【文章內(nèi)容簡介】 流量測量的特點之一是，流量瞬時起伏較大，從而引起較大的瞬時誤差，而控制算法中的積分作用有時并不能將累積的誤差迅速消除。因此，我們在算法中引入了容積補償，其公式為：100% （39）其中，Pa為實際配比；Ps為設(shè)定配比；為累積的啤酒原汁；為累積的稀釋后啤酒。K為開關(guān)量，取值為0或1，等于0 時取消容積補償, 等于1開啟容積補償。上式的物理意義是：根據(jù)已經(jīng)稀釋好的啤酒修正配比, 酒多時增大配比多加水， 酒少時減小配比少加水。引入容積補償后在消除累積誤差方面作用顯著。 高濃度啤酒配比系統(tǒng)的功能 本系統(tǒng)通過PLC控制系統(tǒng)檢測高濃度啤酒稀釋配比系統(tǒng)運行中的各個參數(shù)，根據(jù)檢測的結(jié)果對配比系統(tǒng)進行控制，從而實現(xiàn)理想的配比效果；同時用工業(yè)控制計算機顯示上述運行參數(shù)，配比系統(tǒng)的各種動態(tài)曲線，中間變量以及原酒、脫氧水、混合酒的積累值等；同時對上述運行參數(shù)進行記錄，以供查詢等。為實現(xiàn)上述功能，在工業(yè)控制計算機上開發(fā)了一套監(jiān)控軟件，該軟件主要由以下四個畫面組成：配比系統(tǒng)、工藝流程、歷史數(shù)據(jù)和曲線查詢等。下面分別敘述各畫面的功能：（1）配比系統(tǒng)畫面工業(yè)控制計算機得電后，自動進入配比系統(tǒng)畫面，正常運行時，系統(tǒng)主要工作在此畫面。該畫面具有以下功能：a) 原酒濃度和配制濃度的設(shè)定；配比系數(shù)的計算；原酒濃度、配制濃度、配比系數(shù)、原酒流量、水流量、總流量、原酒量、水量、總量、PH值、殘氧、以及開機時間等參數(shù)的顯示；瞬時濃度的實時曲線顯示；配比泵自動/手動切換控制；真空泵、回流泵、原水泵、出水泵的啟動/停止操作等。配比系統(tǒng)畫面如圖32所示。 圖32 高濃度啤酒稀釋配比系統(tǒng)畫面（2）工藝流程畫面在配比系統(tǒng)畫面的下方點擊工藝流程即進入工藝流程畫面，此畫面以立體圖形方式顯示啤酒稀釋系統(tǒng)的工藝流程圖，在工藝流程圖上實時顯示平衡罐溫度、換熱器溫度等參數(shù)以及各個閥和泵的工作狀態(tài)。工藝流程畫面如圖33所示。圖33 高濃度啤酒稀釋工藝流程畫面（3）歷史數(shù)據(jù)和曲線查詢畫面在配比系統(tǒng)下方點擊歷史曲線查詢即進入此畫面，在該畫面的下方顯示瞬時濃度和平均濃度的歷史曲線，一屏顯示一個小時，可用屏幕下方的左移1小時、左移8分鐘、右移1小時、右移8分鐘改變時間軸，分別拖曳紅色光標(biāo)和綠色光標(biāo)可查詢瞬時濃度和平均濃度，并分別在屏幕的左右邊顯示其數(shù)值，拖曳時，圖標(biāo)動態(tài)顯示歷史時間。限于篇幅，圖略。在該畫面點擊歷史數(shù)據(jù)，將啟動Excel電子表格顯示各主要參數(shù)的報表。第四章 高濃度啤酒稀釋配比系統(tǒng)的硬件設(shè)計 系統(tǒng)分析高濃度啤酒稀釋系統(tǒng)主要包括水處理系統(tǒng)和酒水混合配比系統(tǒng)兩部分。在水處理系統(tǒng)中首先要求將進入平衡罐的水溫控制在25攝氏度左右，以便于水的脫氧，106脫氧水然后進入薄板交換器通過變頻器控制冷媒泵使脫氧水的溫度降到2～4℃之間。然后處理水進入緩沖罐用于水酒混合配比過程。在水酒混合配比系統(tǒng)中，根據(jù)稀釋前原酒的度數(shù)和要求稀釋到的酒度數(shù)，再通過對酒流量的讀取，確定水的需求流量(啤酒流量水酒比)，隨后通過水管道上的氣動薄膜調(diào)節(jié)閥對水的流量進行控制。本系統(tǒng)要采集的模擬量分別為稀釋水的含氧量、稀釋水的pH值、平衡罐溫度、熱交換器的溫度，原酒流量、脫氧水流量，模擬量均通過傳感器進行采集。輸出的模擬量通過改變電氣轉(zhuǎn)換器的輸入電壓從而改變氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的開啟度，來實現(xiàn)對脫氧水流量的控制，進而控制啤酒的濃度,根據(jù)系統(tǒng)分析，系統(tǒng)的設(shè)計原理結(jié)構(gòu)圖如下：圖41 系統(tǒng)設(shè)計原理的總體結(jié)構(gòu)圖為使系統(tǒng)安全可靠，上位機采用了PC總線的工業(yè)控制計算機（IPC），實時顯示系統(tǒng)運行信息、故障信息和參數(shù)設(shè)定；下位機采用了西門子公司生產(chǎn)的S7—200可編程控制器，配備了一個CPU模塊CPU22一個模擬量輸入/模擬量輸出模塊EM235和一個模擬量輸入模塊EM231，主要實現(xiàn)對配比系統(tǒng)的控制。兩臺計算機之間采用PC/PPI電纜連接，其不僅實現(xiàn)了PC機和S7—200之間的通信，同時也兼有上位IPC機對下位機可編程控制器進行編程的功能。CPU226為西門子公司生產(chǎn)的S7—200系列可編程控制器中性能最好的整體式PLC，具有24路開關(guān)量輸入/16路開關(guān)量輸出和2個RS485通信口，通過PC/PPI電纜很容易將CPU226的RS485通訊口與IPC機的RS232串行口進行通訊；CPU226還具有6個技術(shù)頻率為30kHz的高速計數(shù)器（占用開關(guān)量輸入通道）和2路高速脈沖輸出（占用開關(guān)量輸出通道）；該模塊還可外擴7個模塊。根據(jù)系統(tǒng)要求，在此擴展了一個EM235和一個EM231模塊。EM235為模擬量輸入/模擬量輸出組合模塊，具有4路12位模擬量輸入和1路12位模擬量輸出功能，EM231為4路12位模擬量輸入模塊。兩個模塊的模擬量輸入均可選擇為單級性或雙極性、電壓輸入或電流輸入，其中：雙極性電壓輸入從25mV～+25mV到10V～+10V九級，且可設(shè)定模擬量的濾波常數(shù)，使用非常方便。系統(tǒng)的硬件設(shè)計圖如下：圖42系統(tǒng)硬件設(shè)計圖本系統(tǒng)共有6路模擬量輸入和1路模擬量輸出。6路輸入的模擬量分別為原酒流量V脫氧水流量V平衡罐溫度T熱交換器溫度T稀釋水PH值、稀釋水含氧量O2，這6路模擬量均需要采集，所以需要一個EM235和一個EM231模塊；輸出的1路模擬量通過調(diào)節(jié)電氣轉(zhuǎn)換器的輸入電壓來調(diào)節(jié)氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的開啟度，從而實現(xiàn)對脫氧水流量的控制，進而控制啤酒的濃度。開關(guān)量輸入信號分別為殘氧濃度超標(biāo)、原酒流量開關(guān)、水流量開關(guān)、蒸汽閥開關(guān)狀態(tài)、冷卻閥開關(guān)狀態(tài)等。開關(guān)量輸出信號有電氣轉(zhuǎn)換器啟停信號、冷媒泵變頻器變頻信號、蒸汽閥開關(guān)信號、冷卻閥開關(guān)信號等。這些開關(guān)量出入信號的采集和開關(guān)量輸出信號的控制均由CPU226自身的開關(guān)量I/O通道來完成。 PLC外部接線圖圖43 S7226外部接線圖圖44 EM231外部接線圖圖44 EM235外部接線圖圖46 PLC與變頻器聯(lián)機的的正反轉(zhuǎn)控制電路 PLC硬件介紹可編程邏輯控制器是一種工業(yè)控制計算機，英文全稱：Programmable Logic Controller，簡稱其為PLC?？删幊踢壿嬁刂破?PLC)是繼承計算機、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動裝置，其性能優(yōu)越，已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。 20世紀(jì)60年代，計算機技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，但由于價格高、輸入輸出電路不匹配、編程難度大，未能在工業(yè)領(lǐng)域中獲得推廣。 1968年，美國的汽車制造公司通用汽車公司(GM)提出了研制一種新型控制器的要求，并從用戶角度提出新一代控制器應(yīng)具備十大條件，也是PLC的優(yōu)越性，1）編程方便，現(xiàn)場可修改程序；2）維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)；3)可靠性高于繼電器控制裝置；數(shù)據(jù)可直接輸入管理計算機中；5）輸入電源可為市電；6）輸出電源可為市電，可直接驅(qū)動電磁閥等,立即引起了開發(fā)熱潮。1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出了世界上第一臺可編程序控制器，并應(yīng)用于通用汽車公司的生產(chǎn)線上。 可編程控制器自問世以來，發(fā)展極為迅速。1971年日本開始生產(chǎn)可編程控制器，而歐洲是1973開始的。如今，世界各國的一些著名的電氣工廠幾乎都在生產(chǎn)可編程控制器?？删幊炭刂破鲝恼Q生到現(xiàn)在經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代，見表41。表 41 可編程控制器功能表代次器件功能第一代1位處理器邏輯控制功能第二代8位處理器及存儲器產(chǎn)品系列化第三代高性能8位微處理器及位片式微處理器處理速度提高，向多功能及聯(lián)網(wǎng)通信發(fā)展第四代16位、32位微處理器及高性能位片式微處理器邏輯、運動、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)功能的多功能 可編程控制器的基本組成PLC從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種。整體式PLC一般由CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存和電源組成。模塊式PLC一般由CPU模塊、I /O模塊、內(nèi)存模塊、電源模塊、底版或機架組成。本論文實物采用的是模塊式的PLC，不管哪種PLC，都是屬于總線式的開發(fā)結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成如圖21所示 [12] 1）CPU（中央處理器） 和一般的微機一樣，CPU是微機PLC的核心，主要由運算器、控制器、寄存器以及實現(xiàn)他們之間聯(lián)系的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線構(gòu)成。CPU在很大程度上決定了PLC的整體性能，如整個系統(tǒng)的控制規(guī)模、工作速度和內(nèi)存容量。CPU控制著PLC工作，通過讀取、解釋指令，指導(dǎo)PLC有條不紊的工作 2）存儲器 存儲器（內(nèi)存）主要用語存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成部分。PLC中的存儲器一般包括系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器兩部分。系統(tǒng)程序一般由廠 家編寫的，用戶不能修改；而用戶程序是隨PLC的控制對象而定的，由用戶根據(jù)對象生產(chǎn)工藝的控制要求而編制的應(yīng)用程序。 3）輸入輸出模塊 輸入模塊和輸出模塊通常稱為I/O模塊或I/O單元。PLC提供了各種工作電平、連接形式和驅(qū)動能力的I/O模塊，有各種功能的I/O模塊供擁護選用。按 I/O點數(shù)確定模塊的規(guī)格和數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受PLC所能管理的配置能力，即底版的限制。 PLC還提供了各種各樣的特殊的I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、高速計算器、位置控制、以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、溫度控制、中斷控制、聲音輸出、打印機等專用 型或智能型模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。智能接口模塊是一獨立的計算機系統(tǒng)，它有自己的CPU、系統(tǒng)程序、存儲器及與PLC系統(tǒng)總線相連接的接 口。 4）編程裝置 編程器作用是將用戶編寫的程序下載至PLC的用戶程序存儲器，并利用編程器檢查、修改和調(diào)試用戶程序，監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行過程，顯示PLC狀態(tài)、內(nèi)部器件 及系統(tǒng)的參數(shù)等。常見的編程器有簡易手持編程器、智能圖形編程器和基于PC的專用編程軟件。目前PLC制造廠家大都開發(fā)了計算機輔助PLC編程支持軟件， 當(dāng)個人計算機安裝了PLC編程支持軟件后，可用作圖形編程器，進行用戶程序的編輯、修改，并通過個人計算機和PLC之間的通信接口實現(xiàn)用戶程序的雙向傳 送、監(jiān)控PLC運行狀態(tài)等。 5）電源 PLC的電源將外部供給的交流電轉(zhuǎn)換成供CPU、存儲器等所需的直流電，是整個PLC的能源供給中心。PLC大都采用高質(zhì)量的工作穩(wěn)定性好、抗干擾能力強 的開關(guān)穩(wěn)壓電源，許多PLC電源還可向外部提供直流24V穩(wěn)壓電源，用于向輸入接口上的接入電氣元件供電，從而簡化外圍配置。 S7—200系列PLCS7—200PLC系列具有極高的性價比，較強的功能使其無論在獨立運動中，還是連成網(wǎng)絡(luò)皆能完成各種控制任務(wù)。它的使用范圍可以覆蓋從代替繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動控制。其應(yīng)用領(lǐng)域包括各種機床、紡織機械、印刷機械、食品化工工業(yè)、環(huán)保、電梯、中央空調(diào)、實驗室設(shè)備、傳送帶系統(tǒng)和壓縮機控制等。S7—200系列PLC有CPU21X和CPU22X兩代產(chǎn)品，其中CPU22X型PLC有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四種基本型號，本設(shè)計采用CPU226型PLC。作者選用的 幾種PLC模塊或擴展模塊介紹如下：1）CPU 226　　本機集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O 點。可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O 點或35路模擬量I/O 點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內(nèi)部集成特殊功能。可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。 2）EM231EM231模擬量輸入模塊提供4路12位模擬量輸入通道，輸入為5V~+5V和0mA~20mA 電壓或電流。3）EM235EM235模擬量輸入/輸出模塊具有4路12位模擬量輸入通道和1路12位模擬量輸出通道，輸入為25mV~+25mV和0mA~20mA的電壓或電流。4）波士RS485介紹：波士RS485通信一定要接地線，因為 RS485通信要求通信雙方的地電位差小于 1V。即：半雙工通信接 3 根線（+A、—B、地），全雙工通信接 5 根線（+發(fā)、—發(fā)、+收、—收、地）。本產(chǎn)品均無需任何初始化設(shè)置！只用到RXD（收）、TXD（發(fā)）、GND（地）信號。485C為全雙工/半雙工通用型。作者選用波士電子的系列端點式轉(zhuǎn)換器。端點式可以帶 128 個點。光隔轉(zhuǎn)換器的隔離電壓均為2500V。波士轉(zhuǎn)換器均內(nèi)置 600W 抗雷擊浪涌保護器和 1500V 防靜電保護器。 控制方案及系統(tǒng)配置根據(jù)系統(tǒng)的要求，我們擴展了1個EM231模塊和1個EM235模塊。EM235是一個模擬量輸入/模擬量輸出的模塊，具有4路12位模擬量輸入和1路12位模擬量輸出功能；EM231是一個模擬量輸入模塊，通過可編程控制器CPU226的輸入點來實現(xiàn)開關(guān)量的采集，通過CPU226的輸出點來實現(xiàn)電磁閥和電氣轉(zhuǎn)換器的開關(guān)（22V AC），利用EM231和EM235模塊實現(xiàn)處理水的含氧量、酒流量和PH值的轉(zhuǎn)換，對平衡罐溫度、冷卻水溫度及混合后啤酒的溫度等進行采集轉(zhuǎn)換。 控制功能實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)由PLC自動開關(guān)閥門、調(diào)節(jié)閥門開度及調(diào)節(jié)變頻轉(zhuǎn)速,直接對電磁閥、氣動薄膜調(diào)節(jié)閥和變頻轉(zhuǎn)速進行控制。 平衡罐溫度調(diào)節(jié)平衡罐溫度調(diào)節(jié)的任務(wù)是，將溫度低于 25℃ 的水，用蒸汽加熱的方法將水的溫度控制在25℃左右。本控制要求不高, 所以采用二位式控制（用一個開關(guān)量控制負(fù)載方式）。調(diào)節(jié)框圖見下圖：圖47平衡罐水溫調(diào)節(jié)框圖冷卻水溫度調(diào)節(jié)的任務(wù)是將脫氧后水的溫度通過薄板換熱器控制在2～4℃之間。冷卻后的水溫是本系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，冷卻后的脫氧水將直接與高濃度啤酒混合而得到低濃度的稀釋酒。由于該控制要求比較高，采用通過PID控