【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。提供了許多類型的指令完成廣泛的自動化任務(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，進(jìn)人手動狀態(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)自動控制，罐內(nèi)實(shí)行壓力檢測。所有這些都使得 PLC 適合于各種規(guī)模的自動化系統(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)。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。正常情況下，全過程必須在14天以上 [5] [6]。每兩小時(shí)測量一次，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) 半自動控制方式 (集中手動控制方式)——其主要特點(diǎn)為閥門多采用氣動或電動自動閥門。利用 PLC 實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵罐溫度的自動控制的選題。早期，由于人們對發(fā)酵機(jī)理認(rèn)識不深，再加上采用控制器的限制，對發(fā)酵采取自動控制未能成功。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。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。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。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)技術(shù)裝備落后，自動化程度低，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) 完全手動操作方式——其主要特點(diǎn)是閥門為手動。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 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時(shí)間小流量的操作方法，對于開關(guān)閥則可采用高頻短時(shí)間開啟控制，避免長時(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，輸入輸出處理，處理外設(shè)請求等工作。(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 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，在國內(nèi)使用廣泛。上煤系統(tǒng)電控部分控制對象為接觸器，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語言和圖形語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)境或匯編語言環(huán)境下進(jìn)行編程?？梢娪谜Z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 +手動方式自動方式啟動麥汁進(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