【正文】 icult to find or create a precise mathematical model to simulate and forecast control. To save energy, reduce production costs and to meet the requirements of control, temperature control of fermentation tank selected the detection of the fermentation tank, in the next paragraph 3 of the temperature, through the upper, middle and lower imports of liquid ammonia in paragraph three Electromagic valve to achieve fermentation tank temperature control method. To solute the whole process temperature control by plc. The system performance higher than price, reliable, advanced technology, to fully meet the fermentation process of beer production technology requirements, taking into account the practical needs.Keywords: PLC。為節(jié)省能源，降低生產(chǎn)成本，并且能夠滿足控制的要求，發(fā)酵罐的溫度控制選擇了檢測發(fā)酵罐的上、中、下3段的溫度，通過上、中、下3段液氨進(jìn)口的兩位式電磁閥來實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐溫度控制的方法。發(fā)酵過程是啤酒生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)之一，本文以啤酒發(fā)酵過程為工程背景，利用PLC實(shí)現(xiàn)對啤酒發(fā)酵過程溫度的控制，這對更加牢固掌握PLC 并將PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際及了解啤酒的生產(chǎn)工藝有很好作用。啤酒工業(yè)是我國食品工業(yè)占有重要地位，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活的改善，我國啤酒工業(yè)也得到空前發(fā)展。中國的啤酒是19世紀(jì)末從外國傳入的。如何提高啤酒生產(chǎn)的綜合自動(dòng)化水平，增強(qiáng)我國啤酒產(chǎn)業(yè)的綜合實(shí)力這一課題有很大研究空間。因此很難找到或建立某一確切的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行模擬和預(yù)測控制。關(guān)鍵詞：PLC 。但是我國人均啤酒消費(fèi)水平只有 8 升，僅相當(dāng)于世界水平的 1/3 差距很大；近年來，雖然我國的啤酒裝備配套水平有很大提高，但與國外的主要啤酒生產(chǎn)廠家相比大部分企業(yè)技術(shù)落后，國內(nèi)的啤酒行業(yè)迫切要求進(jìn)行技術(shù)改造，提高生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，以確保在激烈的市場競爭中立于不敗之地。早期，由于人們對發(fā)酵機(jī)理認(rèn)識(shí)不深，再加上采用控制器的限制，對發(fā)酵采取自動(dòng)控制未能成功。溫度控制精度在 ?℃范圍內(nèi)，這樣的控制精度單憑傳統(tǒng)的熱工儀表加上手工操作方式是完全不能滿足要求的，但目前國內(nèi)的不少生產(chǎn)廠家都是采用這種生產(chǎn)方式。利用 PLC 實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵罐溫度的自動(dòng)控制的選題。 啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)方案綜述目前，國內(nèi)啤酒生產(chǎn)(糖化、發(fā)酵工段)的控制水平基本上可以分為四個(gè)檔次。2) 半自動(dòng)控制方式 (集中手動(dòng)控制方式)——其主要特點(diǎn)為閥門多采用氣動(dòng)或電動(dòng)自動(dòng)閥門。3) PC 機(jī)+ 數(shù)據(jù)采集插卡方式 ——以工業(yè) PC 機(jī)加各種數(shù)據(jù)采集卡為代表，過程控制中的各種信號(hào)在外圍通過相應(yīng)的變送器送入插在工業(yè) PC 機(jī)插槽中的數(shù)據(jù)采集卡，在 PC機(jī)畫面上顯示各種生產(chǎn)過程參數(shù)，同時(shí)控制閥門與泵、電機(jī)等設(shè)備的啟、停來滿足工藝生產(chǎn)要求，目前國內(nèi)不少啤酒廠發(fā)酵車間采用這種系統(tǒng)進(jìn)行控制。 d．由于外圍器件的漂移較大，系統(tǒng)控制精度受一年四季影響大，控制效果不理想 [3]。但主要缺點(diǎn)是一次投入資金較大 [4]。由于每個(gè)發(fā)酵罐都存在個(gè)體的差異，而且在不同的工藝條件下，不同的發(fā)酵菌種下，對象特性也不盡相同。(2) 完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及其系統(tǒng)選型，包括系統(tǒng)的硬件連線，PLC 的選型，PLC 點(diǎn)數(shù)確定、PLC ，擴(kuò)展模擬量處理模塊等部分。發(fā)酵過程是啤酒生產(chǎn)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，啤酒發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的生化過程，這個(gè)過程可以理解為把麥汁轉(zhuǎn)化為啤酒的過程，整個(gè)發(fā)酵過程同樣也包含若干個(gè)生產(chǎn)工序，如：麥汁充氧、酵母添加、發(fā)酵、過濾、修飾以及酵母擴(kuò)培等等。從原麥汁入罐時(shí)刻起，就開始進(jìn)行主發(fā)酵，這一階段的溫度控制在12攝氏度(不同工藝數(shù)值不同)。每兩小時(shí)測量一次，度。正常情況下，全過程必須在14天以上 [5] [6]。雙乙酰還原階段控溫原理與主酵段類似，但此過程發(fā)酵速度趨緩，熱量產(chǎn)生少，對流慢，對上段控溫應(yīng)緩慢、慎重，不可急劇冷卻，防止罐內(nèi)溫度出現(xiàn)較大幅度下滑，酵母大量沉積將影響雙乙酞還原。(5) 三攝氏度保溫過程在整體降溫過程中，3 攝氏度以前的降溫速度較快，降溫慣性大，在接近 3 攝氏度對流方向變化過程中，易出現(xiàn)罐內(nèi)各點(diǎn)酒液溫度的紊亂，或溫度出現(xiàn)突升突降，或溫度持續(xù)變化，無法按工序執(zhí)行，且難以總結(jié)出變化規(guī)律。此階段溫度控制應(yīng)以上、中、下三段均衡控溫為主，縮小罐內(nèi)發(fā)酵液溫差。這樣使得罐內(nèi)發(fā)酵液與外界的熱交換量和發(fā)酵液產(chǎn)生的生化熱相比較可忽略不計(jì)，控溫中通過冷卻夾套由冷卻介質(zhì)帶走的熱量主要是生化熱。發(fā)酵是一個(gè)放熱的過程，如果讓啤酒自然發(fā)酵，發(fā)酵液的溫度會(huì)逐漸上升，因此在發(fā)酵罐外部罐壁設(shè)置有上、中、下三段冷卻套，相應(yīng)的設(shè)立上、中、下三個(gè)測溫點(diǎn)和三個(gè)調(diào)節(jié)閥，通過閥門調(diào)節(jié)冷卻套內(nèi)冷卻液的流量來實(shí)現(xiàn)對酒體溫度的控制 [7]。溫度參數(shù)的高低來提醒罐內(nèi)物料已加熱時(shí)間的長短，以便指導(dǎo)操作者進(jìn)行物料儲(chǔ)存及物料反應(yīng)。啤酒發(fā)酵生產(chǎn)工藝對控制的要求是：發(fā)酵罐上、中、下液溫的實(shí)時(shí)測控，控制罐溫在特定階段與標(biāo)準(zhǔn)的工藝生產(chǎn)曲線相符；控制罐內(nèi)氣體的有效排放，使罐內(nèi)壓力符合不同階段的需要控制。主要分為以下階段： (l) 麥汁充氧和酵母添加麥汁在泵入發(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵之前，麥汁中需要加入適量的酵母，整個(gè)發(fā)酵過程可以簡單理解為酵母把麥汁中的糖類分解成 C2H50H、H 2O 及其它產(chǎn)物的過程。整個(gè)發(fā)酵過程可以分為主酵和后酵兩個(gè)階段：(a) 主酵—這個(gè)階段又稱為前酵。普通啤酒在前酵時(shí)的工藝要求控制在 12℃左右，從前酵進(jìn)入后酵的降溫過程。經(jīng)過一段時(shí)間的貯酒，整個(gè)發(fā)酵環(huán)節(jié)基本結(jié)束。(3) 啤酒過濾和殺菌　　主酵、后酵結(jié)束以后，啤酒將通過過濾機(jī)和高溫瞬時(shí)殺菌進(jìn)行生物以及膠體穩(wěn)定處理然后灌裝。啤酒發(fā)酵工藝曲線如圖 251 所示。早期可編程序控制器主要用于開關(guān)量的邏輯控制，被稱為可編程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱 PLC，這個(gè)名稱被一直沿用。PLC 的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用是與其自身的性能特點(diǎn)密切相關(guān)的，與繼電器、微機(jī)控制相比，PLC 具有以下特點(diǎn)：(1) 高可靠性PLC 是為了適應(yīng)工業(yè)環(huán)境而專門設(shè)計(jì)的控制裝置，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)是它的最重要的特點(diǎn)。這些措施的采用使 PLC 的可靠性和抗干擾能力大大優(yōu)于一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，PLC 的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)可達(dá)幾十萬小時(shí)。PLC 的輸入輸出接口可直接與控制現(xiàn)場的用戶設(shè)備相連接，可拆卸的接線端子排使接線工作及其簡單。PLC 還具有通信聯(lián)網(wǎng)功能，可與相同或不同類型的 PLC 聯(lián)網(wǎng)，并可與上位機(jī)通信構(gòu)成分布式的控制系統(tǒng)。PLC 的主要特點(diǎn)是與控制對象有更強(qiáng)的接口能力，也就是說，它的基本結(jié)構(gòu)主要是圍繞著適宜于過程控制的要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。主機(jī)中 CPU 是 PLC 的核心，I/O 單元是連接 CPU 與現(xiàn)場設(shè)備之間的接口電路，通信接口用于 PLC 與編程器和上位機(jī)等外部設(shè)備的連接。無論哪知結(jié)構(gòu)類型的 PLC，都可根據(jù)需要進(jìn)行配置與組合。 PLC 的工作原理與其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相同，PLC 的 CPU 采用分時(shí)操作原理，每一時(shí)刻執(zhí)行一個(gè)操作，隨時(shí)間順序執(zhí)行各個(gè)操作。然后返回第一條指令開始，新一輪掃描。PLC 上電后，首先進(jìn)行初始化，然后進(jìn)圖循環(huán)工作過程，一次循環(huán)可歸納為五個(gè)工作階段，如圖 322 所示。如果有異常情況，則根據(jù)錯(cuò)誤的嚴(yán)重程度發(fā)出報(bào)警或停止PLC 運(yùn)行。在程序執(zhí)行階段，CPU 按先左后右，先上后下的順序?qū)γ織l指令進(jìn)行解釋、執(zhí)行，CPU 從輸入映像寄存器和輸出映像寄存器中讀出各繼電器的狀態(tài)，根據(jù)用戶程序給出的邏輯關(guān)系進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再寫入輸出映像寄存器中。這些邏輯功能不僅可以取代，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過諸如中間繼電器、時(shí)間繼電器等硬件邏輯所能達(dá)到的功能，從而為 PLC 在可靠性和便利性上形成特色奠定了基礎(chǔ) [12]。因此，對于每一個(gè)準(zhǔn)備使用 PLC 的用戶來說，合理的選擇 PLC 是非常重要的，它直接影響到所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能與造價(jià)。日本的 PLC 以中小型機(jī)為主，價(jià)格便宜，典型代表為 OMRON 公司、三菱(MITSUBISHI)公司的產(chǎn)品。 (3) 選擇 I/O 模塊?？煽毓栎敵瞿K是交流輸出模塊，只用于高速大功率負(fù)載；繼電器輸出模塊是交直流輸出模塊，即可帶直流也可帶交流，因其有觸點(diǎn)，故只能用于低速負(fù)載。 PLC 在啤酒發(fā)酵中應(yīng)用的可行性啤酒發(fā)酵過程控制是啤酒釀造過程的一個(gè)重要工藝控制環(huán)節(jié)，發(fā)酵過程控制得好壞直接影響到整罐啤酒的產(chǎn)品質(zhì)量。PLC 是一種具有很高可靠性的控制裝置，它與可編程調(diào)節(jié)器、DCS 系統(tǒng)同被列為“不損壞儀表” 。這種特殊的工作方式本身就具有抗干擾功能。PLC 是以控制開關(guān)量起家的，它采用循環(huán)掃描方式，通過串行處理使其在邏輯上等效于并行處理的繼電器邏輯控制系統(tǒng)，為了不丟失輸入信號(hào)，要求循環(huán)掃描周期愈短愈好，這就使得在 PLC 中配置的處理器性能好，速度快。所有這些都使得 PLC 適合于各種規(guī)模的自動(dòng)化系統(tǒng) [13]。啤酒發(fā)酵期罐壓力設(shè)定為 0~。 (1) 對每個(gè)發(fā)酵罐的上、中、下 3 個(gè)測量點(diǎn)的溫度進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，罐內(nèi)實(shí)行壓力檢測。整個(gè)系統(tǒng)還設(shè)定了手動(dòng)操作和自動(dòng)控制選擇開關(guān)，在任意階段都能夠?qū)崿F(xiàn)兩者間的切換，實(shí)現(xiàn)了溫度、壓力的手、自動(dòng)選擇控制。 PLC 控制系統(tǒng)方案根據(jù)啤酒發(fā)酵工藝控制需求，充分考慮企業(yè)的綜合實(shí)力、現(xiàn)狀與發(fā)展等因素，設(shè)計(jì)PLC 控制系統(tǒng)方案。PLC 可以根據(jù)工藝要求設(shè)定的程序自動(dòng)完成模擬量和開關(guān)量的處理，通過控制算法，輸出控制信號(hào)至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對閥門進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，從而完成發(fā)酵工藝過程的控制。在意外故障情況下，可以切換自動(dòng)，進(jìn)人手動(dòng)狀態(tài)，從而保證發(fā)酵工藝過程的正常運(yùn)行。從 CPU 模塊的功能來看，SIMATIC S7200 系列小型可編程程序控制器發(fā)展至今，大致經(jīng)歷了兩代：在由于第一帶產(chǎn)品已經(jīng)過時(shí)，在這里只討論第二帶產(chǎn)品。(2) CPU222 CU222，輸入輸出點(diǎn)數(shù)增為 14 點(diǎn)，具有擴(kuò)展能力，最大擴(kuò)展為 78 點(diǎn)數(shù)字量或 10 路模擬量的輸入輸出，存儲(chǔ)容量也得到擴(kuò)充，還新增了 PID 控制器。根據(jù)對整個(gè)系統(tǒng)的考察，啤酒發(fā)酵溫度 PLC 控制系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)數(shù)及類型確定，可知PLC 要提供 21 個(gè)開關(guān)量輸入和 15 個(gè)開關(guān)量輸出，5 個(gè)模擬量輸入，同時(shí)考慮到要留有20%～ 30%的余量。(2) 用 PID 功能指令：現(xiàn)在很多可編程控制器都有供 PID 控制用的功能指令，如 S7200 的 PID 指令。在上述情況下都需要用戶自己編制 PID 控制程序。其電源與公共端子圖如圖512R A A + A R B B + B R C C + C R D D + D E M 2 3 1A I 4M L +C o n f i g r a t i o nG a i n+電壓變送器未用輸入端電流變送器2 4 V+N o t u s e d2 4 V D C 電源和公共端子圖512 EM231電源與公共端子圖 控制系統(tǒng)硬件配置 S7200 PLC 的擴(kuò)展模塊S7200 PLC 可以安裝在板上，也可以安裝在標(biāo)準(zhǔn) DIN 導(dǎo)軌上，利用總線連接電纜，可以很容易的把 CPU 模塊和擴(kuò)展模塊連接在一起 [16]。所以每只發(fā)酵罐的 I/O 點(diǎn)數(shù)為 5 個(gè)模擬量、36 個(gè)開關(guān)量考慮到 CPU226 主機(jī)上的 I/O 口不夠多必須對它進(jìn)行擴(kuò)展，在這選用 EM 221 CN 數(shù)字量輸入模塊 (6ES7 211～1BF22～0XA8)、EM 222 CN 數(shù)字量輸出模塊(6ES7 222～1HF220XA8)、模擬量擴(kuò)展模塊 EM231CNAI4X12 位。 啤酒發(fā)酵溫度 PLC 控制系統(tǒng)的 I/O 分配 I/O 地址分配根據(jù)啤酒發(fā)酵溫度控制的工藝流程及實(shí)際需求，確定整個(gè)系統(tǒng)共有 26 個(gè)輸入點(diǎn)，其中 5 個(gè)模擬量；16 個(gè)輸出點(diǎn)，考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展留有少量冗余，因此選用西門子 S7226PLC CPU 模塊 1 塊、EM221 擴(kuò)展模塊 1 塊、EM222 擴(kuò)展模塊 2 塊、EM231 模擬量擴(kuò)展模塊 2 塊。指令系統(tǒng)是表征 PLC 性能的重要指標(biāo)，他的格式與功能硬件緊密聯(lián)系，而且直接影響程序的編制，從而影響機(jī)器系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。提供了許多類型的指令完成廣泛的自動(dòng)化任務(wù)。利用計(jì)算機(jī)編程軟件 STEP 7 MicroWIN /WIN32 提供的不同的編程語言(編輯器)，可以利用這些指令創(chuàng)建控制程序，兩種指令集和所選用編程語言的可能組合如表 61 所示。②由于助記符是二進(jìn)制機(jī)器代碼的翻譯，兩者存在一一對應(yīng)的關(guān)系，翻譯后的機(jī)器代碼被 CPU 直接執(zhí)行，用語句表編寫的控制程序在 PLC 主機(jī)中生成的源機(jī)器代碼最短，因而執(zhí)行速度最快。(2) 梯形圖梯形圖(LAD)最接近于繼電器接觸控制系統(tǒng)中的電器控制