【正文】 ：在前酵階段希望發(fā)酵罐內(nèi)從罐頂?shù)焦薜子幸徽臏囟忍荻?上段溫度低于下段溫度)，以利于發(fā)酵液對(duì)流和酵母在罐內(nèi)的均勻混合；在后酵階段，則要求發(fā)酵液由上到下必須有一定的負(fù)溫度梯度，便于酵母的沉淀和排出。殺菌就是啤酒在灌裝之前對(duì)其進(jìn)行生物穩(wěn)定性處理的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。024681 01 21 40a bc def T/℃t / h圖 251 啤酒發(fā)酵工藝曲線3 應(yīng)用 PLC 實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度控制的可行性分析 可編程序控制器 PLC 的特點(diǎn)可編程序控制器(Programmable Controller)是一種以計(jì)算機(jī)(微處理器)為核心的通用工業(yè)控制裝置。最快的 PLC 處理一步程序僅需幾十納秒；軟件上使用容錯(cuò)技術(shù)，硬件上使用多 CPU 技術(shù)，具有二三百步以上的高級(jí)指令，使 PLC 具有強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算和大批量數(shù)據(jù)處理能力 [10]。軟件設(shè)計(jì)方面：采用軟件濾波，軟件自診斷，簡(jiǎn)化編程語(yǔ)言，信息保護(hù)和恢復(fù)，報(bào)警和運(yùn)行信息的顯示等。例如目前大多數(shù) PLC 采用的梯形圖語(yǔ)言，繼承了繼電器控制線路的清晰直觀感，很容易被電氣技術(shù)人員所接受和掌握。因此，它既可對(duì)開關(guān)量進(jìn)行控制，也可對(duì)模擬量進(jìn)行控制；既可以控制單臺(tái)設(shè)備，也可以控制一條生產(chǎn)線或全部生產(chǎn)工藝過程。 PLC 的組成與基本原理 PLC 的組成結(jié)構(gòu)PLC 本質(zhì)上是一臺(tái)用于控制的專用計(jì)算機(jī)，因此它與一般的控制機(jī)在結(jié)構(gòu)上有很大的相似性。另外還有獨(dú)立的 I/O擴(kuò)展單元與主機(jī)配合使用。CPU 底板與擴(kuò)展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過 10m。圖 321 為 PLC 的組成示意圖。CPU 從第一條指令開始，順序逐條的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束。PLC 按工作周期方式周而復(fù)始的循環(huán)工作。檢查正常后，方可進(jìn)行下面的操作。(3) 執(zhí)行用戶程序。 PLC 的主要功能和應(yīng)用可編程控制器的設(shè)計(jì)思想是盡可能地利用當(dāng)前先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)去滿足用戶的需要，PLC 與繼電器接觸器控制電路的一個(gè)本質(zhì)區(qū)別就是除了必要的與外部物理世界的接口(即I/O 點(diǎn))外，其它的邏輯功能均在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。各個(gè)種類 PLC 的容量、結(jié)構(gòu)形式、性能、指令系統(tǒng)、編程方法、價(jià)格各不相同，適應(yīng)的工作場(chǎng)合也有差異。美國(guó)是 PLC 的發(fā)源地，以大中型機(jī)為主，功能完備，單機(jī)價(jià)格高，GE 公司、MODICON 公司、 AB 公司是其代表。PLC 的容量包括主機(jī)用戶存儲(chǔ)器的內(nèi)存容量和 I/O 控制點(diǎn)數(shù)兩個(gè)方面，選擇時(shí)應(yīng)留有適當(dāng)?shù)脑Ａ孔鰝溆?。晶體管輸出模塊只能帶直流負(fù)載，是直流輸出模塊，用于高速小功率負(fù)載。本系統(tǒng)選用了 SIMENS SIMATIC S7系列 PLC 組件。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，啤酒發(fā)酵過程也逐步開始應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。此外，PLC 采用周期循環(huán)掃描方式工作，對(duì)輸入輸出集中進(jìn)行處理。因此，PLC 被稱為“專為適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)” 。此外，PLC 配置著大量?jī)?nèi)含 CPU 的智能模板，有些專用于 PID 控制，有些用于運(yùn)動(dòng)控制，有些用于高速計(jì)數(shù)器，有些用于連網(wǎng)通信，它們采用模塊結(jié)構(gòu)，通過背板并行總線連成有機(jī)的整體。4 啤酒發(fā)酵溫度 PLC 控制方案 系統(tǒng)控制要求及功能 啤酒發(fā)酵溫度要求啤酒發(fā)酵期間，發(fā)酵溫度分為起始溫度(即麥汁冷卻溫度、滿罐溫度)、最高溫度(稱發(fā)酵溫度) 、還原雙乙酰溫度和貯酒溫度。為了使罐內(nèi)酒液循環(huán)并有利于不同發(fā)酵期的酵母沉淀，一般采用分三段間冷方式，控制罐內(nèi)酒液溫度，使之形成自上而下的溫度梯度。每個(gè)罐設(shè)有液位指示，可以作為裝酒和成品計(jì)量用，還可以了解整個(gè)發(fā)酵過程的液位變化。 能監(jiān)視每個(gè)發(fā)酵罐的溫度、壓力周期曲線，當(dāng)累積酒齡達(dá)到時(shí)，自動(dòng)出信號(hào)，以便人工確定是否執(zhí)行下步操作。 表 42 輸入/輸出節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表輸入信號(hào) 輸出信號(hào)啟動(dòng)麥汁進(jìn)罐 手動(dòng)方式 麥汁進(jìn)罐泵運(yùn)行關(guān)閉麥汁進(jìn)罐 自動(dòng)方式 滿罐溫度保持指示滿罐溫度保持 開上冷媒開關(guān)電磁閥 主酵自然升溫段指示主酵自然升溫段 開中冷媒開關(guān)電磁閥 雙乙酞還原階段指示雙乙酞還原階段 開下冷媒開關(guān)電磁閥 降溫保溫階段指示降溫保溫階段 關(guān)上冷媒開關(guān)電磁閥 后酵保溫階段指示后酵保溫階段 關(guān)中冷媒開關(guān)電磁閥 第二降溫階段指示第二降溫階段 關(guān)下冷媒開關(guān)電磁閥 貯酒保溫階段指示貯酒保溫階段 開發(fā)酵罐排氣閥 上冷媒開關(guān)電磁閥發(fā)酵罐上部溫度 關(guān)發(fā)酵罐排氣閥 中冷媒開關(guān)電磁閥發(fā)酵罐中部溫度 系統(tǒng)啟動(dòng) SB1 下冷媒開關(guān)電磁閥發(fā)酵罐下部溫度 系統(tǒng)急停 SB2 發(fā)酵罐排氣閥發(fā)酵罐壓力 壓力超限報(bào)警發(fā)酵罐液位 溫度超限報(bào)警自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)首先，發(fā)酵工藝過程模擬量加溫度、壓力、液位以及各種閥門的狀態(tài)，進(jìn)人PLC。此外，為確保系統(tǒng)工作安全，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手動(dòng)裝置。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)圖 411 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖5 啤酒發(fā)酵溫度 PLC 控制硬件設(shè)計(jì) 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，在各行各業(yè)中的應(yīng)用迅速推廣，在規(guī)模不太大的控制領(lǐng)域是較為理想的控制設(shè)備。(1) CPU 221CPU221，輸入輸出點(diǎn)數(shù)只有 10 點(diǎn)，而且無(wú)擴(kuò)展能力，具有高速計(jì)數(shù)器和高速脈沖輸出端，CPU221 多用于點(diǎn)數(shù)較少的開關(guān)量控制系統(tǒng)中。(4) CPU226 這種模塊在 CPU224 的基礎(chǔ)上功能又進(jìn)一步增強(qiáng)，主機(jī)輸入輸出點(diǎn)數(shù)增為 40 點(diǎn)，具有擴(kuò)展能力，最大擴(kuò)展為 248 點(diǎn)數(shù)字量或 35 點(diǎn)模擬量，增加了通信口的數(shù)量，通信能力大大增強(qiáng)，它可用于點(diǎn)數(shù)較多、要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。表 51 S7200CPU 主要的性能指標(biāo)特性 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226外形尺寸 80*80*62 90*80*62 *80*62 190*8.*62存儲(chǔ)器用戶程序 2048 字 2048 字 4096 字 4096 字用戶數(shù)據(jù) 1024 字 1024 字 2560 字 2560 字用戶存儲(chǔ)器類型 EEPROM EEPROM EEPROM EEPROM數(shù)據(jù)后備(超級(jí)電容)典型值 50 小時(shí) 50 小時(shí) 50 小時(shí) 50 小時(shí)輸入輸出本機(jī) I/O 6 入 4 出 8 入/6 出 14 入/10 出 24 入/16 出擴(kuò)展模塊數(shù)量 無(wú) 2 個(gè)模塊 7 個(gè)模塊 72 個(gè)模塊數(shù)字量 I/O 映像區(qū)大小 256 256 256 256模擬量 I/O 映像區(qū)大小 無(wú) 16 如/16 出 32 入/32 出 32 入/32 出指令系統(tǒng)33MHZ 下布爾指令執(zhí)行速度 FOR/NEXT 循環(huán) 有 有 有 有實(shí)數(shù)指令 有 有 有 有整數(shù)指令 有 有 有 有主要內(nèi)部繼電器I/O 映像寄存器 128I 和 128Q 128I 和 128Q 128I 和 128Q 128I 和 128Q內(nèi)部通用繼電器 256 256 256 256計(jì)數(shù)器/定時(shí)器 256/256 256/256 256/256 256/256寫入/寫出 無(wú) 16/16 32/32 32/32順序控制繼電器 256 256 256 256附加功能內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器 4H/W(20KHZ) 4H/W(20KHZ) 6H/W(20KHZ) 6H/W(20KHZ)模塊量調(diào)節(jié)電位器 1 1 2 2脈沖輸出 2(20KHZ，DC) 2(20KHZ，DC) 2(20KHZ，DC) 2(20KHZ，DC)通信中斷 1 發(fā)送/2 接收 1 發(fā)送/2 接收 1 發(fā)送/2 接收 1 發(fā)送/4 接收硬件輸入中斷 4，輸入濾波器 4，輸入濾波器 4，輸入濾波器 4，輸入濾波器定時(shí)中斷 2(1~255ms) 2(1~255ms) 2(1~255ms) 2(1~255ms)定時(shí)時(shí)鐘 有(時(shí)鐘卡) 有(時(shí)鐘卡) 有(內(nèi)置) 有 (內(nèi)置)口令保護(hù) 有 有 有 有通信功能通信口數(shù)量 1(RS485) 1(RS485) 1(RS485)支持協(xié)議0 號(hào)口1 號(hào)口PPI，DP/T自由口N/APPI，DP/T自由口N/A PPI，DP/T自由口N/APPI，DP/T自由口(同 0 號(hào)口 ) 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]。 模擬量擴(kuò)展模塊EM231模塊提供了模擬量輸入/輸出的功能，優(yōu)點(diǎn)如下：? 最佳適應(yīng)性：可適用于復(fù)雜的控制場(chǎng)合? 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? 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。圖 513 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)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可編程控制器 CPU226EM231I 0 . 0I 0 . 1I 0 . 2I 0 . 3I 0 . 4I 0 . 5I 0 . 6I 0 . 7I 1 . 0I 1 . 1I 1 . 2I 1 . 3I 1 . 4I 1 . 5I 1 . 6I 1 . 7I 2 . 0I 2 . 7ML +Q 0 . 0Q 0 . 1Q 0 . 2Q 0 . 3Q 0 . 4Q 0 . 5Q 0 . 6Q 0 . 7Q 1 . 0Q 1 . 1Q 1 . 2Q 1 . 3Q 1 . 4Q 1 . 5Q 1 . 6Q 1 . 7NL 1R A +R B +R C +I OL +MR B +R C +I OL +MEM231R A +手動(dòng)方式自動(dòng)方式啟動(dòng)麥汁進(jìn)罐關(guān)閉麥汁進(jìn)罐開上冷媒開關(guān)電磁閥開中冷媒開關(guān)電磁閥開下冷媒開關(guān)電磁閥關(guān)上冷媒開關(guān)電磁閥關(guān)中冷媒開關(guān)電磁閥關(guān)下冷媒開關(guān)電磁閥開發(fā)酵罐排氣閥關(guān)發(fā)酵罐排氣閥系統(tǒng)啟動(dòng)系統(tǒng)急停上冷媒開關(guān)電磁閥中冷媒開關(guān)電磁閥下冷媒開關(guān)電磁閥發(fā)酵罐排氣閥壓力超限報(bào)警溫度超限報(bào)警交流電流A C 2 2 0 V發(fā)酵罐上部溫度變送器發(fā)酵罐中部溫度變送器發(fā)酵罐下部溫度變送器發(fā)酵罐壓力變送器發(fā)酵罐液位變送器D C 2 4 V 端子排0 V 端子排D C 2 4 V 端子排0 V 端子排D C 2 4 V 端子排0 V 端子排D C 2 4 V 端子排T D 2 0 0 顯示器I 3 . 0I 3 . 7I 4 . 0I 4 . 1I 4 . 2I 4 . 3I 4 . 4I 4 . 5I 4 . 6I 4 . 7ML +EM221EM222EM222Q 2 . 0Q 2 . 7Q 3 . 0Q 3 . 1Q 3 . 2Q 3 . 3Q 3 . 4Q 3 . 5Q 3 . 6Q 3 . 7ML +Q 4 . 0Q 4 . 1Q 4 . 2Q 4 . 3Q 4 . 4Q 4 . 7ML +滿罐溫度保持主酵自然升溫段雙乙酰還原階段降溫保溫階段后酵保溫階段第二降溫階段貯酒保溫階段麥汁進(jìn)罐泵運(yùn)行自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)滿罐溫度保持指示主酵自然升溫段指示雙乙酰還原階段指示降溫保溫階段指示后酵保溫階段指示第二降溫階段指示貯酒保溫階段指示D C 2 4 V 端子排0 V 端子排D C 2 4 V 端子排0 V 端子排D C 2 4 V 端子排0 V 端子排圖 521 PLC 外部接線示意圖6 PLC 實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度控制的程序設(shè)計(jì) 編程軟件的介紹 指令系統(tǒng)可編程序控制器中所有指令的集合，就稱為它為指令系統(tǒng)。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，程