【正文】 C 被稱為“專為適應惡劣的工業(yè)環(huán)境而設計的計算機” 。在一個循環(huán)掃描周期 T 中，僅只有一小段時間集中進行 I/O 處理，也只有在這一小段集中I/O 時間中的干擾才會被引入 PLC 內(nèi)部，在掃描周期的其余大部分時間，干擾都被阻擋在 PLC 之外。此外，PLC 采用周期循環(huán)掃描方式工作，對輸入輸出集中進行處理。這不僅是由于它在硬件上采取了諸如隔離、濾波、屏蔽、接地等一系列抗干擾措施，在模板機箱進行了完善的電磁兼容性設計，對元器件進行了精心的挑選。隨著計算機控制技術的廣泛應用，啤酒發(fā)酵過程也逐步開始應用計算機控制系統(tǒng)。舊式的啤酒發(fā)酵過程控制是用許多單回路的溫度控制儀表控制每個發(fā)酵罐上的各點溫度，根據(jù)溫度變化情況去控制冷媒閥的開度，達到溫度調(diào)節(jié)的目的。本系統(tǒng)選用了 SIMENS SIMATIC S7系列 PLC 組件。上煤系統(tǒng)電控部分控制對象為接觸器，屬于交流低速負載。晶體管輸出模塊只能帶直流負載，是直流輸出模塊，用于高速小功率負載。輸入模塊有直流 24VDC 和交流 220VAC 兩種。PLC 的容量包括主機用戶存儲器的內(nèi)存容量和 I/O 控制點數(shù)兩個方面，選擇時應留有適當?shù)脑Ａ孔鰝溆?。德?SIEMENS 公司的產(chǎn)品以可靠性高著稱，其主要產(chǎn)品有 SS7 兩個系列，包括了從大型機到小型機各個型號，在國內(nèi)使用廣泛。美國是 PLC 的發(fā)源地，以大中型機為主，功能完備，單機價格高，GE 公司、MODICON 公司、 AB 公司是其代表。PLC 的選擇包括機型、容量、I/O 模塊等幾個方面的內(nèi)容。各個種類 PLC 的容量、結構形式、性能、指令系統(tǒng)、編程方法、價格各不相同，適應的工作場合也有差異。PLC 的主要功能：邏輯控制、定時控制、計數(shù)控制、步進(順序)控制、PID 控制、數(shù)據(jù)處理、通信和聯(lián)網(wǎng)，還有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，如定位控制模塊，CRT 模塊。 PLC 的主要功能和應用可編程控制器的設計思想是盡可能地利用當前先進的計算機技術去滿足用戶的需要，PLC 與繼電器接觸器控制電路的一個本質(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)外，其它的邏輯功能均在其內(nèi)部實現(xiàn)。(4) 外設端口服務。(3) 執(zhí)行用戶程序。(2) I/O 刷新。檢查正常后，方可進行下面的操作。各個階段完成的任務如下：(1) 公共處理。PLC 按工作周期方式周而復始的循環(huán)工作。除了執(zhí)行用戶程序外，在每次掃描過程中好要完成系統(tǒng)自檢測，輸入輸出處理，處理外設請求等工作。CPU 從第一條指令開始，順序逐條的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結束。這種分時操作進程稱為 CPU 對程序的掃描。圖 321 為 PLC 的組成示意圖。例如 SIEMENS S7224型 PLC 為整體式結構，通過主機連接 I/O 擴展單元，I/O 點數(shù)可在 24 點到 168 點的范圍內(nèi)進行配置。CPU 底板與擴展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過 10m。組合式 PLC 將 CPU 單元、輸入單元、輸出單元、智能 I/O 單元、通信單元等分別做成相應的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯(lián)系。另外還有獨立的 I/O擴展單元與主機配合使用。按結構形式的不同，PLC 可分為整體式和組合式兩類。 PLC 的組成與基本原理 PLC 的組成結構PLC 本質(zhì)上是一臺用于控制的專用計算機，因此它與一般的控制機在結構上有很大的相似性。(4) 易于實現(xiàn)機電一體化由于 PLC 采用半導體集成電路，因此具有體積小、重量輕、功耗低的特點。因此，它既可對開關量進行控制，也可對模擬量進行控制；既可以控制單臺設備，也可以控制一條生產(chǎn)線或全部生產(chǎn)工藝過程。PLC 的自診斷功能使在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時候，維護人員可根據(jù)各種異常狀態(tài)的指示或自診結果，快速確定故障的位置，以便迅速處理和修復。例如目前大多數(shù) PLC 采用的梯形圖語言，繼承了繼電器控制線路的清晰直觀感，很容易被電氣技術人員所接受和掌握。(2) 易操作性PLC 的易操作性表現(xiàn)為編程簡單，使用方便。軟件設計方面：采用軟件濾波，軟件自診斷，簡化編程語言，信息保護和恢復，報警和運行信息的顯示等。PLC 在硬件和軟件方面采取了如下一系列可靠性設計方法。最快的 PLC 處理一步程序僅需幾十納秒；軟件上使用容錯技術，硬件上使用多 CPU 技術，具有二三百步以上的高級指令，使 PLC 具有強大的數(shù)值運算、函數(shù)運算和大批量數(shù)據(jù)處理能力 [10]?，F(xiàn)代 PLC 采用微處理器作為中央處理單元，其功能大大增強，不僅具有邏輯控制功能，還具有算術運算、模擬量處理和通信聯(lián)網(wǎng)等功能，目前已經(jīng)被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領域。024681 01 21 40a bc def T/℃t / h圖 251 啤酒發(fā)酵工藝曲線3 應用 PLC 實現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度控制的可行性分析 可編程序控制器 PLC 的特點可編程序控制器(Programmable Controller)是一種以計算機(微處理器)為核心的通用工業(yè)控制裝置。圖中，0 a 段為自然升溫段，不須外部控制；ab 段為主發(fā)酵階段；主酵階段，典型的控制溫度為 12℃； bc 段為降溫逐漸進入后酵，典型降溫速度為 ℃/ｈ；cd 段為后酵階段，典型控制點 3℃；de 段為降溫進入貯酒階段，典型降溫速度為 ℃/ｈ；e f 段為貯酒階段。殺菌就是啤酒在灌裝之前對其進行生物穩(wěn)定性處理的最后一個環(huán)節(jié)。啤酒過濾是一種分離過程，其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母細胞和其它混濁物從啤酒中分離出去，否則這些物質(zhì)會在以后的時間里從啤酒中析出，導致啤酒混濁，目前多采用硅藻土過濾方式。另外，在不同的發(fā)酵階段，對發(fā)酵罐內(nèi)溫度場也有相應的要求：在前酵階段希望發(fā)酵罐內(nèi)從罐頂?shù)焦薜子幸徽臏囟忍荻?上段溫度低于下段溫度)，以利于發(fā)酵液對流和酵母在罐內(nèi)的均勻混合；在后酵階段，則要求發(fā)酵液由上到下必須有一定的負溫度梯度，便于酵母的沉淀和排出?！　?通常，發(fā)酵液溫度要求控制在給定溫度的177。一旦雙乙酰指標合格，發(fā)酵罐進入第二個降溫過程，把罐內(nèi)發(fā)酵溫度從 3℃降到 0～－1℃左右進行貯酒，以提高啤酒的風味和質(zhì)量。(b) 后酵—當罐內(nèi)溫度從前酵的 12℃降到 3℃左右時，后酵階段開始了，這一階段最主要的目的是進行雙乙酰還原。此時，前酵基本結束，進行降溫轉入后酵階段。麥汁接種酵母進入發(fā)酵罐幾小時以后逐漸開始主發(fā)酵，麥汁糖度下降，產(chǎn)生 CO2，反應熱的釋放使整個罐內(nèi)的溫度逐漸上升。在發(fā)酵期間，一般是往附著于罐壁上的冷卻夾套內(nèi)通入致冷酒精水或液氨來吸收生化反應熱，以維持適宜的發(fā)酵溫度，致冷量通過調(diào)節(jié)冷媒流量來控制。這個階段麥汁原料經(jīng)由連接管道由糖化罐進入發(fā)酵罐中。在發(fā)酵開始前，根據(jù)工藝要求預先設定工藝控制的溫度、壓力曲線；在發(fā)酵工程中，根據(jù)發(fā)酵進行的程度(發(fā)酵時間、糖度、雙乙酰含量等)，發(fā)酵罐上、中、下 3 段溫度的差異，以及 3 段溫度各自的變化趨勢，自動正確選擇各個階段相應的控制策略，從而達到預期的控制效果 [9]。啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)流程圖如圖 241 所示。所以需要對發(fā)酵罐內(nèi)液溫的變化進行實時控制，同時罐內(nèi)的壓力也是安全生產(chǎn)的必要控制量 [8]。液位間接反應了物料的多少，以便控制物料的儲存量，實時調(diào)控或者進行物料反應等。罐類容器的主要工況參數(shù)有溫度、液位、氣體壓力。 啤酒發(fā)酵溫控基本要求由于啤酒酵母的作用，麥汁在發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵，在發(fā)酵過程中釋放出的生化反應熱和CO2 熱量釋放導致發(fā)酵溫度上升，同時 CO2 的產(chǎn)生使罐內(nèi)壓力升高。罐的有效容量是每批麥汁的整數(shù)倍，應在16~24小時內(nèi)裝滿一個錐形罐，罐的容量系數(shù)取80%~85% 。錐形發(fā)酵罐的直徑與高度之比一般為1：~4 。整個罐體除罐頂裝置和罐底的進出口以外，全部用絕熱材料包裹起來，用其來阻隔與外界的熱交換。在貯酒過程中罐內(nèi)下段二氧化碳的密度梯度高于中上段，而下段發(fā)酵液的密度高于中、上段，同時存在自下而上和自上而下的對流，狀態(tài)紊亂，緩慢而不規(guī)則，使用調(diào)節(jié)閥控制冷媒可采用長時間小流量的操作方法，對于開關閥則可采用高頻短時間開啟控制，避免長時問深度冷卻，溫控精度要求在 ? 攝氏度，嚴禁出現(xiàn)溫度回升。(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，控溫不當將可能造成發(fā)酵液結冰。針對此情況，在生產(chǎn)中采用了 3 攝氏度保溫工藝，目的是穩(wěn)定酒液流態(tài)，是對流過程放緩或停頓，罐內(nèi)溫度均衡準確，并在保溫過程徹底排放剩余的廢酵母和沉積物，3 攝氏度保溫結束后開始進行新的對流降溫過程，實踐證明此工藝有效的保證了降溫速率及酒液澄清。(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，由于此時冷媒與酒液溫差較大，降溫及罐內(nèi)均衡過程不容易控制，應以上帶和中帶控溫為主，須防止冷卻過于強烈造成貼近罐壁處部分酒液結冰，影響降溫效果及啤酒質(zhì)量。此過程以保持發(fā)酵液適度對流和一定數(shù)量懸浮酵母為主，溫度梯度為 T 上 T 中 T 下 ，三帶溫差在 ~ 攝氏度左右。(2) 主發(fā)酵及雙乙酰還原階段主發(fā)酵階段酵母大量繁殖并產(chǎn)生較多的熱量，隨著發(fā)酵液中氧的迅速消耗，酵母在無氧呼吸下轉化為生成大量的 ，使罐內(nèi)中下部酒液中 含量遠遠高于上部，酒體密度發(fā)生變化，在 釋放及密度變化的共同作用下，發(fā)酵液發(fā)生自下而上的強烈對抗，此階段溫控應促進對流充分進行，保持旺盛發(fā)酵并均衡罐內(nèi)酒液狀態(tài)，以控制上段溫度為主，適度輔以中段，形成的溫度梯度，三帶溫差在 ℃左右。 發(fā)酵各階段溫度控制機理(1) 自然升溫階段麥汁滿罐溫度高低直接關系到發(fā)酵工藝的準確執(zhí)行，酵母前期增值速度，發(fā)酵周期的長短，發(fā)酵度的高低，酵母還原雙乙酰能力以及副產(chǎn)物形成、泡沫、口味等，過低和過高的滿罐溫度均不利于酵母和成品酒質(zhì)量。這一階段主要是讓酵母和一些固態(tài)物進行充分沉淀并進行回收。當雙乙酰濃度下降到合格標準 ()時，且糖度降至極限42~48 小時后，如果此時距離裝罐時間已大于 6天，發(fā)酵就可以進入降溫階段，分兩個階段按不同的速率降溫，此時把所有冷媒閥打開，使發(fā)酵液全速降溫。進入第二階段后，要求化驗員每隔2小時測量一次雙乙酞的濃度和糖度。主發(fā)酵階段約歷時4天。發(fā)酵液滿罐后1小時工人開始測量發(fā)酵液的滿罐糖度，以后每隔八小時測量一次。發(fā)酵液直接由糖化車間經(jīng)管道灌入，初始的溫度大約為8攝氏度左右，糖度為10度左右，每一罐發(fā)酵液需要分幾批入罐，每一次入罐后都要由化驗員測定一次糖度并把信息反饋到糖化車間，保證最后整罐發(fā)酵液的初始糖度符合標準。啤酒發(fā)酵整個過程分為：主發(fā)酵階段、還原雙乙酰階段和低溫貯酒階段。生產(chǎn)周期都在十幾天以上，要求發(fā)酵液的溫度嚴格按照一定的工藝曲線變化，溫度控制精度在 ℃范圍內(nèi)如果溫度控制偏低，就會使得發(fā)酵過程緩慢，影響生產(chǎn)進度。啤酒生產(chǎn)工藝主要由麥汁制備(俗稱糖化)、啤酒發(fā)酵、啤酒罐裝等工藝流程組成。(3) 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)軟件設計，實現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度自動控制的 PLC 控制系統(tǒng)設計。 實現(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。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測控制我國大部分啤酒生產(chǎn)廠家目前仍然采用常規(guī)儀表進行控制，人工監(jiān)控各種參數(shù)，人為因素較多。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。目前啤酒工業(yè)總的技術特點是向設備大型化、自動化、生產(chǎn)周期短，經(jīng)濟效益高的方向發(fā)展。在這種控制方式中，下位機網(wǎng)絡中控制單元一般采用 PLC，其可靠性非常高(一般可連續(xù)可靠工作 20 年)，性能穩(wěn)定，上位機網(wǎng)絡可兼容多種通訊協(xié)議(如 TCP/IP 協(xié)議)，和標準數(shù)據(jù)庫，掛在局域以太子網(wǎng)上，便于信息集成管理，和功能拓展。4) 分布式控制系統(tǒng)——采用先進的計算機控制技術與多層網(wǎng)絡結構加先進的控制算法對生產(chǎn)工序進行自動控制，主要特點是采用 PLC 作為下位機。c ．系統(tǒng)的可擴充性差。一定程度上解決了啤酒生產(chǎn)過程控制問題，但存在以下缺點：a．系統(tǒng)可靠性差。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，工人勞動強度也比較大。采取諸如數(shù)據(jù)采集器等手段采集各種過程量進入控制室，一般設有馬賽克模擬屏或上位機。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強度很大，主要生產(chǎn)設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，不可能采用較復雜的先進工藝生產(chǎn)啤酒，生產(chǎn)成本較高 [2]。1) 完全手動操作方式——其主要特點是閥門為手動。熟悉啤酒的制造工藝及過程，并通過此次設計鍛煉將理論應用于實際的能力。對提高啤酒發(fā)酵溫度控制精度，優(yōu)化啤酒溫度控制過程，使用效果好且性能穩(wěn)定可靠，編程簡單，具有非常現(xiàn)實的意義。因此，優(yōu)化啤酒發(fā)酵控制應用前景樂觀，能產(chǎn)生較大的社會經(jīng)濟效益，具有很大的應用價值。隨著控制領域新技術、新方法的不斷涌現(xiàn)，這些問題也在不斷地得到改進。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)酵液的溫度嚴格按照一定的工藝曲線變化。隨著人們對發(fā)酵機理的逐步認識，并隨著可靠性高、能經(jīng)受惡劣環(huán)境器件的引用，對發(fā)酵采用自動控制逐漸取得成功。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，控制指標的好壞將直接影響啤