 老師們的關(guān)心和幫助 ! 感謝同學(xué)們?cè)谶@四年中對(duì)我學(xué)習(xí)和生活上的鼓勵(lì)！ 感謝我的父母，是他們給予我無(wú)盡的精神動(dòng)力 ! 最后，對(duì)所有關(guān)心我、支持我、幫助過(guò)我的老師、同學(xué)、同事和親友們表示衷心的感 37 謝和祝福 ! 附錄 啤酒發(fā)酵罐溫度控制程序 主程 序 Network 1 LD CALL SBR0 Network 2 // 急停 LD CALL SBR1 Network 3 // 麥汁進(jìn)罐 LD A