【正文】 用可編程控制器對模擬量進(jìn)行 PID 控制時(shí)，可采用以下方式：(1) 用 PID 過程控制模塊：這種模塊的 PID 控制程序是可編程控制器生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)的，并存放在模塊中，用戶在使用時(shí)只需設(shè)置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路，但是，這種模塊價(jià)格昂貴，一般在大型的控制系統(tǒng)能中使用。此外，為確保系統(tǒng)工作安全，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手動(dòng)裝置。為了使罐內(nèi)酒液循環(huán)并有利于不同發(fā)酵期的酵母沉淀，一般采用分三段間冷方式，控制罐內(nèi)酒液溫度，使之形成自上而下的溫度梯度。此外，PLC 采用周期循環(huán)掃描方式工作，對輸入輸出集中進(jìn)行處理。PLC 的容量包括主機(jī)用戶存儲器的內(nèi)存容量和 I/O 控制點(diǎn)數(shù)兩個(gè)方面，選擇時(shí)應(yīng)留有適當(dāng)?shù)脑Ａ孔鰝溆谩?3) 執(zhí)行用戶程序。圖 321 為 PLC 的組成示意圖。因此，它既可對開關(guān)量進(jìn)行控制，也可對模擬量進(jìn)行控制；既可以控制單臺設(shè)備，也可以控制一條生產(chǎn)線或全部生產(chǎn)工藝過程。024681 01 21 40a bc def T/℃t / h圖 251 啤酒發(fā)酵工藝曲線3 應(yīng)用 PLC 實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度控制的可行性分析 可編程序控制器 PLC 的特點(diǎn)可編程序控制器(Programmable Controller)是一種以計(jì)算機(jī)(微處理器)為核心的通用工業(yè)控制裝置。此時(shí)，前酵基本結(jié)束，進(jìn)行降溫轉(zhuǎn)入后酵階段。罐類容器的主要工況參數(shù)有溫度、液位、氣體壓力。(4) 雙乙酰還原溫度冷卻至 3 攝氏度酒液在此階段降溫中密度逐漸增大，對流方向仍為自下而上，酒液沿罐壁向下流動(dòng)，由于此時(shí)冷媒與酒液溫差較大，降溫及罐內(nèi)均衡過程不容易控制，應(yīng)以上帶和中帶控溫為主，須防止冷卻過于強(qiáng)烈造成貼近罐壁處部分酒液結(jié)冰，影響降溫效果及啤酒質(zhì)量。發(fā)酵液滿罐后1小時(shí)工人開始測量發(fā)酵液的滿罐糖度，以后每隔八小時(shí)測量一次。啤酒發(fā)酵對象的時(shí)變性、時(shí)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。這種方式下啤酒生產(chǎn)工藝參數(shù)得不到可靠執(zhí)行，一致性較差，啤酒質(zhì)量受人為因素影響較大，而且工人的操作勞動(dòng)強(qiáng)度很大，主要生產(chǎn)設(shè)備與裝置不能工作在較佳狀態(tài)，原材料利用率低，產(chǎn)品能耗大，不可能采用較復(fù)雜的先進(jìn)工藝生產(chǎn)啤酒，生產(chǎn)成本較高 [2]。啤酒發(fā)酵是啤酒生產(chǎn)過程非常重要的環(huán)節(jié)，是決定啤酒質(zhì)量的最關(guān)鍵的一步，特別是對發(fā)酵過程中溫度、壓力的控制尤其重要，控制指標(biāo)的好壞將直接影響啤酒的質(zhì)量。由于起步較晚及啤酒生產(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(dòng)化程度低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。利用PLC來實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程溫度的控制。改進(jìn)啤酒發(fā)酵生產(chǎn)過程控制是釀造業(yè)技術(shù)進(jìn)步的有效措施，它可以在不增加原材料及動(dòng)力消耗的前提下，增加產(chǎn)品產(chǎn)量、提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)還可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善工作條件、提高發(fā)酵工藝水平及生產(chǎn)管理水平。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和權(quán)限制度。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。當(dāng)溫度到達(dá)1攝氏度以下時(shí)發(fā)酵進(jìn)入低溫儲酒階段，在低溫儲酒階段溫度控制在0. 5~10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，我國絕大部分啤酒廠均采用園柱錐底式發(fā)酵罐簡稱錐形罐，—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。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，對象的特性相對穩(wěn)定，溫度和壓力的控制方面存在一定的規(guī)律性?！娣秶畠?nèi)，以期達(dá)到理想的發(fā)酵狀況。硬件設(shè)計(jì)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(hù)，存儲器內(nèi)容保護(hù)，采用看門狗和其他自診斷措施等。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(jī)。以上幾個(gè)過程共同構(gòu)成了 PLC 工作的一個(gè)工作周期。目前，國內(nèi)外的 PLC 產(chǎn)品有幾十個(gè)系列，上百個(gè)型號。據(jù)此選擇原則可以選用合理便捷的 PLC 產(chǎn)品。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。 (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。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。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。在一些國際組織，如 IEC(國際電工委員會)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]。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)出來。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 輸出信號符號 地址 注解 符號 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。可以用 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?dòng)生成 PID 程序。具體結(jié)構(gòu)見圖 411。(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。以上這些原因使 PLC 的可靠性更高。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。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(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。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。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。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。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。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。(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。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)。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。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)對比，在模擬屏或操作臺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。啤酒發(fā)酵具有非線性、時(shí)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(dòng)控制領(lǐng)域較難解決的問題之一。本文主要工作在于:由于啤酒發(fā)酵對象的時(shí)變性、時(shí)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。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。按啤酒發(fā)酵的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)周期一般在十五天左右，要求發(fā)酵液的溫度嚴(yán)格按照一定的工藝曲線變化。但由于需要操作工人的頻繁介入，其啤酒質(zhì)量和口味也有較大的波動(dòng)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度也比較大。 實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵罐溫度 PLC 控制的主要研究工作(1) 熟悉啤酒發(fā)酵的工藝過程，詳細(xì)分析控制要求，選定裝置所需檢測和控制的參數(shù)，確定系統(tǒng)的控制方案。進(jìn)入第二階段后，要求化驗(yàn)員每隔2小時(shí)測量一次雙乙酞的濃度和糖度。(7) 貯酒階段貯酒階段的溫控對發(fā)酵液成熟及酒液澄清等影響很大，控溫不當(dāng)將可能造成發(fā)酵液結(jié)冰。所以需要對發(fā)酵罐內(nèi)液溫的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，同時(shí)罐內(nèi)的壓力也是安全生產(chǎn)的必要控制量 [8]。一旦雙乙酰指標(biāo)合格，發(fā)酵罐進(jìn)入第二個(gè)降溫過程，把罐內(nèi)發(fā)酵溫度從 3℃降到 0～－1℃左右進(jìn)行貯酒，以提高啤酒的風(fēng)味和質(zhì)量。最快的 PLC 處理一步程序僅需幾十納秒；軟件上使用容錯(cuò)技術(shù)，硬件上使用多 CPU 技術(shù)，具有二三百步以上的高級指令，使 PLC 具有強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算和大批量數(shù)據(jù)處理能力 [10]。 PLC 的組成與基本原理 PLC 的組成結(jié)構(gòu)PLC 本質(zhì)上是一臺用于控制的專用計(jì)算機(jī)，因此它與一般的控制機(jī)在結(jié)構(gòu)上有很大的相似性。CPU 從第一條指令開始，順序逐條的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束。 PLC 的主要功能和應(yīng)用可編程控制器的設(shè)計(jì)思想是盡可能地利用當(dāng)前先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)去滿足用戶的需要，PLC 與繼電器接觸器控制電路的一個(gè)本質(zhì)區(qū)別就是除了必要的與外部物理世界的接口(即I/O 點(diǎn))外，其它的邏輯功能均在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。晶體管輸出模塊只能帶直流負(fù)載，是直流輸出模塊，用于高速小功率負(fù)載。因此，PLC 被稱為“專為適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)” 。每個(gè)罐設(shè)有液位指示，可以作為裝酒和成品計(jì)量用，還可以了解整個(gè)發(fā)酵過程的液位變化。顯示器 鍵盤上位計(jì)算機(jī)C P U D OD M A I A I A I D O現(xiàn)場傳感器 執(zhí)行裝置打印機(jī)圖 411 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖5 啤酒發(fā)酵溫度 PLC 控制硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件配置 CPU 的選型SIMATIC S7200 系列是西門子公司生產(chǎn)的小型可編程程序控制器 [14]，結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，運(yùn)行速度快，有極豐富的指令集，具有強(qiáng)大的多種集成功能和實(shí)時(shí)特性，配有功能豐富的擴(kuò)展模塊，性能價(jià)格比非常高，在各行各業(yè)中的應(yīng)用迅速推廣，在規(guī)模不太大的控制領(lǐng)域是較為理想的控制設(shè)備。(3) 用自編的程序?qū)崿F(xiàn) PID 閉環(huán)控制：有的可編程序控制器沒有 PID 過程控制模塊和 PID 控制用的功能指令，有時(shí)雖然可以使用 PID