【正文】 1 . 7I 2 . 0I 2 . 7ML +Q 0 . 0Q 0 . 1Q 0 . 2Q 0 . 3Q 0 . 4Q 0 . 5Q 0 . 6Q 0 . 7Q 1 . 0Q 1 . 1Q 1 . 2Q 1 . 3Q 1 . 4Q 1 . 5Q 1 . 6Q 1 . 7NL 1R A +R B +R C +I OL +MR B +R C +I OL +MEM231R A +手 動(dòng) 方 式自 動(dòng) 方 式啟 動(dòng) 麥 汁 進(jìn) 罐關(guān) 閉 麥 汁 進(jìn) 罐開 上 冷 媒 開 關(guān) 電 磁 閥開 中 冷 媒 開 關(guān) 電 磁 閥開 下 冷 媒 開 關(guān) 電 磁 閥關(guān) 上 冷 媒 開 關(guān) 電 磁 閥關(guān) 中 冷 媒 開 關(guān) 電 磁 閥關(guān) 下 冷 媒 開 關(guān) 電 磁 閥開 發(fā) 酵 罐 排 氣 閥關(guān) 發(fā) 酵 罐 排 氣 閥系 統(tǒng) 啟 動(dòng)系 統(tǒng) 急 停上 冷 媒 開 關(guān) 電 磁 閥中 冷 媒 開 關(guān) 電 磁 閥下 冷 媒 開 關(guān) 電 磁 閥發(fā) 酵 罐 排 氣 閥壓 力 超 限 報(bào) 警溫 度 超 限 報(bào) 警交 流 電 流A C 2 2 0 V發(fā) 酵 罐 上 部 溫 度 變 送 器發(fā) 酵 罐 中 部 溫 度 變 送 器發(fā) 酵 罐 下 部 溫 度 變 送 器發(fā) 酵 罐 壓 力 變 送 器發(fā) 酵 罐 液 位 變 送 器D C 2 4 V 端 子 排0 V 端 子 排D C 2 4 V 端 子 排0 V 端 子 排D C 2 4 V 端 子 排0 V 端 子 排D C 2 4 V 端 子 排T D 2 0 0 顯示 器I 3 . 0I 3 . 7I 4 . 0I 4 . 1I 4 . 2I 4 . 3I 4 . 4I 4 . 5I 4 . 6I 4 . 7ML +EM221EM222EM222Q 2 . 0Q 2 . 7Q 3 . 0Q 3 . 1Q 3 . 2Q 3 . 3Q 3 . 4Q 3 . 5Q 3 . 6Q 3 . 7ML +Q 4 . 0Q 4 . 1Q 4 . 2Q 4 . 3Q 4 . 4Q 4 . 7ML +滿 罐 溫 度 保 持主 酵 自 然 升 溫 段雙 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 段麥 汁 進(jìn) 罐 泵 運(yùn) 行自 動(dòng) 運(yùn) 行 狀 態(tài)滿 罐 溫 度 保 持 指 示主 酵 自 然 升 溫 段 指 示雙 乙 酰 還 原 階 段 指 示降 溫 保 溫 階 段 指 示后 酵 保 溫 階 段 指 示第 二 降 溫 階 段 指 示貯 酒 保 溫 階 段 指 示D C 2 4 V 端 子 排0 V 端 子 排D C 2 4 V 端 子 排0 V 端 子 排D C 2 4 V 端 子 排0 V 端 子 排 PLC 外部接線示意圖 19 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)。 根據(jù)啤酒發(fā)酵的特點(diǎn)，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。其擴(kuò)展圖如圖。 S7200 擴(kuò)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(gè)模擬量需要測量，有些情況需要對發(fā)酵罐的液位進(jìn)行測量；上溫、中溫、下溫3個(gè)溫度各需要一個(gè)二位式電磁閥進(jìn)行控制，罐內(nèi)壓力需要一個(gè)二位式電磁閥進(jìn) 16 行控制。需要連接的擴(kuò)展模塊較多時(shí)，模塊連接起來會(huì)過長，兩組模塊之間可使用擴(kuò)展連接電纜，將模塊安裝成兩排。 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。 模擬量擴(kuò)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(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。 根據(jù)對整個(gè)系統(tǒng)的考察，啤酒發(fā)酵溫度 PLC控制系統(tǒng)的 I/O點(diǎn)數(shù)及類型確定，可知 PLC 要提供 21 個(gè)開關(guān)量輸入和 15 個(gè)開關(guān)量輸出， 5 個(gè)模擬量輸入，同時(shí)考慮到要留有 20%～ 30%的余量。具體結(jié)構(gòu)見圖 顯 示 器 鍵 盤上 位 計(jì) 算 機(jī)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(jī) 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(yùn)行速度快，有極豐富的指令集，具有強(qiáng)大的多種集成功能和實(shí)時(shí)特性，配有功能豐富的擴(kuò)展模塊，性能價(jià)格比非常高 。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)，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。 輸入 /輸出節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表 輸入信號 輸出信號 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) 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(jìn)人PLC。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(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，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， 12 其中從 12℃ 保溫向 3℃ 下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)取決于酒液殘?zhí)橇慷蝗Q于發(fā)酵時(shí)間。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。其各階段轉(zhuǎn)換條件及控制要求見表所示。 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。 采用的是德國 SIEMENS 公司的 S7200 系列 PLC，運(yùn)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(jī)的控制程序 ,完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度自動(dòng)控制的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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(shí)現(xiàn)后續(xù)程序正常運(yùn)行的情況。為了達(dá)到預(yù)定的控制效果，采用自動(dòng)或由操作人員手動(dòng)選擇控制的方法。因此很難找到或建立某一確切的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行模擬和預(yù)測控制。 10 4 啤酒發(fā)酵自控系統(tǒng) PLC 程序 設(shè)計(jì)思路 啤酒發(fā)酵對象的時(shí)變性、時(shí)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。 PID控制，實(shí)際中也有 PI和 PD 控制。當(dāng)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(xué)模型時(shí)， 控制理論 的 其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 PID 控制的原理和特點(diǎn) 在工程實(shí)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)。也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)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。 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(jìn)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。 6輸入和輸出設(shè)定。 4過程參數(shù)的修改。 2可設(shè)定 CPU214 以上機(jī)型的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。 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 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 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 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(jì)數(shù)器 /定時(shí)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(jì)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(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）