畢業(yè)論文-基于plc的啤酒發(fā)酵自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣州大學(xué)松田學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目_基于PLC的啤酒發(fā)酵自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)_基于PLC啤酒發(fā)酵自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要啤酒發(fā)酵是啤酒生產(chǎn)中最重要的一道工序，是決定啤酒質(zhì)量的最關(guān)鍵的一步。啤酒的發(fā)酵是把糖化的姜汁分解成乙醇，由于發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)，過(guò)程機(jī)理復(fù)雜，影響發(fā)酵因素很多，對(duì)發(fā)酵過(guò)程缺乏精確的數(shù)學(xué)模型。從原料到發(fā)酵過(guò)程，如何控制好溫度，壓力，讓發(fā)酵滿總生產(chǎn)工藝曲線，決定了啤酒的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，發(fā)酵過(guò)程是啤酒生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，發(fā)酵控制系統(tǒng)的任務(wù)就是將發(fā)酵酒液的實(shí)際溫度控制在和標(biāo)準(zhǔn)發(fā)酵曲線相差有限的誤差范圍內(nèi)。過(guò)去的啤酒發(fā)酵過(guò)程，啤酒發(fā)酵罐多為人工現(xiàn)場(chǎng)操作調(diào)節(jié)，手工記錄。但隨著啤酒產(chǎn)量的不斷增加，所需發(fā)酵罐也會(huì)增多，給生產(chǎn)啤酒帶來(lái)極大的不便，造成生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定，如何提高啤酒生產(chǎn)的綜合自動(dòng)化水平，增強(qiáng)啤酒產(chǎn)業(yè)實(shí)力成為一個(gè)好的研究課題。為止，本文通過(guò)對(duì)啤酒生產(chǎn)發(fā)酵過(guò)程的工藝及關(guān)鍵問(wèn)題的分析，基于PLC設(shè)計(jì)啤酒生產(chǎn)過(guò)程中啤酒發(fā)酵自動(dòng)控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞PLC啤酒發(fā)酵溫度控制BASEDONTHEDESIGNOFPLCAUTOMATICCONTROLSYSTEMOFBEERFERMENTATIONABSTRACTBEERFERMENTATIONISONEOFTHEMOSTIMPORTANTPROCEDUREINBEERPRODUCTION,ISTHEMOSTCRUCIALSTEPINDETERMININGTHEQUALITYOFBEERBEERFERMENTATIONISTHEBREAKDOWNOFSACCHARIFICATIONGINGERINTOETHANOL,DUETOTHELONGFERMENTATIONTIME,THEPROCESSMECHANISMISCOMPLEX,MANYFACTORSINFLUENCINGTHEFERMENTATION,THEFERMENTATIONPROCESSISALACKOFACCURATEMATHEMATICALMODELFROMRAWMATERIALTOTHEFERMENTATIONPROCESS,HOWTOCONTROLTHETEMPERATURE,PRESSURE,ANDMAKEFULLOFTHETOTALFERMENTATIONTECHNOLOGYCURVE,DETERMINESTHEPRODUCTIONQUALITYANDPRODUCTIONEFFICIENCYOFBEER,THEFERMENTATIONPROCESSISTHEIMPORTANTLINKINTHEPROCESSOFBEERPRODUCTION,FERMENTATIONCONTROLSYSTEMOFTHETASKISTOCONTROLTHEFERMENTATIONLIQUIDOFACTUALTEMPERATUREFERMENTATIONANDSTANDARDCURVEISLIMITEDWITHINTHEERRORRANGETHEBEERFERMENTATION,BEERFERMENTATIONTANKFORARTIFICIALFIELDOPERATIONADJUSTMENT,MANUALRECORDBUTASTHEINCREASEOFBEERPRODUCTION,THEFERMENTATIONTANKWILLBENEEDEDTOINCREASE,PRODUCEDBEERTOBRINGHUGEINCONVENIENCECAUSEDBYTHESTABLEQUALITYOFPRODUCTION,HOWTOIMPROVETHECOMPREHENSIVEAUTOMATIONLEVELOFBEERPRODUCTION,STRENGTHENTHEBEERINDUSTRYTOBECOMEAGOODRESEARCHTOPICSOFAR,THISARTICLETHROUGHTOTHEFERMENTATIONPROCESSOFBEERPRODUCTIONPROCESSANDTHEANALYSISOFTHEKEYPROBLEMSOFBEERPRODUCTIONINTHEPROCESSOFBEERFERMENTATIONBASEDONPLCDESIGNOFAUTOMATICCONTROLSYSTEMKEYWORDSBEERFERMENTATIONTEMPERATURECONTROLBYPLC目錄1緒論111課題的背景112國(guó)內(nèi)啤酒生產(chǎn)過(guò)程控制概況213啤酒生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的作用和意義32啤酒發(fā)酵321啤酒發(fā)酵概述322啤酒發(fā)酵的具體過(guò)程323啤酒發(fā)酵設(shè)備424啤酒發(fā)酵工藝曲線53啤酒發(fā)酵自控系統(tǒng)PLC選型和配置631PLC選型632S7200主要功能及特點(diǎn)833文本顯示器TD2001034電磁閥PWM1035PID控制的原理和特點(diǎn)1036PLC其他資源配置114啤酒發(fā)酵自控系統(tǒng)PLC程序1041設(shè)計(jì)思路1042系統(tǒng)硬件配置13421CPU的選型13422模擬量擴(kuò)展模塊13424控制系統(tǒng)硬件配置14425其他資源配置1543啤酒發(fā)酵溫度PLC控制系統(tǒng)的I/O分配16431I/O地址分配1644編程軟件的介紹18441指令系統(tǒng)1845程序流程圖1846PLC功能模塊程序設(shè)計(jì)21461主程序22462主酵自然升溫段程序22463溫度控制程序22464模擬量信號(hào)采集處理23465發(fā)酵狀態(tài)處理25466溫度設(shè)定值的計(jì)算29467PID回路計(jì)算31468電磁閥控制33469軟件調(diào)試34結(jié)論34主要參考文獻(xiàn)35致謝35附錄361緒論11課題的背景啤酒是一種低濃度的飲料，也是富含營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的食品，每100G中僅有酒精35G，一般不超過(guò)8G。它有特殊的酒精花清香味和適口的苦味，并有較高的營(yíng)養(yǎng)成分即有較高的發(fā)熱量。啤酒是世界上產(chǎn)量以及消費(fèi)最大的一種酒，啤酒市場(chǎng)非常巨大，世界啤酒的未來(lái)充滿希望，歐洲啤酒市場(chǎng)和美國(guó)啤酒市場(chǎng)，隨著人均消費(fèi)量增長(zhǎng)，啤酒消費(fèi)量增長(zhǎng)顯著，居世界前列。作為世界最大且增速最快的啤酒，飲料生產(chǎn)消費(fèi)大國(guó)之一，中國(guó)已日趨成為最具吸引力市場(chǎng)。未來(lái)五年中國(guó)啤酒將保持平穩(wěn)持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。同時(shí)啤酒工業(yè)是我國(guó)食品工業(yè)中一個(gè)重要的產(chǎn)業(yè)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活的改善，喝啤酒變成一種時(shí)尚，我們國(guó)家人均啤酒消費(fèi)較世界水平少，這也透出了我國(guó)啤酒市場(chǎng)濃濃的商機(jī)。我國(guó)內(nèi)生產(chǎn)啤酒的企業(yè)數(shù)以百計(jì)，但與國(guó)外的主要啤酒生產(chǎn)廠家相比，大部分企業(yè)的技術(shù)相對(duì)落后，國(guó)的啤酒生產(chǎn)工業(yè)前存在許多不盡如人意的地方。由于啤酒生產(chǎn)的工藝復(fù)雜，目前我國(guó)大多數(shù)啤酒生產(chǎn)企業(yè)裝備落后，自動(dòng)化程度低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。大部分處于手動(dòng)控制階段，只有極少數(shù)企業(yè)實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化，國(guó)內(nèi)的啤酒行業(yè)迫切要求進(jìn)行技術(shù)改造，提高生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，以確保在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。如何提高啤酒生產(chǎn)的綜合自動(dòng)化水平，增強(qiáng)我國(guó)啤酒產(chǎn)業(yè)的綜合實(shí)力是一個(gè)很好的研究課題。啤酒釀造過(guò)程是這樣的糖化，麥汁充氧，添加酵母，發(fā)酵，降溫，倒罐，貯酒。而我要做的就是其中發(fā)酵的一部分，啤酒發(fā)酵也是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，啤酒生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)酵是一道關(guān)鍵工序，除生產(chǎn)工藝水平外，生產(chǎn)工序控制指標(biāo)的好壞將直接影響啤酒的質(zhì)量。啤酒發(fā)酵是啤酒生產(chǎn)中最重要的一道工序，是決定啤酒質(zhì)量的最關(guān)鍵的一步。啤酒的發(fā)酵過(guò)程能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化后，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度將大大地減小，同時(shí)啤酒的質(zhì)量與生產(chǎn)都有望升上一個(gè)新的臺(tái)階，企業(yè)通過(guò)技術(shù)改造增加了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。另一方面，不少化工生產(chǎn)過(guò)程都具有相似性，因此我們研制的這一套控制系統(tǒng)性價(jià)比高，以后還可以推廣到其他很多化工廠生產(chǎn)的場(chǎng)合。應(yīng)用前景樂(lè)觀，能產(chǎn)生較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，能應(yīng)用新技術(shù)，新材料，新設(shè)備改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率。發(fā)酵過(guò)程是啤酒生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，發(fā)酵控制系統(tǒng)的任務(wù)就是將發(fā)酵酒液的實(shí)際溫度控制在和標(biāo)準(zhǔn)發(fā)酵曲線相差有限的誤差范圍內(nèi)。其中前發(fā)酵是啤酒發(fā)酵的主要過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，酵母完成了增殖，厭氧發(fā)酵及其沉淀回收等。這個(gè)過(guò)程消耗了大部分可發(fā)酵性糖和可同化性氮等麥汁成分，排出的發(fā)酵代謝產(chǎn)物即啤酒的主要組成。而后發(fā)酵就是對(duì)主發(fā)酵的殘?zhí)抢^續(xù)發(fā)酵，達(dá)到要求的發(fā)酵度，排除氧氣，增加酒精中的CO2的溶解量。促進(jìn)發(fā)酵液成熟，改善口味，促進(jìn)啤酒自然澄清，使其具有良好的穩(wěn)定性。啤酒發(fā)酵罐內(nèi)部溫度的精確控制，進(jìn)而解決了啤酒發(fā)酵罐內(nèi)部溫度控制精度不高的問(wèn)題，提高了啤酒生產(chǎn)的綜合自動(dòng)化水平，使啤酒生產(chǎn)集控制與數(shù)據(jù)管理于一身，能夠適應(yīng)當(dāng)前現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。12國(guó)內(nèi)啤酒生產(chǎn)過(guò)程控制概況我國(guó)啤酒的產(chǎn)量逐步發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)較高水平，品種也趕上去，這就要求國(guó)內(nèi)啤酒生產(chǎn)發(fā)酵過(guò)程控制和更新生產(chǎn)設(shè)備能否滿足市場(chǎng)的需求。引進(jìn)國(guó)外控制技術(shù)。北京華爾森啤酒廠從捷克全套引進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備；北京華都啤酒廠從丹麥引進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備；上海華光啤酒廠從瑞士引進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備等。引進(jìn)設(shè)備的最大特點(diǎn)是自動(dòng)化水平比較高，從而能嚴(yán)格滿足啤酒生產(chǎn)工藝的要求，因此產(chǎn)量較高，質(zhì)量較穩(wěn)定。2根據(jù)國(guó)情自行研究的技術(shù)1993年國(guó)家輕工業(yè)部自動(dòng)化研究所研制的“PW40啤酒發(fā)酵微機(jī)控制系統(tǒng)”在廈門華僑啤酒廠投入使用，其控制方案也是采用單變量溫度控制；國(guó)內(nèi)中小企業(yè)結(jié)合本廠生產(chǎn)實(shí)際自行研究的自動(dòng)化儀表加手動(dòng)的生產(chǎn)控制技術(shù)，造價(jià)低，效果一般，符合企業(yè)目前的狀況，但不能滿足企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的需求。我國(guó)普遍啤酒廠存在的問(wèn)題1產(chǎn)品低劣，品種單一；2技術(shù)含量低，自控水平差，生產(chǎn)過(guò)程多為人工或簡(jiǎn)單控制，使得啤酒質(zhì)量不穩(wěn)定3原材料消耗大，與國(guó)際先進(jìn)水平存在較大差距13啤酒生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的作用和意義國(guó)內(nèi)目前啤酒市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，體現(xiàn)在兩個(gè)方面質(zhì)量和價(jià)格。為適應(yīng)現(xiàn)在生產(chǎn)的要求，提高啤酒的質(zhì)量，提高生產(chǎn)率，在啤酒生產(chǎn)中自動(dòng)化控制可以增加競(jìng)爭(zhēng)能力體現(xiàn)在提高工藝廠品質(zhì)量，以及原材料的利用，降低生產(chǎn)成本，減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。強(qiáng)化產(chǎn)品質(zhì)量管理。輔助生產(chǎn)管理，方便生產(chǎn)成本的控制盒管理啤酒生產(chǎn)有自己獨(dú)有的環(huán)境，只有結(jié)合國(guó)內(nèi)的啤酒行業(yè)實(shí)際情況，針對(duì)其特殊性，才能開發(fā)出適合的生產(chǎn)啤酒的自動(dòng)控制系統(tǒng)。2啤酒發(fā)酵21啤酒發(fā)酵概述啤酒發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，發(fā)酵過(guò)程是把糖化姜汁經(jīng)過(guò)酵母生產(chǎn)乙醇、水、二氧化碳等產(chǎn)物。最終控制為糖度和雙乙酰。糖量決定乙醇含量，雙乙酰有氣味的物質(zhì)。發(fā)酵過(guò)程的溫度變化與發(fā)酵液的糖度和雙乙酰成統(tǒng)計(jì)關(guān)系。實(shí)際上，控制發(fā)酵液的溫度是以人工化驗(yàn)。在啤酒大規(guī)模生產(chǎn)中，要求發(fā)酵液溫度按照一定的工藝曲線變化，溫度精確05。如果溫度過(guò)高，會(huì)影響啤酒質(zhì)量，反之則影響了啤酒生產(chǎn)效率。22啤酒發(fā)酵的具體過(guò)程啤酒發(fā)酵主要有3個(gè)過(guò)程主發(fā)酵、還原雙乙酰和低溫貯酒。主發(fā)酵階段，從原姜汁開始主發(fā)酵，溫度要控制在10。發(fā)酵液有糖化車間經(jīng)管道灌入，起始溫度8，每罐發(fā)酵液分批入罐，每次都要測(cè)定糖度信息反饋到糖化車間，保證整罐發(fā)酵液符合標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)實(shí)施溫度控制，保證發(fā)酵液在規(guī)定的溫度。發(fā)酵液滿罐一小時(shí)測(cè)量其糖度，每八小時(shí)一次，當(dāng)糖度降至65度，每?jī)尚r(shí)測(cè)一次，直到60度。還原雙乙酰階段，溫度要求1218，進(jìn)入第二階段要每2小時(shí)測(cè)雙乙酰的濃度和糖度，直到糖度降至30度每8小時(shí)測(cè)一次。當(dāng)雙乙酰濃度到合格標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)酵就進(jìn)入降溫階段。發(fā)酵溫度控制機(jī)制1自動(dòng)升溫階段，姜汁滿罐酵母自然升溫，要控制溫度，否則會(huì)導(dǎo)致啤酒質(zhì)量下降。2主發(fā)酵和雙乙酰還原階段，酵母大量繁殖產(chǎn)生較多熱量，當(dāng)酵母進(jìn)行無(wú)氧呼吸，使罐內(nèi)中，下部酒液濃度不同，要保持強(qiáng)烈的發(fā)酵并均衡的酒液狀態(tài)，要控制不同部分的溫度。3降溫保溫，還原雙乙酰后轉(zhuǎn)入降溫階段，將酒均為冷卻與貯酒溫度。酒在不同溫度選會(huì)形成對(duì)流的作用。酒液密度溫度在直接冷卻3，要以上帶和中帶控溫為主。3保溫穩(wěn)定酒液流態(tài)。3以下控制罐下部為主控溫，打破溫度梯度，滿足控制溫度效果23啤酒發(fā)酵設(shè)備發(fā)酵罐設(shè)有上，中，下三個(gè)冷卻帶，有3個(gè)電磁閥控制冷卻，并有3個(gè)溫度傳感器檢測(cè)3點(diǎn)溫度，啤酒發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)示意圖PIC01TIC01TIC02TIC03LI01電磁閥關(guān)排放CO2上層溫度中層溫度下層溫度罐內(nèi)壓力罐內(nèi)液位冷媒出口冷媒入口啤酒發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)示意圖24啤酒發(fā)酵工藝曲線啤酒的合口和實(shí)際要求不同，啤酒發(fā)酵工藝曲線也不同，嚴(yán)格按照工藝曲線控制溫度和壓力才能保證啤酒質(zhì)量。啤酒發(fā)酵工藝曲線如下T0麥汁進(jìn)罐溫度T1第一升溫時(shí)間段，自然升溫T2第一恒溫時(shí)間段T3第二升溫時(shí)間段，自然升溫，主發(fā)酵保溫T4第二恒溫時(shí)間段，雙乙酰含量，主發(fā)酵降溫T5第一降溫時(shí)間段，后發(fā)酵保溫T6第二恒溫時(shí)間段，后發(fā)酵降溫T7第二降溫時(shí)間段各個(gè)階段進(jìn)行簡(jiǎn)單地介紹1麥汁進(jìn)料，由糖化階段產(chǎn)生的麥汁原料由糖化罐進(jìn)入發(fā)酵罐中。2自然升溫，酵母的加入，酵母菌逐漸開始生長(zhǎng)和繁殖。產(chǎn)生大量的二氧化碳和熱量，使原料的溫度逐漸上升。3自然升溫發(fā)酵，產(chǎn)生一種學(xué)名叫雙乙酰的化學(xué)物質(zhì)。這個(gè)過(guò)程需要將這個(gè)化合物除去，增加啤酒的品質(zhì)。4降溫過(guò)程其實(shí)屬于啤酒發(fā)酵的后續(xù)過(guò)程，其作用是將發(fā)酵過(guò)程中加入的酵母菌進(jìn)行沉淀、排出。5低溫儲(chǔ)酒發(fā)酵完成的原料繼續(xù)儲(chǔ)存在發(fā)酵罐已經(jīng)發(fā)酵完成的原料繼續(xù)儲(chǔ)存在發(fā)酵罐等待過(guò)濾、稀釋、殺菌等過(guò)程的進(jìn)行。3啤酒發(fā)酵自控系統(tǒng)PLC選型和配置31PLC選型可編程控制器PLC工作原理當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段1輸入采樣即檢查各輸入的開關(guān)狀態(tài)，將這些狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)為下一階段使用；2執(zhí)行程序然后PLC按用戶程序中的指令逐條執(zhí)行，但是把執(zhí)行結(jié)果暫時(shí)存儲(chǔ)起來(lái)；3刷新輸出按第1階段的輸入狀態(tài)在第2階段執(zhí)行程序中確定的結(jié)果，在本階段中對(duì)輸出予以刷新；電源中央處理單元（CPU）存儲(chǔ)器EPROM系統(tǒng)程序RAM（用戶程序）輸入單元輸出單元外設(shè)接口擴(kuò)展口擴(kuò)展單元編程器輸入信號(hào)輸出信號(hào)盒式打印機(jī)打印機(jī)EPROM寫入器PLC或上位計(jì)算機(jī)PLC組成示意圖PLC的特點(diǎn)控制程序可變，具有很好的柔性；具有高度可靠性，適用于工業(yè)環(huán)境；功能完善；易于掌握、便于維修。據(jù)啤酒發(fā)酵的工藝流程和需要，PLC的選型需要滿足以下條件1、有簡(jiǎn)單回路控制算法。；2、有模擬量的采集、處理過(guò)程及開關(guān)量的輸入/輸出功能。3、有溫度顯示和用外部按鍵隨時(shí)改變內(nèi)部參數(shù)PLC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。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。西門子S7200系列PLC，S7200系列的PLC具有體積小，運(yùn)行速度高，功能強(qiáng)等特點(diǎn)。1S7200PLC機(jī)械結(jié)構(gòu)特性體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，可用接線端子排接線，而且接線端子前帶有面板保護(hù)，PLC上設(shè)計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)的DIN導(dǎo)軌安裝機(jī)構(gòu)和安裝孔，可以垂直或水平方向安裝。2S7的電氣結(jié)構(gòu)特性1免維護(hù)性。S7200CPU中配有EPROM，可以永久保護(hù)用戶程序和一些重要參數(shù)。它還安裝有大容量電容，可以長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)而不需要后備電池。2PLC內(nèi)有24直流傳感器或負(fù)載驅(qū)動(dòng)電源，輸出電流可達(dá)180MA或24MA靈活中斷輸入。3為了適合不同場(chǎng)合使用，每種CPU又都有3種不同的類型可供選擇4靈活中斷輸入。S7200CPU可以以極快的速度來(lái)響應(yīng)中斷請(qǐng)求信號(hào)的上升沿或下降沿5PLC內(nèi)配有高速計(jì)數(shù)器。CPU212有一個(gè)2KHZ的加/減計(jì)數(shù)器，而CPU214CPU216有兩個(gè)獨(dú)立的7KHZ的高速計(jì)數(shù)器，他們可用軟件或硬件復(fù)位。6便于擴(kuò)展，為系統(tǒng)備有專用的擴(kuò)展模塊（EN），可方便地進(jìn)行輸入，輸出及模擬量擴(kuò)展。7模擬電位器外部設(shè)定32S7200主要功能及特點(diǎn)（1）執(zhí)行指令速度高。（2）豐富的指令功能。（3）靈活的中斷功能，中斷觸發(fā)有幾種形式可用軟件設(shè)定為中斷輸入信號(hào)的上升沿式下降沿，以便做出快速響應(yīng)；可設(shè)為時(shí)間控制的自動(dòng)中斷；可由內(nèi)置高數(shù)計(jì)數(shù)器自動(dòng)觸發(fā)中斷；在與外設(shè)通信時(shí)可以以中斷分式工作。（4）輸入和輸出的直接查詢和賦值。（5）嚴(yán)格的口令保護(hù)。（6）調(diào)試和故障診斷功能。（7）輸入或輸出的強(qiáng)制功能。用戶調(diào)試程序時(shí)，可對(duì)輸入或輸出強(qiáng)制接通。（8）通信功能。用戶提供了強(qiáng)大，靈活的通信功能。用戶對(duì)點(diǎn)接口（PPI）作96KBIT/S的數(shù)據(jù)通信，用RS485接口實(shí)現(xiàn)高速用戶可編和接口。S7200CPU主要的性能指標(biāo)見表。特性CPU221CPU222CPU224CPU226外形尺寸80806290806212058062190862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EEPROMEEPROMEEPROMEEPROM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/O6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256256256256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037US/指令037US/指令037US/指令037US/指令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128Q128I和128Q128I和128Q128I和128Q內(nèi)部通用繼電器256256256256計(jì)數(shù)器/定時(shí)器256/256256/256256/256256/256寫入/寫出無(wú)16/1632/3232/32順序控制繼電器256256256256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1122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（1255MS）2（1255MS）2（1255MS）2（1255MS）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/APPI，DP/T自由口N/APPI，DP/T自由口（同0號(hào)口）S7200CPU主要的性能指標(biāo)33文本顯示器TD200S7200系統(tǒng)中的文本顯示器TD200是在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的有效設(shè)備，TD200連接簡(jiǎn)單，只需要用按特定的通信電纜連接到PPI接口上就可以了。1顯示信息，可以顯示最多80條信息，每條信息最多可包含4個(gè)變量。2可設(shè)定CPU214以上機(jī)型的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。3提供強(qiáng)制I/O點(diǎn)診斷功能。4過(guò)程參數(shù)的修改。5可編程的8個(gè)功能鍵可以代替普通的控制按鈕作為控制鍵。6輸入和輸出設(shè)定。8個(gè)可編程式功能鍵盤的每一個(gè)都分配了一個(gè)存儲(chǔ)器位。34電磁閥PWM脈沖寬度調(diào)制PWM，是英文“PULSEWIDTHMODULATION”的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)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(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈寬調(diào)制（PWM）基本原理控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或所需要的波形。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。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。35PID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(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)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(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。4啤酒發(fā)酵自控系統(tǒng)PLC程序41設(shè)計(jì)思路啤酒發(fā)酵對(duì)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。由于每個(gè)發(fā)酵罐都存在個(gè)體的差異，而且在不同的工藝條件下，不同的發(fā)酵菌種下，對(duì)象特性也不盡相同。因此很難找到或建立某一確切的數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)控制。為節(jié)省能源，降低生產(chǎn)成本，并且能夠滿足控制的要求，發(fā)酵罐的溫度控制選擇了檢測(cè)發(fā)酵罐的上、中、下3段的溫度，通過(guò)上、中、下3段冷媒進(jìn)口的兩位式電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐溫度控制的方法，本系統(tǒng)利用S7200實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐溫度的控制，PLC實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度控制的主要任務(wù)是接受由發(fā)酵罐傳來(lái)的溫度、壓力模擬量輸入信號(hào)，然后與工藝曲線設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，計(jì)算出溫度偏差值，再使用簡(jiǎn)單的PID控制回路計(jì)算出電磁閥的開度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵罐溫度的控制。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。程序中設(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。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。根據(jù)啤酒發(fā)酵溫度控制各階段轉(zhuǎn)換條件及控制要求。采用的是德國(guó)SIEMENS公司的S7200系列PLC，運(yùn)用與之相配的STEP7編程軟件，通過(guò)STL和LAD兩種編程語(yǔ)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)。發(fā)酵過(guò)程中設(shè)定的參數(shù)主酵設(shè)定溫度值（125C）、主酵上下溫度差值（04C）主酵降溫溫度設(shè)定值（85C），降溫過(guò)程總時(shí)間（48小時(shí)）、主酵降溫上下溫度差值（04C）后酵設(shè)定溫度值（85C）、后酵上下溫度差值（03C）后酵降溫溫度設(shè)定值（05C），降溫過(guò)程總時(shí)間、后酵降溫上下溫度差值（02C）貯酒溫度設(shè)定值（05C）、貯酒上下溫度差值（03C）主要的階段有主酵階段控溫，主酵降溫，后酵階段控溫，后酵降溫，過(guò)濾前貯酒控溫，過(guò)濾至一般控溫，停止控溫。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。啤酒發(fā)酵期罐壓力設(shè)定為0015MPA。其各階段轉(zhuǎn)換條件及控制要求見表所示。啤酒發(fā)酵各階段狀態(tài)表控制要求工作階段名稱進(jìn)入條件時(shí)間（小時(shí)）溫度冷媒閥門麥汁進(jìn)罐啟動(dòng)麥汁進(jìn)罐不需設(shè)定不需設(shè)定關(guān)閉所有滿罐溫度保持滿罐后，由人工輸入“開始”指令T010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TL12T2不需設(shè)定T112程序控制降溫保溫階段化驗(yàn)決定，人工輸入指令T3100小時(shí)132T程序控制后酵保溫階段T3結(jié)束且T23T448小時(shí)T23程序控制第二降溫階段T4結(jié)束T572小時(shí)253T程序控制貯酒保溫階段T5結(jié)束且T31不需設(shè)定T31程序控制控制系統(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。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。（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)。整個(gè)發(fā)酵過(guò)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。（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。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(guò)程的液位變化。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。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。（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。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。設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)方案。通過(guò)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。表明各類具體信號(hào)及性質(zhì)分類。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(guò)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。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)閥門進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，從而完成發(fā)酵工藝過(guò)程的控制。同時(shí)，相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)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。此外，為確保系統(tǒng)工作安全，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手動(dòng)裝置。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。系統(tǒng)采用上下位機(jī)兩級(jí)遞階結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)見圖顯示器鍵盤上位計(jì)算機(jī)CPUDODMAIAIAIDO現(xiàn)場(chǎng)傳感器執(zhí)行裝置打印機(jī)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖42系統(tǒng)硬件配置421CPU的選型SIMATICS7200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。S7200四種CPUCPU221，CPU222，CPU224，CPU226CPU226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)。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2030的余量。通過(guò)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。422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(guò)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。（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。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(guò)程控制模塊的效果，但是價(jià)格便宜的多?？梢杂肧TEP7MICRO/WIN32編程軟件中的“指令向?qū)А焙?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。（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(méi)有PID過(guò)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。在上述情況下都需要用戶自己編制PID控制程序。本系統(tǒng)需對(duì)啤酒發(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，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。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EM231、EM232、EM235，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。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EM235CN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。424控制系統(tǒng)硬件配置S7200PLC的擴(kuò)展模塊S7200PLC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。需要連接的擴(kuò)展模塊較多時(shí)，模塊連接起來(lái)會(huì)過(guò)長(zhǎng)，兩組模塊之間可使用擴(kuò)展連接電纜，將模塊安裝成兩排。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；擴(kuò)展方擴(kuò)展方法如圖。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(cè)量，有些情況需要對(duì)發(fā)酵罐的液位進(jìn)行測(cè)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)行控制。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EM221CN數(shù)字量輸入模塊（6ES72111BF220XA8）、EM222CN數(shù)字量輸出模塊（6ES72221HF220XA8）、模擬量擴(kuò)展模塊EM231CNAI4X12位。其擴(kuò)展圖如圖。圖44模塊擴(kuò)展連接圖425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。根據(jù)啤酒發(fā)酵的特點(diǎn)，啤酒發(fā)酵過(guò)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1090攝氏度的溫度變送器；中央處理單元CPU226EM221DI8DC24VEM222DO8DC24VEM222DO8DC24VEM231AO4DC24VEM231AO4DC24V壓力變送器可以選擇量程為0200KPA或者0400KPA。43啤酒發(fā)酵溫度PLC控制系統(tǒng)的I/O分配431I/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S7226PLCCPU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。本機(jī)及擴(kuò)展模塊I/O地址分配見表本機(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K1I00系統(tǒng)啟動(dòng)BENGYXQ10麥汁進(jìn)罐泵運(yùn)行K2I02系統(tǒng)急停MGWDBCZSQ30滿罐溫度保持指示S1I03手動(dòng)方式ZJZRSWDZSQ31主酵自然升溫段指示S2I04自動(dòng)方式SYTHYDZSQ32雙乙酰還原階段指示QDMZJGI05啟動(dòng)麥汁進(jìn)罐JWBWDZSQ33降溫保溫階段指示GBMXJGI06關(guān)閉麥汁進(jìn)罐HJBWJDZSQ34后酵保溫階段指示MGWDBCI10滿罐溫度保持DEJWJDZSQ35第二降溫階段指示ZJZRSWDI12主酵自然升溫段CJBWJDZSQ36貯酒保溫階段指示SYTHYDI13雙乙酰還原階段SHANGLKFQ41上冷媒開關(guān)電磁閥JWBWDI14降溫保溫階段ZHONGLKFQ42中冷媒開關(guān)電磁閥HJBWJDI15后酵保溫階段XIALKFQ43下冷媒開關(guān)電磁閥DEJWJDI16第二降溫階段YLPQFYXQ44發(fā)酵罐排氣閥CJBWJDI17貯酒保溫階段YALICXBJQ11壓力超限報(bào)警KSHANGI40開上冷媒開關(guān)電磁閥WDCXBJQ12溫度超限報(bào)警KZHONGI41開中冷媒開關(guān)電磁閥ZDYXZTQ00自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)KXIAI42開下冷媒開關(guān)電磁閥SHANGWDAIW6發(fā)酵罐上部溫度GSHANGI43關(guān)上冷媒開關(guān)電磁閥ZHONGWDAIW8發(fā)酵罐中部溫度GZHONGI44關(guān)中冷媒開關(guān)電磁閥XIAWDAIW10發(fā)酵罐下部溫度GXIAI45關(guān)下冷媒開關(guān)電磁閥FJGYALIAIW12發(fā)酵罐壓力KYLPQFI46開發(fā)酵罐排氣閥FJGYEWEIAIW16發(fā)酵罐液位GYLPQFI47關(guān)發(fā)酵罐排氣閥PLC外部接線圖示意圖如圖S7200可編程控制器CPU226EM231I00I01I02I03I04I05I06I07I10I11I12I13I14I15I16I17I20I27MLQ00Q01Q02Q03Q04Q05Q06Q07Q10Q11Q12Q13Q14Q15Q16Q17NL1RARBRCIOLMRBRCIOLMEM231RA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AC220V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DC24V端子排0V端子排DC24V端子排0V端子排DC24V端子排0V端子排DC24V端子排TD200顯示器I30I37I40I41I42I43I44I45I46I47MLEM221EM222EM222Q20Q27Q30Q31Q32Q33Q34Q35Q36Q37MLQ40Q41Q42Q43Q44Q47ML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DC24V端子排0V端子排DC24V端子排0V端子排DC24V端子排0V端子排PLC外部接線示意圖44編程軟件的介紹441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)。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。S7200系列PLC主機(jī)中有兩類基本指令集SIMATIC指令集和IEC11313指令集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IEC11313指令集是不同PLC廠家的指令標(biāo)準(zhǔn)，不能使用STL編程語(yǔ)言。利用計(jì)算機(jī)編程軟件STEP7MICROWIN/WIN32提供的不同的編程語(yǔ)言，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。STEP7MICRO/WIN32STEP7MICRO/WIN32是S7200系列的PLC的編程軟件?？梢詫?duì)S7200的所有功能進(jìn)行編程。該軟件可以在WINDOWS平臺(tái)上運(yùn)行，其基本功能是協(xié)助用戶完成應(yīng)用軟件任務(wù)。例如創(chuàng)建用戶程序、修改和編輯過(guò)程中編輯器具有簡(jiǎn)單的語(yǔ)法檢查功能，還可以直接用軟件設(shè)置PLC的工作方式、參數(shù)和運(yùn)行監(jiān)控。本系統(tǒng)中采用的PID算法可由PID指令直接生成。45程序流程圖發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)流程圖PLC實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度控制的主要任務(wù)是接受由發(fā)酵罐傳來(lái)的溫度、壓力模擬量輸入信號(hào)，然后與工藝曲線設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，計(jì)算出溫度偏差值，再使用簡(jiǎn)單的PID控制回路計(jì)算出電磁閥的開度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵罐溫度的控制。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。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。單罐啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)流程圖麥汁進(jìn)罐滿罐初始化進(jìn)程滿罐溫度保持10小時(shí)定時(shí)到主酵自然升溫段溫度T12雙乙酰還原段（12）糖度達(dá)標(biāo)降溫保溫階段100小時(shí)定時(shí)到溫度T3后酵保溫段48小時(shí)定時(shí)到第二次降溫段72小時(shí)定時(shí)到溫度T1貯酒保溫段啟動(dòng)AA出酒NYNNNNNNNNYYYYYYYY單罐啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)流程圖控溫程序流程圖設(shè)計(jì)根據(jù)前面工藝流程的介紹，可以總結(jié)出實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度自動(dòng)控制的雙乙酰還原階段、降溫保溫階段、后酵保溫階段、第二降溫階段、貯酒保溫階段等控溫階段基本的程序流程圖如圖開始初始化讀開關(guān)量信號(hào)狀態(tài)模擬量讀取處理溫度、壓力超限工作方式選擇自動(dòng)設(shè)定發(fā)酵溫度時(shí)間曲線計(jì)算實(shí)際工作時(shí)間計(jì)算溫度設(shè)定值讀取實(shí)際溫度值溫度設(shè)定值等于實(shí)際溫度PID運(yùn)算輸出控制冷媒電磁閥罐狀態(tài)操作手動(dòng)故障報(bào)警處理輸出電磁閥開關(guān)狀態(tài)YYNN圖41啤酒發(fā)酵控制過(guò)程程序流程圖S7200的PID指令PID算法的實(shí)現(xiàn)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。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。PID算法在模擬量的控制中，經(jīng)常用到PID運(yùn)算來(lái)執(zhí)行PID回路的功能，PID回路指令使這一任務(wù)的編程和實(shí)現(xiàn)變得非常容易。用可編程序控制器控制PID回路時(shí)，要把實(shí)際測(cè)量輸入量、設(shè)定值和回路表中的其他輸入?yún)?shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即用程序轉(zhuǎn)化為PLC能夠識(shí)別和處理的數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，例如把從AIW采集來(lái)的16位整數(shù)轉(zhuǎn)化為0010之間的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)又分為雙極性（圍繞05上下變化）和單極性（以00為起點(diǎn)在00和10之間的范圍內(nèi)變化）兩種。程序執(zhí)行時(shí)把各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)量用離散化PID算式進(jìn)行處理，產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)運(yùn)算結(jié)果，這一結(jié)果同樣也要用程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為相應(yīng)AQW，用以驅(qū)動(dòng)模擬量的輸出負(fù)載，實(shí)現(xiàn)控制。46PLC功能模塊程序設(shè)計(jì)（1）計(jì)算出啤酒發(fā)酵時(shí)間。在程序中必須能夠得到每個(gè)發(fā)酵罐的起始發(fā)酵時(shí)間，然后由當(dāng)前時(shí)間計(jì)算出罐內(nèi)啤酒的已經(jīng)發(fā)酵時(shí)間。這個(gè)過(guò)程中需要考慮到的問(wèn)題是，每個(gè)月的天數(shù)、該年是否可能為潤(rùn)年等。（2）計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的設(shè)定溫度。處在發(fā)酵過(guò)程中的每一個(gè)發(fā)酵罐根據(jù)各自的生產(chǎn)需要，都有一個(gè)工藝設(shè)定曲線。在計(jì)算出發(fā)酵的時(shí)間之后，可以通過(guò)計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻的設(shè)定溫度。（3）計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的電磁閥開度。計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻設(shè)定溫度之后，可以計(jì)算出溫度的偏差值，使用簡(jiǎn)單的PID控制回路就可以計(jì)算出電磁閥的開度。由于電磁閥是二位式的，所以其閥的開關(guān)動(dòng)作作為占空比連續(xù)變化的PWM輸出。電磁閥PWM輸出波形如圖所示。TTT1T2電磁閥PWM輸出波形圖圖中TT為電磁閥動(dòng)作周期。T1為電磁閥關(guān)閉時(shí)間。T2為電磁閥打開時(shí)間。TT、T1、T2之間關(guān)系為TTT1T2電磁閥的閥位值T2/T1100。461主程序主程序控制系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止，整個(gè)發(fā)酵溫度控制過(guò)程根據(jù)不同發(fā)酵時(shí)期的不同轉(zhuǎn)換條件，調(diào)用相關(guān)子程序，完成主酵雙乙酰還原冷卻酵母回收后貯的階段的溫度根據(jù)設(shè)定好的曲線實(shí)現(xiàn)控制。主程序部分截圖見附錄。462主酵自然升溫段程序當(dāng)麥汁和酵母進(jìn)入發(fā)酵罐后，就開始進(jìn)入主酵階段。由于發(fā)酵是入熱反應(yīng)，溫度升高，產(chǎn)生大量的CO2，使發(fā)酵液產(chǎn)生強(qiáng)大的對(duì)流。在控制上應(yīng)T上VW10,VW12Q42雙乙酰還原階段溫度控制程序NETWORK1/讀罐狀態(tài)值判斷跳轉(zhuǎn)LDSM00MOVBMB1,VB1000AENOLPSABVB1000,1Q30LRDABVB1000,2Q31LRDABVB1000,3Q32LRDABVB1000,4Q33LRDABVB1000,5Q34LRDABVB1000,6Q35LPPABVB1000,7Q36NETWORK2/NETWORKTITLE/讀測(cè)量值LDM12LPSMOVWAIW10,VW14AENOMOVWAIW12,VW16LRDMOVWAIW8,VW12AENOMOVWAIW16,VW18LPPMOVWAIW6,VW10NETWORK3/將讀入的上溫、中溫、下溫、壓力、液位由字變量轉(zhuǎn)換為雙字變量。LDM12LPSITDVW10,VD40AENOITDVW12,VD44LRDITDVW16,VD48AENOITDVW16,VD52LPPITDVW18,VD56NETWORK4/將上溫、中溫、下溫、壓力、液位由整數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)。LDM12LPSDTRVD40,VD100AENODTRVD44,VD104LRDDTRVD48,VD108AENODTRVD52,VD112LPPDTRVD56,VD116NETWORK5/壓力溫度超限報(bào)警LDSM00LPSADVD52,VD2030Q11Q44LPPADVD44,VD2060Q41Q42Q43Q12NETWORK6/工作方式選擇LDI03LPSAI40SQ41,QB4LRDAI41SQ42,QB4LRDAI42SQ43,QB4LRDAI43RQ41,QB4LRDAI44RQ42,QB4LRDAI45RQ43,QB4LRDAI46SQ44,QB4LPPAI47RQ44,QB4NETWORK7LDI04OQ00ANI03Q00NETWORK8LDQ00ASM04EUCALLSBR8NETWORK9LDQ00/PID輸出值MOVRVD1272,VD1300AENOMOVRVD1300,VD1312AENO/PID輸出值與溫度控制周期相乘RVD1304,VD1312AENOMOVDVD1312,VD1320AENO/總溫度控制周期減去閥開時(shí)間等于閥關(guān)時(shí)間DVD1304,VD1320AENO/溫度控制時(shí)間由小時(shí)更改為分鐘R6000,VD1312AENOANT37降溫保溫階段控制程序NETWORK1/LDQ33OM13ANM23M13NETWORK2/讀罐狀態(tài)值判斷跳轉(zhuǎn)LDSM00MOVBMB0,VB1000AENOLPSABVB1000,1Q30LRDABVB1000,2Q31LRDABVB1000,3Q32LRDABVB1000,4Q33LRDABVB1000,5Q34LRDABVB1000,6Q35LPPABVB1000,7Q36NETWORK3/讀測(cè)量值LDM13LPSMOVWAIW10,VW14AENOMOVWAIW12,VW16LRDMOVWAIW8,VW12AENOMOVWAIW16,VW18LPPMOVWAIW6,VW10NETWORK4/將讀入的上溫、中溫、下溫、壓力、液位由字變量轉(zhuǎn)換為雙字變量。LDM13LPSITDVW10,VD40AENOITDVW12,VD44LRDITDVW16,VD48AENOITDVW16,VD52LPPITDVW18,VD56NETWORK5/將上溫、中溫、下溫、壓力、液位由整數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)。LDM13LPSDTRVD40,VD100AENODTRVD44,VD104LRDDTRVD48,VD108AENODTRVD52,VD112LPPDTRVD5