【正文】 、液位、流量、濁度、電導(dǎo)率等生產(chǎn)過程中的模擬量信號(hào)采用常規(guī)分散儀表進(jìn)行采集，然后集中或現(xiàn)場(chǎng)顯示，操作人員在現(xiàn)場(chǎng)或集中操作盤(柜)上控制主要設(shè)置啟停，閥門由工人到現(xiàn)場(chǎng)操作。在模擬屏或上位機(jī)上顯示各種溫度、流量、壓力、液位等過程參數(shù)和電機(jī)、閥門的開啟狀態(tài)，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，操作人員根據(jù)顯示的參數(shù)和工藝參數(shù)對(duì)比，在模擬屏或操作臺(tái)上遙控閥門開啟和電機(jī)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。b．畫面呆板，缺乏一般工控組態(tài)軟件靈活的程序腳本控制功能，同時(shí)系統(tǒng)本身安全性差，難以建立有效的操作等級(jí)和權(quán)限制度。目前有 DCS(分布式控制系統(tǒng)) 控制系統(tǒng)與 FCS 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) )控制系統(tǒng)兩種。近十年來，我國(guó)的啤酒工業(yè)得到了迅速發(fā)展，但是由于起步較晚，生產(chǎn)設(shè)備都比較落后，自動(dòng)化程度低，因而產(chǎn)品效率較低，產(chǎn)品質(zhì)量也不高，噸酒能耗較大，這都是我國(guó)啤酒工業(yè)急待解決的問題。這種人工控制方式很難保證生產(chǎn)工藝的正確執(zhí)行，導(dǎo)致啤酒質(zhì)量不穩(wěn)定，波動(dòng)性大且不利于擴(kuò)大再生產(chǎn)規(guī)模。2 啤酒發(fā)酵工藝概述 啤酒發(fā)酵概述啤酒是采用麥芽和水為主要原料，加酒花，經(jīng)酵母發(fā)酵釀制而成的一種含有二氧化碳、氣泡的低酒精度飲料。如果溫度?偏高，又會(huì)造成生化參數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)，影響啤酒的質(zhì)量。同時(shí)溫度控制開始實(shí)施，以保證滿罐后發(fā)酵液的溫度在規(guī)定范圍內(nèi)。發(fā)酵進(jìn)入還原雙乙酰階段，這一階段要求溫度控制在12~18攝氏度 (不同工藝數(shù)值)。當(dāng)溫度到達(dá)1攝氏度以下時(shí)發(fā)酵進(jìn)入低溫儲(chǔ)酒階段，在低溫儲(chǔ)酒階段溫度控制在0. 5~10攝氏度。滿罐溫度的確定應(yīng)考慮麥汁分鍋次進(jìn)罐中酵母繁殖代謝使溫度上升因素的影響，滿罐后的自然升溫階段切忌因各種失誤出現(xiàn)的控溫，應(yīng)通過此過程，使酵母盡快其發(fā)酵增殖適應(yīng)新的麥汁環(huán)境形成良好的酒液對(duì)流。(3) 降溫保溫階段發(fā)酵液雙乙酰還原達(dá)標(biāo)后即開始轉(zhuǎn)入降溫階段，此過程應(yīng)按照工藝設(shè)定的速度將酒液均勻了冷卻至貯酒溫度，由于此時(shí)酒液發(fā)酵已基本結(jié)束，二氧化碳生成和放熱趨于停止，原二氧化碳上升托拉力等形成的自下而上對(duì)流大為減弱，酒液在不同溫度下密度差形成對(duì)流的作用漸占主導(dǎo)，根據(jù)啤酒最大密度溫度計(jì)算公式可知，酒液最大密度時(shí)溫度約為 3 攝氏度，3 攝氏度上下的酒液對(duì)流方向相反，控溫時(shí)應(yīng)據(jù)此區(qū)別對(duì)待。(6) 三攝氏度以下深冷過程酒液降溫至 3 攝氏度最高密度時(shí)將形成密度相同而溫度不同的酒液，自行區(qū)域性對(duì)流，狀態(tài)紊亂，酒液溫度形成梯度，冷卻加套冷量傳遞達(dá)不到要求，冷卻速度和酒液溫度下降緩慢，此時(shí)應(yīng)以下部控溫為主，加大錐罐底酒液控溫強(qiáng)度，降低酒液密度，使對(duì)流方向由自下而上轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨隙?，打破形成的溫度梯度，滿足溫度控制效果，此過程下段溫度應(yīng)低于中、上段溫度 1~2 攝氏度。 啤酒發(fā)酵設(shè)備概述發(fā)酵罐是啤酒生產(chǎn)的主要設(shè)備，目前，我國(guó)絕大部分啤酒廠均采用園柱錐底式發(fā)酵罐簡(jiǎn)稱錐形罐，—般在圓柱部分焊有兩到三段冷卻夾套，錐底還有一冷卻夾套。錐底內(nèi)角，不銹鋼罐錐角一般為60度，內(nèi)有涂料的鋼罐錐角通常為75度，使排污時(shí)可強(qiáng)制酵母滑出。在整個(gè)發(fā)酵過程中，根據(jù)麥芽發(fā)酵的反應(yīng)規(guī)律來控制發(fā)酵的溫度和時(shí)間是保證發(fā)酵過程正常安全地進(jìn)行，提高啤酒質(zhì)量和口味，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約能源的關(guān)鍵。氣體壓力的大小反應(yīng)了罐內(nèi) CO2 的多少，壓力到一定程度時(shí)需從罐頂排出一定的 CO2 以減小罐內(nèi)的壓力，防止爆炸。P I C0 1T I C0 1T I C0 2T I C0 3L I0 1電磁閥 關(guān)排放 C O2上層溫度中層溫度下層溫度罐內(nèi)壓力罐內(nèi)液位冷媒出口冷媒入口圖241 啤酒發(fā)酵罐控制系統(tǒng)流程圖 啤酒發(fā)酵工藝流程根據(jù)錐形發(fā)酵大罐的特性將發(fā)酵的全過程分為多個(gè)階段，在各個(gè)階段，對(duì)象的特性相對(duì)穩(wěn)定，溫度和壓力的控制方面存在一定的規(guī)律性。(2) 發(fā)酵啤酒發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的微生物代謝過程，這是啤酒生產(chǎn)過程中耗時(shí)最長(zhǎng)的一個(gè)環(huán)節(jié)。經(jīng)過 2~3 天后進(jìn)入發(fā)酵最為旺盛的高泡期，再過 2~3 天，降糖速度變慢，糖度很低，酵母開始沉淀，進(jìn)行封罐發(fā)酵。此外，后酵階段還完成了殘?zhí)前l(fā)酵，充分沉淀蛋白質(zhì)、降低氧含量，提高啤酒的穩(wěn)定性。℃范圍之內(nèi)，以期達(dá)到理想的發(fā)酵狀況。如果啤酒中仍含有微生物(雜菌)，則微生物可以在啤酒中迅速繁殖，導(dǎo)致啤酒混濁，其排泄的代謝產(chǎn)物甚至使啤酒不能飲用。啤酒口味和實(shí)際要求的不同，啤酒的發(fā)酵工藝曲線也就不同，但是對(duì)于確定好的啤酒發(fā)酵工藝，就應(yīng)嚴(yán)格按照工藝曲線去控制溫度和壓力等，這樣才能保證啤酒的質(zhì)量。自 1969 年DEC 公司研制出世界上第一臺(tái) PLC 后，經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，有的已經(jīng)使用 RISC(精簡(jiǎn)指令系統(tǒng) CPU)芯片。硬件設(shè)計(jì)方面：采用可靠性高的元件，對(duì)干擾的屏蔽、隔離和濾波，對(duì)電源的掉電保護(hù)，存儲(chǔ)器內(nèi)容保護(hù)，采用看門狗和其他自診斷措施等?？紤]到大多數(shù)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣和應(yīng)用微機(jī)的水平，PLC 采用了面向控制過程、面向問題的“ 自然語言”編程，易于掌握。(3) 通用性現(xiàn)代 PLC 不僅具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制等功能，而且還具有A/D、D/A 轉(zhuǎn)換，PID 控制、數(shù)值運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理等功能。而且由于 PLC 是專為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用，并具有很強(qiáng)的可靠性和抗干擾能力，易于裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，因而成為實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化十分理想的控制設(shè)備。整體式 PLC 是將中央處理器(CPU) 、存儲(chǔ)器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機(jī)。裝有 CPU 單元的底板稱為 CPU 底板，其它稱為擴(kuò)展底板。組合式 PLC 則在 I/O 配置上更方便、更靈活 [11]。PLC 的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲(chǔ)器中按序號(hào)順序排列。以上幾個(gè)過程共同構(gòu)成了 PLC 工作的一個(gè)工作周期。復(fù)位監(jiān)控定時(shí)器(WDT)，進(jìn)行硬件檢查、用戶內(nèi)存檢查等。輸入刷新時(shí)，CPU 從輸入電路中讀出各輸入點(diǎn)狀態(tài)，并將此狀態(tài)寫入輸入映像寄存器中；輸出刷新時(shí)候，將輸出繼電器的元件影響寄存器的狀態(tài)傳送到輸出圖 321 PLC 組成示意圖鎖存電路，再經(jīng)輸出電路隔離和功率放大，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。完成與外設(shè)端口連接的外圍設(shè)備(如編程器)或通訊適配器的通信圖 322 PLC 工作流程圖電源接上初始化檢查硬件和用戶程序存儲(chǔ)器檢 查 結(jié) 果 正常 ？采樣輸入信號(hào)，刷新 I/O數(shù)據(jù)，更新輸出信號(hào)監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位逐條執(zhí)行用戶程序指令程 序 結(jié) 束 ？外設(shè)端口服務(wù)錯(cuò)誤標(biāo)志置位，故障燈亮故 障 性 質(zhì)I/O 內(nèi) 部 繼 電 器 清 零 ；定 時(shí) 器 復(fù) 位 ； 檢 查 I/O單 元 連 接否報(bào)警異常是 否初始化公共處理I/O 刷新執(zhí)行用戶程序外設(shè)端口服務(wù)（a） （b）處理。目前，國(guó)內(nèi)外的 PLC 產(chǎn)品有幾十個(gè)系列，上百個(gè)型號(hào)。(1) PLC 機(jī)型的選擇目前國(guó)內(nèi)使用的 PLC 以國(guó)外產(chǎn)品居多。(2) 選擇容量。輸出模塊有三種形式：繼電器輸出，晶體管輸出和可控硅輸出。據(jù)此選擇原則可以選用合理便捷的 PLC 產(chǎn)品。該過程控制因線路復(fù)雜，控制參數(shù)單一，故維護(hù)工作量大，且調(diào)節(jié)效果差，特別是在發(fā)酵罐數(shù)量多，體積大，系統(tǒng)滯后大的情況下更是如此。而且更重要的是它采用了諸如數(shù)字濾波、指令復(fù)執(zhí)、程序卷回、差錯(cuò)校驗(yàn)等一系列軟件抗干擾措施及故障診斷技術(shù)，以及在系統(tǒng)一級(jí)的容余配置等。以上這些原因使 PLC 的可靠性更高。而在大中型 PLC 中普遍采用了多微處理器結(jié)構(gòu)進(jìn)行多道處理，這使得 PLC不僅速度快，而且可以獨(dú)立各自處理不同問題，也可分解協(xié)調(diào)，共同處理非常復(fù)雜的問題。因此，可編程控制器啤酒發(fā)酵過程自動(dòng)控制系統(tǒng)，可完成啤酒發(fā)酵過程控制功能，完成與上位機(jī)的通訊，實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控。表 41 啤酒發(fā)酵各階段狀態(tài)表控制要求工作階段名稱 進(jìn)入條件 時(shí)間（小時(shí)) 溫度 ℃ 冷媒閥門麥汁進(jìn)罐 啟動(dòng)麥汁進(jìn)罐 不需設(shè)定 不需設(shè)定 關(guān)閉所有滿罐溫度保持 滿罐后，由人工輸 入“開始” 指令 t0＝10 小時(shí) 不需設(shè)定 關(guān)閉所有主酵自然升溫段 t0 結(jié)束 t1 不需設(shè)定 中段溫度為參考點(diǎn)， 自然升至 Tl 程序控制雙乙酰還原階段 Tl＝12℃ t2 不需設(shè)定 T1=12℃ 程序控制降溫保溫階段 化驗(yàn)決定，人工輸 入指令 t3=100 小時(shí) 132t????程序控制后酵保溫階段 t3 結(jié)束且 T2=3℃ t4＝48 小時(shí) T2=3℃ 程序控制第二降溫階段 t4 結(jié)束 t5＝72 小時(shí) 2523TtT????程序控制貯酒保溫階段 t5 結(jié)束且 T3=－1℃ 不需設(shè)定 T3=－1 ℃ 程序控制 系統(tǒng)功能控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)酵過程中溫度、壓力、液位、周期等工藝參數(shù)進(jìn)行全方位檢測(cè)控制。(2) 為了保證貯酒在不同階段的溫度設(shè)定值，設(shè)有溫度的上下限報(bào)警，為了保證罐內(nèi)壓力在不同階段的壓力設(shè)定值，設(shè)有壓力的上下限報(bào)警。 (3) 上位計(jì)算機(jī)可以動(dòng)態(tài)顯示每個(gè)發(fā)酵罐的工藝流程，即溫度、壓力、進(jìn)酒時(shí)間、酒齡及超限聲光報(bào)警等，以便對(duì)發(fā)酵罐進(jìn)行宏觀管理，并具有閥門的開關(guān)狀態(tài)顯示，閥門的手自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)報(bào)表打印等功能。表 42 表明各類具體信號(hào)及性質(zhì)分類。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 411。它具有四種不同結(jié)構(gòu)配制的 CPU 單元：CPU221，CPU222，CPU224 ，CPU226，除 CPU221 之外，其他都可以加擴(kuò)展模塊。(3) CPU224 它在 CPU222 的基礎(chǔ)上使主機(jī)上的輸入輸出點(diǎn)數(shù)增為 24 點(diǎn)，擴(kuò)展能力增強(qiáng)，最大可擴(kuò)展為 168 點(diǎn)數(shù)字量或 35 點(diǎn)模擬量的輸入輸出，存儲(chǔ)容量也進(jìn)一步增加，還增加了高速計(jì)數(shù)器的數(shù)量，它具有較強(qiáng)的控制能力。 S7200CPU 主要的性能指標(biāo)見表 51。可以用 STEP7Micro/WIN32 編程軟件中的“指令向?qū)?”簡(jiǎn)單快速的設(shè)置 PID 程序中的各種參數(shù)，設(shè)置完成后，指令向?qū)ё詣?dòng)生成 PID 程序。在模擬量閉環(huán)過程控制領(lǐng)域內(nèi)，擴(kuò)展模擬量處理模塊，如 EM23EM23EM235，根據(jù) PLC 提供的 PID 編程功能模塊，只需設(shè)定好 PID 參數(shù)， 運(yùn)行 PID 控制指令，就能求得輸出控制值，實(shí)現(xiàn)模擬量閉環(huán)控制。信號(hào)處理模塊主要分為四類：開關(guān)量輸入 DI、開關(guān)量輸出 DO、模擬量輸入 AI、模擬量輸出 AO；擴(kuò)展方擴(kuò)展方法如圖 513 所示。圖 514 模塊擴(kuò)展連接圖 其他資源配置 除了 PLC 必需的 I/O 擴(kuò)展模塊之外，另外涉及的設(shè)備儀表有測(cè)溫用 Pt100 鉑電阻溫度變送器、壓力變送器、液位變送器等。中央處理單元CPU226EM221DI8DC24VEM222DO8DC24VEM222DO8DC24VEM231AO4DC24VEM231AO4DC24V表 52 本機(jī)及擴(kuò)展模塊 I/O 地址分配輸入信號(hào) 輸出信號(hào)符號(hào) 地址 注解 符號(hào) 地址 注解s1 手動(dòng)方式 bengyx 麥汁進(jìn)罐泵運(yùn)行s2 自動(dòng)方式 mgwdbczs 滿罐溫度保持指示qdmzjg 啟動(dòng)麥汁進(jìn)罐 zjzrswdzs 主酵自然升溫段指示gbmxjg 關(guān)閉麥汁進(jìn)罐 sythydzs 雙乙酰還原階段指示mgwdbc 滿罐溫度保持 jwbwdzs 降溫保溫階段指示zjzrswd 主酵自然升溫段 hjbwjdzs 后酵保溫階段指示sythyd 雙乙酰還原階段 dejwjdzs 第二降溫階段指示jwbwd 降溫保溫階段 cjbwjdzs 貯酒保溫階段指示hjbwjd 后酵保溫階段 shanglkf 上冷媒開關(guān)電磁閥dejwjd 第二降溫階段 zhonglkf 中冷媒開關(guān)電磁閥cjbwjd 貯酒保溫階段 xialkf 下冷媒開關(guān)電磁閥kshang 開上冷媒開關(guān)電磁閥 ylpqfyx 發(fā)酵罐排氣閥kzhong 開中冷媒開關(guān)電磁閥 yalicxbj 壓力超限報(bào)警kxia 開下冷媒開關(guān)電磁閥 wdcxbj 溫度超限報(bào)警gshang 關(guān)上冷媒開關(guān)電磁閥 zdyxzt 自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)gzhong 關(guān)中冷媒開關(guān)電磁閥gxia 關(guān)下冷媒開關(guān)電磁閥kylpqf 開發(fā)酵罐排氣閥gylpqf 關(guān)發(fā)酵罐排氣閥shangwd AIW6 發(fā)酵罐上部溫度zhongwd AIW8 發(fā)酵罐中部溫度xiawd AIW10 發(fā)酵罐下部溫度fjgyali AIW12 發(fā)酵罐壓力fjgyewei AIW16 發(fā)酵罐液位k1 系統(tǒng)啟動(dòng) k2 系統(tǒng)急停 PLC外部接線圖示意圖如圖521。在一些國(guó)際組織，如 IEC(國(guó)際電工委員會(huì))制定的 PLC 輪廓性標(biāo)準(zhǔn)的限制下，雖然大部分 PLC 提供可相似的基本指令，但不同廠家的獨(dú)立性造成各種 PLC 指令在表示和操作上有一些差別 [17]。IEC 11313 指令集是不同 PLC 廠家的指令標(biāo)準(zhǔn)，他不能使用 STL 編程語言。表 61 指令集和編程語言(SIMATIC IEC 11313 指令沒有梯形圖（LAD ）語言功能塊圖（FBD）語言語句表（STL）語言梯形圖（LAD ）語言功能塊圖（FBD）語言1) 語句表 語句表(STL) 語言類似與計(jì)算機(jī)的匯編語言，特別適合與來來自計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的工程人員，用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機(jī)器硬件的語言。用 STEP 7 MicroWIN /WIN32 進(jìn)行編程時(shí)，可以利用語句表編輯器查看用梯形圖或功能塊圖編寫的程序，反過來，不一定能夠全部用語句表現(xiàn)實(shí)出