基于wincc的啤酒糖化生产过程自动控制系统

华北电力大学（保定）硕士学位论文基于WinCC的啤酒糖化生产过程自动控制系统姓名：李帆申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：王璋奇2011-06华北电力大学工程硕士学位论文I摘要近年来，我国的啤酒需求量日趋增大，随着市场竞争的加剧与消费群的日益成熟，对啤酒的质量和风味的要求也越来越高，国内啤酒糖化生产过程自动化程度要求也越来越高，因此利用先进的自动控制技术对糖化生产进行控制成为提高啤酒质量的重要手段,以满足日益增长的市场需求。本文对啤酒生产糖化过程的工艺及关键问题进行了分析，对啤酒糖化自动控制系统进行了总体设计，对糖化温度控制进行研究与设计，并对糖化自动控制系统的测试进行了研究。啤酒糖化自动控制系统采用分级结构。第一级过程控制层为可编程逻辑控制器（PLC），系统选用SIEMENSS7-400与ET200M，直接与现场仪器、仪表连接，主要完成对现场数字、模拟信号进行采集和处理以及对执行元件进行实时控制的功能。第二级过程监控层为工业控制计算机，本系统选用西门子工控机，主要完成控制软件的界面和控制过程数据的监视、管理和记录的功能。工控机与PLC之间通过MPI网连接，PLC主站与子站之间通过PROFIBUS-DP网络连接。PLC硬件组态设计采用SIEMENSPLC编程工具STEP7开发软件，实现硬件组态和PLC控制程序设计；上位机的监控软件采用WinCC组态，具有友好的人机交互界面，灵活的工艺配方管理方法，可以直接控制生产过程。控制系统采用改进的PID算法，结合BANG-BANG控制与基于时间的ON/OFF控制，在实际运行过程中取得了良好的效果。关键词：啤酒；糖化；控制；WinCC；PLC；PID华北电力大学工程硕士学位论文IIAbstractThedemandofbeerconsumptionvolumehaskeptincreasinginrecentyearsinChina．Withthematurityofconsumerandfiercecompetitionofbeermarket，therequestonbeerqualityandflavorbecomesmoreexigent,withthisdemand,thelevelofautomaticcontrolforbrewingisbecominghigherandhigher.Hence,brewingprocesswithadvancedautomaticcontroltechnologyisbecomingtheimportantwaytoimprovethebeerqualitytosatisfythecontinuousincreasingmarketdemand．Thispaperprovidesastudyonthetechniqueandkeyprobleminthebrewingprocess,andputsforwardageneraldesignschemeonthebrewingprocessingautomaticcontrolsystem,italsoprovidesstudiesonthecontrolofbrewingtemperatureandonthetestandcommissioningofthebrewingcontrolsystem．Thewholebrewingcontrolsystemadoptslayeredstructure．Thefirstlayer,thatisprocesscontrollay,isPLC，SIEMENSS7-400PLCandET200Mareselectedinthissystem．Itcontactsdirectlywithspotmeterandinstrumentandfulfillsthefunctionofcollectingspotdigitalandanaloguesignalsandthefunctionsofcontrollingtheexecutingcomponents．Thesecondlayer,thatissupervisionandcontrollayer,isindustrialcontrolcomputer．ThecontrolsystemselectsSiemensindustrialcontrolcomputer,itfulfillsthefunctionofconfigurationofhumanmachineinterface,andthefunctionsofmonitoring,managinganddatarecordingofthecontrolprocess．TheMPInetisusedbetweentheconnectionofPLCandIPC,andProfibus-DPnetisusedtoconnectthePLCmainstationandsubordinatestations．ThedesignonPLChardwareconfigurationandsoftwareprogrammingisrealizedthroughSiemensPLCprogrammingtoolSTEP7.ThesupervisingandcontrollingprogramisdevelopedonWinCCplatform,andhasfriendlyhumanmachineinterfacesandadaptiverecipemanagingmethod．Italsocansuperviseandcontroltheproductionprocessdirectly．ThecontrolmethodinthissystemisacombinationofmodifiedPIDarithmeticwithbang-bangcontrolandtimebasedon/offcontrol．Itachievesgoodeffectsinpractice．Keywords:beer,brewing,control,WinCC,PLC,PID华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《基于WinCC的啤酒糖化生产过程自动控制系统》，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：日期：年月日华北电力大学硕士学位论文使用授权书《基于WinCC的啤酒糖化生产过程自动控制系统》系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于（请在以上相应方框内打“√”）：保密□，在年解密后适用本授权书不保密□作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日华北电力大学工程硕士学位论文1第一章绪论1.1课题的提出啤酒是一种富有营养价值的低度酒精饮料酒，也是世界公认的营养食品[1]。随着我国改革开放以及经济建设的迅速发展，人民的生活水平有了很大提高，因此，人们对啤酒需求也越来越多。自上世纪九十年代中期，国外各大啤酒酿造集团开始在中国投资建厂，国内许多啤酒集团也发展壮大起来。近几年来，国内啤酒年产量保持年8%-10%的增长速度。目前，我国啤酒产量已经超过美国而成为世界第一啤酒生产大国[2]。但是我国人均啤酒消费水平与世界发达国家消费水平相比仍有明显差距，我国的啤酒工业有很大的发展潜力。目前，世界啤酒工业总的技术特点是向设备大型化、自动化、生产周期短，经济效益高的方向发展。我国的啤酒工业有90多年历史，但是由于历史的原因，我国昀初的一些啤酒厂由外商建立。近十几年来，我国的啤酒工业得到了迅速发展，但是由于起步较晚，生产设备都比较落后，自动化程度相对低，因而产品效率较低[3]。啤酒企业产品质量稳定性也需要生产过程的自动化控制给予保障。因此，啤酒行业实现大规模自动化生产具有重要的意义。啤酒生产主要由糖化、发酵、过滤、灌装等部分组成。糖化工序又称麦汁制备工序,其目的是制造供酵母发酵用的麦汁。糖化包括原料粉碎、原料糖化、麦汁过滤、麦汁煮沸、麦汁冷却等。典型的糖化生产过程如图1-1所示：首先，将原料（大米和麦芽）经过粉碎处理，然后分别送入糊化锅和糖化锅，按照设定的温度曲线进行温度控制，大米浆在糊化锅中加热后变成糊化醪，混入糖化锅，麦芽浆和糊化醪在麦芽中酶的作用下，使其中的高分子物质分解成低聚糊精和以麦芽糖为主的可发酵性糖，并溶解于水；然后，将制得的醪液送入过滤槽，利用醪液中的麦糟作为滤层，过滤出澄清的麦汁，再经过煮沸锅的煮沸达到要求的浓度，并在回旋沉淀槽中经过沉淀去除煮沸热凝固物；昀后，经过冷却、充氧，就制得了可供酵母发酵的成品麦汁。糖化过程是一个非常复杂的生化过程。糖化在啤酒生产中是一个重要阶段，它对产品的种类、产量、质量起着决定性作用，这与糖化工艺条件：如各阶段温度、时间、醪液浓度、pH值的变化密切相关，因而，在糖化生产过程中，对这些参数的控制尤为重要[4-6]。华北电力大学工程硕士学位论文2图1-1糖化生产过程流程图糖化过程所需的设备庞大，工艺管线复杂，各种需要控制及调节的阀门数量繁多，在人工手动控制时，容易出现操作失误，造成不必要的原料损失和能源浪费。另外，糖化过程的温升过程比较复杂，工艺又经常变化，人工调节难以满足工艺要求。因此，实现糖化过程的规范化、自动化可减轻操作人员的劳动强度，优化生产工艺，节约能源，提高生产管理水平，使企业的经济效益和社会效益都得到大幅度提高[7]。目前我国许多啤酒生产厂家仍然采用常规仪表进行控制，靠人工监控各种参数，人为因素较多。所以，这种人工控制方式很难保证生产工艺的正确执行，使啤酒质量不稳定，波动性大且不利于扩大再生产规模。一些啤酒生产工艺先进的厂家，经过多年的运行，其老化的自动控制系统的硬件已经被原生产厂家淘汰，不能更新，原控制系统软件又不支持换代后的硬件。因此，控制系统的更新换代成为啤酒企业急需解决的问题。随着我国啤酒工业在以突飞猛进的速度向前发展，啤酒企业为了适应当前形势，增强产品的市场竞争能力，需要在啤酒生产过程中采用计算机控制技术，从而扩大生产规模，提高产品质量。因此，啤酒生产的糖化过程的控制技术对于啤酒行业具有重要的意义。1.2课题研究现状就国内啤酒生产自动控制发展过程来看，其大致经历了以下四个阶段[8,9]。1.完全手动操作方式本阶段主要特点是阀门为手动。对温度、压力、液位、流量、浊度、电导率等生产过程中的模拟量信号采用常规分散仪表进行采集，然后集中或现场显示，操作人员在现场或集中操作盘(柜)上控制主要设置启停，阀门由工人到现场操作。这种操作方式下，啤酒生产工艺参数得不到可靠执行，一致性较差，啤酒质量受人为因素影响较大，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昀佳状态，原材料利用率低，产品能耗大，难以较复杂的先进工艺生产啤酒，华北电力大学工程硕士学位论文3生产成本较高。2.半自动控制方式(集中手动控制方式)本阶段主要特点为阀门多采用气动或电动自动阀门。采取诸如数据采集器等手段采集各种过程量进入控制室，一般设有马赛克模拟屏。在模拟屏上显示各种温度、流量、压力、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，操作人员根据显示的参数和工艺参数对比，在模拟屏或操作台遥控阀门开启和电机启停从而满足工艺要求，生产中的关键数据由人工记录。但由于需要操作工人的频繁介入，其啤酒质量和口味也有较大的波动，工人劳动强度也比较大。3.PC机+数据采集插卡方