【正文】 sis of the key problems of beer production in the process of beer fermentation based on PLC design of automatic control system. Keywords: beer fermentation temperature control by PLC 4 目 錄 1 緒 論 ............................................................................................................................ 1 課題的背景 ......................................................................................................... 1 國內(nèi)啤酒生產(chǎn)過程控制概況 ................................................................................ 2 啤酒生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的作用和意義 .................................................................. 3 2 啤酒發(fā)酵 ....................................................................................................................... 3 啤酒發(fā)酵概述 ..................................................................................................... 3 啤酒發(fā)酵的具體過程 ........................................................................................... 3 啤酒發(fā)酵設(shè)備 ..................................................................................................... 4 啤酒發(fā)酵工藝曲線 .............................................................................................. 5 3 啤酒發(fā)酵自控系統(tǒng) PLC 選型和配置 ............................................................................... 6 選型 .............................................................................................................. 6 S7200 主要功能及 特點(diǎn) ...................................................................................... 8 文本顯示器 TD200 ............................................................................................... 9 電磁閥 PWM ........................................................................................................ 10 PID 控制的原理和特點(diǎn) ..................................................................................... 10 PLC 其他資源配置 ................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。作為世界最大且增速最快的啤酒，飲料生產(chǎn)消費(fèi)大國之一，中國已日趨成為最具吸引力市場(chǎng)。由于啤酒生產(chǎn)的工藝復(fù)雜，目前我國大多 數(shù)啤酒生產(chǎn)企業(yè)裝備落后，自動(dòng)化程度低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。而我要做的就是其中發(fā)酵的一部分， 啤酒發(fā)酵也是一個(gè)復(fù)雜的過程， 啤酒生產(chǎn)過程中發(fā)酵是一道關(guān)鍵工序，除生產(chǎn)工藝水平外，生產(chǎn)工序控制指標(biāo)的好壞將直接影響 啤酒的質(zhì)量。應(yīng)用前景樂觀，能產(chǎn)生較 2 大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，能應(yīng)用新技術(shù)，新材料，新設(shè)備改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率。而后發(fā)酵就是對(duì)主發(fā)酵的殘?zhí)抢^續(xù)發(fā)酵，達(dá)到要求的發(fā)酵度，排除氧氣，增加酒精中的 CO2 的溶解量。 引進(jìn)國外控制技術(shù)。 我國普遍啤酒廠存在的問題： 1產(chǎn)品低劣，品種單一； 2技術(shù)含量低，自控水平差，生產(chǎn)過程多為人工或簡(jiǎn)單控制，使得啤酒質(zhì)量不穩(wěn)定 3原材料消耗大，與國際先進(jìn)水平存在較大差距 3 啤酒生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的作用和意義 國內(nèi)目前 啤酒市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，體現(xiàn)在兩個(gè)方面：質(zhì)量和價(jià)格。 2 啤酒發(fā)酵 啤酒發(fā)酵概述 啤酒發(fā)酵 是一個(gè)復(fù)雜的過程，發(fā)酵過程是把糖化姜汁經(jīng)過酵母生產(chǎn)乙醇、水、二氧化碳等產(chǎn)物。實(shí)際 上 ，控制發(fā)酵液的溫度 是 以人工化驗(yàn) 。 主發(fā)酵階段，從原姜汁開始主發(fā)酵，溫度要控制在 10℃。當(dāng)雙乙酰濃度到合格標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)酵就進(jìn)入降溫階段。酒在不同溫度選會(huì)形成對(duì)流的作用。啤酒發(fā)酵工藝曲線如下： T0麥汁進(jìn)罐溫度 t1第一升溫時(shí)間段，自然升溫 t2第一恒溫時(shí)間段 t3第二升溫時(shí)間段，自然升溫 ，主發(fā)酵保溫 t4第二恒溫時(shí)間段，雙乙酰含量 ，主發(fā)酵降溫 t5第一降溫時(shí)間段 ，后發(fā)酵保溫 t6第二恒溫時(shí)間段 ，后發(fā)酵降溫 t7第二降溫時(shí)間段 各個(gè)階段進(jìn)行簡(jiǎn)單地介紹： 1麥汁進(jìn)料 ， 由糖化階段產(chǎn)生的麥汁原料由糖化罐進(jìn)入發(fā)酵罐中。這個(gè)過程需要將 這個(gè)化合物 除去，增加啤酒的品質(zhì)。 據(jù)啤酒發(fā)酵的工藝流程和需要， PLC 的選型需要滿足以下條件： 有簡(jiǎn)單回路 控制算法。 西門子 S7200 系列 PLC， S7200 系列的 PLC 具有體積小，運(yùn)行速度高，功能強(qiáng)等特點(diǎn)。它還安裝有大容量電容，可以長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)而不需要后備電池。 CPU212 有一個(gè) 2KHZ 的加 /減計(jì)數(shù)器，而CPU214CPU216 有兩個(gè)獨(dú)立的 7KHZ 的高速計(jì)數(shù)器，他們可用軟件或硬件復(fù)位。 （ 3）靈活的中斷功能，中斷觸發(fā)有幾種形式：可用軟件設(shè)定為中斷輸入信號(hào)的上升沿式下降沿，以便做出快 速響應(yīng)；可設(shè)為時(shí)間控制的自動(dòng)中斷；可由內(nèi)置高數(shù)計(jì)數(shù)器自動(dòng)觸發(fā)中斷；在與外設(shè)通信時(shí)可以以中斷分式工作。 （ 7）輸入或輸出的強(qiáng)制功能。用戶對(duì)點(diǎn)接口（ PPI）作 ，用 RS485 接口實(shí)現(xiàn)高速用戶可編和接口。 2可設(shè)定 CPU214 以上機(jī)型的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。 6輸入和輸出設(shè)定。也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)， 控制理論 的 其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 10 4 啤酒發(fā)酵自控系統(tǒng) PLC 程序 設(shè)計(jì)思路 啤酒發(fā)酵對(duì)象的時(shí)變性、時(shí)滯性及其不確定性，決定了發(fā)酵罐控制必須采用特殊的控制算法。為了達(dá)到預(yù)定的控制效果，采用自動(dòng)或由操作人員手動(dòng)選擇控制的方法。 采用的是德國 SIEMENS 公司的 S7200 系列 PLC，運(yùn)用與之相配的 STEP7 編程軟件，通過 STL 和 LAD 兩種編程語言編制了下位機(jī)的控制程序 ,完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度自動(dòng)控制的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其各階段轉(zhuǎn)換條件及控制要求見表所示。整個(gè)發(fā)酵過程的溫度控制在不同發(fā)酵時(shí)期是不同的，根據(jù)主酵 → 雙己酰還原 → 冷卻 → 酵母回收 → 后貯的階段，分別設(shè)定曲線進(jìn)行控制，并采用 PI、 PID 等控制方法，使系統(tǒng)控制精度符合工藝要求按啤酒發(fā)酵工藝要求， 12 其中從 12℃ 保溫向 3℃ 下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)取決于酒液殘?zhí)橇慷蝗Q于發(fā)酵時(shí)間。程序中有人工階段選擇開關(guān)，可以在任意階段間跳轉(zhuǎn)，從而避免了因操作人員操作偶爾失誤而無法實(shí)現(xiàn)后續(xù)程序正常運(yùn)行的情況。通過對(duì)系統(tǒng)的整體分析，可以分析出來系統(tǒng)要提供21 個(gè)開關(guān)量輸入， 16 個(gè)開關(guān)量輸出，五路模擬量的輸入，實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵各階段溫度控制。同時(shí)，相關(guān)數(shù)據(jù)通過 PLC 的通信接口單元和上位機(jī)通信鏈路傳至上位機(jī)和模擬屏；上位機(jī)及模擬屏相同的圖形完成系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控與動(dòng)態(tài)處理。具體結(jié)構(gòu)見圖 顯 示 器 鍵 盤上 位 計(jì) 算 機(jī)C P U D OD M A I A I A I D O現(xiàn) 場(chǎng) 傳 感 器 執(zhí) 行 裝 置打 印 機(jī) 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)硬件配置 CPU 的選型 SIMATIC S7200 系列是西門子公司生產(chǎn)的小型可編程程序控制器 [14]，結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，運(yùn)行速度快，有極豐富的指令集，具有強(qiáng)大的多種集成功能和實(shí)時(shí)特性，配有功能豐富的擴(kuò)展模塊，性能價(jià)格比非常高 。 模擬量擴(kuò)展模塊 PLC 對(duì)模擬量信號(hào)的 PID 控制方式 用可編程控 制器對(duì)模擬量進(jìn)行 PID 控制時(shí)，可采用以下方式： （ 1）用 PID 過程控制模塊： 這種模塊的 PID 控制程序是可編程控制器生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)的，并存放在模塊中，用戶在使用時(shí)只需設(shè)置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路，但是，這種模塊價(jià)格昂貴，一般在大型的控制系統(tǒng)能中使用。 （ 3）用自編的程序?qū)崿F(xiàn) PID 閉環(huán)控制： 有的可編程序控制器沒有 PID 過程控制模塊和 PID 控制用的功能指令，有時(shí)雖然可以使用 PID 控制指令，但是希望采用某種改進(jìn)的 PID 控制算法 [15]。 EM231 模塊提供了模擬量輸入 /輸出的功能，優(yōu)點(diǎn)如下： （ 1）最佳適應(yīng)性：可適用于復(fù)雜的控制場(chǎng)合 （ 2）直接與傳感器和執(zhí)行器相連， 12 位的分辨率和多種輸入 /輸出范圍能夠不用外加放大器而與傳感器和執(zhí)行器直接相連，例如 EM235 CN 模 塊可直接與Pt100 熱電阻相連 （ 3）靈活性：當(dāng)實(shí)際應(yīng)用變化時(shí)， PLC 可以相應(yīng)地進(jìn)行擴(kuò)展，并可非常容易的調(diào)整用戶程序。 S7200 擴(kuò)展圖 啤酒發(fā)酵控制原理可以得出：每只發(fā)酵罐需要有上溫、中溫、下溫、壓力四個(gè)模擬量需要測(cè)量，有些情況需要對(duì)發(fā)酵罐的液位進(jìn)行測(cè)量；上溫、中溫、下溫3個(gè)溫度各需要一個(gè)二位式電磁閥進(jìn)行控制，罐內(nèi)壓力需要一個(gè)二位式電磁閥進(jìn) 16 行控制。 根據(jù)啤酒發(fā)酵的特點(diǎn)，啤酒發(fā)酵過程的溫度范圍最低可以到 1 攝氏度以下，最高到 12 攝氏度以上，一般可以選擇的量程為 10～ 90 攝氏度的溫度變送器；壓力變送器可以選擇量程為 0～ 200Kpa 或者 0～ 400Kpa。 S7200 系列 PLC 主機(jī)中有兩類基本指令集： SIMATIC 指令集和 IEC 11313指令集 SIMATIC 指令集：是為 S7200 系列 PLC 設(shè)計(jì)的，本指令通常執(zhí)行時(shí)間短，而且可以用 LAD、 STL 和 FBD 三種編程語言 IEC 11313 指令集是不同 PLC 廠家的指令標(biāo)準(zhǔn)，不能使用 STL 編程語言。該軟件 可以在 Windows 平臺(tái)上運(yùn)行，其基本功能是協(xié)助用戶完成應(yīng)用軟件任務(wù)。為了達(dá)到預(yù)定的控制效果 ，采用自動(dòng)或由操作人員手動(dòng)選擇控制的方法。 PID 算法 在模擬量的控制中，經(jīng)常用到 PID 運(yùn)算來執(zhí)行 PID 回路的功能， PID 回路指令使這一任務(wù)的編程和實(shí)現(xiàn)變得非常容易。 PLC 功能模塊程序設(shè)計(jì) （ 1）計(jì)算出啤酒發(fā)酵時(shí)間。處在發(fā)酵過程中的每一個(gè)發(fā)酵罐根據(jù)各自的生產(chǎn)需要，都有一個(gè)工藝設(shè)定曲線。由于電磁閥是二位式的，所以其閥的開關(guān)動(dòng)作作為占空比連續(xù)變化的 PWM 輸出。 T2 為電磁閥打開時(shí)間。 主酵自然升溫段程序 當(dāng)麥汁和酵母進(jìn)入發(fā)酵罐后，就開始進(jìn)入主酵階段。主酵自然升溫段的程序截圖見附錄。主要完成溫度、壓力、液位等模擬量的采集和處理。 圖 53 網(wǎng)絡(luò) 3 梯形圖 27 網(wǎng)絡(luò) 3 的指令 解釋見附錄 發(fā)酵狀態(tài)處理 根據(jù)操作人員輸入的當(dāng)前操作狀態(tài)，對(duì)每個(gè)發(fā)酵罐狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。 圖 55 網(wǎng)絡(luò) 5 梯形圖 28 網(wǎng)絡(luò) 5 的指令 解釋見附錄 網(wǎng)絡(luò) 6 的梯形圖如圖 56 所示。溫度設(shè)定值的計(jì)算由網(wǎng)絡(luò) 9～網(wǎng)絡(luò) 13 組成對(duì)發(fā)酵罐溫度使用 PID 控制必須具備的條件是設(shè)定的溫度和實(shí)際溫度。 ? ?21 1121TTT t t Ttt?? ? ? ?? 31 T 溫 度t 時(shí) 間0t 1 tt 2T 1TT 2 圖 59 溫度曲線