【正文】 各類具體信號(hào)及性質(zhì)分類。 PLC 控制系統(tǒng)方案 根據(jù)啤酒發(fā)酵工藝控制需求，充分考慮企業(yè)的綜合實(shí)力、現(xiàn)狀與發(fā)展等因素，設(shè)計(jì)PLC 控制系統(tǒng)方案。 3 上位計(jì)算機(jī)可以動(dòng)態(tài)顯示每個(gè)發(fā)酵罐的工藝流程 即溫度、壓力、進(jìn)酒時(shí)間、酒齡及超限聲光報(bào)警等 以便對(duì)發(fā)酵罐進(jìn)行宏觀管理 并具有閥門的開關(guān)狀態(tài)顯示 ， 閥門的手自動(dòng)控制 ， 實(shí)時(shí)報(bào)表打印等功能。整個(gè)系統(tǒng)還設(shè)定了手動(dòng)操作和自動(dòng)控制選擇開關(guān)，在任意階段都能夠?qū)崿F(xiàn)兩者間的切換，實(shí)現(xiàn)了溫度、壓力的手、自動(dòng)選擇控制。 2 為了保證貯酒在不同階段的溫度設(shè)定值，設(shè)有溫度的上下限報(bào)警，為了保證罐內(nèi)壓力在不同階段的壓力設(shè)定值，設(shè)有壓力的上下限報(bào)警。 1 對(duì)每個(gè)發(fā)酵罐的上、中、下 3 個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，罐內(nèi)實(shí)行壓力檢測(cè)。其各階段轉(zhuǎn)換條件及控制要求見表 41 所示： 表 41 啤酒發(fā)酵各階段狀態(tài)表 系統(tǒng)功能 控制系統(tǒng)對(duì)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。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 4 啤酒發(fā)酵溫度 PLC 控制方案 系統(tǒng)控制要求及 功能 啤酒發(fā)酵溫度要求 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。是由于 PLC 具有多種功能，集三電于一體， PLC 網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)良的性能價(jià)格比和 PLC 具有高可靠性等等，使得 PLC 在工廠中倍受歡迎，用量高居首位，成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的支柱。此外 PLC 配置著大量?jī)?nèi)含 CPU 的智能模板，有些專用于 PID 控 制，有些用于運(yùn)動(dòng)控制，有些用于高速計(jì)數(shù)器，有些用于連網(wǎng)通信，它們采用模塊結(jié)構(gòu)，通過背板并行總線連成有機(jī)的整體。這些高性能處理器本身有很大的潛能，只要處理好不同性質(zhì)的實(shí)時(shí)多任務(wù)的調(diào)度，在 PLC 中加入針對(duì)慢連續(xù)量的過程控制并不困難。因此 PLC 被稱為“專為適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)”。在一個(gè)循環(huán)掃描周期 T中，僅只有一小段時(shí)間集中進(jìn)行 I/O 處理，也只有在這一小段集中 I/O時(shí)間中的干擾才會(huì)被引入 PLC內(nèi)部，在掃描周期的其余大部分時(shí)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(duì)輸入輸出集中進(jìn)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(jī)箱進(jìn)行了完善的電磁兼容性設(shè)計(jì)，對(duì)元器件進(jìn)行了精心的挑選 。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，啤酒發(fā)酵過程也逐步開始應(yīng)用計(jì)算機(jī)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(gè)發(fā)酵罐上的各點(diǎn)溫度，根據(jù)溫度變化情況去控制冷媒閥的開度達(dá)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(duì)象為接觸器，屬于交流低速負(fù)載。晶體管輸出模塊只能帶直流負(fù)載，是直流輸出模塊，用于高速小功率負(fù)載 。 輸入模塊有直流 24VDC 和交流 220VAC 兩種。 PLC 的容量包括主機(jī)用戶存儲(chǔ)器的內(nèi)存容量和 I/O 控制點(diǎn)數(shù)兩個(gè)方面，選擇時(shí)應(yīng)留有適當(dāng)?shù)脑Ａ孔鰝溆?。德?guó) SIEMENS公司的產(chǎn)品以可靠性高著稱，其主要產(chǎn)品有 S S7 兩個(gè)系列，包括了從大型機(jī)到小型機(jī)各個(gè)型號(hào)，在國(guó)內(nèi)使用廣泛。美國(guó)是 PLC 的發(fā)源地，以大中型機(jī)為主，功能完備，單機(jī)價(jià)格高， GE公司、 MODICON 公司、 AB 公司是其代表。 PLC 的選擇包括機(jī)型、容量、 I/O 模塊等幾個(gè)方面的內(nèi)容。 目前，國(guó)內(nèi)外的 PLC 產(chǎn)品有幾十個(gè)系列，上百個(gè)型號(hào)。這些邏輯功能不僅可以取代，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過諸如中間繼電器、時(shí)間繼電器等硬件邏輯所能達(dá)到的功能，從而為 PLC 在可靠安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 性和便利性形成特色奠定了基礎(chǔ)。完成與外設(shè)端口連 接的外圍設(shè)備 (如編程器 )或通訊適配器的通信安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 處理。在程序執(zhí)行階段， CPU 按先左后右，先上后下的順序?qū)γ織l指令進(jìn)行解釋、執(zhí)行， CPU 從輸入映像寄存器和輸出映像寄存器中讀出各繼電器的狀態(tài)，根據(jù)用戶程序給出的邏輯關(guān)系進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再寫入輸出映像寄存器中。輸入刷新時(shí)， CPU 從輸入電路中讀出各輸入點(diǎn)狀態(tài)，并將此狀態(tài)寫入輸入映像寄存器中，輸出刷新時(shí)候，將輸出繼電器的元件影響寄存器的狀態(tài)傳送到輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路隔離和功率放大，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。如果有異常情況，則根據(jù)錯(cuò)誤 的嚴(yán)重程度發(fā)出報(bào)警或停止 PLC運(yùn)行。復(fù)位監(jiān)控定時(shí)器 (WDT)，進(jìn)行硬件檢查、用戶內(nèi)存檢查等。 PLC 上電后，首先進(jìn)行初始化，然后進(jìn)圖循環(huán)工作過程，一次循環(huán)可歸納為五個(gè)工作階段。以上幾個(gè)過程共同構(gòu)成了 PLC 工作的一個(gè)工作周期。然后返回第一條指令開始，新一輪掃描。 PLC 的用戶程序若干條指令組成，指令在存儲(chǔ)器中按序號(hào)順序排列。 如圖 31所示 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 中 央 處 理 單 元 （ C P U )E P R O M ( 系統(tǒng) 程 序 ）I /O擴(kuò)展口R A M ( 用 戶 程序 ）I /O擴(kuò)展單元外設(shè)接口電 源輸出單元輸入單元外設(shè)單元輸入信號(hào)存 儲(chǔ) 器 圖 31 為 PLC 的組成示意圖 PLC 的工作原理 與其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相同， PLC 的 CPU 采用分時(shí)操作原理，每一時(shí)刻執(zhí)行一個(gè)操作，隨時(shí)間順序執(zhí)行各個(gè)操作。例如 SIEMENS S7224 型 PLC 為整體式結(jié)構(gòu)，通過主機(jī)連接 I/O 擴(kuò)展單元， I/O 點(diǎn)數(shù)可在 24點(diǎn)到 168 點(diǎn)的范圍內(nèi)進(jìn)行配置。 CPU 底板與擴(kuò)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(yīng)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(dú)立的 I/O 擴(kuò)展單元與主機(jī)配合使用。按結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu) PLC 本質(zhì)上是一臺(tái)用于控制的專用計(jì)算機(jī)，因此它與一般的控制機(jī)在結(jié)構(gòu)上有很大的相似性。 (4) 易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化 由于 PLC 采用半導(dǎo)體集成電路，因此具有體積小、重量輕、功耗低的特點(diǎn)。因此 ,它既可對(duì)開關(guān)量進(jìn)行控制，也可安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 對(duì)模擬量進(jìn)行控制，既可以控制單臺(tái)設(shè)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(shí)候，維護(hù)人員可根據(jù)各種異常狀態(tài)的指示或自診結(jié)果，快速確定故障的位置，以便迅速處理和修復(fù)。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(shù)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(jiǎn)單，使用方便。 報(bào)警和運(yùn)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(shè)計(jì)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(cuò)技術(shù)，硬件上使用多 CPU 技術(shù)，具有二三百步以上的高級(jí)指令，使 PLC 具有強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算和大批量數(shù)據(jù)處理能力?，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(qiáng)，不僅具有邏輯控制功能，還具有算術(shù)運(yùn)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(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。 圖 22 啤酒發(fā)酵 工藝曲線 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 3 應(yīng)用 PLC 實(shí)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(diǎn) 可編程序控制器 (Programmable Controller)是一種以計(jì)算機(jī) (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(jìn)入后酵，典型降溫速度為 ℃ /t cd 段為后酵階段，典型控制點(diǎn) 3℃， de 段為降溫進(jìn)入貯酒安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 階段，典型降溫速度為 ℃ /t， e f 段為貯酒階段。殺菌就是啤酒在灌裝之前對(duì)其進(jìn)行 生物穩(wěn)定性處理的最后一個(gè)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(xì)胞和其它混濁物從啤酒中分離出去 ， 否則這些物質(zhì)會(huì)在以后的時(shí)間里從啤酒中析出導(dǎo)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(duì)發(fā)酵罐內(nèi)溫度場(chǎng)也有相應(yīng)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(duì)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(fù)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(biāo)合格，發(fā)酵罐進(jìn)入第二個(gè)降溫過程，把罐內(nèi)發(fā)酵溫度從 3℃降到 0~1℃左右進(jìn)行貯酒，以提高啤酒的風(fēng)味和質(zhì)量。 (b) 后酵 — 當(dāng)罐內(nèi)溫度從前酵的 12℃降到 3℃左右時(shí)，后酵階段開始了，這一階段最主要的目 的是進(jìn)行雙乙酰還原。此時(shí)，前酵基本結(jié)束，進(jìn)行降溫轉(zhuǎn)入后酵階段。麥汁接種酵母進(jìn)入發(fā)酵罐幾小時(shí)以后逐漸開始主發(fā)酵，麥汁糖度下降，產(chǎn)生 CO2，反應(yīng)熱的釋放使整個(gè)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(yīng)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(gè)階段麥汁原料經(jīng)由連接管道由糖化罐進(jìn)入發(fā)酵罐中。在發(fā)酵開始前，根據(jù)工藝要求預(yù)先設(shè)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(jìn)行的程度 (發(fā)酵時(shí)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(shì)，自動(dòng)正確 選擇各個(gè)階段相應(yīng)的控制策略，從而達(dá)到預(yù)期的控制效果。 啤酒發(fā)酵生產(chǎn)工藝對(duì)控制的要求是，發(fā)酵罐上、中、下液溫的實(shí)時(shí)測(cè)控， 控制罐溫在特定階段與標(biāo)準(zhǔn)的工藝生產(chǎn) 曲線相符控制罐內(nèi)氣體的有效排放，使罐內(nèi)壓力符合不同階段的需要控制。氣體壓力的大小反應(yīng)了罐內(nèi) CO2 的多少，壓力到一定程度時(shí)需從罐頂排出一定的 CO2 以減小罐內(nèi)的壓力，防止爆炸。溫度參數(shù)的高低來提醒罐內(nèi)物料已加熱時(shí)間的長(zhǎng)短以便指導(dǎo)操作者進(jìn)行物料儲(chǔ)存及物料反應(yīng)。在整個(gè)發(fā)酵過程中提高啤酒質(zhì)量和口味，減輕工人的勞動(dòng) 強(qiáng)度，節(jié)約能源的關(guān)鍵。發(fā) 酵是一個(gè)放熱的過程，如果讓啤酒自然發(fā)酵，發(fā)酵液的溫度會(huì)逐漸上升，因此在發(fā)酵罐外部罐壁設(shè)置有上、中、下三段冷卻套，相應(yīng)的設(shè)立上、中、下三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)和三個(gè)調(diào)節(jié)閥，通過閥門調(diào)節(jié)冷卻套內(nèi)冷卻液的流量來實(shí)現(xiàn)對(duì)酒體溫度的控制 。錐底內(nèi)角，不銹鋼罐錐角一般為 60度，內(nèi)有涂料的鋼罐錐角通常為 75度，使排污時(shí)可強(qiáng)制酵母滑出。這樣使得罐內(nèi)發(fā)酵液與外界的熱交換量和發(fā)酵液產(chǎn)生的生化熱相比較可忽略不計(jì)，控溫中通過冷卻夾套由冷卻介質(zhì)帶走的熱量主要是生化熱。 啤酒發(fā)酵設(shè)備概述 發(fā)酵罐是啤酒生產(chǎn)的主要設(shè)備，目前，我國(guó)絕大部分啤酒廠均采用園柱錐底式發(fā)酵罐簡(jiǎn)稱錐形罐 ， — 般在圓柱部分焊有兩到三段冷卻夾套，錐底還有一冷卻夾套。此階段溫度控制應(yīng)以上、中、下三段均衡控溫為主，縮小罐內(nèi)發(fā)酵液溫差。 (6) 三攝氏度以下深冷過程 酒液降溫至 3攝氏度最高密度時(shí)將形成密度相同而溫度不同的酒液，自行區(qū)域性對(duì)流，狀態(tài)紊亂，酒液溫度形成梯度，冷卻加套冷量傳遞達(dá)不到要求，冷卻速度和酒液溫度下降緩慢，此時(shí)應(yīng)以下部控溫為主，加大錐罐底酒液控溫強(qiáng)度，降低酒 液密度，使對(duì)流方向由自下而上轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨隙拢蚱菩纬傻臏囟忍荻龋?滿足溫度控制效果，此過程下段溫度應(yīng)低于中、上段溫度 1～ 2 攝氏度 。 (5) 三攝氏度保溫過程 在整體降溫過程中， 3 攝氏度以前的降溫速度較快，降溫慣性大，在接近 3攝氏度對(duì)流方向變化過程中，易出現(xiàn)罐內(nèi)各點(diǎn)酒液溫度的紊亂，或溫度出現(xiàn)突升突降，或溫度持續(xù)變化，無法按工序執(zhí)行，且難以總結(jié)出變化規(guī)律。 (3) 降溫保溫階段 發(fā)酵液雙乙酰還原達(dá)標(biāo)后即開 始轉(zhuǎn)入降溫階段，此過程應(yīng)按照工藝設(shè)定的速度將酒液均勻了冷卻至貯酒溫度，由于此時(shí)酒液發(fā)酵已基本結(jié)束，二氧化碳生成和放熱趨于停止，原二氧化碳上升托拉力等形成的自下而上對(duì)流大為減弱，酒液在不同溫度下密度差形成對(duì)流的作用漸占主導(dǎo)，根據(jù)啤酒最大密度溫度計(jì)算公式可知，酒液最大密度時(shí)溫度約為 3攝氏度， 3 攝氏度上下的酒液對(duì)流方向相反，控溫時(shí)應(yīng)據(jù)此區(qū)別對(duì)待 。雙乙酰還原階段控溫原理與主酵段類似，但此過程發(fā)酵速度趨緩，熱量產(chǎn)生少，對(duì)流慢，對(duì)上段控溫應(yīng)緩慢、慎重，不可急劇冷卻，防止罐內(nèi)溫度出現(xiàn)較大幅度下滑，酵母大量沉積將影響雙乙酞還原。滿罐溫度的確定應(yīng)考慮麥汁分鍋次進(jìn)罐中酵母繁殖代謝使溫度上升因素的影響 ， 滿罐后的自然升溫階段切忌因各種失誤出現(xiàn)的控安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 溫 ， 應(yīng)通過此過程 ， 使酵母盡快其發(fā)酵增殖適應(yīng)新的麥汁環(huán)境形成良好的酒液對(duì)流。正常情況下，全過程必須在 14 天以上。當(dāng)溫度到達(dá) 1 攝氏度以下時(shí)發(fā)酵進(jìn)入低溫儲(chǔ)酒階段，在低溫儲(chǔ)酒階段溫度控制在 0. 5～ 10 攝氏度。當(dāng)糖度降至 度時(shí)再經(jīng)過 16 小時(shí)糖度監(jiān)測(cè)工作就結(jié)束。發(fā)酵進(jìn)入還原雙乙酰階段，這一階段要求溫度控制在 12～ 18 攝氏度 (不同工藝數(shù)