基于S7-400H的雙機熱冗余啤酒糖化自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、（一）立項依據(jù)和研究內(nèi)容1.立項依據(jù)近年來，隨著人民生活水平的不斷提高，對啤酒的消費越來越大。根據(jù)國際飲料生產(chǎn)協(xié)會的2003年統(tǒng)計調(diào)差表明，我國的啤酒產(chǎn)量和需求量已經(jīng)位于世界前列，成為啤酒生產(chǎn)和消費大國。專家預(yù)測中國的啤酒行業(yè)進入了高速發(fā)展的時期【5】。啤酒糖化過程控制是整個啤酒生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的一部分，其工藝指標控制的好壞，對啤酒的穩(wěn)定性、口感度等技術(shù)指標起著決定性的作用。而現(xiàn)在國內(nèi)的一些中小規(guī)模啤酒企業(yè)的生產(chǎn)狀況滯后于啤酒的發(fā)展趨勢。普遍存在自動化程度地，生產(chǎn)效率低下等問題。為了消除人工操作帶來的弊端，降低生產(chǎn)成本和糧食消耗，提高啤酒質(zhì)量和產(chǎn)量。啤酒企業(yè)迫切需要自動化程度高、安全可靠性好

2、、便于操作維護的自動化系統(tǒng)。1.1國內(nèi)啤酒生產(chǎn)的控制水平 我國是一個啤酒生產(chǎn)大國【5】，目前共有400多個生產(chǎn)廠家(1998年為495家)，但其中僅l 8家的產(chǎn)達到20萬噸以上(占總產(chǎn)量的13)，其它絕大多數(shù)為中小型啤酒廠。這為數(shù)眾多的中小型啤酒廠都普遍存在： (1)自控水平差，技術(shù)含量低，生產(chǎn)過程主要采用簡單控制甚至人工控制為主，表現(xiàn)在啤酒質(zhì)量不穩(wěn)定，理化和感官質(zhì)量都需要亟待提高； (2)產(chǎn)品檔次低，品種單一； (3)能耗和原料消耗大，目前該指標的國內(nèi)先進水平與國際先進水平存在較大差距。 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分為4個檔次。 (1)完全手動操作方式。 其主要特

3、點是閥門為手動。對溫度、壓力、液位、流量、濁度、電導(dǎo)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)備的啟停，閥門由工人到現(xiàn)場操作。這種方式下啤酒生產(chǎn)工藝參數(shù)得不到可靠執(zhí)行，一致性較差，啤酒質(zhì)量受人為因素影響較大，而且工人的勞動強度很大，主要生產(chǎn)設(shè)備與裝置不能工作在較佳狀態(tài)，原材料利用率低，產(chǎn)品能耗大，不可能采用較復(fù)雜的先進工藝生產(chǎn)啤酒(如低壓煮沸工藝)，生產(chǎn)成本較高。許多中、小型啤酒廠家還在采用手動控制，但將逐步被智能儀表和自控系統(tǒng)所代替。(2)半自動控制方式(集中手動控制方式)。 主要特點為閥門多采用氣動或電動自動閥門。采

4、用數(shù)據(jù)采集器采集各種過程量進入控制室，控制室設(shè)有模擬屏或上位機，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)與工藝參數(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。但由于需要操作工人的頻繁介入，其啤酒質(zhì)量與口味也有較大的波動，工人的勞動強度也比較大，目前國內(nèi)中小型啤酒廠較多采用。(3)PC機+數(shù)據(jù)采集插卡 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，來滿足生產(chǎn)工

5、藝要求。目前國內(nèi)不少啤酒廠發(fā)酵車間采用這類系統(tǒng)進行控制。一般在PC機上運行Windows95操作系統(tǒng)，可在一定程度上解決啤酒生產(chǎn)過程控制問題。但存在以下缺點： 系統(tǒng)的可靠性差，這一方面是由于上位機操作系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集卡的可靠性較差造成的，另一方面是由于上位機軟件自身不完善造成的。 畫面呆版，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)本身的安全性較差，難以建立有效的操作等級與權(quán)限制度，易受到病毒及操作者的惡意攻擊。 系統(tǒng)的可擴充性差，控制系統(tǒng)無網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，不便于下一步工廠管理網(wǎng)絡(luò) 與生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)結(jié)，不能有效保護工廠投資的長期效益，同時也不便于整個車間、工廠的聯(lián)鎖控制。(4)分布式控制方式。

6、 采用先進的計算機控制技術(shù)與多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及先進控制算法對生產(chǎn)工序進行自動控制，主要特點為采用PLC作下位機。目前有DCS(分布式控制系統(tǒng))控制系與FCS(現(xiàn)場總線控制系統(tǒng))控制系統(tǒng)兩種。在DCS控制系統(tǒng)中，下位機網(wǎng)絡(luò)中控制單元一般采用PLC，其可靠性非常高(一般可連續(xù)可靠工作20年)，性能穩(wěn)定，上位機網(wǎng)絡(luò)可兼容多種通訊協(xié)議(例TCPIP協(xié)議)，便于下一步與管理網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)結(jié)，完全有效克服了PC機+數(shù)據(jù)采集卡控制方式的缺點。這種控制方式是國內(nèi)啤酒生產(chǎn)控制發(fā)展的主流方向，主要缺點為一次性投入資金較大，大多中小規(guī)模的啤酒生產(chǎn)廠商無力承擔(dān)。啤酒糖化生產(chǎn)過程是啤酒生產(chǎn)的第一個關(guān)鍵性環(huán)節(jié)【1】，對整個啤酒生產(chǎn)

7、的產(chǎn)量、質(zhì)量、消耗等影響很大。糖化過程工藝指標控制的好壞，對啤酒的穩(wěn)定性、口感、外觀會起到?jīng)Q定性的影響，整個糖化過程主要包括原料糊化、糖化、過濾、煮沸、沉淀、冷卻等生產(chǎn)工序。輔料添加罐酒花添加罐麥汁檢測臺漩渦沉淀槽煮沸鍋麥汁罐過濾槽糖化鍋糊化鍋送發(fā)酵罐原料扎啤啤酒糖化工藝流程圖框圖2. 研究內(nèi)容、研究目標及擬解決的關(guān)鍵問題 2.1研究內(nèi)容：（1）進行啤酒糖化裝置和糖化工藝進行分析和研究。 結(jié)合啤酒廠商提出的工藝要求以及擁有的啤酒糖化設(shè)備，設(shè)計出符合工藝要求以及與設(shè)備能力匹配的自動化方案，完成總體設(shè)計框圖。（2）軟件設(shè)計 根據(jù)總體設(shè)計框圖和設(shè)計方案，編寫控制器程序以及上位機程序，實現(xiàn)啤酒糖化裝置

8、的自動控制以及良好的人機界面。（3）實驗驗證 通過將程序以及自動化裝備安裝下載到位，進行實驗數(shù)據(jù)的采集，檢驗設(shè)計的自動化系統(tǒng)能否達到工藝要求。2.2研究目標： 本課題研究的主要目的是設(shè)計一種安全高效、成本相對低廉、實時性較好、控制精度高、可靠性高的自動化的啤酒糖化系統(tǒng)，以滿足當前我國啤酒市場對啤酒生產(chǎn)設(shè)備的需求。2.3 擬解決的關(guān)鍵問題 1.糊化與糖化的溫度控制是關(guān)鍵 在糊化和糖化過程中要保障溫度控制準確迅速 【2】。 一方面，這是一個生化反應(yīng)過程，溫度對麥汁產(chǎn)量和質(zhì)量的影響都非常大，各種分解酶都需要在各自特定的溫度下才能發(fā)揮其最佳作用； 另一方面，這也是一個能耗很大的過程，如何在自動運行過程

9、中盡可能降低能耗，也是衡量整個系統(tǒng)質(zhì)量的一個關(guān)鍵。2.系統(tǒng)工作的連續(xù)性基于啤酒糖化工藝對生產(chǎn)過程連續(xù)化得要求，當系統(tǒng)中一部分出現(xiàn)故障時避免整個系統(tǒng)長時間處于停止狀態(tài)，保證系統(tǒng)工作的連續(xù)性【4】。 3.不同廠家的設(shè)備的兼容性 在啤酒糖化自動化裝置中會有好幾家設(shè)備廠商的傳感器或者執(zhí)行機構(gòu)，當不同廠家的設(shè)備運行在同一個系統(tǒng)中時，能夠相互兼容，是系統(tǒng)能否實現(xiàn)控制的至關(guān)重要的要求。3.擬采取的研究設(shè)計方案及可行性分析3.1擬采取方案 1.硬件組成部分：采用高性能的兩臺西門子S7-400H PLC作為主控制器，安裝在U2控制板上組成雙機熱冗余控制系統(tǒng)，在糊化鍋、糖化鍋、過濾罐等裝置采用西門子S7-200中

10、小型PLC進行溫度及其各種閥門的控制，通過profibus 現(xiàn)場總線實現(xiàn)S7-400H對S7-200多臺PLC的控制，PC通過profibus實現(xiàn)與S7-400H PLC的連接，達到對整個系統(tǒng)的監(jiān)控。2.軟件組成部分：系統(tǒng)采用STEP7 V5.4完成對S7-400H PLC的組態(tài)以及編程，使用STEP7 microWIN4.0 實現(xiàn)對S7-200多臺PLC的編程以及組態(tài)。上位機采用西門子高性能監(jiān)控軟件WINCC實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的采樣、處理以及圖形化的控制?？蓴U展U2基板雙機熱冗余的S7-400H CPUPROFIBUS.PROFIBUSPROFIBUSPROFIBUSS7-200CPUS7-20

11、0CPUS7-200CPU糊化罐過濾槽糖化罐安裝有wincc和cp5611卡的pc3. 控制策略； 由于系統(tǒng)對溫度以及PH值等指標要求較高，擬采用PID控制策略以及模糊控制策略實現(xiàn)對系統(tǒng)準確、快速的做出控制，使系統(tǒng)更好的滿足要求。3.2 可行性分析 1.S7-400H是西門子的高性能大型PLC，具有采樣周期短，處理速度快，安全性能好的特點。當將其安裝在U2板上時通過兩根連接在兩個plc上的同步通訊線可以實現(xiàn)同步數(shù)據(jù)傳輸，當一個作為主PLC的控制器中的內(nèi)容發(fā)生變化時，從PLC同步更新實現(xiàn)兩PLC內(nèi)容一致，當主PLC發(fā)生故障時從PLC迅速啟動繼續(xù)主PLC發(fā)生故障處的控制，停機周期非常短暫，幾乎感受

12、不到故障對系統(tǒng)的影響，具有很強的運行連續(xù)性，可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。 2.與其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)相比【6】，PROFIBUS的最大優(yōu)點在于具有穩(wěn)定的國際標準EN50170作保證，并經(jīng)實際應(yīng)用驗證具有普遍性。目前已應(yīng)用的領(lǐng)域包括加工制造過程控制和自動化等。PROFIBUS開放性和不依賴于廠商的通信的思想，已在10多萬成功應(yīng)用中得以實現(xiàn)。市場調(diào)查確認，在德國和歐洲市場中PROFIBUS占開放性工業(yè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的市場超過40。PROFIBUS有國際著名自動化技術(shù)裝備的生產(chǎn)廠商支持，它們都具有各自的技術(shù)優(yōu)勢并能提供廣泛的優(yōu)質(zhì)新產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)。 Profibus得到自動設(shè)備供應(yīng)商的廣泛支持，使得不同廠商的設(shè)

13、備相互通信兼容成為了可能。4.研究的特色與創(chuàng)新之處 基于s7-400H的雙機熱冗余啤酒糖化自動化控制系統(tǒng)具有控制周期短、故障停機時間短、系統(tǒng)的可擴展性強、系統(tǒng)價格相對DCS低廉等特點。5.年度研究計劃基預(yù)期設(shè)計結(jié)果2011.08-2011.09：查閱相關(guān)資料進行選題并完成開題報告； 2011.10-2011.12：調(diào)研，總體方案研究；2012.012012.03：系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究論證；2012.04-2012.06：系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計；2012.07-2012.09：實驗?zāi)M；2012.10-2012.11：改進；2012.12-2013.04：碩士論文的撰寫及修改。（二）研究基礎(chǔ)與工作條件1

14、.工作基礎(chǔ) 我的導(dǎo)師 教授，以及其他參加本課題立項老師包括電機與電器專業(yè)、電氣工程專業(yè)、自動化專業(yè)、電器傳動專業(yè)教師，均為重點大學(xué)研究生或者博士畢業(yè)，具有良好的教研素質(zhì)與一定的解決實際問題的經(jīng)驗，均參加過產(chǎn)品項目開發(fā)，具有新產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗。 機電工程學(xué)院電工實驗室具有實驗設(shè)備總價值600多萬，具有電機拖動、電力拖動自動控制系統(tǒng)、電力電子技術(shù)、單片機原理與應(yīng)用、自動控制原理、傳感器與檢測技術(shù)等專業(yè)實驗室。為本課題的完成提供了良好的實驗條件。2.本人簡歷及知識結(jié)構(gòu)現(xiàn)正在 大學(xué)機電工程學(xué)院鞏固碩士學(xué)位，研究方向是運動控制與過程控制。 作者在讀本科和研究生期間學(xué)習(xí)了大量的相關(guān)課程，并取得了良好的成績。其主要課程如下：發(fā)電廠變電站、高電壓技術(shù)、電力系統(tǒng)分析、電機與拖動基礎(chǔ)、電路原理、數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、微機原理、單片機原理及應(yīng)用、可編程控制應(yīng)用技術(shù)、c語言程序設(shè)計、自動控制原理、智能控制、模糊控制等。(三) 經(jīng)費預(yù)算材料費：150000元研制費：60000元試驗費：30000元材料費：5000元調(diào)研費：5000元總經(jīng)費：250000元附：參考文獻【1】.學(xué)位論文姜映紅基于PROF