【正文】 干條指令組成，指令在存儲(chǔ)器中按序號(hào)順序排列。然后返回第一條指令開(kāi)始，新一輪掃描。以上幾個(gè)過(guò)程共同構(gòu)成了 PLC 工作的一個(gè)工作周期。PLC 上電后，首先進(jìn)行初始化，然后進(jìn)圖循環(huán)工作過(guò)程，一次循環(huán)可歸納為五個(gè)工作階段，如圖 322 所示。復(fù)位監(jiān)控定時(shí)器(WDT)，進(jìn)行硬件檢查、用戶(hù)內(nèi)存檢查等。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。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(xiě)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)傳送到輸出圖 321 PLC 組成示意圖鎖存電路，再經(jīng)輸出電路隔離和功率放大，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。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(hù)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(xiě)入輸出映像寄存器中。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圖 322 PLC 工作流程圖電源接上初始化檢查硬件和用戶(hù)程序存儲(chǔ)器檢 查 結(jié) 果 正常 ？采樣輸入信號(hào)，刷新 I/O數(shù)據(jù)，更新輸出信號(hào)監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位逐條執(zhí)行用戶(hù)程序指令程 序 結(jié) 束 ？外設(shè)端口服務(wù)錯(cuò)誤標(biāo)志置位，故障燈亮故 障 性 質(zhì)I/O 內(nèi) 部 繼 電 器 清 零 ；定 時(shí) 器 復(fù) 位 ； 檢 查 I/O單 元 連 接否報(bào)警異常是 否初始化公共處理I/O 刷新執(zhí)行用戶(hù)程序外設(shè)端口服務(wù)（a） （b）處理。這些邏輯功能不僅可以取代，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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 在可靠性和便利性上形成特色奠定了基礎(chǔ) [12]。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)。因此，對(duì)于每一個(gè)準(zhǔn)備使用 PLC 的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，合理的選擇 PLC 是非常重要的，它直接影響到所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能與造價(jià)。(1) PLC 機(jī)型的選擇目前國(guó)內(nèi)使用的 PLC 以國(guó)外產(chǎn)品居多。日本的 PLC 以中小型機(jī)為主，價(jià)格便宜，典型代表為 OMRON 公司、三菱(MITSUBISHI)公司的產(chǎn)品。(2) 選擇容量。 (3) 選擇 I/O 模塊。輸出模塊有三種形式：繼電器輸出，晶體管輸出和可控硅輸出。可控硅輸出模塊是交流輸出模塊，只用于高速大功率負(fù)載；繼電器輸出模塊是交直流輸出模塊，即可帶直流也可帶交流，因其有觸點(diǎn)，故只能用于低速負(fù)載。據(jù)此選擇原則可以選用合理便捷的 PLC 產(chǎn)品。 PLC 在啤酒發(fā)酵中應(yīng)用的可行性啤酒發(fā)酵過(guò)程控制是啤酒釀造過(guò)程的一個(gè)重要工藝控制環(huán)節(jié)，發(fā)酵過(guò)程控制得好壞直接影響到整罐啤酒的產(chǎn)品質(zhì)量。該過(guò)程控制因線(xiàn)路復(fù)雜，控制參數(shù)單一，故維護(hù)工作量大，且調(diào)節(jié)效果差，特別是在發(fā)酵罐數(shù)量多，體積大，系統(tǒng)滯后大的情況下更是如此。PLC 是一種具有很高可靠性的控制裝置，它與可編程調(diào)節(jié)器、DCS 系統(tǒng)同被列為“不損壞儀表” 。而且更重要的是它采用了諸如數(shù)字濾波、指令復(fù)執(zhí)、程序卷回、差錯(cuò)校驗(yàn)等一系列軟件抗干擾措施及故障診斷技術(shù)，以及在系統(tǒng)一級(jí)的容余配置等。這種特殊的工作方式本身就具有抗干擾功能。以上這些原因使 PLC 的可靠性更高。PLC 是以控制開(kāi)關(guān)量起家的，它采用循環(huán)掃描方式，通過(guò)串行處理使其在邏輯上等效于并行處理的繼電器邏輯控制系統(tǒng)，為了不丟失輸入信號(hào)，要求循環(huán)掃描周期愈短愈好，這就使得在 PLC 中配置的處理器性能好，速度快。而在大中型 PLC 中普遍采用了多微處理器結(jié)構(gòu)進(jìn)行多道處理，這使得 PLC不僅速度快，而且可以獨(dú)立各自處理不同問(wèn)題，也可分解協(xié)調(diào)，共同處理非常復(fù)雜的問(wèn)題。所有這些都使得 PLC 適合于各種規(guī)模的自動(dòng)化系統(tǒng) [13]。因此，可編程控制器啤酒發(fā)酵過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)，可完成啤酒發(fā)酵過(guò)程控制功能，完成與上位機(jī)的通訊，實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控。啤酒發(fā)酵期罐壓力設(shè)定為 0~。表 41 啤酒發(fā)酵各階段狀態(tài)表控制要求工作階段名稱(chēng) 進(jìn)入條件 時(shí)間（小時(shí)) 溫度 ℃ 冷媒閥門(mén)麥汁進(jìn)罐 啟動(dòng)麥汁進(jìn)罐 不需設(shè)定 不需設(shè)定 關(guān)閉所有滿(mǎn)罐溫度保持 滿(mǎn)罐后，由人工輸 入“開(kāi)始” 指令 t0＝10 小時(shí) 不需設(shè)定 關(guān)閉所有主酵自然升溫段 t0 結(jié)束 t1 不需設(shè)定 中段溫度為參考點(diǎn)， 自然升至 Tl 程序控制雙乙酰還原階段 Tl＝12℃ t2 不需設(shè)定 T1=12℃ 程序控制降溫保溫階段 化驗(yàn)決定，人工輸 入指令 t3=100 小時(shí) 132t????程序控制后酵保溫階段 t3 結(jié)束且 T2=3℃ t4＝48 小時(shí) T2=3℃ 程序控制第二降溫階段 t4 結(jié)束 t5＝72 小時(shí) 2523TtT????程序控制貯酒保溫階段 t5 結(jié)束且 T3=－1℃ 不需設(shè)定 T3=－1 ℃ 程序控制 系統(tǒng)功能控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)酵過(guò)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。 (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)。(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。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(kāi)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。 (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(guān)管理，并具有閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)顯示，閥門(mén)的手自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)報(bào)表打印等功能。 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。表 42 表明各類(lèi)具體信號(hào)及性質(zhì)分類(lèi)。PLC 可以根據(jù)工藝要求設(shè)定的程序自動(dòng)完成模擬量和開(kāi)關(guān)量的處理，通過(guò)控制算法，輸出控制信號(hào)至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)閥門(mén)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，從而完成發(fā)酵工藝過(guò)程的控制。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。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(guò)程的正常運(yùn)行。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 411。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：在由于第一帶產(chǎn)品已經(jīng)過(guò)時(shí)，在這里只討論第二帶產(chǎn)品。它具有四種不同結(jié)構(gòu)配制的 CPU 單元：CPU221，CPU222，CPU224 ，CPU226，除 CPU221 之外，其他都可以加擴(kuò)展模塊。(2) CPU222 CU222，輸入輸出點(diǎn)數(shù)增為 14 點(diǎn)，具有擴(kuò)展能力，最大擴(kuò)展為 78 點(diǎn)數(shù)字量或 10 路模擬量的輸入輸出，存儲(chǔ)容量也得到擴(kuò)充，還新增了 PID 控制器。(3) CPU224 它在 CPU222 的基礎(chǔ)上使主機(jī)上的輸入輸出點(diǎn)數(shù)增為 24 點(diǎn)，擴(kuò)展能力增強(qiáng)，最大可擴(kuò)展為 168 點(diǎn)數(shù)字量或 35 點(diǎn)模擬量的輸入輸出，存儲(chǔ)容量也進(jìn)一步增加，還增加了高速計(jì)數(shù)器的數(shù)量，它具有較強(qiáng)的控制能力。根據(jù)對(duì)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(lèi)型確定，可知PLC 要提供 21 個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入和 15 個(gè)開(kāi)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。 S7200CPU 主要的性能指標(biāo)見(jiàn)表 51。(2) 用 PID 功能指令：現(xiàn)在很多可編程控制器都有供 PID 控制用的功能指令，如 S7200 的 PID 指令?？梢杂?STEP7Micro/WIN32 編程軟件中的“指令向?qū)?”簡(jiǎn)單快速的設(shè)置 PID 程序中的各種參數(shù)，設(shè)置完成后，指令向?qū)ё詣?dòng)生成 PID 程序。在上述情況下都需要用戶(hù)自己編制 PID 控制程序。在模擬量閉環(huán)過(guò)程控制領(lǐng)域內(nèi)，擴(kuò)展模擬量處理模塊，如 EM23EM23EM235，根據(jù) PLC 提供的 PID 編程功能模塊，只需設(shè)定好 PID 參數(shù)， 運(yùn)行 PID 控制指令，就能求得輸出控制值，實(shí)現(xiàn)模擬量閉環(huán)控制。其電源與公共端子圖如圖512R 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512 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(xiàn)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]。信號(hào)處理模塊主要分為四類(lèi)：開(kāi)關(guān)量輸入 DI、開(kāi)關(guān)量輸出 DO、模擬量輸入 AI、模擬量輸出 AO；擴(kuò)展方擴(kuò)展方法如圖 513 所示。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(kāi)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。圖 514 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。 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(mén)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。中央處理單元CPU226EM221DI8DC24VEM222DO8DC24VEM222DO8DC24VEM231AO4DC24VEM231AO4DC24V表 52 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s1 手動(dòng)方式 bengyx 麥汁進(jìn)罐泵運(yùn)行s2 自動(dòng)方式 mgwdbczs 滿(mǎn)罐溫度保持指示qdmzjg 啟動(dòng)麥汁進(jìn)罐 zjzrswdzs 主酵自然升溫段指示gbmxjg 關(guān)閉麥汁進(jìn)罐 sythydzs 雙乙酰還原階段指示mgwdbc 滿(mǎn)罐溫度保持 jwbwdzs 降溫保溫階段指示zjzrswd 主酵自然升溫段 hjbwjdzs 后酵保溫階段指示sythyd 雙乙酰還原階段 dejwjdzs 第二降溫階段指示jwbwd 降溫保溫階段 cjbwjdzs 貯酒保溫階段指示hjbwjd 后酵保溫階段 shanglkf 上冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥dejwjd 第二降溫階段 zhonglkf 中冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥cjbwjd 貯酒保溫階段 xialkf 下冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥kshang 開(kāi)上冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥 ylpqfyx 發(fā)酵罐排氣閥kzhong 開(kāi)中冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥 yalicxbj 壓力超限報(bào)警kxia 開(kāi)下冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥 wdcxbj 溫度超限報(bào)警gshang 關(guān)上冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥 zdyxzt 自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)gzhong 關(guān)中冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥gxia 關(guān)下冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥kylpqf 開(kāi)發(fā)酵罐排氣閥gylpqf 關(guān)發(fā)酵罐排氣閥shangwd AIW6 發(fā)酵罐上部溫度zhongwd AIW8 發(fā)酵罐中部溫度xiawd AIW10 發(fā)酵罐下部溫度f(wàn)jgyali AIW12 發(fā)酵罐壓力fjgyewei AIW16 發(fā)酵罐液位k1 系統(tǒng)啟動(dòng) k2 系統(tǒng)急停 PLC外部接線(xiàn)圖示意圖如圖521。指令系統(tǒng)是表征 PLC 性能的重要指標(biāo)，他的格式與功能硬件緊密聯(lián)系，而且直接影響程序的編制，從而影響機(jī)器系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。在一些國(guó)際組織，如 IEC(國(guó)際電工委員會(huì))制定的 PLC 輪廓性標(biāo)準(zhǔn)的限制下，雖然大部分 PLC 提供可相似的基本指令，但不同廠(chǎng)家的獨(dú)立性造成各種 PLC 指令在表示和操作上有一些差別 [17]。提供了許多類(lèi)型的指令完成廣泛的自動(dòng)化任務(wù)。IEC 11313 指令集是不同 PLC 廠(chǎng)家的指令標(biāo)準(zhǔn)，他不能使用 STL 編程語(yǔ)言。利用計(jì)算機(jī)編程軟件 STEP 7 MicroWIN /WIN32 提供的不同的編程語(yǔ)言(編輯器)，可以利用這些指令創(chuàng)建控制程序，兩種指令集和所選用編程語(yǔ)言的可能組合如表 61 所示。表 61 指令集和編程語(yǔ)言(SIMATIC IEC 11313 指令沒(méi)有梯形圖（LAD ）語(yǔ)言功能塊圖（FBD）語(yǔ)言語(yǔ)句表（STL）語(yǔ)言梯形圖（LAD ）語(yǔ)言功能塊圖（FBD）語(yǔ)言1) 語(yǔ)句表 語(yǔ)句表(STL) 語(yǔ)言類(lèi)似與計(jì)算機(jī)的匯編語(yǔ)言，特別適合與來(lái)來(lái)自計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的工程人員，用指令助記符創(chuàng)建用戶(hù)程序，屬于面向機(jī)器硬件的語(yǔ)言。②由于助記符是二進(jìn)制機(jī)器代碼的翻譯，兩者存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，翻譯后的機(jī)器代碼被 CPU 直接執(zhí)行，用語(yǔ)句表編寫(xiě)的控制程序在 PLC 主機(jī)中生成的源機(jī)器代碼最短，因而執(zhí)行速度最快。用 STEP 7 MicroWIN /WIN32 進(jìn)行編程時(shí)，可以利用語(yǔ)句表編輯器查看用梯形圖或功能塊圖編寫(xiě)的程序，反過(guò)來(lái)，不一定能夠全部用語(yǔ)句表現(xiàn)實(shí)出來(lái)。(2) 梯形圖梯形圖(LAD)最接近于繼電器接觸控制系統(tǒng)中的電器控制