【文章內容簡介】 8點數字量或35點模擬量，增加了通信口的數量，通信能力大大增強，它可用于點數較多、要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。根據對整個系統(tǒng)的考察，啤酒發(fā)酵溫度PLC控制系統(tǒng)的I/O點數及類型確定，可知PLC要提供21個開關量輸入和15個開關量輸出，5個模擬量輸入，同時考慮到要留有20%～30%的余量。通過比較S7200四種CPU的各種技術指標，選定CPU226為啤酒發(fā)酵溫度PLC控制的控制器。 模擬量擴展模塊PLC對模擬量信號的PID控制方式用可編程控制器對模擬量進行PID控制時，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廠家設計的，并存放在模塊中，用戶在使用時只需設置一些參數，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，這種模塊價格昂貴，一般在大型的控制系統(tǒng)能中使用。（2）用PID功能指令：現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。它們實際上是用于PID控制的子程序，與模擬量輸入/輸出模塊一起使用，可以得到類似于使用PID過程控制模塊的效果，但是價格便宜的多?？梢杂肧TEP7Micro/WIN32編程軟件中的“指令向導”簡單快速的設置PID程序中的各種參數，設置完成后，指令向導自動生成PID程序。（3）用自編的程序實現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，有時雖然可以使用PID控制指令，但是希望采用某種改進的PID控制算法[15]。在上述情況下都需要用戶自己編制PID控制程序。本系統(tǒng)需對啤酒發(fā)酵過程中溫度、壓力、液位、周期等工藝參數進行全方位檢測控制，選擇S7200PLC主機，擴展模擬量處理模塊，利用PLC提供的PID編程功能模塊，即可實現相應模擬量的閉環(huán)控制。在模擬量閉環(huán)過程控制領域內，擴展模擬量處理模塊，如EM23EM23EM235，根據PLC提供的PID編程功能模塊，只需設定好PID參數， 運行PID控制指令，就能求得輸出控制值，實現模擬量閉環(huán)控制。EM231模塊提供了模擬量輸入/輸出的功能，優(yōu)點如下：（1）最佳適應性：可適用于復雜的控制場合（2）直接與傳感器和執(zhí)行器相連，12 位的分辨率和多種輸入/輸出范圍能夠不用外加放大器而與傳感器和執(zhí)行器直接相連，例如EM235 CN模塊可直接與Pt100 熱電阻相連（3）靈活性：當實際應用變化時，PLC 可以相應地進行擴展，并可非常容易的調整用戶程序。 控制系統(tǒng)硬件配置S7200 PLC的擴展模塊S7200 PLC可以安裝在板上，也可以安裝在標準DIN導軌上，利用總線連接電纜，可以很容易的把CPU模塊和擴展模塊連接在一起[16]。需要連接的擴展模塊較多時，模塊連接起來會過長，兩組模塊之間可使用擴展連接電纜，將模塊安裝成兩排。信號處理模塊主要分為四類：開關量輸入DI、開關量輸出DO、模擬量輸入AI、模擬量輸出AO；擴展方擴展方法如圖。S7200擴展圖啤酒發(fā)酵控制原理可以得出：每只發(fā)酵罐需要有上溫、中溫、下溫、壓力四個模擬量需要測量，有些情況需要對發(fā)酵罐的液位進行測量；上溫、中溫、下溫3個溫度各需要一個二位式電磁閥進行控制，罐內壓力需要一個二位式電磁閥進行控制。所以每只發(fā)酵罐的I/O點數為5個模擬量、36個開關量考慮到CPU226主機上的I/O口不夠多必須對它進行擴展，在這選用EM 221 CN 數字量輸入模塊（6ES7 211～1BF22～0XA8）、EM 222 CN 數字量輸出模塊（6ES7 222～1HF220XA8）、模擬量擴展模塊EM231CNAI4X12位。其擴展圖如圖。中央處理單元CPU226EM221DI8DC24VEM222DO8DC24VEM222DO8DC24VEM231AO4DC24VEM231AO4DC24V圖44 模塊擴展連接圖除了PLC必需的I/O擴展模塊之外，另外涉及的設備儀表有測溫用Pt100鉑電阻溫度變送器、壓力變送器、液位變送器等。根據啤酒發(fā)酵的特點，啤酒發(fā)酵過程的溫度范圍最低可以到1攝氏度以下，最高到12攝氏度以上，一般可以選擇的量程為10～90攝氏度的溫度變送器；壓力變送器可以選擇量程為0～200Kpa或者0～400Kpa。 啤酒發(fā)酵溫度PLC控制系統(tǒng)的I/O分配 I/O地址分配根據啤酒發(fā)酵溫度控制的工藝流程及實際需求，確定整個系統(tǒng)共有26個輸入點，其中5個模擬量；16個輸出點，考慮到系統(tǒng)的擴展留有少量冗余，因此選用西門子S7226PLC CPU模塊1塊、EM221擴展模塊1塊、EM222擴展模塊2塊、EM231模擬量擴展模塊2塊。本機及擴展模塊I/O地址分配見表本機及擴展模塊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k1系統(tǒng)啟動 bengyx麥汁進罐泵運行k2系統(tǒng)急停 mgwdbczs滿罐溫度保持指示s1手動方式zjzrswdzs主酵自然升溫段指示s2自動方式sythydzs雙乙酰還原階段指示qdmzjg啟動麥汁進罐jwbwdzs降溫保溫階段指示gbmxjg關閉麥汁進罐hjbwjdzs后酵保溫階段指示mgwdbc滿罐溫度保持dejwjdzs第二降溫階段指示zjzrswd主酵自然升溫段cjbwjdzs貯酒保溫階段指示sythyd雙乙酰還原階段shanglkf上冷媒開關電磁閥jwbwd降溫保溫階段zhonglkf中冷媒開關電磁閥hjbwjd后酵保溫階段xialkf下冷媒開關電磁閥dejwjd第二降溫階段ylpqfyx發(fā)酵罐排氣閥cjbwjd貯酒保溫階段yalicxbj壓力超限報警kshang開上冷媒開關電磁閥wdcxbj溫度超限報警kzhong開中冷媒開關電磁閥zdyxzt自動運行狀態(tài)kxia開下冷媒開關電磁閥shangwdAIW6發(fā)酵罐上部溫度gshang關上冷媒開關電磁閥zhongwdAIW8發(fā)酵罐中部溫度gzhong關中冷媒開關電磁閥xiawdAIW10發(fā)酵罐下部溫度gxia關下冷媒開關電磁閥fjgyaliAIW12發(fā)酵罐壓力kylpqf開發(fā)酵罐排氣閥fjgyeweiAIW16發(fā)酵罐液位gylpqf關發(fā)酵罐排氣閥PLC外部接線圖示意圖如圖 PLC外部接線示意圖 編程軟件的介紹 指令系統(tǒng)可編程序控制器中所有指令的集合，就稱它為指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是表征PLC性能的重要指標，他的格式與功能硬件緊密聯系，而且直接影響程序的編制，從而影響機器系統(tǒng)的應用范圍。S7200 系列PLC主機中有兩類基本指令集：SIMATIC 指令集和IEC 11313指令集SIMATIC 指令集：是為 S7200系列PLC設計的，本指令通常執(zhí)行時間短，而且可以用LAD、STL和FBD三種編程語言IEC 11313 指令集是不同PLC廠家的指令標準，不能使用STL編程語言。利用計算機編程軟件STEP 7 MicroWIN /WIN32 提供的不同的編程語言，可以利用這些指令創(chuàng)建控制程序，兩種指令集和所選用編程語言的可能組合。STEP7Micro/WIN 32STEP7Micro/WIN 32是S7200系列的PLC的編程軟件?？梢詫7200的所有功能進行編程。該軟件可以在Windows平臺上運行，其基本功能是協助用戶完成應用軟件任務。例如創(chuàng)建用戶程序、修改和編輯過程中編輯器具有簡單的語法檢查功能，還可以直接用軟件設置PLC的工作方式、參數和運行監(jiān)控。本系統(tǒng)中采用的PID算法可由PID指令直接生成。發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)流程圖PLC實現啤酒發(fā)酵溫度控制的主要任務是接受由發(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，從而實現對發(fā)酵罐溫度的控制。為了達到預定的控制效果，采用自動或由操作人員手動選擇控制的方法。序中有人工階段選擇開關，可以在任意階段間跳轉，從而避免了因操作人員操作偶爾失誤而無法實現后續(xù)程序正常運行的情況。單罐啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)流程圖單罐啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)流程圖控溫程序流程圖設計根據前面工藝流程的介紹，可以總結出實現啤酒發(fā)酵溫度自動控制的雙乙酰還原階段、降溫保溫階段、后酵保溫階段、第二降溫階段、貯酒保溫階段等控溫階段基本的程序流程圖如圖圖41 啤酒發(fā)酵控制過程程序流程圖S7200的PID指令PID算法的實現在模擬量閉環(huán)過程控制領域內，擴展模擬量處理模塊。根據PLC提供的PID編程功能模塊，只需設定好PID參數，運行PID控制指令，就能求得輸出控制值，實現模擬量閉環(huán)控制。PID算法在模擬量的控制中，經常用到PID運算來執(zhí)行PID回路的功能，PID回路指令使這一任務的編程和實現變得非常容易。用可編程序控制器控制PID回路時，要把實際測量輸入量、設定值和回路表中的其他輸入參數進行標準化處理，即用程序轉化為PLC能夠識別和處理的數據的標準，～。標準化實數又分為雙極性（）和單極性（）兩種。程序執(zhí)行時把各個標準化實數量用離散化PID算式進行處理，產生一個標準化的實數運算結果，這一結果同樣也要用程序將其轉化為相應AQW，用以驅動模擬量的輸出負載，實現控制。 PLC功能模塊程序設計（1）計算出啤酒發(fā)酵時間。在程序中必須能夠得到每個發(fā)酵罐的起始發(fā)酵時間，然后由當前時間計算出罐內啤酒的已經發(fā)酵時間。這個過程中需要考慮到的問題是，每個月的天數、該年是否可能為潤年等。（2）計算當前時刻的設定溫度。處在發(fā)酵過程中的每一個發(fā)酵罐根據各自的生產需要，都有一個工藝設定曲線。在計算出發(fā)酵的時間之后，可以通過計算得到當前時刻的設定溫度。（3）計算當前時刻的電磁閥開度。計算出當前時刻設定溫度之后，可以計算出溫度的偏差值，使用簡單的PID控制回路就可以計算出電磁閥的開度。由于電磁閥是二位式的，所以其閥的開關動作作為占空比連續(xù)變化的PWM輸出。電磁閥PWM輸出波形如圖所示。 電磁閥PWM輸出波形圖圖中Tt為電磁閥動作周期。T1為電磁閥關閉時間。T2為電磁閥打開時間。Tt、TT2之間關系為Tt=T1+T2.電磁閥的閥位值=T2/T1100%。 主程序主程序控制系統(tǒng)的啟動與停止，整個發(fā)酵溫度控制過程根據不同發(fā)酵時期的不同轉換條件，調用相關子程序，完成主酵→雙乙酰還原→冷卻→酵母回收→后貯的階段的溫度根據設定好的曲線實現控制。主程序部分截圖見附錄。 主酵自然升溫段程序當麥汁和酵母進入發(fā)酵罐后，就開始進入主酵階段。由于發(fā)酵是入熱反應，溫度升高，產生大量的CO2，使發(fā)酵液產生強大的對流。在控制上應T上T中T下，故控制冷卻液閥門的開啟順序是上冷媒開關電磁閥→中冷媒開關電磁閥→下冷媒開關電磁閥。以上、中兩點溫度的差值為Δt1時，只開啟TV上；當差值溫度大于設定曲線溫度值的Δt2時，同時開啟TV上TV中閥。主酵自然升溫段的程序截圖見附錄。 溫度控制程序啤酒發(fā)酵溫度自動控制的雙乙酰還原階段、降溫保溫階段、后酵保溫階段、第二降溫階段、貯酒保溫階段等控溫階段，控制原理和程序流程相同，根據分別設定曲線進行PID控制，使系統(tǒng)控制精度符合啤酒發(fā)酵工藝要求。下面以由雙乙酰還原階段至后酵保溫階段間的降溫保溫階段為例說明其相關的主要程序。模擬量采集處理部分由網絡1~網絡3組成。主要完成溫度、壓力、液位等模擬量的采集和處理。網絡1的梯形圖如圖51所示。圖51 網絡1梯形圖網絡1的指令解釋見附錄網絡2梯形圖如圖52所示。圖52 網絡2梯形圖網絡2的指令解釋見附錄網絡3梯形圖如圖53所示。圖53 網絡3梯形圖網絡3的指令解釋見附錄根據操作人員輸入的當前操作狀態(tài)，對每個發(fā)酵罐狀態(tài)進行相應的設置。這個過程由網絡4～網絡8來實現。網絡4梯形圖如圖54所示。圖54 網絡4梯形圖網絡4的指令解釋見附錄網絡5的梯形圖如圖55所示。圖55 網絡5梯形圖網絡5的指令解釋見附錄網絡6的梯形圖如圖56所示。圖56 網絡6梯形圖網絡6的指令解釋見附錄網絡7的梯形圖如圖57所示。圖57 網絡7梯形圖網絡7的指令解釋見附錄網絡8的梯形圖如圖58所示。圖58 網絡8梯形圖網絡8的指令解釋見附錄下面是計算溫度的設定值的程序。溫度設定值的計算由網絡9～網絡13組成對發(fā)酵罐溫度使用PID控制必須具備的條件是設定的溫度和實際溫度。溫度的設定值很簡單，就是按比例計算求值。如圖59所示，曲線a是溫度設定曲線的一部分，t1和t2是曲線的兩個端點的橫坐標，T1和T2是曲線的兩個端點的縱坐標，t是當前的時間，T就是當前的設定溫度。用很簡單的比例關系式就可以求出當前的設定溫度值T。圖59 溫度曲線網絡9~10的梯形圖如圖510所示。圖510 網絡9~10梯形圖網絡9~10的指令解釋見附錄網絡11～13的梯形圖如圖511所示。圖511 網絡11~13梯形圖網絡11～13的指令解釋見附錄 PID回路計算在計算出溫度的設定值之后，就可以根據以下的PID計算式計算出對應的輸出值：網絡14～網絡20就是根據上面公式計算回路調節(jié)輸出的一段程序。梯形圖見圖512。圖512