【正文】 設(shè)計(jì)程序時(shí)應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的資源，盡量減少程序邏輯掃描時(shí)間，提高控制的實(shí)時(shí)性。（6）編寫程序說明書程序說明書是對(duì)程序的綜合說明，是整個(gè)程序設(shè)計(jì)工作的總結(jié)。（4）程序測(cè)試程序測(cè)試是整個(gè)程序設(shè)計(jì)工作中一項(xiàng)很重要的內(nèi)容，可以初步檢查程序的實(shí)際效果。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)使用 STEP7 編程工具。編程軟件：西門子 STEP 7 MicroWIN /WIN32（2）程序框圖設(shè)計(jì)這步的主要工作是根據(jù)控制系統(tǒng)具體情況，確定應(yīng)用程序的基本結(jié)構(gòu)、按程序設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)繪制出程序結(jié)構(gòu)框圖，然后再根據(jù)工藝要求，繪制出各功能單元的詳細(xì)功能框圖。充分利用手頭的硬件和軟件工具。熟悉被控對(duì)象、編制出高質(zhì)量的程序。 PLC 程序設(shè)計(jì)流程及原則PLC 程序設(shè)計(jì)一般應(yīng)包括以下幾個(gè)步驟：（1）程序設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作了解系統(tǒng)概況，形成整體概念。熟悉電路工作的編程人員習(xí)慣使用這種語(yǔ)言。（3）功能塊圖功能塊圖（FBD）的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電子電路的結(jié)構(gòu)極為相似。與計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言相比，梯形圖可以看作是 PLC 的高級(jí)語(yǔ)言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯?？梢娪谜Z(yǔ)句表編程實(shí)現(xiàn)的功能多。③ 用這種語(yǔ)言可以編寫出梯形圖和功能圖無(wú)法實(shí)現(xiàn)的程序。一般來(lái)說，語(yǔ)句表語(yǔ)言在選用時(shí)主要應(yīng)作如下考慮：① 它更適合與熟悉可編程序控制器結(jié)構(gòu)原理及邏輯編程的有經(jīng)驗(yàn)的程序員。此外工業(yè)軟件中的工程工具還提供程序員用的高級(jí)語(yǔ)言和圖形語(yǔ)言等多種方便的編程工具，工程人員可以根據(jù)自己的習(xí)慣在圖形化環(huán)境或匯編語(yǔ)言環(huán)境下進(jìn)行編程。SIMATIC 指令集中的部分指令不屬于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，兩種指令集在使用和執(zhí)行上也存在一定的區(qū)別，如 IEC 11311 指令中變量必須進(jìn)行類型聲明，執(zhí)行時(shí)自動(dòng)檢查指令參數(shù)并選擇合適的數(shù)據(jù)格式。SIMATIC 指令集：是為 S7200 系列 PLC 設(shè)計(jì)的，本指令通常執(zhí)行時(shí)間短，而且可以用 LAD、STL 和 FBD 三種編程語(yǔ)言 [18]。S7200 系列 PLC 主機(jī)中有兩類基本指令集： SIMATIC 指令集和 IEC 11313 指令集，程序員可以任選一種。目前，生產(chǎn)可編程序控制器的廠家非常多，各廠家都在不斷地開發(fā)和發(fā)展自己的產(chǎn)品。東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）27第 5 章 PLC 實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度控制的程序設(shè)計(jì) 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)。表 44 本機(jī)及擴(kuò)展模塊 I/O 地址分配輸入信號(hào) 輸出信號(hào)符號(hào) 地址 注解 符號(hào) 地址 注解k1 系統(tǒng)啟動(dòng) bengyx 麥汁進(jìn)罐泵運(yùn)行k2 系統(tǒng)急停 mgwdbczs 滿罐溫度保持指示s1 手動(dòng)方式 zjzrswdzs 主酵自然升溫段指示s2 自動(dòng)方式 sythydzs 雙乙酰還原階段指示qdmzjg 啟動(dòng)麥汁進(jìn)罐 jwbwdzs 降溫保溫階段指示gbmxjg 關(guān)閉麥汁進(jìn)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(guān)電磁閥jwbwd 降溫保溫階段 zhonglkf 中冷媒開關(guān)電磁閥hjbwjd 后酵保溫階段 xialkf 下冷媒開關(guān)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(bào)警kshang 開上冷媒開關(guān)電磁閥 wdcxbj 溫度超限報(bào)警kzhong 開中冷媒開關(guān)電磁閥 zdyxzt 自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)kxia 開下冷媒開關(guān)電磁閥 shangwd AIW6 發(fā)酵罐上部溫度gshang 關(guān)上冷媒開關(guān)電磁閥 zhongwd AIW8 發(fā)酵罐中部溫度gzhong 關(guān)中冷媒開關(guān)電磁閥 xiawd AIW10 發(fā)酵罐下部溫度gxia 關(guān)下冷媒開關(guān)電磁閥 fjgyali AIW12 發(fā)酵罐壓力kylpqf 開發(fā)酵罐排氣閥 fjgyewei AIW16 發(fā)酵罐液位gylpqf 關(guān)發(fā)酵罐排氣閥PLC外部接線圖示意圖如圖45。中央處理單元CPU226EM221DI8DC24VEM222DO8DC24VEM222DO8DC24VEM231AO4DC24VEM231AO4DC24V東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）24 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(jù)啤酒發(fā)酵溫度控制的工藝流程及實(shí)際需求，確定整個(gè)系統(tǒng)共有 26 個(gè)輸入點(diǎn)，其中 5 個(gè)模擬量；16 個(gè)輸出點(diǎn)，考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展留有少量冗余，因此選用西門子 S7226PLC CPU 模塊 1 塊、 EM221 擴(kuò)展模塊 1 塊、EM222 擴(kuò)展模塊 2 塊、EM231 模擬量擴(kuò)展模塊 2 塊。圖 44 模塊擴(kuò)展連接圖 其他資源配置除了 PLC 必需的 I/O 擴(kuò)展模塊之外，另外涉及的設(shè)備儀表有測(cè)溫用 Pt100 鉑電阻溫度變送器、壓力變送器、液位變送器等。所以每只發(fā)酵罐的 I/O 點(diǎn)數(shù)為 5 個(gè)模擬量、36 個(gè)開關(guān)量考慮到 CPU226 主機(jī)上的 I/O 口不夠多必須對(duì)它進(jìn)行擴(kuò)展，在這選用 EM 221 CN 數(shù)字量輸入模塊（6ES7 211～1BF22～0XA8） 、EM 222 CN 數(shù)字量輸出模塊（ 6ES7 222～1HF220XA8） 、模擬量擴(kuò)展模塊 EM231CNAI4X12位。信號(hào)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；東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）23擴(kuò)展方擴(kuò)展方法如圖 43 所示。R A A + A R B B + B R C C + C R D D + D E M 2 3 1A I 4M L +C o n f i g r a t i o nG a i n+電壓變送器未用輸入端電流變送器2 4 V+N o t u s e d2 4 V D C 電源和公共端子圖42 EM231電源與公共端子圖 控制系統(tǒng)硬件配置 S7200 PLC 的擴(kuò)展模塊S7200 PLC 可以安裝在板上，也可以安裝在標(biāo)準(zhǔn) DIN 導(dǎo)軌上，利用總線連接電纜，可以很容易的把 CPU 模塊和擴(kuò)展模塊連接在一起 [16]。 模擬量擴(kuò)展模塊EM231 模塊提供了模擬量輸入/輸出的功能，優(yōu)點(diǎn)如下：（1）最佳適應(yīng)性：可適用于復(fù)雜的控制場(chǎng)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(dāng)實(shí)際應(yīng)用變化時(shí)，PLC 可以相應(yīng)地進(jìn)行擴(kuò)展，并可非常容易的調(diào)整用戶程序。本系統(tǒng)需對(duì)啤酒發(fā)酵過程中溫度、壓力、液位、周期等工藝參數(shù)進(jìn)行全方位檢測(cè)控制，選擇 S7200PLC 主機(jī)，擴(kuò)展模擬量處理模塊，利用 PLC 提供的 PID 編程功能模塊，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模擬量的閉環(huán)控制。（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 控制指令，但是希望采用某種改進(jìn)的 PID 控制算法 [15]。它們實(shí)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(jià)格便宜的多。表 43 S7200CPU 主要的性能指標(biāo)特性 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226外形尺寸 80*80*62 90*80*62 *80*62 190*8.*62存儲(chǔ)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(chǔ)器類型 EEPROM EEPROM EEPROM EEPROM數(shù)據(jù)后備（超級(jí)電容）典型值 50 小時(shí) 50 小時(shí) 50 小時(shí) 50 小時(shí)輸入輸出本機(jī) I/O 6 入 4 出 8 入/6 出 14 入/10 出 24 入/16 出擴(kuò)展模塊數(shù)量 無(wú) 2 個(gè)模塊 7 個(gè)模塊 72 個(gè)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(wú) 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(shí)數(shù)指令 有 有 有 有整數(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(jì)數(shù)器/定時(shí)器 256/256 256/256 256/256 256/256寫入/寫出 無(wú) 16/16 32/32 32/32順序控制繼電器 256 256 256 256東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）21附加功能內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器 4H/W（20KH Z） 4H/W（20KH Z） 6H/W（20KH Z） 6H/W（20KH Z）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（20KH Z，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(shí)中斷 2（ 1~255ms） 2（ 1~255ms） 2（ 1~255ms） 2（ 1~255ms）定時(shí)時(shí)鐘 有（時(shí)鐘卡） 有（時(shí)鐘卡） 有（內(nèi)置） 有（內(nèi)置）口令保護(hù) 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(hào)口1 號(hào)口PPI，DP/T自由口N/APPI，DP/T自由口N/A PPI，DP/T自由口N/APPI，DP/T自由口（同 0 號(hào)口） 模擬量擴(kuò)展模塊 PLC 對(duì)模擬量信號(hào)的 PID 控制方式用可編程控制器對(duì)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(lái)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。通過比較 S7200 四種 CPU 的各種技術(shù)指標(biāo)，選定 CPU226 為啤酒發(fā)酵溫度 PLC 控制的控制器。（4）CPU226這種模塊在 CPU224 的基礎(chǔ)上功能又進(jìn)一步增強(qiáng)，主機(jī)輸入輸出點(diǎn)數(shù)增為 40 點(diǎn)，具有擴(kuò)展能力，最大擴(kuò)展為 248 點(diǎn)數(shù)字量或 35 點(diǎn)模擬量，增加了通信口的數(shù)量，通信能力大大增強(qiáng)，它可用于點(diǎn)數(shù)較多、要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。它的適應(yīng)范圍更廣。（1）CPU 221CPU221，輸入輸出點(diǎn)數(shù)只有 10 點(diǎn)，而且無(wú)擴(kuò)展能力，具有高速計(jì)數(shù)器和高速脈沖輸出端，CPU221 多用于點(diǎn)數(shù)較少的開關(guān)量控制系統(tǒng)中。第二代產(chǎn)品其 CPU 模塊為 CPU22X，是 21 世紀(jì)初投放市場(chǎng)的，速度快，具有較強(qiáng)的通信能力。從 CPU 模塊的功能來(lái)看，SIMATIC S7200 系列小型可編程程序控制器發(fā)展至今，大致經(jīng)歷了兩代。具體結(jié)構(gòu)見圖 41。在意外故障情況下，可以切換自動(dòng)，進(jìn)人手動(dòng)狀態(tài)，從而保證發(fā)酵工藝過程的正常運(yùn)行。同時(shí)，東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）19相關(guān)數(shù)據(jù)通過 PLC 的通信接口單元和上位機(jī)通信鏈路傳至上位機(jī)和模擬屏；上位機(jī)及模擬屏相同的圖形完成系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控與動(dòng)態(tài)處理。 表 42 輸入/輸出節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表輸入信號(hào) 輸出信號(hào)啟動(dòng)麥汁進(jìn)罐 手動(dòng)方式 麥汁進(jìn)罐泵運(yùn)行關(guān)閉麥汁進(jìn)罐 自動(dòng)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(dòng) 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(bào)警發(fā)酵罐液位 溫度超限報(bào)警自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)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(jìn)人PLC。通過對(duì)系統(tǒng)的整體分析，可以分析出來(lái)系統(tǒng)要提供 21 個(gè)開關(guān)量輸入，16 個(gè)開關(guān)量輸出，五路模擬量的輸入，實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵各階段溫度控制。 能監(jiān)視每個(gè)發(fā)酵罐的溫度、壓力周期曲線，當(dāng)累積酒齡達(dá)到時(shí)，自動(dòng)出信號(hào)，以便人工確定是否執(zhí)行下步操作。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(wú)法實(shí)現(xiàn)后續(xù)程序正常運(yùn)行的情況。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。整個(gè)發(fā)酵過程的溫度控制在不同發(fā)酵時(shí)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(jìn)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，其中從 12℃保溫向