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基于PLC的啤酒发酵自动控制系统开题报告.doc

上传人:精品资料 文档编号:10310747 上传时间:2019-10-29 格式:DOC 页数:7 大小:54KB
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资源描述

1、青岛农业大学本科生毕业论文(设计)开题报告题 目:基于 PLC 的啤酒发酵自动控制系统的设计 姓 名: dddd 学 号: 0320040510 年 级: 2004 级 专 业:电气工程及其自动化指导教师:姓名 dddd 职 称 讲师 青岛农业大学教务处二 OO 八 年 四 月 一 日一、选题依据(拟开展研究项目的研究目的、意义等 )随着我国社会主义市场经济的发展,我国啤酒工业在突飞猛进的快速向前发展,各啤酒厂家为了适应当前形势,增强产品的巾场竞争能力,先后在啤酒生产过程中采用计算机控制技术,从而扩大了生产规模,使啤酒品牌不断出新,质量不断提高,以适应市场的需求。我国是轻工发酵工业大国,但此行

2、业的控制技术相对比较落后,生产中仍以人工控制为主,采用计算机技术起步较晚,普及率较低。目前轻工发酵行业正面临着日益激烈的全球竞争,因此对以计算机为核心的自动控制技术有着强烈的需求。以机电系统为代表的工程应用系统日趋复杂,这种复杂性不仅表现在系统本身难以用精确的数学模型描述,还体现在运行环境以及系统要实现目标的复杂性上。根据不相容原理,当系统的复杂性增加时,人们描述其动态行为的精确程度将随之降低,因此传统的单学科的理论和方法已经难以适应这种复杂性的需要。因而传统的手工控制的方法已经无法满足现代大生产的要求。近些年来, 随着计算机技术和智能控制技术的飞速发展,在啤酒发酵控制这一领域已经出现了许多自

3、动化应用的实例。本文以啤酒发酵控制系统为对象,提出了一套基于 PLC 的啤酒发酵自动控制系统的设计方案,并给出一个利用 PID 控制算法用于控制发酵温度的方案,实现啤酒厂发酵过程的控制与管理的自动化设计要求。 课题的意义:啤酒发酵是放热反应的过程,随着反应的进行,罐内的温度会逐渐升高,随着二氧化碳等产物的不断产生,密闭罐内的压力会逐渐升高。发酵过程中温度、压力会直接影响到啤酒发酵质量和生产效率,因此,对发酵过程中的温度、压力进行控制显得十分重要。因此,如何有效地提高生产的检测技术和自动化水平,提高啤酒质量和周期稳定性,对增强企业的市场竞争力,具有十分重要的意义。所以这次毕业设计的课题具有很大的

4、理论意义和实践意义。这次毕业设计是全面运用所学基本理论、专业知识和基本技能,对实际问题进行设计的综合性训练。以达到以下目的:(1) 巩固课程的理论知识;(2) 学习和掌握基于 PLC 的啤酒发酵自动控制系统的基本设计方法; (3) 培养独立分析和解决问题的工作能力及实际工程设计的基本技能;(4) 对学生的知识面、掌握知识的深度全面考察,对学生运用理论知识去处理问题的能力、实践能力、外语水平、计算机运用水平进行综合训练。二、文献综述内容(在充分收集研究主题相关资料的基础上,分析国内外研究现状,提出问题,找到研究主题的切入点,附主要参考文献)啤酒的生产技术,以德国、丹麦等国较为先进 3。目前,世界

5、啤酒工业总的技术特点是设备自动化、生产周期短,经济效益高的方向发展。从世界范围来看,啤酒工业发展的趋向大型化,提高经济效益,扩大产品覆盖面,占领市场,是世界各国啤酒行业竞争的重点 1,4。啤酒工业是我国食品工业中一个重要的产业部门,随着国民经济的发展和人民生活的改善,我国啤酒工业也得到空前发展。尽管如此,我国的啤酒生产工业目前还存在许多不尽如人意的地方。由于啤酒生产的工艺复杂,目前我国大多数啤酒生产企业技术装备落后,自动化程度低,产品质量不稳定。如何提高啤酒生产的综合自动化水平,增强我国啤酒产业的综合实力是一个很好的研究课题。目前我国大部分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

6、数,人为因素较多 17。啤酒发酵是整个啤酒生产过程最重要的环节,它是一个复杂的微生物代谢过程。由于发酵过程的内部机理非常复杂,影响发酵的因素也很多,对于整个过程目前还缺乏精确的定量的数学描述。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的规模 4, 5。发酵过程是啤酒生产过程中的重要环节之一,本文以啤酒发酵过程为工程背景,对啤酒发酵过程的自动化及温度、压力、液位控制策略进行研究,这对利用高新技术提升传统产业的综合技术水平具有现实意义 5, 6。啤酒发酵系统的时变性、时滞性及其不确定性,决定了发酵罐控制必须采用特殊的控制算法。由于每个发酵罐都存在

7、个体的差异,而且在不同的工艺条件下,不同的发酵菌种下,对象的特性也不尽相同。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。在不同的季节,甚至在同一季节的不同发酵罐,要求生产不同品种的啤酒,这样就要求每个罐具有独立的工艺控制曲线。这不仅要求高精度、高稳定性的控制,还要求控制系统有极大的灵活性 2, 4。利用 PLC 进行自动控制就可以解决以上问题。PLC 是专为工业控制设计的,能适应工业现场的恶劣环境。在 PLC 设计和制造过程中采取了精选元器件及多层次抗干扰措施,使 PLC 的平均无故障时间 MTBF 通常在 10 万小时以上,有些 PLC 的平均无故障时间可以达到几十万小时以上。

8、而且 PLC 能进行闭环过程控制。 PLC 能进行控制大量的物理参数,如温度、压力、速度和流量等。PID(Proportional Integral Derivative)模块的提供使PLC 具有闭环控制的功能,即一个具有 PID 控制能力的 PLC 可用于过程控制。当过程控制中的某一个变量出现偏差时,PID 控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上 7,8。本文以啤酒发酵控制系统为对象, 提出了一套基于 PLC 的啤酒发酵自动控制系统的设计方案, 并给出一个利用 PID 控制算法用于控制发酵温度的方案, 解决啤酒厂发酵过程的控制与管理的自动化设计要求 12。作为一个啤酒发酵自动控制系

9、统,应能满足实际生产的要求。主要从以下几个方面考虑:(1) 必须符合啤酒发酵的工艺要求;(2) 必须提供合理的控制解决方案;(3) 必须符合流程控制的一般要求,包括温度的采集和控制、压力的采集和控制、控制过程中的保护等 15, 16。啤酒发酵是放热反应的过程,随着反应的进行,罐内的温度会逐渐升高,随着二氧化碳等产物的不断产生,密闭罐内的压力会逐渐升高。发酵过程中温度、压力会直接影响到啤酒质量和生产的效率,因此,对发酵过程中的温度、压力进行控制显得十分重要。对发酵过程中的温度、压力进行控制也就成为设计中需要解决的主要问题 10。主要参考文献:1王文甫. 啤酒生产工艺. 北京:中国轻工业出版社,1

10、997 ,30-462史仲平,潘丰. 发酵过程解析、控制与检测技术. 北京:化学工业出版社,2005,86-95 3张星元. 发酵原理 北京:科学出版社,2005,88-1174黄儒强,李玲. 生物发酵技术与设备操作. 北京:化学工业出版社, 2006,144-1535张爱民. 自动控制原理. 北京:清华大学出版社,2006 ,448-4526胡学林. 可编程控制器教程. 电子工业出版社,2003, 150-2037高钦和. 可编程控制器应用技术与设计实例. 北京:人民邮电出版社, 2004,25-608许僇,王淑英. 电气控制与 PLC 控制技术.北京:机械工业出版社,2005,133-18

11、39王建华,黄河清. 计算机控制技术. 北京:高等教育出版社, 2003,25-5310汪晓平,等. PLC 可编程控制器系统开发实例导航. 北京:人民邮电出版社,2004,109-126 11储炬,李友荣. 现代工业发酵调控学. 北京:化学工业出版社,2002,92-11412张曾科. 模糊数学在自动化技术中的应用.北京:清华大学出版社 , 1997,24-4213陶水华. 新型 PID 控制及其应用.北京: 机械工业出版社, 2002,42-6314王斌,王孙安,杜海峰. 基于模糊遗传算法的工业过程控制参数优化.西安交通大学学报,2004,38(1):P56 一 5915王斌,庄健,王孙安

12、. 啤酒发酵过程的智能监控系统研究 . 农业工程学报,2004,20(3):197 一 20016张嗣良. 发酵过程多水平问题及其生物反应器装置技术研究J. 中国工程科学2001,3(8):37 一 4517张舒. 发酵过程控制器的研制J. 工业控制计算机 2004,17(4):49 一 5018Honda H,Kobayashi T. Fuzzy conrtol of bioprocessJ,Journal of Bioscience and Bioengineering ,2000,89(5): 401 一 40819Frank J.Romeu,Development of biotech

13、nology conrtol systemsj,ISA transactions,1995,34:3 一 19三、研究方案(研究内容、目标、研究方法、技术路线、拟解决的问题、特色或创新点等)3.1 研究内容:啤酒发酵是非常复杂的生化变化过程,其中温度、压力、液位、浓度和时间是发酵过程的最主要的参数,设计中采用 PLC 控制,运用简单的 PID 算法完成控制要求,以提高啤酒质量和生产效率。3.2 实现目标:(1) 采用高级智能控制算法,提高控制水平;(2) 减少人工参与,实现无污染生产,减少质量风险;(3) 替代人工,降低生产成本;(4) 测、管、控一体化,满足信息化需求,提高企业管理水平与竞争

14、力。3.3 研究方法: 工业发酵控制具有很大的应用价值,通常酿造业的发酵是在密闭的容器(罐) 中进行的,为了使罐内酒液循环并有利于不同发酵期的酵母沉淀,一般采用分三段间冷方式,控制罐内酒液温度,使之形成自上而下的温度梯度。在上、中、下分别设有温度检测点。实践证明,三段冷媒入口装设分配阀,并适当调节分配比,只以中段温度为被控参数,并控制冷媒于管入口总流量可以达到工艺提出的控制要求。按啤酒发酵工艺要求,整个发酵过程的温度控制在不同发酵时期是不同的,为了保证贮酒在不同阶段的温度设定值,设有温度的上下限报警,为了保证罐内压力在不同阶段的压力,设有压力的上下限报警。每个罐设有液位指示,可以作为装酒和成品

15、计量用,还可以了解整个发酵过程的液位变化。整个系统还设有温度自动控制、压力自动控制,液位检测等,以提高控制系统的可靠性。3.4 技术路线:本课题设计应用西门子 PLC 编程器的 STEP7 程序设计语言编程完成了相关的数据采集、处理和控制。3.5 欲解决的问题:(1) 满足啤酒发酵工艺要求;(2) 提供比较合理的控制解决方案;(3) 完成编程器及各种传感器的选择;(4) 完成模拟量的采集和比较精确的控制,包括温度,压力的采集和控制过程中的保护;(5) 完成 I/O 点的分配,设计 I/O 接线图,并编制梯形图程序;(5) 编制梯形图程序完成实验及各项调试。3.6 特色及创新点:(1)设计中采用

16、 PLC 控制,运用简单的 PID 算法完成控制要求,以提高啤酒质量和生产效率。(2)提高、稳定产品质量,降低原料消耗;(3)采用高级智能控制算法,提高控制水平;(4)替代人工,降低生产成本,减少质量风险;(5)测、管、控一体化,满足信息化需求,提高企业管理水平与竞争力。四、进程计划(各研究环节的时间安排、实施进度、完成程度等)周数 设计内容1 了解设计内容及要求,熟悉设计题目2 收集与设计有关的相关资料并阅读3 完成编程器及各种传感器的选择4-5 完成编程器 I/O 点的分配,设计 I/O 接线图6-7 编制梯形图程序8-9 完成实验及各项调试10 完成所要求英文资料的翻译11-12 完成毕业设计说明书及图纸的绘制五、导师评语指导教师签字: 200 年 月 日六、教研室意见教研室主任签字: 200 年 月 日七、学院意见负责人签字: 200 年 月 日

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