【正文】 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(duì)應(yīng)的關(guān)系，翻譯后的機(jī)器代碼被 CPU 直接執(zhí)行，用語(yǔ)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。提供了許多類型的指令完成廣泛的自動(dòng)化任務(wù)。 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。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]。(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。(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。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。 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。 (1) 對(duì)每個(gè)發(fā)酵罐的上、中、下 3 個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，罐內(nèi)實(shí)行壓力檢測(cè)。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]。這種特殊的工作方式本身就具有抗干擾功能。 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。 (3) 選擇 I/O 模塊。因此，對(duì)于每一個(gè)準(zhǔn)備使用 PLC 的用戶來(lái)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)。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。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。 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。主機(jī)中 CPU 是 PLC 的核心，I/O 單元是連接 CPU 與現(xiàn)場(chǎng)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。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)。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(wàn)小時(shí)。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(jiǎn)稱 PLC，這個(gè)名稱被一直沿用。(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。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。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(jiǎn)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。溫度參數(shù)的高低來(lái)提醒罐內(nèi)物料已加熱時(shí)間的長(zhǎng)短，以便指導(dǎo)操作者進(jìn)行物料儲(chǔ)存及物料反應(yīng)。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。(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(duì)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(wú)法按工序執(zhí)行，且難以總結(jié)出變化規(guī)律。正常情況下，全過程必須在14天以上 [5] [6]。每?jī)尚r(shí)測(cè)量一次，度。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。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(duì)象特性也不盡相同。 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]。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。利用 PLC 實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵罐溫度的自動(dòng)控制的選題。早期，由于人們對(duì)發(fā)酵機(jī)理認(rèn)識(shí)不深，再加上采用控制器的限制，對(duì)發(fā)酵采取自動(dòng)控制未能成功。關(guān)鍵詞：PLC 。如何提高啤酒生產(chǎn)的綜合自動(dòng)化水平，增強(qiáng)我國(guó)啤酒產(chǎn)業(yè)的綜合實(shí)力這一課題有很大研究空間。啤酒工業(yè)是我國(guó)食品工業(yè)占有重要地位，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活的改善，我國(guó)啤酒工業(yè)也得到空前發(fā)展。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(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐溫度控制的方法。由于啤酒生產(chǎn)的工藝復(fù)雜，目前我國(guó)大多數(shù)啤酒生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)裝備落后，自動(dòng)化程度低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。隨著控制領(lǐng)域新技術(shù)、新方法的不斷涌現(xiàn)，這些問題也在不斷地得到改進(jìn)。1) 完全手動(dòng)操作方式——其主要特點(diǎn)是閥門為手動(dòng)。一定程度上解決了啤酒生產(chǎn)過程控制問題，但存在以下缺點(diǎn)：a．系統(tǒng)可靠性差。目前啤酒工業(yè)總的技術(shù)特點(diǎn)是向設(shè)備大型化、自動(dòng)化、生產(chǎn)周期短，經(jīng)濟(jì)效益高的方向發(fā)展。(3) 采用的是德國(guó) 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(yǔ)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)。發(fā)酵液直接由糖化車間經(jīng)管道灌入，初始的溫度大約為8攝氏度左右，糖度為10度左右，每一罐發(fā)酵液需要分幾批入罐，每一次入罐后都要由化驗(yàn)員測(cè)定一次糖度并把信息反饋到糖化車間，保證最后整罐發(fā)酵液的初始糖度符合標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)雙乙酰濃度下降到合格標(biāo)準(zhǔn) ()時(shí)，且糖度降至極限42~48 小時(shí)后，如果此時(shí)距離裝罐時(shí)間已大于 6天，發(fā)酵就可以進(jìn)入降溫階段，分兩個(gè)階段按不同的速率降溫，此時(shí)把所有冷媒閥打開，使發(fā)酵液全速降溫。此過程以保持發(fā)酵液適度對(duì)流和一定數(shù)量懸浮酵母為主，溫度梯度為 T 上 T 中 T 下 ，三帶溫差在 ~ 攝氏度左右。在貯酒過程中罐內(nèi)下段二氧化碳的密度梯度高于中上段，而下段發(fā)酵液的密度高于中、上段，同時(shí)存在自下而上和自上而下的對(duì)流，狀態(tài)紊亂，緩慢而不規(guī)則，使用調(diào)節(jié)閥控制冷媒可采用長(zhǎng)時(shí)間小流量的操作方法，對(duì)于開關(guān)閥則可采用高頻短時(shí)間開啟控制，避免長(zhǎng)時(shí)問深度冷卻，溫控精度要求在 ? 攝氏度，嚴(yán)禁出現(xiàn)溫度回升。 啤酒發(fā)酵溫控基本要求由于啤酒酵母的作用，麥汁在發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵，在發(fā)酵過程中釋放出的生化反應(yīng)熱和CO2 熱量釋放導(dǎo)致發(fā)酵溫度上升，同時(shí) CO2 的產(chǎn)生使罐內(nèi)壓力升高。啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)流程圖如圖 241 所示。麥汁接種酵母進(jìn)入發(fā)酵罐幾小時(shí)以后逐漸開始主發(fā)酵，麥汁糖度下降，產(chǎn)生 CO2，反應(yīng)熱的釋放使整個(gè)罐內(nèi)的溫度逐漸上升?！　?通常，發(fā)酵液溫度要求控制在給定溫度的177。圖中，0 a 段為自然升溫段，不須外部控制；ab 段為主發(fā)酵階段；主酵階段，典型的控制溫度為 12℃； bc 段為降溫逐漸進(jìn)入后酵，典型降溫速度為 ℃/ｈ；cd 段為后酵階段，典型控制點(diǎn) 3℃；de 段為降溫進(jìn)入貯酒階段，典型降溫速度為 ℃/ｈ；e f 段為貯酒階段。PLC 在硬件和軟件方面采取了如下一系列可靠性設(shè)計(jì)方法。PLC 的自診斷功能使在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，維護(hù)人員可根據(jù)各種異常狀態(tài)的指示或自診結(jié)果，快速確定故障的位置，以便迅速處理和修復(fù)。按結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC 可分為整體式和組合式兩類。例如 SIEMENS S7224型 PLC 為整體式結(jié)構(gòu)，通過主機(jī)連接 I/O 擴(kuò)展單元，I/O 點(diǎn)數(shù)可在 24 點(diǎn)到 168 點(diǎn)的范圍內(nèi)進(jìn)行配置。除了執(zhí)行用戶程序外，在每次掃描過程中好要完成系統(tǒng)自檢測(cè)，輸入輸出處理，處理外設(shè)請(qǐng)求等工作。(2) I/O 刷新。PLC 的主要功能：邏輯控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、步進(jìn)(順序)控制、PID 控制、數(shù)據(jù)處理、通信和聯(lián)網(wǎng)，還有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，如定位控制模塊，CRT 模塊。德國(guó) SIEMENS 公司的產(chǎn)品以可靠性高著稱，其主要產(chǎn)品有 SS7 兩個(gè)系列，包括了從大型機(jī)到小型機(jī)各個(gè)型號(hào)，在國(guó)內(nèi)使用廣泛。上煤系統(tǒng)電控部分控制對(duì)象為接觸器，屬于交流低速負(fù)載。這不僅是由于它在硬件上采取了諸如隔離、濾波、屏蔽、接地等一系列抗干擾措施，在模板機(jī)箱進(jìn)行了完善的電磁兼容性設(shè)計(jì)，對(duì)元器件進(jìn)行了精心的挑選。這些高性能處理器本身有很大的潛能，只要處理好不同性質(zhì)的實(shí)時(shí)多任務(wù)的調(diào)度，在 PLC 中加入針對(duì)慢連續(xù)量的過程控制并不困難。其各階段轉(zhuǎn)換條件及控制要求見表 41 所示。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(wú)法實(shí)現(xiàn)后續(xù)程序正常運(yùn)行的情況。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。第二代產(chǎn)品其 CPU 模塊為 CPU22X，是 21 世紀(jì)初投放市場(chǎng)的，速度快，具有較強(qiáng)的通信能力。通過比較 S7200 四種 CPU 的各種技術(shù)指標(biāo)，選定 CPU226 為啤酒發(fā)酵溫度 PLC 控制的控制器。本系統(tǒng)需對(duì)啤酒發(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，選擇 S7200PLC 主機(jī)，擴(kuò)展模擬量處理模塊，利用 PLC 提供的 PID 編程功能模塊，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模擬量的閉環(huán)控制。其擴(kuò)展圖如圖 514。目前，生產(chǎn)可編程序控制器的廠家非常多，各廠家都在不斷地開發(fā)和發(fā)展自己的產(chǎn)品。此外工業(yè)軟件中的工程工具還提供程序員用的高級(jí)語(yǔ)言和圖形語(yǔ)言等多種方便的編程工具，工程人員可以根據(jù)自己的習(xí)慣在圖形化環(huán)境或匯編語(yǔ)言環(huán)境下進(jìn)行編程。可見用語(yǔ)句表編程實(shí)現(xiàn)的功能多。SIMATIC 指令集中的部分指令不屬于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，良種指令集在使用和執(zhí)行上也存在一定的區(qū)別，如 IEC 11311 指令中變量必須進(jìn)行類型聲明，執(zhí)行時(shí)自動(dòng)檢查指令參數(shù)并選擇合適的數(shù)據(jù)格式。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 . 4