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基于PLC的啤酒酿造的重点环节的控制系统设计(设计源文件+万字报告+讲解)（支持资料、图片参考_相关定制）_文章底部可以扫码
摘 要
随着社会的进步和相关产业的融合，啤酒产业迎来高速发展，也带来了啤酒储存的问题，落后的储藏方式会造成浪费问题。本文针对啤酒酿造过程监控系统落后、自动化程度低、产品质量不稳定及啤酒酿造罐温度所具有的大时滞、强关联、时变、大时间常数和变量的特点，提出了S7-200PLC核心的监控系统方案。酿造罐控制它对系统对液位、压力和温度进行循环检测，然后检测到的信号送到PLC，由PLC通过具体程序对以上三个信号进行处理，通过本文设定的特殊控制算法决定每层控制阀的开度，从而实现了啤酒酿造罐内部麦汁温度、压力和液位的精确控制，进而解决了啤酒酿造罐中的参数监控不准确的问题，提高了啤酒生产的综合自动化水平。
关键词：啤酒酿造; 温度控制; 压力控制; 液位控制; PLC
ABSTRACT
With the progress of society and the integration of related industries, the sustainable development of beer industry is mainly reflected in the coordinated development of production, economy, ecology and society. The rapid development of the industry has brought about the problem of beer storage, and the backward storage method will cause the problem of waste In view of the backward monitoring system of beer brewing process, low automation, unstable product quality and the characteristics of large time delay, strong correlation, time-varying, large time constant and variable of beer brewing tank temperature, this paper puts forward the monitoring system scheme of S7-200 PLC core. The brewing tank control system circularly detects the liquid level, pressure and temperature, and then the detected signals are sent to the PLC. The PLC processes the above three signals through specific procedures, and determines the opening of each layer of control valve through the special control algorithm set in this paper, thus realizing the accurate control of the wort temperature, pressure and liquid level in the beer brewing tank, thus solving the problem of inaccurate parameter monitoring in the beer brewing tank, The comprehensive automation level of beer production has been improved. This paper introduces the process flow and software design of the system. The software design includes the ladder diagram of the system control, the calculation of the set value and the solenoid valve control. The design is easy to program and master. The system meets the technical requirements of beer production and brewing technology, and takes into account the practical needs. It has high performance/price ratio, reliability, advanced technology, strong scalability, strong portability, and has the promotion and practical value.
Keywords: beer fermentation; temperature control; pressure control; liquid level control; PLC
目 录
第1章 绪论 1
1.1课题研究背景以及意义 1
1.2相关技术发展现状 2
1.2.1国外研究现状及特点 2
1.2.2我国研究现状及特点 3
1.3课题研究内容 4
第2章 设计方案 6
2.1啤酒酿造概述 6
2.2控制原理 6
第3章 硬件设计 8
3.1 PLC的选型 8
3.1.1 PLC工作原理及功能 8
3.1.2 PLC的选型 8
3.2 PLC的各个组成部件及工作原理 9
3.3 S7-200主要功能及特点 10
3.4控制系统的硬件配置 10
3.5文本显示器TD200 11
3.6 I/O地址分配 11
3.7硬件电路设计 12
3.7.1 主电路设计 14
3.7.2 温度传感器电路设计 … 14
3.7.3 压力传感器电路设计 15
3.7.4 液位传感器电路设计 15
第4章 软件设计 18
4.1控制系统组成 18
4.2程序流程图设计 18
4.3 PLC功能模块程序设计 19
第5章 组态设计 22
5.1组态软件介绍 22
5.2组态变量的建立及设备连接 22
5.2.1新建项目 21
5.3创建组态画面 26
第6章 结论 28
致 谢 29
参考文献 30
附件…37
第1章 绪论
1.1 课题研究背景以及意义
随着我国改革开放现代化建设，人民生活水平不断提高，啤酒己成为人们的时尚饮品，市场的宠儿，生产直线上升，目前已成为仅次于美国的世界第二大啤酒产销国，令世界啤酒界人士刮目相看。啤酒生产是一个利用生物加工进行生产的过程，生产周期长，过程参数分散性大，传统操作方式难以保证产品的质量。近年来，国外的各大啤酒生产厂家纷纷进军中国市场[1]，凭借技术优势与国内的啤酒生产厂家争夺市场份额，虽然我国的啤酒装备配套水平有很大提高，但与国外的主要啤酒生产厂家相比大部分企业技术落后，国内的啤酒行业迫切要求进行技术改造，提高生产率，保证产品质量，以确保在激烈的市场竞争中立于不败之地。
啤酒的酿造过程是在啤酒酵母的参与下，对麦汁的某些组成进行一系列代谢，从而将麦汁风味转变为啤酒风味的过程。啤酒酿造是啤酒生产工艺流程中关键环节之一，也是一个极其复杂的在酿造罐内发生并释放大量热量的生化放热反应过程。由于这一过程中麦汁的可酵糖和氨基酸等营养物质被酵母细胞酶分解为乙醇（C2H5OH）和二氧化碳（CO2）[2]，同时还产生一系列的酿造副产物，如：双乙酰、醛、酸、酯等。这些代谢产物的含量虽然极少，但它们对啤酒质量和口味的影响很大，而这些中间代谢产物的生成取决于酿造温度。因此酿造过程是否正常和顺利，将直接影响到最终啤酒成品的质量。比如，酿造过程的温度若发生剧烈变化，不仅会使酵母早期沉淀、衰老、死亡、自溶，造成酿造异常，还直接影响到酵母代谢副产物组成，从而对啤酒，酒体与风味，及啤酒胶体稳定性造成危害。
啤酒酿造具有非线性、时间滞后和大惯性等特征，酿造过程的精密控制一直是自动控制领域较难解决的问题之一。要求酿造液的温度严格按照一定的工艺曲线变化，温度控制精度在±0.5℃范围内[3]，这样的控制精度单凭传统的热工仪表加上手工操作方式是完全不能满足要求的，随着控制领域新技术、新方法的不断涌现，这些问题也在不断地得到改进。改进啤酒酿造生产过程控制是酿造业技术进步的有效措施，它可以在不增加原材料及动力消耗的前提下，增加产品产量、提高产品质量，同时减轻劳动强度、改善工作条件、提高酿造工艺水平及生产管理水平。因此，优化啤酒酿造控制应用前景乐观，能产生较大的社会经济效益，具有很大的应用价值。
利用PLC实现啤酒酿造罐温度的自动控制，对提高啤酒酿造温度控制精度，优化啤酒温度控制过程，使用效果好且性能稳定可靠，编程简单，具有非常现实的意义。
1.2 相关技术发展现状
1.2.1 国外研究现状及特点
德国施威英注浆系统由2个全液压双缸，双出口活塞注浆泵组成,共有4个注浆口,采用比例调速阀控制液压缸活塞速度进而控制注浆量。施维英注浆泵的配套系统在使用中有许多的不便之处。首先，安装不方便。原有的配套设备采用独立的液压动力系统，在空间狭小的盾构机台车上安装泵站和油箱困难，甚至需要抬高浆箱，工作量大[4]。其次，原有的控制系统操作不方便。原有的控制系统采用独立的控制模式，不能与原有的注浆系统融合，在施工中需单独操作。最后，注浆量难以精确控制。原有的PLC控制程序不能与盾构机的PLC程序整合，不能使用盾构机原有的注浆量测量程序，无法准确调节注浆量。
在啤酒酿造过程中，工艺操作的控制主要是对温度、糖度、双乙酞、压力和时间变化的控制，而这些参数又是相互耦合的。糖度、双乙酞的控制是通过调节温度来完成的，而时间和压力的控制[5]，在一定浓度、酵母数量和活性条件下，也取决于酿造的温度。因此，啤酒酿造过程控制主要是对酿造温度的控制，酿造温度是决定啤酒口感、风味等的一个重要指标，但现场温度的控制比较困难，在现代化生产的今天，为保证啤酒风味的一致性，满足生产的连续化、自动化的需要。根据现场的要求，采用先进的智能控制策略来对啤酒酿造过程进行控制是必然的，在其发展过程中，主要经历了以下几种控制方式:
(1)完全手动操作方式
操作人员在现场或集中操作盘上控制主要设备的启停，阀门由工人到现场操作。这种方式下啤酒生产的控制完全由人工操作，生产工艺参数得不到可靠执行，一致性比较差，啤酒质量受人为因素影响较大，因此啤酒口味稳定性较差，而且工人的操作劳动强度很大，主要生产设备与装置不能工作在最佳状态，原材料利用率低，产品能耗大[6]。
(2)半自动控制方式
半自动控制方式又叫集中手动控制方式，采取诸如数据采集器等手段采集各种过程量并送入控制室，控制室设有模拟屏或上位机，在模拟屏或上位机上显示各种温度、流量、压力和液位等过程参数和电机、阀门的开启状态，对生产过程进行监控[7]。
(3)常规的单变量PID控制策略
在啤酒酿造罐的温度控制系统中，常规的单变量PID是以大罐的中部温度为被控制量，中部冷却带阀门开度为控制量，阀门的开度在不同的酿造阶段具有相应的比例系数，比例系数主要依赖人的经验，是典型的单变量控制策略。但是，经过分析，啤酒酿造过程是多变量控制系统，因此，该单变量控制策略无法解决酿造罐上、中和下3个冷却带的藕合问题，因此比例系数依赖于人的经验，所以严重影响控制精度[8]。
(4)模糊控制策略
采用模糊控制策略虽然能充分利用其非线性结构、不需要建立被控对象的精确数学模型，在一定程度上提高了系统的鲁棒性，基本满足实际生产的需要，但是离线建立的模糊控制规则表不能在线修改。
(5)多变量控制
对现有单变量控制器进行改进的一个有效的措施就是对酿造罐，实施多变量控制策略，薛福珍等人对系统进行Smith预补偿和多变量解藕，之后，对控制量进行了约束优化调节，并成功用于对啤酒酿造的温度控制，取得了比较满意的控制效果[9]。
综上所述，各种控制策略都有其优缺点，从长远的角度来看，现代控制理论与智能控制理论有广阔的发展前景，具有较高的研究和使用价值。
1.2.2 我国研究现状及特点
河北工程大学郭磊雷采用双活塞杆式双作用液压缸设计了新型双液注浆泵,但并未给出具体的控制方式。本研究针对双液，四缸的注浆系统设计了基于PLC的控制器，其核心在于放弃了传统调节比例阀开关控制流量的方法，选用响应速度更快、控制精度更高的变频器作为调节元件，并提出了一个流量信号控制两种料液流量及比例的PID控制方法[10]，经过仿真验证了其可靠性，为国内注浆泵系统的设计提供了新思路。注浆泵作为单体专用设备,应用范围广泛，如在隧道、矿井采掘、矿井回填、岩石加固等工程中作为专用设备必不可少。
近年来我国的注浆泵制造技术得到了快速发展,如滕延锋设计了新的液压系统及控制系统,对注浆流量及压力进行监测;张平格等提出了通过液压系统设计实现双液注浆比例的调节;蒲朝阳等介绍了采用变频技术实现的高压大流量无极变速注浆泵设计。这些针对单机的性能和功能上的提升,保证了注浆泵的合理应用，但在特殊工程背景下,不能完全满足工况及功能要求。
我国啤酒的产量已开始赶超世界先进水平[11]，但产品质量必须达到较高水平，花色品种也必须赶上去才能适应变化的消费者的需求，这就要求国内的啤酒生产厂家改变传统的生产工艺更新生产设备以满足市场的需求。国内啤酒厂更新技术的手段主要有以下几方面:
（1）引进国外控制技术
例如福建惠泉啤酒厂创下“十五”啤酒酿造技术新亮点一一无菌酿造技术，并进口德国Thient公司的各种先进仪器和德国著名的高得曼实验室，创造了世界一流的现代化啤酒控制系统;北京燕京啤酒厂引进德国施密特公司专用的先进设备;北京华尔森啤酒厂从捷克引进全套生产设备[12];上海华光啤酒厂从瑞士引进生产设备等。引进设备的最大特点是自动化水平比较高，从而能严格满足啤酒生产的要求，因此产量较高，质量较稳定。但是引进设备价格昂贵，使一般小厂望尘莫及。
（2）国内科研所、专业公司根据国情自行研究的技术
由于引进国外整套设备的成本非常高，因此，尽快地研制出自动化水平较高的国内啤酒生产设备，以适应国内啤酒生产的需要，也成为国内一些科研部门的热点。1988年北京核工程研究院研制的“PRS-80型啤酒酿造控制系统”[13]在伊春啤酒厂投入使用，其硬件主要分上位机和现场工作站两层，控制方案采用单变量温度控制;1993年国家轻工业部自动化研究所研制的“PW-40啤酒酿造微机控制系统”在厦门华侨啤酒厂投入使用，其控制方案也是采用单变量温度控制;1994年北京科海测控工程部研制的“CMCM啤酒酿造微机测控系统”在无锡市太湖水啤酒厂投入使用，其硬件配置上位机采用80386，配合了一个小型局域网络，现场控制机采用Z80单板机，控制方案采用单变量控制，并设有液位检测;合肥廉泉啤酒(集团)公司为了增强企业的整体实力，提高产品档次，在1999年完成糖化及酿造自控系统，从而使扩建6万吨啤酒的生产系统的技改工作胜利完成。
（3）厂内自行研究
国内中小企业结合本厂具体的生产实际自行研究的自动化仪表加手动的生产控制技术，其造价低，效果一般，符合企业目前的状况，但不能满足企业长远发展的需求，成为制约企业发展的一大瓶颈。从上述情况看，我国的啤酒生产设备与发达国家相比有了较大的发展，但是还处于起步阶段[14]。
1.3 课题研究内容
本系统主要研究的是酿造罐，内部温度、压力和液位监控系统设计。通过对麦汁三个参数的严格控制，可以使小麦汁按照预先设定的工艺的酿造。
由于在啤酒的酿造过程中，酿造罐内部反应所放出的热量使内部麦汁温度的升高 ，所以酿造过程的升温速度是不可以通过人为控制的。所能控制的只有降温的速度。啤酒酿造过程中内部麦汁温度的降低是通过绕在啤酒酿造罐内壁蛇形管中的冷却液来完成的，冷却液的流量和速度决定了降温的速度，可以通过控制冷却液的流量来控制酿造罐内部麦汁的温度进而满足酿造过程各阶段对麦汁温度的要求。对于压力和液位的控制也是相同的原理。
第2章 设计方案
2.1系统方案介绍
啤酒是采用麦芽和水为主要原料，加酒花，经酵母酿造酿制而成的一种含有二氧化碳、气泡的低酒精度饮料。啤酒生产工艺主要由麦汁制备（俗称糖化）、啤酒酿造、啤酒罐装等工艺流程组成。酿造过程是啤酒生产中一个非常重要的环节，啤酒酿造是一个复杂的生化过程，这个过程可以理解为把麦汁转化为啤酒的过程，整个酿造过程同样也包含若干个生产工序，如：麦汁充氧、酵母添加、酿造、过滤、修饰以及酵母扩培等等。生产周期都在十几天以上，要求酿造液的温度严格按照一定的工艺曲线变化[15]，温度控制精度在±0.5℃范围内如果温度控制偏低，就会使得酿造过程缓慢，影响生产进度；如果温度偏高，又会造成生化参数超出标准，影响啤酒的质量。
啤酒酿造整个过程分为：麦汁进罐，自然升温，还原双乙酰，降温过程等。麦汁进料阶段的温度为5~100C, 自然升温阶段的温度为20350C，开始进行主酿造，酿造液直接由糖化车间经管道灌入，初始的温度大约为8摄氏度左右，糖度为10度左右，温度控制开始实施，以保证满罐后酿造液的温度在规定范围内。酿造液装满罐后工人开始测量酿造液的满罐糖度，主酿造阶段结束，酿造进入还原双乙酰阶段，这一阶段要求温度控制在15200C 。当双乙酰浓度下降到合格标准时，酿造就可以进入降温阶段，分两个阶段按不同的速率降温，此时把所有冷媒阀打开，使酿造液全速降温，降温阶段的温度为-1120C。当温度到达1摄氏度以下时酿造进入低温储酒阶段，在低温储酒阶段温度控制在0.510摄氏度。这一阶段主要是让酵母和一些固态物进行充分沉淀并进行回收。
2.2 控制原理
啤酒酿造对象的时变性、时滞性及其不确定性，决定了酿造罐的控制必须采用特殊的控制算法。由于每个酿造罐，都存在个体的差异，而且在不同的工艺条件下，不同的酿造菌种下，对象特性也不尽相同。因此很难找到或建立某一确切的数学模型来进行模拟和预测控制。为节省能源，降低生产成本，并且能够满足控制的要求，酿造罐的温度压力液位控制选择了检测酿造罐中的检测，通过冷媒进口的两位式电磁阀来实现酿造罐温度控制的方法，通过压力控制阀控制压力，通过液位控制阀控制罐体内的液位。
利用PLC实现酿造罐各参数的控制[16]，PLC实现啤酒酿造参数监控的主要任务是实现对酿造罐温度、压力、液位的控制。在酿造的过程中，温度在不断的升高，当达到上限温度时，要打开制冷设备，通过酒精在冷却管内循环，使罐内的温度降下来。当酿造温度低于工艺要求的温度时，关闭冷媒，则啤酒按工艺要求继续酿造；酿造的过程中水分也会不断的消耗，因此需要对罐内的液位进行控制；酿造温度升高，罐子内部的压力也会变化，如果不能及时的控制罐内的压力，会发生危险的事情。酿造罐工艺示意图
第3章 硬件设计
3.1 PLC的选型
3.1.1 PLC工作原理及功能
可编程控制器（PLC）是一种专门用于工业自动化控制的计算机控制系统。其工作原理主要包括输入信号采集、逻辑运算、输出信号控制和通信交互四个基本步骤。
PLC通过连接各种传感器和开关来采集外部输入信号。这些信号可以是来自温度传感器、压力传感器、液位传感器、按钮开关等的模拟或数字信号。PLC会对这些信号进行采样和转换，将其转化为数字信号，以便进行后续的逻辑处理。PLC内部包含一个强大的逻辑运算单元，通常是基于微处理器或微控制器的。它可以执行各种逻辑运算、算术运算、比较和控制算法。通过编程，用户可以定义所需的逻辑关系和控制规则，以根据输入信号的状态进行相应的操作和决策。根据逻辑运算的结果和用户定义的控制规则，PLC会生成相应的输出信号。这些输出信号可以驱动执行器、电磁阀、电动机等设备，从而控制各种工业过程。PLC的输出接口通常为数字输出或模拟输出，可以将数字信号转换为实际的控制信号。现代PLC系统通常具有与其他设备或系统进行通信的能力，如人机界面（HMI）、上位机或其他PLC之间的通信。通过通信接口，PLC可以接收来自外部设备的控制指令或发送工作状态和数据报告。这使得PLC可以与其他系统进行联网，实现分布式控制和远程监控。
总体而言，PLC的工作原理是通过采集输入信号、进行逻辑运算、控制输出信号，并通过通信实现与其他设备的交互。通过编程来定义逻辑关系和控制规则，PLC可以灵活地应对各种工业自动化控制需求，并具有可靠性、稳定性和灵活性等优势。因此，可编程控制器啤酒酿造过程自动控制系统，可完成啤酒酿造过程控制功能，完成与上位机的通讯，实现啤酒酿造过程的远程监控[17]。
3.1.2 PLC的选型
据啤酒酿造的工艺流程和需要，PLC的选型需要满足以下条件：
1.有简单回路控制算法。
2.有模拟量的采集、处理过程及开关量的输入/输出功能。
3.有温度显示和用外部按键随时改变内部参数
因此PLC的选择包括机型、容量、I/O模块等几个方面的内容。
1.PLC机型的选择
如今国内使用的PLC以国外产品居多。美国是PLC的发源地，以大中型机为主，功能完备，单机价格高，GE公司、MODICON公司、AB公司是其代表。日本的PLC以中小型机为主，价格便宜，典型代表为OMRON公司、三菱（MITSUBISHI）公司的产品。德国SIEMENS公司的产品以可靠性高著称，其主要产品有S5、S7两个系列，包括了从大型机到小型机各个型号，在国内使用广泛[18]。
2.选择容量。
PLC机型的选择容量取决于控制系统所需的输入输出点数量和复杂程度，以及所涉及的任务和应用的复杂性。
3.选择I/O模块。
输入模块有直流24VDC和交流220VAC两种。
输出模块有三种形式：继电器输出，晶体管输出和晶闸管输出。晶体管输出模块只能带直流负载，是直流输出模块，用于高速小功率负载;晶闸管输出模块是交流输出模块，只用于高速大功率负载；继电器输出模块是交直流输出模块，即可带直流也可带交流，因其有触点，故只能用于低速负载。上煤系统电控部分控制对象为接触器，属于交流低速负载[19]。
S7-200系列是西门子（Siemens）推出的一款经典PLC产品系列，适用于中小规模的自动化控制应用，具有可编程性强、运行稳定可靠、易于安装和使用等特点。
S7200四种CPU：CPU221，CPU222，CPU224，CPU226
CPU226这种模块在CPU224的基础上功能又进一步增强，主机输入输出点数增为40点，具有扩展能力，最大扩展为248点数字量或35点模拟量，增加了通信口的数量，通信能力大大增强，它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。
根据对整个系统的考察，啤酒酿造PLC控制系统的I/O点数及类型确定，可知PLC要提供21个开关量输入和15个开关量输出，5个模拟量输入，同时考虑到要留有20%～30%的余量。通过比较S7200四种CPU的各种技术指标，选定CPU226为啤酒酿造PLC控制的控制器[20]。
3.2 PLC的工作原理
PLC的CPU采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等到扫描到该触点时才会动作。
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段[21]。
3.3 S7-200主要功能及特点
S7-200系列PLC具有以下主要功能和特点：
可编程性强：S7-200系列PLC具备强大的编程功能，支持多种编程语言（如Ladder Diagram（LD）和Instruction List（IL）），可满足不同用户的编程需求。
多种通信接口：S7-200系列PLC支持多种通信接口，包括串口、以太网和通信模块，可与其他设备进行数据交换和远程监控。
高速响应：S7-200系列PLC具备快速的输入输出响应能力，能够实时处理高速信号和反应速度要求较高的控制任务。
灵活的模块化设计：S7-200系列PLC采用模块化设计，可以根据实际需求进行灵活配置和扩展，提供多种数字输入输出和模拟输入输出模块，以适应不同的应用场景。
可靠性和稳定性：S7-200系列PLC采用可靠的硬件和可靠性测试，具有稳定的性能和高度可靠的运行，能够在恶劣工作环境下长时间稳定运行。
简化的安装和维护：S7-200系列PLC具有简化的安装和维护过程，便于用户进行系统配置、参数调整和故障排除，降低了工作量和维护成本。
应用广泛：S7-200系列PLC适用于中小规模的自动化控制应用，广泛应用于机械、制造、楼宇自控、环境监测等领域。
总的来说，S7-200系列PLC具备强大的编程功能、灵活的通信接口、高速响应、可靠稳定的性能和简化的安装维护过程，适用于中小规模的自动化控制应用，并具有广泛的应用领域。
3.4 控制系统的硬件配置
啤酒酿造控制原理可以得出：每只酿造罐需要有上温、中温、下温、液位四个模拟量需要测量，上温、中温、下温3个温度各需要一个二位式电磁阀进行控制，所以每只酿造罐的I/O点数为4个模拟量、36个开关量，考虑到CPU226主机上的I/O口不够多必须对它进行扩展，在这选用EM 221 CN 数字量输入模块（6ES7 211～1BF22～0XA8）、EM 222 CN 数字量输出模块（6ES7 222-1HF22-0XA8）、模拟量扩展模块EM231CNAI4X12位[22]。其扩展图如图3.1所示：
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