【正文】 .............31 PID 控制 ..............................................................32 S7200 的 PID 指令 .................................................32 數(shù)值轉(zhuǎn)換及標準化 ..................................................33 選擇 PID 回路類型 ..................................................33 系統(tǒng)程序設(shè)計 ..........................................................33 符號表 ............................................................33 主程序 ............................................................35 主酵自然升溫段程序 ................................................36 溫度控制程序 ......................................................36 電磁閥控制 ........................................................40結(jié)束語 .....................................................................41致謝 .......................................................................42參考文獻 ...................................................................43利用PLC實現(xiàn)啤酒發(fā)酵罐溫度的自動控制摘要人類使用谷物制造酒類飲料已有8000多年的歷史。本文主要工作在于:由于啤酒發(fā)酵對象的時變性、時滯性及其不確定性，決定了發(fā)酵罐控制必須采用特殊的控制算法。Fermentation temperature。啤酒發(fā)酵具有非線性、時間滯后和大慣性等特征，發(fā)酵過程的精密控制一直是自動控制領(lǐng)域較難解決的問題之一。同時我個人可以通過這次設(shè)計更加鞏固 PLC 知識，更好地掌握梯形圖等編程。在模擬屏或上位機上顯示各種溫度、流量、壓力、液位等過程參數(shù)和電機、閥門的開啟狀態(tài)，對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控，操作人員根據(jù)顯示的參數(shù)和工藝參數(shù)對比，在模擬屏或操作臺上遙控閥門開啟和電機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。目前有 DCS(分布式控制系統(tǒng)) 控制系統(tǒng)與 FCS 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) )控制系統(tǒng)兩種。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，波動性大且不利于擴大再生產(chǎn)規(guī)模。如果溫度?偏高，又會造成生化參數(shù)超出標準，影響啤酒的質(zhì)量。發(fā)酵進入還原雙乙酰階段，這一階段要求溫度控制在12~18攝氏度 (不同工藝數(shù)值)。滿罐溫度的確定應(yīng)考慮麥汁分鍋次進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流。(6) 三攝氏度以下深冷過程酒液降溫至 3 攝氏度最高密度時將形成密度相同而溫度不同的酒液，自行區(qū)域性對流，狀態(tài)紊亂，酒液溫度形成梯度，冷卻加套冷量傳遞達不到要求，冷卻速度和酒液溫度下降緩慢，此時應(yīng)以下部控溫為主，加大錐罐底酒液控溫強度，降低酒液密度，使對流方向由自下而上轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨隙拢蚱菩纬傻臏囟忍荻?，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。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，使排污時可強制酵母滑出。氣體壓力的大小反應(yīng)了罐內(nèi) CO2 的多少，壓力到一定程度時需從罐頂排出一定的 CO2 以減小罐內(nèi)的壓力，防止爆炸。(2) 發(fā)酵啤酒發(fā)酵是一個復(fù)雜的微生物代謝過程，這是啤酒生產(chǎn)過程中耗時最長的一個環(huán)節(jié)。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。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。自 1969 年DEC 公司研制出世界上第一臺 PLC 后，經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，有的已經(jīng)使用 RISC(精簡指令系統(tǒng) CPU)芯片?？紤]到大多數(shù)電氣技術(shù)人員的讀圖習慣和應(yīng)用微機的水平，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。而且由于 PLC 是專為工業(yè)控制而設(shè)計的專用計算機，其結(jié)構(gòu)緊湊、堅固耐用，并具有很強的可靠性和抗干擾能力，易于裝入機械設(shè)備內(nèi)部，因而成為實現(xiàn)機電一體化十分理想的控制設(shè)備。裝有 CPU 單元的底板稱為 CPU 底板，其它稱為擴展底板。PLC 的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按序號順序排列。復(fù)位監(jiān)控定時器(WDT)，進行硬件檢查、用戶內(nèi)存檢查等。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器檢 查 結(jié) 果 正常 ？采樣輸入信號，刷新 I/O數(shù)據(jù)，更新輸出信號監(jiān)控定時器復(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)錯誤標志置位，故障燈亮故 障 性 質(zhì)I/O 內(nèi) 部 繼 電 器 清 零 ；定 時 器 復(fù) 位 ； 檢 查 I/O單 元 連 接否報警異常是 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。(1) PLC 機型的選擇目前國內(nèi)使用的 PLC 以國外產(chǎn)品居多。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。該過程控制因線路復(fù)雜，控制參數(shù)單一，故維護工作量大，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。以上這些原因使 PLC 的可靠性更高。因此，可編程控制器啤酒發(fā)酵過程自動控制系統(tǒng)，可完成啤酒發(fā)酵過程控制功能，完成與上位機的通訊，實現(xiàn)啤酒發(fā)酵過程的遠程監(jiān)控。(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)有壓力的上下限報警。表 42 表明各類具體信號及性質(zhì)分類。具體結(jié)構(gòu)見圖 411。(3) CPU224 它在 CPU222 的基礎(chǔ)上使主機上的輸入輸出點數(shù)增為 24 點，擴展能力增強，最大可擴展為 168 點數(shù)字量或 35 點模擬量的輸入輸出，存儲容量也進一步增加，還增加了高速計數(shù)器的數(shù)量，它具有較強的控制能力?？梢杂?STEP7Micro/WIN32 編程軟件中的“指令向?qū)?”簡單快速的設(shè)置 PID 程序中的各種參數(shù)，設(shè)置完成后，指令向?qū)ё詣由?PID 程序。信號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；擴展方擴展方法如圖 513 所示。中央處理單元CPU226EM221DI8DC24VEM222DO8DC24VEM222DO8DC24VEM231AO4DC24VEM231AO4DC24V表 52 本機及擴展模塊 I/O 地址分配輸入信號 輸出信號符號 地址 注解 符號 地址 注解s1 手動方式 bengyx 麥汁進罐泵運行s2 自動方式 mgwdbczs 滿罐溫度保持指示qdmzjg 啟動麥汁進罐 zjzrswdzs 主酵自然升溫段指示gbmxjg 關(guān)閉麥汁進罐 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 壓力超限報警kxia 開下冷媒開關(guān)電磁閥 wdcxbj 溫度超限報警gshang 關(guān)上冷媒開關(guān)電磁閥 zdyxzt 自動運行狀態(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 k2 系統(tǒng)急停 PLC外部接線圖示意圖如圖521。IEC 11313 指令集是不同 PLC 廠家的指令標準，他不能使用 STL 編程語言。用 STEP 7 MicroWIN /WIN32 進行編程時，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)實出來。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) 語言類似與計算機的匯編語言，特別適合與來來自計算機領(lǐng)域的工程人員，用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機器硬件的語言。在一些國際組織，如 IEC(國際電工委員會)制定的 PLC 輪廓性標準的限制下，雖然大部分 PLC 提供可相似的基本指令，但不同廠家的獨立性造成各種 PLC 指令在表示和操作上有一些差別 [17]。圖 514 模塊擴展連接圖 其他資源配置 除了 PLC 必需的 I/O 擴展模塊之外，另外涉及的設(shè)備儀表有測溫用 Pt100 鉑電阻溫度變送器、壓力變送器、液位變送器等。在模擬量閉環(huán)過程控制領(lǐng)域內(nèi)，擴展模擬量處理模塊，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)， 運行 PID 控制指令，就能求得輸出控制值，實現(xiàn)模擬量閉環(huán)控制。 S7200CPU 主要的性能指標見表 51。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，其他都可以加擴展模塊。上位機及模擬屏相同的圖形完成系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控與動態(tài)處理。 (3) 上位計算機可以動態(tài)顯示每個發(fā)酵罐的工藝流程，即溫度、壓力、進酒時間、酒齡及超限聲光報警等，以便對發(fā)酵罐進行宏觀管理，并具有閥門的開關(guān)狀態(tài)顯示，閥門的手自動控制，實時報表打印等功能。表 41 啤酒發(fā)酵各階段狀態(tài)表控制要求工作階段名稱 進入條件 時間（小時) 溫度 ℃ 冷媒閥門麥汁進罐 啟動麥汁進罐 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 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， 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 化驗決定，人工輸 入指令 t3=100 小時 132t????程序控制后酵保溫階段 t3 結(jié)束且 T2=3℃ t4＝48 小時 T2=3℃ 程序控制第二降溫階段 t4 結(jié)束 t5＝72 小時 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)對發(fā)酵過程中溫度、壓力、液位、周期等工藝參數(shù)進行全方位檢測控制。而在大中型 PLC 中普遍采用了多微處理器結(jié)構(gòu)進行多道處理，這使得 PLC不僅速度快，而且可以獨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。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、差錯校驗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)一級的容余配置等。據(jù)此選擇原則可以選用合理便捷的 PLC 產(chǎn)品。(2) 選擇容量。目前，國內(nèi)外的 PLC 產(chǎn)品有幾十個系列，上百個型號。輸入刷新時，CPU 從輸入電路中讀出各輸入點狀態(tài)，并將此狀態(tài)寫入輸入映像寄存器中；輸出刷新時候，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)動外部負載。以上幾個過程共同構(gòu)成了 PLC 工作的一個工作周期。組合式 PLC 則在 I/O 配置上更方便、更靈活 [11]。整體式 PLC 是將中央處理器(CPU) 、存儲器、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。(3) 通用性現(xiàn)代 PLC 不僅具有邏輯運算、定時、計數(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)值運算和數(shù)據(jù)處理等功能。硬件設(shè)計方面：采用可靠性高的元件，對干擾的屏蔽、隔離和濾波，對電源的掉電保護，存儲器內(nèi)容保護，采用看門狗和其他自診斷措施等。啤酒口味和