【文章內(nèi)容簡介】 可方便地進行輸入，輸出及模擬量擴展。 8 S7200 主要功能及特點 （ 1）執(zhí)行指令速度高。 （ 2）豐富的指令功能。 （ 3）靈活的中斷功能，中斷觸發(fā)有幾種形式：可用軟件設(shè)定為中斷輸入信號的上升沿式下降沿，以便做出快 速響應(yīng)；可設(shè)為時間控制的自動中斷；可由內(nèi)置高數(shù)計數(shù)器自動觸發(fā)中斷；在與外設(shè)通信時可以以中斷分式工作。 （ 4）輸入和輸出的直接查詢和賦值。（ 5）嚴格的口令保護 。 （ 6）調(diào)試和故障診斷功能 。 （ 7）輸入或輸出的強制功能。用戶調(diào)試程序時，可對輸入或輸出強制接通。 （ 8）通信功能。用戶提供了強大，靈活的通信功能。用戶對點接口（ PPI）作 ，用 RS485 接口實現(xiàn)高速用戶可編和接口。 S7200CPU 主要的性能指標見表。 特性 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 外形尺 寸 80*80*62 90*80*62 *80*62 190*8.*62 存儲器 用戶程序 2048 字 2048 字 4096 字 4096 字 用戶數(shù)據(jù) 1024 字 1024 字 2560 字 2560 字 用戶存儲器類型 EEPROM EEPROM EEPROM EEPROM 數(shù)據(jù)后備 （ 超級電容 ） 典型值 50 小時 50 小時 50 小時 50 小時 輸入輸出 本機 I/O 6 入 4 出 8 入 /6 出 14 入 /10 出 24 入 /16 出 擴展模塊數(shù)量 無 2 個模塊 7 個模塊 72 個模塊 數(shù)字量 I/O 映像區(qū)大 小 256 256 256 256 模擬量 I/O 映像區(qū)大小 無 16 如 /16 出 32 入 /32 出 32 入 /32 出 指令系統(tǒng) 33MHZ 下布爾指令執(zhí)行速度 FOR/NEXT 循環(huán) 有 有 有 有 實數(shù)指令 有 有 有 有 9 整數(shù)指令 有 有 有 有 主要內(nèi)部繼電器 I/O 映像寄存器 128I 和 128Q 128I 和 128Q 128I 和 128Q 128I 和 128Q 內(nèi)部通用繼電器 256 256 256 256 計數(shù)器 /定時器 256/256 256/256 256/256 256/256 寫入 /寫出 無 16/16 32/32 32/32 順序控制繼電器 256 256 256 256 附加功能 內(nèi)置高速計數(shù)器 4H/W（ 20KHZ） 4H/W（ 20KHZ） 6H/W（ 20KHZ） 6H/W（ 20KHZ） 模塊量調(diào)節(jié)電位器 1 1 2 2 脈沖輸出 2（ 20KHZ， DC） 2（ 20KHZ， DC） 2（ 20KHZ， DC） 2（ 20KHZ， DC） 通信中斷 1 發(fā)送 /2 接收 1 發(fā)送 /2 接收 1 發(fā)送 /2 接收 1 發(fā)送 /4 接收 硬件輸入中斷 4，輸入濾波器 4，輸入濾波器 4，輸入濾波器 4，輸入濾波器 定時中斷 2（ 1~255ms） 2（ 1~255ms） 2（ 1~255ms） 2（ 1~255ms） 定時時鐘 有 （ 時鐘卡 ） 有 （ 時鐘卡 ） 有 （ 內(nèi)置 ） 有 （ 內(nèi)置 ） 口令保護 有 有 有 有 通信功能 通信口數(shù)量 1（ RS485） 1（ RS485） 1（ RS485） 支持協(xié)議 0 號口 1 號口 PPI， DP/T 自由口 N/A PPI， DP/T 自由口 N/A PPI， DP/T 自由口 N/A PPI， DP/T 自由口 （ 同 0 號口 ） S7200CPU 主要的性能指標 文本顯示器 TD200 S7200 系統(tǒng)中的文本顯示器 TD200 是在現(xiàn)場監(jiān)控的有效設(shè)備， TD200 連接簡單，只需要用按特定的通信電纜連接到 PPI 接口上就可以了。 1顯示信息，可以顯示最多 80 條信息，每條信息最多可包含 4 個變量。 2可設(shè)定 CPU214 以上機型的實時時鐘。 3提供強制 I/O 點診斷功能。 4過程參數(shù)的修改。 5可編程的 8個功能鍵可以代替普通的控制按鈕作為控制鍵 。 6輸入和輸出設(shè)定。 8個可編程式功能鍵盤的每一個都分配了一個 存儲器位。 10 電磁閥 PWM 脈沖寬度調(diào)制 (PWM)，是英文 “Pulse Width Modulation” 的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈寬調(diào)制（ PWM）基本原理：控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則 對各脈沖的寬度進行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 PID 控制的原理和特點 在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 PID 控制器問世至今已有近 70年歷史，它 以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時， 控制理論 的 其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當我們不完全 了解一個系統(tǒng)和被控對象，或 不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID控制，實際中也有 PI和 PD 控制。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計算出控制量進行控制的。 10 4 啤酒發(fā)酵自控系統(tǒng) PLC 程序 設(shè)計思路 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。由于每個發(fā)酵罐都存在個體的差異，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。因此很難找到或建立某一確切的數(shù)學模型來進行模擬和預(yù)測控制。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段冷媒進口的兩位式電磁閥來實現(xiàn)發(fā)酵罐溫度控制的方法， 本系統(tǒng)利用 S7200 實現(xiàn)發(fā)酵罐溫度的控制， PLC 實現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度控制的主要任務(wù)是接受由發(fā)酵罐傳來的溫度、壓力模擬量輸入信號，然后與工藝曲線設(shè)定溫度值進行比較，計算出溫度偏差值，再使用簡單的 PID 控制回路計算出電磁閥的開度，從而實現(xiàn)對發(fā)酵罐溫度的控制。為了達到預(yù)定的控制效果，采用自動或由操作人員手動選擇控制的方法。 程序中設(shè)定了手動操作和自動控制選擇開關(guān)，在任意階段都能夠?qū)崿F(xiàn)兩者間的切換，實現(xiàn)了溫度、壓力的手、自動選擇控制。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現(xiàn)后續(xù)程序正常運行的情況。根據(jù)啤酒發(fā)酵溫度控制各階段轉(zhuǎn)換條件及控制要求。 采用的是德國 SIEMENS 公司的 S7200 系列 PLC，運用與之相配的 STEP7 編程軟件，通過 STL 和 LAD 兩種編程語言編制了下位機的控制程序 ,完成系統(tǒng)軟件設(shè)計，實現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度自動控制的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計。 發(fā)酵過程中設(shè)定的參數(shù) 主酵設(shè)定溫度值（ C）、主酵上下溫 度差值（ C） 主酵降溫溫度設(shè)定值（ C），降溫過程總時間（ 48 小時）、主酵降溫上下溫度差值（ ） 后酵設(shè)定溫度值（ ）、后酵上下溫度差值（ C） 后酵降溫溫度設(shè)定值（ ），降溫過程總時間、后酵降溫上下溫度差值（ 11 C） 貯酒溫度設(shè)定值（ ）、貯酒上下溫度差值（ ） 主要的階段有：主酵階段控溫，主酵降溫，后酵階段控溫，后酵降溫，過濾前貯酒控溫，過濾至一般控溫，停止控溫。 啤酒發(fā)酵期間，發(fā)酵溫度分為起始溫度（即麥汁冷卻溫度、滿罐溫度）、最高溫度（稱發(fā)酵溫 度）、還原雙乙酰溫度和貯酒溫度。啤酒發(fā)酵期罐壓力設(shè)定為0~。其各階段轉(zhuǎn)換條件及控制要求見表所示。 啤酒發(fā)酵各階段狀態(tài)表 工作階段名稱 進入條件 控制要求 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 13 12 Ttt TTT ???? 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 25 23 Ttt TTT ???? 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 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。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。 （ 1）對每個發(fā)酵罐的上、中、下 3 個測量點的溫度進行檢測，實現(xiàn)自動控制，罐內(nèi)實行壓力檢測。整個發(fā)酵過程的溫度控制在不同發(fā)酵時期是不同的，根據(jù)主酵 → 雙己酰還原 → 冷卻 → 酵母回收 → 后貯的階段，分別設(shè)定曲線進行控制，并采用 PI、 PID 等控制方法，使系統(tǒng)控制精度符合工藝要求按啤酒發(fā)酵工藝要求， 12 其中從 12℃ 保溫向 3℃ 下降的轉(zhuǎn)折點取決于酒液殘?zhí)橇慷蝗Q于發(fā)酵時間。 （ 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。每個罐設(shè)有液位指示，可以作為裝酒和成品計量用，還可以了解整個發(fā)酵過程的液位變化。整個系統(tǒng)還設(shè)定了手動操作和自動控制選擇開關(guān)，在任意階段都能夠?qū)崿F(xiàn)兩者間的切換，實現(xiàn)了溫度、壓力的手、自動選擇控制。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現(xiàn)后續(xù)程序正常運行的情況。 （ 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。 能監(jiān)視每個發(fā)酵罐的溫度、壓力周期曲線，當累積酒齡達到時，自動出信號，以便人工確定是否執(zhí)行下步操作。 設(shè)計 PLC 控制系統(tǒng)方案。通過對系統(tǒng)的整體分析，可以分析出來系統(tǒng)要提供21 個開關(guān)量輸入， 16 個開關(guān)量輸出，五路模擬量的輸入，實現(xiàn)啤酒發(fā)酵各階段溫度控制。表明各類具體信號及性質(zhì)分類。 輸入 /輸出節(jié)點統(tǒng)計表 輸入信號 輸出信號 啟動麥汁進罐 手動方式 麥汁進罐泵運行 關(guān)閉麥汁進罐 自動方式 滿罐溫度保持指示 滿罐溫度保持 開上冷媒開關(guān)電磁閥 主酵自然升溫段指示 主酵自然升溫段 開中 冷媒開關(guān)電磁閥 雙乙酞還原階段指示 雙乙酞還原階段 開下冷媒開關(guān)電磁閥 降溫保溫階段指示 降溫保溫階段 關(guān)上冷媒開關(guān)電磁閥 后酵保溫階段指示 后酵保溫階段 關(guān)中冷媒開關(guān)電磁閥 第二降溫階段指示 第二降溫階段 關(guān)下冷媒開關(guān)電磁閥 貯酒保溫階段指示 貯酒保溫階段 開發(fā)酵罐排氣閥 上冷媒開關(guān)電磁閥 發(fā)酵罐上部溫度 關(guān)發(fā)酵罐排氣閥 中冷媒開關(guān)電磁閥 發(fā)酵罐中部溫度 系統(tǒng)啟動 SB1 下冷媒開關(guān)電磁閥 發(fā)酵罐下部溫度 系統(tǒng)急停 SB2 發(fā)酵罐排氣閥 發(fā)酵罐壓力 壓力超限報警 發(fā)酵罐液位 溫度超限報 警 自動運行狀態(tài) 13 首先，發(fā)酵工藝過程模擬量加溫度、壓力、液位以及各種閥門的狀態(tài)，進人PLC。 PLC 可以根據(jù)工藝要求設(shè)定的程序自動完成模擬量和開關(guān)量的處理，通過控制算法，輸出控制信號至執(zhí)行機構(gòu)，對閥門進行控制調(diào)節(jié)，從而完成發(fā)酵工藝過程的控制。同時，相關(guān)數(shù)據(jù)通過 PLC 的通信接口單元和上位機通信鏈路傳至上位機和模擬屏；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。此外，為確保系統(tǒng)工作安全，系統(tǒng)設(shè)計了手動裝置。在意外故障情況下，可以切換自動，進人手動狀態(tài)，從而保證發(fā)酵工藝過程的正常運行。系統(tǒng)采用上下 位機兩級遞階結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)見圖 顯 示 器 鍵 盤上 位 計 算 機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 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖 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，運行速度快，有極豐富的指令集，具有強大的多種集成功能和實時特性