1、啤酒生产线控制系统设计酿造部分第一章 绪论1.1课题背景在巩固和提高我国经济体制的同时，特别是加入了国际世贸组织以后，中国啤酒行业正 逐步融入世界啤酒业，由于外国啤酒进驻中国市场，中国啤酒行业已经进入了竞争激烈的成 熟过渡期，重新整合扩张，这种“一体化”的扩张方式在一些大中型企业是尤其明显的。上 世纪 90 年代，青岛啤酒经营了多种运营模式，在中国大部分省市自治区成立了 50 多家啤酒自动化生产基地，已经初步完成了全国化的战略布局。因为啤酒生产内部竞争激烈，外部也和同类酒类产品的竞争越来越激烈，有很大一部分 啤酒厂倒闭或相互合并，啤酒生产企业数量急剧下降。还有一部分生存下来的企业，逐步重 视对
2、产品质量、口味、工艺，加大科技研发力度，自动化专业化设备得到全新的改变，新的 包装设备和先进的宣传理念如雨后春笋般在市场上出现，整个啤酒行业更加良性的在市场中 互相竞争，啤酒开始向着工业化、 规模化生产， 国内的大部分啤酒生产企业逐步的向大型化、 集团化发展，与国际之间的交流越来越频繁。现如今，人们的生活水平有了显著的提高，老百姓对啤酒的需求量急速上升，这一需求 给生产制造商提出了严峻的挑战，尤其是在各个厂家良性竞争的前提下，更是对啤酒的生产 有了更严格的要求，如何在保证质量的前提下高效的生产出大批量的啤酒是现在每个厂家所 必须解决的问题。正是因为PLC的强大功能，给啤酒的自动化生产带来了福音
3、。啤酒生产所需要监测的数 据比较繁琐，比如温度、压力、浓度、浑浊程度等都有很严格的要求，而 PLC在这些方面都有自己的独特之处，能够很自如的对这些模拟量进行时时监控，从而解决了大量的剩余劳动 力，而对PLC自动化啤酒生产线程序的调试优化更是尤其重要。本次设计就是对现有的和利时 PLC啤酒自动化生产线进行软、硬件的调试，通过现场的数据采集对啤酒生产线酿造部分进行程序优化，最终得出与之对应的研究结论。1.2课题内容（1） 啤酒自动化生产酿造工艺流程 通过查阅相关资料，对现有的啤酒自动化生产工艺有 一个基本的了解，尤其是对啤酒酿造工艺的熟悉，从而对本课题有一个更深入的理解。（2） 根据现场实际需要设
4、计适当的控制方法 根据现场以及工艺流程的实际需要，编写控 制程序并对控制程序进行相应的优化，以及对优化后的程序进行现场测试。（3） 通过组态软件做出现场的动态监控图 一个合格的生产流水线离不开对设备生产过程 的监控，不仅是从安全的角度出发，更要考虑到设备损坏及时维修及其包养，因此本课题设 计了组态监控系统，该系统是基于 HollyView 的一款组态软件。（4）控制面板触摸屏的设计 对控制面板触摸屏的设计是为了能够更简便控制现场设备，同时也起到对现场的监控作用，与组态监控界面起到双重监控的作用，使得生产的安全性以 及流畅性有了保障。因此本课题设计了触摸屏操控系统，方便对现场设备的控制，同时也能
5、 够起到监控的作用。（5）对总体程序以及监控进行可行性分析 根据实际的数据结果，对程序以及组态监控方面进行可行性分析，并对整体进行优化，对优化后的系统能否正常运行做出整体性的规划。1.3课题目的本课题通过和利时PLC对啤酒自动化生产线酿造部分各个工序段进行自动化控制，从而节省了大量的劳动力，与此同时能够很大程度的提高生产效率，对于产品的市场竞争有很大 的技术支持，同时对于现有的啤酒自动化生产线进行系统优化，从而对设备的升级进行有效 的数据采集，对自动化控制的发展有更好的推进作用。1.4课题意义啤酒自动化生产线运用自动化控制技术，运用 PLC强大的控制功能达到自动化控制的目 的，这其实是工业生产
6、的一个缩影，正是因为有了这种系统的优化研究，才能更好的使自动 化控制技术得以有力的发展，才能大大提高工业生产的生产效率。现如今自动化控制技术在日常生产中应用尤其广泛，它不仅是工业生产的一次重要升级 和改革，同时也为工业自动化生产带来了春天，把工业生产引领到了一个全新的领域，自动 化控制技术不仅节省了人为劳动力，生产成本也大大的降低，给生产商带来了福音。在中国 不断发展的今天，自动化控制技术在中国的工业发展史上也发挥了极大的作用。本次课题是基于实验室研究自动化控制技术的课题，研究本课题对以后的实际应用教学有着很强的现实意义，能够更清楚直接的叫同学们了解自动化控制技术在现实生产当中是如 何应用的，
7、同时本课题也为后期自动化专业的教学及研究奠定了必要的基础，能够从理论结 合实际的角度出发，更加全面的为学生讲解自动化控制技术在实际生产当中是充当一个怎样 的角色。同时，还有最重要的一点就是为以后啤酒生产线的进一步研发提供了一个很好的实 验平台，能够更加全面的锻炼学生实际动手操作的能力。第二章系统总体方案设计2.1酿造部分的总体结构酿酒工艺的基本流程：麦芽粉碎机T糖化锅T过滤罐T煮沸锅T沉淀池T冷却锅T发酵罐清酒罐灌装机，如图2.1。酿造部分主要包括三个部分，各类硬件设备（如液体反应罐、各种仪器仪表、电机、电 磁阀等等）、PLC控制柜（主要包括PLG空气开关、继电器、电源模块、触摸屏等）以及工
8、控台（由一台个人计算机组成，通过个人计算机控制 PLC控制现场设备）。酿造部分每一个反应罐都有着自己的作用，每个工段都有着各自的所需要控制采集的数 据，正是每个工段有序的工作，使得整个酿造部分有序的生产。2.2酿造部分基本设计步骤根据啤酒酿造的工艺流程，将各个反应罐按照相应的顺序进行排列组装在一起，每个反 应罐直接由管道以及电气元件连接在一起（如液体流通管道、入水管、出水管、入口泵、出 口泵、电磁阀、流量计、温度表、压力表等等）；PLC控制柜分为五个部分，分别控制公共系3 / 43统工段、糖化工段、煮沸工段、发酵工段、清酒工段五个工段，通过对过程中变量的控制， 从而使酿造部分严格的按照酿酒工艺
9、运行，实现了自动化控制在工业生产上的应用。在酿造过程当中需要控制很多的变量，如何控制好这些变量才是本次课题设计的主要任 务。温度、压力、搅拌电机的转速等等都是啤酒工艺生产上重要的参数，如何运用现如今的 科技手段随意自如的控制这些变量都是此次课题的重重之种，有了这些控制变量，对程序进 行编写，使得这些控制变量能够随意的去设定，通过科技手段进行监测，从而使得啤酒自动 化生产酿造工段更好的进行，也要根据实际的生产进行相应的优化，对系统进行升级。2.3酿造部分需要控制的对象酿造部分由于酿酒工艺的要求，需要对反应罐内一些变量进行控制以及监测，这就需要PLC去控制这些变量，酿造部分所需要控制的变量有：（1
10、） 温度 酿酒工艺中对液体温度的控制是非常严格的，因此对温度控制以及温度变 化的监测采集是自动化控制的一大重要反馈数据。（2） 压力 反应灌内的压强大小也是酿造部分所需要重点监控的对象。（3） 电机转速 有些部分反应罐内的液体是需要加热的，但是这就涉及到一个受热是否均匀的问题，与此同时需要搅拌电机来使反应罐内的液体受热更加均匀， PLC通过控制变频器的数值大小来控制搅拌电机搅拌的快于慢。（4） 入口泵、出口泵启停 由于各个反应罐都是处于同一水平面，当完成当前酿酒步 骤，需要将当前反映灌内的液体转移到下一个流程就需要入口泵以及出口泵的协助，使得液 体更快速的转移。（5） 流量 酿酒工艺还需要很好
11、的控制监测液体流量的大小，进而达到酿酒工艺的各 种需求。（6） 电磁阀、电动调节阀 对液体的流动启停进行控制，节省了人为的劳动时间。2.4酿造部分的主要结构2.4.1公共系统工段 公共系统工段主要由净水罐、热水罐、碱液罐、入口泵、出口泵、制冷压缩机、冷水罐 组成。热水罐与冷水罐组成 CIP系统，为整个酿造过程提供清洁无菌的卫生环境，避免后续 酿造过程中染菌。冷水泵、制冷机、冰水罐组成制冷系统为后续酿造发酵提供适宜温度，提 高发酵率。2.4.2糖化工段糖化工段主要是由糖化锅和过滤槽组成。糖化锅是麦芽淀粉及蛋白质的分解的容器，并 与已糊化的麦牙粉溶液混合， 维持溶液在一定的温度， 使溶液开始淀粉糖
12、化， 从而制出麦汁 麦汁经过过滤槽过滤，麦芽汁与麦糟分开，得到清凉爽口的麦芽汁。2.4.3煮沸工段 煮沸工段主要由煮沸锅和回旋槽组成。过滤后麦汁经由煮沸锅煮沸，在煮沸的过程当中 加入酒花赐予啤酒爽口的苦香味和特有的清爽味。在麦汁达到一定的浓度后，麦汁被泵入回 旋槽进行热凝固物的回旋沉淀和分离。2.4.4发酵工段 发酵工段主要由换热器、发酵罐组成。回旋沉淀后的麦汁经过板式换热器调整为适宜的 发酵温度，在经过冲氧，添加啤酒酵母的工序，最终进入发酵罐进行麦芽发酵，啤酒酵母将 可发酵性糖和氨基酸等分解成酒精。2.4.5清酒工段清酒工段主要由过滤机和清酒罐组成。经过发酵而成熟的啤酒在过滤机中将剩余的酵母
13、 和不溶解性蛋白滤除，使酒液成色更加透亮。经过过滤后的啤酒由出口泵泵入清酒罐，最终 啤酒在制冷压缩机的作用下低温保存在清酒罐。第三章 酿造部分硬件结构3.1现场设备组成3.1.1液体反应罐液体反应罐（如图3.1 ）由锅体、锅盖、搅拌电机、夹套、支承杆及传动装置组成，液 体反应罐的材质以及开孔具体位置可按照现场的实际情况进行定做。液体反应罐有许多种不 同的加热形式，比如电加热器加热、油体加热、气体加热、水加热以及冷却等等；上面的夹 套也有多种不同样式供用户选择；搅拌的形式同样也有不同的选择，比如船桨式、抛锚式、 框架式等等；高转速类也有许多样式供用户选择，以便应付不同的生产工艺；传动装置大体 分
14、为普通电机、伺服电机、电磁调速电机几种。图3.1液体反应罐Fig. 3.1 Liquid reacti on tank3.1.2交流电机交流电机（如图3.2 ）能够实现机械能与交流电能互相转换。由于交流电力系统大力发 展，交流电机逐渐成为自动化工业生产的宠儿。交流电机与直流电机相比，交流电机因为没 有换向器，它具有整体结构简单、制造相对容易、耐久度高，较为容易做成高转速、高电压、 大电流、大容量电机。交流电机功率所涵盖的范围是相对比较大的，几瓦到几万千瓦，甚至能够达到上百万千瓦。本次课题选用交流电机用于对反应罐液体的搅拌，由于交流电机的上述特点，故选择交 流电机用于对反应罐内液体的搅拌。图3.
15、2交流电机Fig. 3.2 Alter nati ng curre nt dyn amo3.1.3耐腐蚀离心泵由于本次设计有液体之间的传输，因此需要抽水泵来实现告诉液体传输，因为两个反应 罐之间的液位是没有明显差距，因此需要入水泵以及出水泵来实现传输；更重要的是本次课 题传输的是液体，考虑到耐久性以及耐腐蚀性的问题，故选择耐腐蚀离心泵来作为本次课题 的入水泵以及出水泵，通过选择耐腐蚀性离心泵能够很好的解决耐久性以及耐腐蚀性这一问 题。图 3.3 耐腐蚀离心泵Fig. 3.3 Corrosion resisting centrifugal pump3.1.4电磁阀、电动调节阀电磁阀（如图 3.4
16、.1 ）是用电磁控制的自动化工业生产设备，是用来控制液体流动的自 动化基础元件。在工业自动化控制系统中用于调整被控对象的流动方向、流量、速度以及其 他可控参数。电磁阀能够作用于不同的控制电路来实现预期的目标，而且在精度与灵活度方 面都具有可靠性。电磁阀种类有很多种，不同的电磁阀在自动化控制系统中有不同的功能， 自动化控制系统经常用到的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等等。电动调节阀（如图 3.4.2 ）是工业自动化控制系统中的重要执行仪表。电动调节阀与传 统的气动调节阀相比有相当大的优势：电动调节阀相对节能（仅仅在工作时消耗电能） ，安 全环保（无碳杂质排放） ，安装方便快捷。阀门按其
17、所配备的执行机构所使用的动力，按其 自身功能和自身特性分为线性特性，等百分比特性及抛物线特性三种。图 3.4.1 电磁阀 图 3.4.2 电动调节阀Fig. 3.4.1 Solenoid valve Fig. 3.4.2 Electric control valve3.1.5传感器传感器是一种检测装置各种参数的电元器件，能检测接收被测数据的具体参数信息，并 能检测接收到的信息，并且按照一定的规律转换成电信号或者其他形式的参数进行输出，以 便满足不同要求的信息输出处理、存储显示、记录、控制等要求，有了传感器基本能够实现 自动检测和自动控制。本次课题选择了多种不同的传感器，例如：温度传感器（主要用
18、于对温度的检测） 、压 力传感器（主要用反应罐内压力的测量） ，通过这两种传感器对温度以及压力进行检测，从 而达到控制以及反馈温度以及压力的目的。3.1.6差压变送器差压变送器（如图 3.5 ）是测量差压变送器两端压力之差的变送器， 输出如 420mA、05V 的标准信号。差压变送器与一般的压力变送器有比较大的不同点，差压变送器有两个压力接 口，分为正压端和负压端，在一般的情况下，仅仅在差压变送器正压端大于负压段才能进行 测量以及输出。差压变送器主要是用于测量两个反应罐内压力差值的大小，通过差压变送器来给定以及 反馈反应罐内的压力。图 3.5 差压变送器Fig. 3.5 Differentia
19、l pressure transmitter3.1.7电加热器电加热器的作用是通过本身升温，来对周围的介质进行升温，从而能够达到生产工艺流 程的各项需求；主要用于对运动的液体、一些气态气体等升温以及保温。在本次课题中， 根据电加热器的本身工作原理， 与现场的某些控制软件进行有效的连接， 从而能够通过控制电加热器来对反应罐内的温度进行有效的控制以及反馈采集信息。3.1.8变频器变频器是应用变频技术和微电子技术，通过改变电机工作电源频率 的方式来控制交流电 动机转速的控制设备。本次课题中由于某些部分液体反应罐内需要对液体进行搅拌，从而能够使得液体反应罐 内的物质受热均匀，更加严格的符合啤酒酿造的工
20、艺生产流程。由于工业自动化控制系统软 硬件的不断提高，变频器在现在的工业自动化控制生产中得到了非常广泛的应用，已经发展 成为自动化工业生产上必不可少的设备。3.1.9液体流量计智能液体流量计（如图 3.6 ）采用先进的低功耗单片微机技术研制的涡轮流量传感智能 仪表，采用了双排液晶现场显示，具有以下特点：结构小巧紧凑、读数显示直观清晰、可靠 性强、抗干扰能力强、抗雷击、成本低廉等显著优点。图 3.6 液体流量计Fig. 3.6 Liquid flow meter3.2PLC 控制面板组成3.2.1PLC 概述以及选型1.PLC概述 最初的可编程控制器被称为可编程逻辑控制器，主要是用来代替继电器实
21、现逻辑控制。随着相关技术的逐步发展，采用微型计算机技术的工业控制装置功能已经有了新的提升，完 全超出了逻辑控制的范围，所以今天这种装置被称为可编程控制器，简称 PC但是为了与个人计算机的简称有所区别，故将可编程控制器简称为 PLC PLC在 1969年由美国数据设备公司研发出现，在现有的PLC品牌中，德国、美国、日本的可编程序控制器 的整体性能在国际 上享有很高的声誉，功能全面，产品可靠性极强。自从PLC的出现，并经过了长时间的发展，在德国、美国、日本等一些工业发达国家PLC 已经成为了重要的产业链。由于世界范围内自动化控制技术的不断发展、需求量不断攀升、 生产厂家的不断涌现、品种的更新速度加
22、快、成本价逐步降低，因此生产 PLC慢慢演变成一种重要产业链，目前，世界上有200多个制造商生产PLC比较有名的是：德国西门子公司； 日本三菱、欧姆龙、松下电工等；美国 AB通用电气、莫迪康公司；法国 TE、施耐德公司； 韩国三星、LG公司等。PLC在工业生产方面应用极其广泛，功能强大，在实际应用上也体现 出了与其他软件的优势之处，抗干扰能力强，自由度高等都是 PLC的特点。关于PLC在啤酒自动化生产线中应用的实际概况，现如今在世界各地啤酒的需求量都是 非常之大，如何在保证质量的前提下更多的进行工业生产是目前各大制造商急需解决的问题。再与其他软件相比在此方面 PLC体现出了一定的优势，抗干扰能
23、力强、不间断运行、程 序直观易懂等都是同类型软件中的佼佼者，正是因为有了这些优势，才得以使得 PLC在啤酒自动化生产线中得到了广泛的大量的应用。2.PLC选型此次毕业设计所选用的PLC为北京和利时集团的LM系列小型PLC(如图3.7 )，该PLC 有以下特点：(1)小巧紧凑：此次毕业设计所选择的 PLC体积小巧，节省了安装空间，同时也具备了 强大的处理功能等特点。(2)简便可靠的安装：根据现场环境的不同，PLC面板安装以及导轨安装可任意选择。(3)丰富的模块种类：LM系列PLC是由北京和利时自主研发，拥有 CPU模块和丰富的扩 展模块组成，CPU模块最多可扩展7个模块，最大I/O点数为152点
24、，最大模拟量点数为56 点。LM系列PLC有多种选择可供不同现场的应用需求。(4)灵活的系统配置：本次PLC的选型有多种扩展模块，比如模拟量扩展模块、数字量 扩展模块以及专用功能模块。(5)强大的模拟量处理 ：可同时处理几十个模拟量点，能够执行多个回路的 PID 运算。(6)丰富的指令系统 ：具有 400 多条指令可满足客户不同需求。图 3.7 LM 系列 PLCFig. 3.7 LM series PLC3.2.2空气开关空气开关，又被叫做空气断路器，它是断路器的一种。它是根据所在支路流经的总电流 大小进行选型，他集控制和保护于一身，它能完成闭合和断开电路的作用以外，还能对电路 中短路以及过
25、载的情况等进行相应的保护，同时还能够不频繁的启动停止电机。3.2.3熔断器熔断器（如图3.8 ）是指当电流超过其本身的额定值时，自身会产生热量，而这个热量 会使熔体熔断，从而断开电路，保护电路的一种电器I醴图3.8熔断器Fig. 3.8 Fuse3.2.4电源模块电源模块（如图3.9 ）是电路面板上为某些电元器件供电的设备，他的特点是可以为一些特定的电元器件进行电源供应。下图即为本次课题选用的电源模块，将交流 220V转换成24V直流给PLC柜上的触摸屏供电。图3.9电源模块Fig. 3.9 The power supply module3.2.5继电器继电器（如图3.10）是一种电控制器件，
26、能够将电信号进行转换，实际上是用小电流控 制大电流的一种自动开关。通过 PC平台控制继电器是否上电，若继电器得电，则继电器内部线圈有电，贝U产生电磁场，线圈出现极性则吸合线圈上部的金属片状物，从而使得整个回 路导通，控制回路的开与关，实现了对现场的自动化控制。本次所选用的继电器为欧姆龙品牌的，本产品的继电器在市场上有很大的竞争力，有比 较大的竞争优势，比如说他的可靠性、耐久度、简单易安装等等特点，安装继电器需要注意 继电器上的电路图，根据现场不同的设备需求进行安装，底座的接线方式严格按照产品说明 书进行安装，要熟悉继电器的工作原理，从而更好的了解每部分各个电元器件的作用。图 3.10 继电器F
27、ig. 3.10 Relay3.2.6 触摸屏触摸屏（如图 3.11 ）作为现在及以后比较流行的人机互动方式，会逐步取代键盘鼠标的 人机互动方式，触摸屏的种类大概分为以下几种，下面来给大家介绍一下各自的优缺点：（1）电阻式 优点：电阻触摸屏，可以使用手指、戴手套的手等进行触摸，它主要是靠物 体对它压力来感应坐标、触摸灵敏精准 缺点：因电阻屏表面是膜与玻璃相结合，所以表面的触摸膜时间久了就可能 会有磨损。（2）红外式 优点：纯玻璃表面，防刮花性能好，透光率良好 缺点：触摸屏的边缘触摸不够灵敏，触摸精准度一般，室外光线 较强的地方无法操作。（3）声波屏 优点：纯玻璃表面，防刮花性能好，透光率好 缺
28、点：触摸屏边缘怕灰，有一点灰就有可能导致触摸不灵甚至不能触摸（4）电容式 优点：纯玻璃表面，防刮花性能好，透光率好 缺点：只能用手指与触摸屏接触才能识别，带手套无法操作，用 其他物体完全不能触摸。图 3.11 触摸屏Fig. 3.11 Touch screen3.2.7 端子排端子排，是如今面板接线必需的一种器件，通过端子排不仅能够使得接线美观，还能更 加方便的进行查线，同时拆卸容易，更加方便维修，同时也能起到信号传输的作用。在远距 离传输两端之间通过端子排连接更加牢靠，施工更加方便，维修简易快捷。第四章酿造部分软件设计4.1和利时PLC编程软件介绍PowerPro软件是和利时公司专为 LM系
29、列PLC所开发的基于 Windowes的编程工具。PowerPro软件具有控制方案的编辑和仿真调试功能，是 LM系列PLC的硬件配置和软件编 程的标准软件包。本课题编程所需要此款软件，它用于 LM系列PLC产品的编程软件，是一 种追求现场操作便利性的高性能工具软件。如图 4.1是该软件的编程界面。；c0cSy5 - ZF_PLQprD - COM PRG-CR：J1甜钿 ac XS?I A 詡t凶 GD(W)昶片汨门己: itt 二時rVE 洋工：Kldltk诵曰LDan也Hhwvs FlLC： AfJALCXS hbIdnuhe |q7 afSe图4.1 PowerPro 编程界面Fig.
30、4.1 PowerPro program ming in terface4.2 PLC程序设计4.2.1公共系统工段程序HEVLGiNOI HEX_ENGINEMAI6001 AT %MD500: REAL; （*热水罐温度*） %IW68 模拟量输入（热水罐温度）AI6002 AT %MD504: REAL; （*热水罐压力*） %IW70 模拟量输入（热水罐压力）指令注释：该指令为工程量转换指令，将 16进制数转换为工程量数据，该指令一般用于模拟量输入数据的处理。该指令主要用于对现场设备进行模拟量输入。程序注释：通过现场的传感器设备采集到某一反应罐的温度（压力） ，之后传输给模拟量输入模块
31、，通过模拟量输入模块进行数据处理后变为变量 IW68（ %IW70,该变量通过HEX_ENGIN0的转换，转换为变量 AI6001（AI6002），该变量即为直接读取 的数据变量，即温度（压力）的直接显示，可供组态软件以及触摸屏进行数据读 取。A06001 AT %MD600: REAL;（*热水罐液位*） A06001 %QW66模拟量输出（热水罐液位）A06002 AT %MD604: REAL;（*热水罐压力*） A06002 %QW68模拟量输出（热水罐压力）指令注释：（1） BYTE_TO_TYP为字节类型转换指令，把字节类型转换为其他数据类型。（2） ENGIN_HE为工程量数据转
32、换为16进制数据指令，该指令一般用于模拟量输 出数据处理。该指令主要用于现场数据采集的反馈信息。（3） POT01 （POT02为一个保持当前状态的指令，由于采集到的数据为一个动态 变量，因此需要对当前变量进行保持，以便数据的实时传输。（4） Analog_OUT指令为模拟量输出调用指令，由于此次设计需要DCS勺监控控制， 因此DCS需要调用本地PLC内的一些模拟量输出模块的数据。程序注释：POTOI令进行状态保持，使得ENGIN_HE指令持续使能，从而得到持续的模拟量 输出以便控制现场设备；AO6001AO6002为现场采集的实时数据，通过ENGIN_HEX 指令将工程量数据转换为16进制数，再传给模拟量输出模块，经过其内部处理
