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基于物联网的固态酿酒过程控制系统的研究和应用 
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         基于物联网的固态酿酒过程控制系统的研究和应用(代写电子毕业论文)    

摘要:在对LabVIEW、PLC、OPC、SQL技术等现代测控技术深入研究后,结合现场总线、以太网技术,在保持传统发酵工艺要求的前提下,运用智能仪表、变频器及各类传感器和先进的智能控制方法,对传统的白酒酿造过程进行智能化控制和自动化改进。本课题以LabVIEW为上位机开发平台,通过PROFIBUS-NET现场总线技术实现总自动控制系统与各子系统设备通讯;通过上位机LabVIEW程序、串口卡RS485卡以及ModBus协议访问宇电仪表的寄存器,读取流量计、涡形流量计、pt100和压力传感器等传输给宇电仪表的值,对现场的用水量,蒸汽压力,蒸汽流量,锅内温度进行远程在线监测;通过上位机LabVIEW程序、西门子PLC的AI点读取pt100、液位仪采集的值,对现场的出酒温度,黄水酒尾温度,黄酒尾液位进行远程在线监测;上述过程为数字模拟量采集的过程。该系统具备实时,可靠性。实践证明该系统酿酒生产过程实现了智能化自动化。
关键词:LabVIEW ;自动化控制;在线监控;数据采集;远程监控
一、选题简介、意义
1.选题的缘由
     酒文化在我国流传甚久,我国特有酒种白酒更是列为国际上有名的蒸馏酒(金酒、朗姆酒、白兰地、威士忌、伏特加、威士忌、日本烧酒)之一,在这著名蒸馏酒中,白兰地以葡萄为原料,经过压榨、液态发酵、釜式蒸馏、贮存,伏特加一般以粮谷为原料,经过蒸煮、糖化、液态发酵、塔式蒸馏、特殊工艺处理,该上两种酒类自动化程度较高;威士忌主要以麦芽为原料,经糖化发酵、釜式蒸馏,日本烧酒以粮谷为原料,经蒸煮、米粬糖化、液态发酵、采用纯种液态发酵、釜式和减压蒸馏、贮存。这些酒的香气成份以醇类物质为主,技术成熟,已实现了规模化机械化生产。台湾酒业基本上属于清香型酿酒工艺,率先采用蒸煮粮食,槽车发酵,翻甑蒸馏,初步实现了机械化。内地的河套酒业引进台湾技术,在清香型酿酒工艺上仅实现了一个车间的机械化生产试点。日本清酒承袭了黄酒的生产工艺,早期也是以手工生产为主,影响力和市场份额有限,经过技术改造后,实现了全自动化生产,不仅有效保证了清酒品质,而且走向了世界,打进了国际市场。中国白酒则以粮食为原料,大曲、小曲等为糖化发酵剂,大部分采用传统的固态发酵,固态甑桶蒸馏,利用自然界微生物开放式发酵,霉菌、酵母、细菌协同作用,酒的风味成份以低级脂肪酸乙酯为主,具有自己独特的风格,现仍以手工半机械化生产模式为主,相对落后。台湾金门酒厂、内蒙古河套酒业率先推进清香型白酒机械化生产,值得白酒企业借鉴和思考,目前国内浓香型酿酒机械化生产个别实现了半机械化操作,物联网技术的得到快速发展,但酿酒全流程的机械化生产处于空白。
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      
随着社会的进步和人们生活水平的不断提高,各行各业的生产方式也发生着巨大的变迁,物联网技术的发展,科技创新是经济发展和社会进步的重要动力。这些变化对中国白酒传统生产方式提出了新的挑战。传统的白酒生产方式基本是以手工操作为主,劳动强度大、生产效率低、卫生条件及生产环境都不尽人意,而且劳动力成本不断攀升、土地资源日益紧张、能源短缺形势愈来愈严重、生产环境的要求更加严格等因素制约着白酒企业的可持续发展,因此,国内白酒行业亟待在传统的生产工艺基础上创新,白酒生产机械化水平的提升成为行业研究的重点,基于物联网的机械化生产是白酒业实现持续发展的必由之路。
2.研究意义
通过研发设计基于物联网的固态酿造控制系统,逐步推进白酒酿造自动化机械化生产,实现白酒产业的转型升级,解决白酒行业劳动力成本不断攀升、土地资源日益紧张、能源短缺形势越来越严重、生产环境条件越来越严格等问题,稳定提高基酒产能,实现企业可持续发展。通过本课题的研究,对于我国传统白酒生产中由于劳动强度大、生产效率低、卫生条件及生产环境差等一系列问题的解决具有现实意义。本课题的开展将有力的促进我国白酒生产企业进一步规模化、自动化发展,同时具有做大做强白酒的品牌效应和大力促进经济与社会发展的双重目的。设计白酒酿造控制系统,实现高度自动化,让自动系统更好地发挥导向作用,能使企业获取丰厚的利润,从而在市场竞争中在成本领先差异化道路上脱颖而出。
 
 
 
二、课题综述(课题研究目标,研究内容,拟创新之处,拟采用的研究方法、实验方案或可行性分析,研究计划与进度安排等)
1.研究目标
在对LabVIEW、PLC、OPC、SQL技术、智能仪表、变频器及各类传感器等现代测控技术深入研究后,结合现场总线和以太网技术。在保持传统发酵工艺要求的前提下,运用智能控制等先进的控制方法,对白酒过程进行先进控制和改进,直至找出最优的控制方案。
2.研究内容
主要研究内容包括硬件设计、监控软件设计以及控制方案改进和优化。
控制系统分为管理级、监控级,构成管控一体化的综合系统。根据白酒发酵生产工艺的特点,结合一般的CIPS和CIMS结构模式,将控制系统模型分为三层:现场控制层、车间控制层和总中央监控层(待定);通过控制软件实现工控机的控制功能。
(1)硬件
各工艺控制系统硬件由西门子S7-1500PLC及工控机作为核心控制部件,在相应监测点设置各类传感器采集温度、湿度、流量、液位、压力、称重等信息,各控制点安装电机作为执行器件。系统设手、自动切换功能,可根据不同需要选择工作方式。
车间控制室设有西门子工控机,PLC,32英寸高清显示器和若干仪表控制柜。工控机上插有显示卡,32英寸显示器可灵活形象地显示所有生产和整个自控系统的工作情况,如工艺流程图、发酵状态(温度、溶氧、液位和流量等),工控机上插有光隔RS485卡(或DP),用于与PLC通信之间的通讯连接。所有参数可通过PLC和工控机显示屏界面调整,其PLC程序的变化可改变现场的预设参数,工控机不影响PLC运行,PLC运用西门子S7-1500进行程序控制。针对生产过程中的水路、压缩空气气路、电网及锅炉蒸汽等主要点的监测,本方案利用RS485通信技术,以增强管路网络管理的安全性和稳定性,对水、电、气、汽及各管路的故障实现显示报警、历史记录和报表打印等功能。对酒醅、稻壳、粉粮均安装重量传感器,用于称重重量的目标值,实时流量和报警提示在计算机中进行监控。在甑桶上安装蒸汽阀门,甑桶附近温度有变化时,可以调节蒸汽阀门的开度大小,控制甑桶内的温度;甑桶盖上分别设有用于控制酒尾,热水和黄水进量的阀门。
(2)软件
采用当今先进的工控组态软件——“LabVIEW”。结合我校在发酵过程控制应用中长期积累的先进控制算法和人工智能控制算法进行系统软件的组态和二次开发。软件可操作性强,并为将来升级留有接口。
系统软件具有温度智能控制、电机执行动作记录、设备运行状态显示、故障报警系统、上位机底部菜单、系统权限登录系统、上位机的界面、数据测量校正系统、网路通讯功能等基本功能。
该系统具有以下特点:
(1)系统采用以PLC和工控机为核心的过程控制方案,实现现场灵活操作的功能,设有误操作自锁及密码保护功能,防止非技术人员的误操作。
(2)采用自动控制的配方和传送进料,既能提高传送速度,又能改善人为配料精度低的缺陷。
(3)称量搅拌所针对的被控电机拟采用变频器控制,实现速度的任意设定,使混合料的均匀度符合生产工艺要求。
3.拟创新之处
基于LabVIEW开发平台,根据白酒酿造的工业要求,配合PLC、智能仪表、变频器及各类传感器等现代测控技术设计开发了一种白酒酿造控制系统,包括相应的硬件结构和软件系统。并用电磁阀来带动气动阀控制冷凝水的通断。如果生产现场冷凝水水源、气动阀气源在某些时刻供应不足。该系统不仅有助于提高白酒的产量和质量,而且有利于成本的投入。并采用模糊控制和预测控制相结合的方式来解决系统温度参数具有大时滞的问题,对于推广白酒酿造自动化有着重要的意义。
4.拟采用的研究方法、实验方案或可行性分析
本课题与项目江苏今世缘酒业股份有限公司浓香型酿酒设备项目自动化控制工程相结合,进行系统设计、安装和调试,以确保整个系统具有先进性、可靠性、经济性、可扩展性和可维护性。
1. 先进性
本系统硬件部分采用目前最可靠的西门子PLC、工控机作为控制核心部件,以及基于Profibus-DP、RS485、工业以太网等现场总线技术构建的分布式控制系统结构;软件部分基于当今先进的工控组态软件——美国国家仪器公司的“LabVIEW”,并结合江南大学在发酵过程控制应用中长期积累的先进控制算法进行系统软件的组态和二次开发,控制软件能完全适合白酒生产工艺要求。控制模块加入了固态发酵过程专家智能控制子系统,支持用户进行白酒生产的智能控制与优化。
2. 可靠性高
所有仪器仪表、PLC、工控机及控制阀门、变频器均采用外资企业或国内知名厂家产品。高清液晶显示屏的图标文字清晰,可靠性高;PROFIBUS现场总线和RS485数据通讯不仅提高了数据传输的精度和抗干扰能力,而且布线少,容易维护。
所有自控部分均有转换手动操作开关,可以进行人工干预切换,保证在任何情况下系统的可靠性。
3. 经济性好
系统结构紧凑,元器件配置合理,总体价格低。由于采用集散和现场总线相结合技术,仪表通过RS485 (或其它通讯方式)与PLC和工控机进行通讯,可大量节省导线的费用。
4. 可扩充性强
本系统采用三层结构:底层为生产现场,中间层为车间控制室,上层为生产调度总控制室(根据需要另定)。底层的传感器与控制阀门和电机可通过PROFIBUS总线方式和位于中间层的PLC进行通信联络,因此容易进行系统扩展。远程用户只需通过上位机界面,以及互联网技术,即可实现对整个系统远程监控,控制系统组态功能齐全、灵敏,控制方案便于调整,可灵活的适应工艺改造的需要,组态软件的命令语言便于用户扩展新的控制算法。采用高分辨率的大型彩色液晶显示器,显示内容由工控机给出,便于修改显示内容,便于安装,不需要增加投资即可增添新的显示内容。
5. 可维护性强
采用集散控制和现场总线技术的分布式递阶结构。底层传感器与智能仪表和PLC间,PLC和工控机间均采用二芯和三芯电缆连接,简化了系统结构,并可随时更换,不影响生产。系统具有软硬件自诊断功能,故障查找与维修的工作量少,便于维护。
5.研究计划与进度安排
(1) 2015年9月——2016年12月:首先要搜集、整理有关的资料,参与今世缘施工现场的施工,学习系统设备的硬件组态,查阅国内外文献,选定课题方向;
(2) 2015年12月——2016年2月:大量阅读已有的关于白酒酿造自动控制方面的文献。并研究基于LabVIEW、MATLAB 、PLC、OPC技术以及现场总线等测控技术方面的文献,依托现有项目搭建软硬件平台,并在实际生产过程中不断改进控制方案,直至最优;
(3) 2016年2月——2016年3月:总结实验过程,对比分析结果,整理前期资料,撰写毕业论文并修改,准备毕业答辩。
 
目  录
第一章 绪论 1
1.1论文的研究背景及意义 1
1.2系统设计思想 2
1.3本文对课题阐述的框架结构 4
第二章 基于LabVIEW的白酒蒸馏监控系统总体设计 4
2.1系统的总设计 4
2.1.1固态酿酒工工艺 4
2.2.2系统设计原则简介 5
2.2.3系统构成框图 7
2.4 系统已实现的功能 8
2.4.1设备控制系统与机器人装甑系统的衔接 8
2.4.2现场操控平板配置以下控制点: 8
2.4.3粉粮、稻壳、曲粉称重系统的整合及衔接的问题 10
2.4.4车间所需网络支持、各子车间通讯连接、各子车间PAD通讯连接 12
2.5系统改进的功能介绍 13
2.5.1蒸馏取酒系统 13
2.5.2摊凉加曲系统 13
2.5.3机械化、自动化装甑系统 14
第三章 系统实施方案 14
3.1硬件组成简述 14
3.1.1 工控机 15
3.1.2  PLC 16
3.1.3 低压元器件及变频器 16
3.1.4. 传感器 17
3.1.5. 阀门 19
3.2系统所涉及的主要技术 20
3.2.1 PLC和LabVIEW的通讯技术 20
3.2.2 SQL和Labview通讯技术 23
3.2.3  PID技术 24
第四章  方案的具体实现 26
4.1控制系统整体效果图 26
4.1.1主工控制控制流程界面 27
4.1.2远程平板控制流程界面 29
4.1.3机器人操控控制界面 32
4.1.4摊粮控制 33
4.1.5其他控制 36
1)、数据采集显示 36
4.1.6报表曲线界面 38
第五章 结论与展望 40
5.1 论文总结 40
5.2 前景展望 41
致  谢 42
参考文献 43
附  录一 44
附  录二 47
附  录三 48
参考文献
    【1】杨静. 白酒也可以很洋化——访金门酒厂实业股份有限公司总经理王毅民[J]. 新食品, 2007(16):34-36.
【2】任国军. 河套酒业白酒机械化生产的尝试[J]. 酿酒科技, 2010(12):73-75
【3】.高丽红. 看不见的“酿酒工人”[J]. 世界博览, 2005(8):84-84
【4.】DataSoeket Technical Overview[M]. USA: National Instruments Corporation.2003.
    【5】.National Instruments.A New Open Specification for Modular Instrumentation[M].  1997.
【6】朱青, 王直, 李垣江等. 基于LabVIEW与OPC的船舶机舱报警系统设计[J]. 现代电子技术, 2009, 288(1): 129-131
【7】曾珞亚. 基于OPC技术的PLC与LabVIEW通信实现[J]. 微计算机信息, 2009, 26 (6-1): 52-53
【8】.陈欣, 王浩宇, 郎朗. 基于OPC技术的上位机与西门子PLC的通信[J]. 自动化与仪器仪表, 2008 (1): 70-73.
【9】杨芷,鲁五一, 熊红云. 基于OPC技术的LabVIEW和PLCs通讯[J]. 长沙航空技术学院学报, 2006, 6 (2): 62-65.
【10】.杨萍,孔庆, 贺洋. 基于LabSQL的数据库访问技术[J]. 科技信息, 2009(17): 445-446.
【11】张彬斌. LabVIEW和SQL Server数据库之间的互访[J]. 哈尔滨理工大学学报, 2005, 2: 14-16.
【12】宋莜玲, 潘学军. 模糊规则微分调整作用的PID控制方法[J]. 仪器仪表学报.2004, 25: 325-328.
    【13】张桐, 陈国顺, 王正林. 精通LabVIEW程序设计[M]. 北京: 电子工业出版, 2008.
 
 
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