【正文】 ...........................................................33 主程序 ............................................................35 主酵自然升溫段程序 ................................................36 溫度控制程序 ......................................................36 電磁閥控制 ........................................................40結(jié)束語 .....................................................................41致謝 .......................................................................42參考文獻 ...................................................................43利用PLC實現(xiàn)啤酒發(fā)酵罐溫度的自動控制摘要人類使用谷物制造酒類飲料已有8000多年的歷史。中國的啤酒是19世紀末從外國傳入的。盡管如此，我國的啤酒生產(chǎn)工業(yè)目前還存在較大的提升空間。如何提高啤酒生產(chǎn)的綜合自動化水平，增強我國啤酒產(chǎn)業(yè)的綜合實力這一課題有很大研究空間。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。因此很難找到或建立某一確切的數(shù)學模型來進行模擬和預測控制。利用PLC來實現(xiàn)整個過程溫度的控制。關(guān)鍵詞：PLC 。Fermentation temperature。但是我國人均啤酒消費水平只有 8 升，僅相當于世界水平的 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。如何提高啤酒生產(chǎn)的綜合自動化水平，增強我國啤酒產(chǎn)業(yè)的綜合實力是一個很好的研究課題 [1]。早期，由于人們對發(fā)酵機理認識不深，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。啤酒發(fā)酵具有非線性、時間滯后和大慣性等特征，發(fā)酵過程的精密控制一直是自動控制領(lǐng)域較難解決的問題之一。溫度控制精度在 ?℃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。改進啤酒發(fā)酵生產(chǎn)過程控制是釀造業(yè)技術(shù)進步的有效措施，它可以在不增加原材料及動力消耗的前提下，增加產(chǎn)品產(chǎn)量、提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時還可以減輕勞動強度、改善工作條件、提高發(fā)酵工藝水平及生產(chǎn)管理水平。利用 PLC 實現(xiàn)啤酒發(fā)酵罐溫度的自動控制的選題。同時我個人可以通過這次設(shè)計更加鞏固 PLC 知識，更好地掌握梯形圖等編程。 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。對溫度、壓力、液位、流量、濁度、電導率等生產(chǎn)過程中的模擬量信號采用常規(guī)分散儀表進行采集，然后集中或現(xiàn)場顯示，操作人員在現(xiàn)場或集中操作盤(柜)上控制主要設(shè)置啟停，閥門由工人到現(xiàn)場操作。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。在模擬屏或上位機上顯示各種溫度、流量、壓力、液位等過程參數(shù)和電機、閥門的開啟狀態(tài)，對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控，操作人員根據(jù)顯示的參數(shù)和工藝參數(shù)對比，在模擬屏或操作臺上遙控閥門開啟和電機啟停從而滿足工藝要求，生產(chǎn)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)由人工記錄。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。b．畫面呆板，缺乏一般工控組態(tài)軟件靈活的程序腳本控制功能，同時系統(tǒng)本身安全性差，難以建立有效的操作等級和權(quán)限制度。 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]。目前有 DCS(分布式控制系統(tǒng)) 控制系統(tǒng)與 FCS 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) )控制系統(tǒng)兩種。但主要缺點是一次投入資金較大 [4]。近十年來，我國的啤酒工業(yè)得到了迅速發(fā)展，但是由于起步較晚，生產(chǎn)設(shè)備都比較落后，自動化程度低，因而產(chǎn)品效率較低，產(chǎn)品質(zhì)量也不高，噸酒能耗較大，這都是我國啤酒工業(yè)急待解決的問題。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。這種人工控制方式很難保證生產(chǎn)工藝的正確執(zhí)行，導致啤酒質(zhì)量不穩(wěn)定，波動性大且不利于擴大再生產(chǎn)規(guī)模。(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。2 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。發(fā)酵過程是啤酒生產(chǎn)中一個非常重要的環(huán)節(jié)，啤酒發(fā)酵是一個復雜的生化過程，這個過程可以理解為把麥汁轉(zhuǎn)化為啤酒的過程，整個發(fā)酵過程同樣也包含若干個生產(chǎn)工序，如：麥汁充氧、酵母添加、發(fā)酵、過濾、修飾以及酵母擴培等等。如果溫度?偏高，又會造成生化參數(shù)超出標準，影響啤酒的質(zhì)量。從原麥汁入罐時刻起，就開始進行主發(fā)酵，這一階段的溫度控制在12攝氏度(不同工藝數(shù)值不同)。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)。每兩小時測量一次，度。發(fā)酵進入還原雙乙酰階段，這一階段要求溫度控制在12~18攝氏度 (不同工藝數(shù)值)。當溫度到達1攝氏度以下時發(fā)酵進入低溫儲酒階段，在低溫儲酒階段溫度控制在0. 5~10攝氏度。正常情況下，全過程必須在14天以上 [5] [6]。滿罐溫度的確定應(yīng)考慮麥汁分鍋次進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。雙乙酰還原階段控溫原理與主酵段類似，但此過程發(fā)酵速度趨緩，熱量產(chǎn)生少，對流慢，對上段控溫應(yīng)緩慢、慎重，不可急劇冷卻，防止罐內(nèi)溫度出現(xiàn)較大幅度下滑，酵母大量沉積將影響雙乙酞還原。(3) 降溫保溫階段發(fā)酵液雙乙酰還原達標后即開始轉(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了冷卻至貯酒溫度，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，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。(5) 三攝氏度保溫過程在整體降溫過程中，3 攝氏度以前的降溫速度較快，降溫慣性大，在接近 3 攝氏度對流方向變化過程中，易出現(xiàn)罐內(nèi)各點酒液溫度的紊亂，或溫度出現(xiàn)突升突降，或溫度持續(xù)變化，無法按工序執(zhí)行，且難以總結(jié)出變化規(guī)律。(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。此階段溫度控制應(yīng)以上、中、下三段均衡控溫為主，縮小罐內(nèi)發(fā)酵液溫差。 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。這樣使得罐內(nèi)發(fā)酵液與外界的熱交換量和發(fā)酵液產(chǎn)生的生化熱相比較可忽略不計，控溫中通過冷卻夾套由冷卻介質(zhì)帶走的熱量主要是生化熱。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。發(fā)酵是一個放熱的過程，如果讓啤酒自然發(fā)酵，發(fā)酵液的溫度會逐漸上升，因此在發(fā)酵罐外部罐壁設(shè)置有上、中、下三段冷卻套，相應(yīng)的設(shè)立上、中、下三個測溫點和三個調(diào)節(jié)閥，通過閥門調(diào)節(jié)冷卻套內(nèi)冷卻液的流量來實現(xiàn)對酒體溫度的控制 [7]。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。溫度參數(shù)的高低來提醒罐內(nèi)物料已加熱時間的長短，以便指導操作者進行物料儲存及物料反應(yīng)。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。啤酒發(fā)酵生產(chǎn)工藝對控制的要求是：發(fā)酵罐上、中、下液溫的實時測控，控制罐溫在特定階段與標準的工藝生產(chǎn)曲線相符；控制罐內(nèi)氣體的有效排放，使罐內(nèi)壓力符合不同階段的需要控制。P 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241 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。主要分為以下階段： (l) 麥汁充氧和酵母添加麥汁在泵入發(fā)酵罐進行發(fā)酵之前，麥汁中需要加入適量的酵母，整個發(fā)酵過程可以簡單理解為酵母把麥汁中的糖類分解成 C2H50H、H 2O 及其它產(chǎn)物的過程。(2) 發(fā)酵啤酒發(fā)酵是一個復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)。整個發(fā)酵過程可以分為主酵和后酵兩個階段：(a) 主酵—這個階段又稱為前酵。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。普通啤酒在前酵時的工藝要求控制在 12℃左右，從前酵進入后酵的降溫過程。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。經(jīng)過一段時間的貯酒，整個發(fā)酵環(huán)節(jié)基本結(jié)束。℃范圍之內(nèi)，以期達到理想的發(fā)酵狀況。(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行生物以及膠體穩(wěn)定處理然后灌裝。如果啤酒中仍含有微生物(雜菌)，則微生物可以在啤酒中迅速繁殖，導致啤酒混濁，其排泄的代謝產(chǎn)物甚至使啤酒不能飲用。啤酒發(fā)酵工藝曲線如圖 251 所示。啤酒口味和實際要求的不同，啤酒的發(fā)酵工藝曲線也就不同，但是對于確定好的啤酒發(fā)酵工藝，就應(yīng)嚴格按照工藝曲線去控制溫度和壓力等，這樣才能保證啤酒的質(zhì)量。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。自 1969 年DEC 公司研制出世界上第一臺 PLC 后，經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，有的已經(jīng)使用 RISC(精簡指令系統(tǒng) CPU)芯片。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。硬件設(shè)計方面：采用可靠性高的元件，對干擾的屏蔽、隔離和濾波，對電源的掉電保護，存儲器內(nèi)容保護，采用看門狗和其他自診斷措施等。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)可達幾十萬小時?？紤]到大多數(shù)電氣技術(shù)人員的讀圖習慣和應(yīng)用微機的水平，PLC 采用了面向控制過程、面向問題的“ 自然語言”編程，易于掌握。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。(3) 通用性現(xiàn)代 PLC 不僅具有邏輯運算、定時、計數(shù)、順序控制等功能，而且還具有A/D、D/A 轉(zhuǎn)換，PID 控制、數(shù)值運算和數(shù)據(jù)處理等功能。PLC 還具有通信聯(lián)網(wǎng)功能，可與相同或不同類型的 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)。而且由于 PLC 是專為工業(yè)控制而設(shè)計的專用計算機，其結(jié)構(gòu)緊湊、堅固耐用，并具有很強的可靠性和抗干擾能力，易于裝入機械設(shè)備內(nèi)部，因而成為實現(xiàn)機電一體化十分理想的控制設(shè)備。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。整體式 PLC 是將中央處理器(CPU) 、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機。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。裝有 CPU 單元的底板稱為 CPU 底板，其它稱為擴展底板。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。組合式 PLC 則在 I/O 配置上更方便、更靈活 [11]。 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。PLC 的用戶程序由若