單片機(jī)控制啤酒發(fā)酵系統(tǒng)

第一章緒論1.1課題題的來源、目目的及意義我國的啤酒市場場非常巨大，國國內(nèi)生產(chǎn)啤酒酒的企業(yè)數(shù)以以百計，但與與國外的主要要啤酒生產(chǎn)廠廠家相比大部部分企業(yè)技術(shù)術(shù)落后，大部部分處于手動動控制階段，只只有極少數(shù)企企業(yè)實(shí)現(xiàn)半自自動化。由于于啤酒生產(chǎn)是是一個利用生生物加工進(jìn)行行生產(chǎn)的過程程，生產(chǎn)周期期長，過程參參數(shù)分散性大大，傳統(tǒng)操作作方式難以保保證產(chǎn)品的質(zhì)質(zhì)量。近年來來，國外的各各大啤酒生產(chǎn)產(chǎn)廠家紛紛進(jìn)進(jìn)軍中國市場場，憑借技術(shù)術(shù)優(yōu)勢與國內(nèi)內(nèi)的啤酒生產(chǎn)產(chǎn)廠家爭奪市市場份額。國國內(nèi)的啤酒行行業(yè)迫切要求求進(jìn)行技術(shù)改改造，提高生生產(chǎn)率，保證證產(chǎn)品質(zhì)量，以以確保在激烈烈的市場競爭爭中立于不敗敗之地。啤酒發(fā)酵是啤酒酒生產(chǎn)中最重重要的一道工工序，是決定定啤酒質(zhì)量的的最關(guān)鍵的一一步。按現(xiàn)在在的生產(chǎn)工藝藝，生產(chǎn)周期期一般在十五五天左右，要要求發(fā)酵液的的溫度嚴(yán)格按按照一定的工工藝曲線變化化。溫度控制制精度在士0.5℃范圍內(nèi)，這這樣的控制精精度單憑傳統(tǒng)統(tǒng)的熱工儀表表加上手工操操作方式是完完全不能滿足足要求的，但但目前國內(nèi)的的不少生產(chǎn)廠廠家都是采用用這種生產(chǎn)方方式。這就要要求生產(chǎn)工人人24小時中監(jiān)視視啤酒發(fā)酵的的溫度變化，根根據(jù)偏差去調(diào)調(diào)節(jié)冷媒的流流量閥。這種種方式，工人人的勞動強(qiáng)度度大，而且質(zhì)質(zhì)量難以控制制。國外的著著名啤酒生產(chǎn)產(chǎn)廠家大部分分都實(shí)現(xiàn)了自自動化控制在在保證產(chǎn)品質(zhì)質(zhì)量的同時縮縮短了生產(chǎn)周周期。為此，在在國內(nèi)啤酒行行業(yè)中實(shí)現(xiàn)自自動化生產(chǎn)是是十分迫切的的。啤酒的發(fā)發(fā)酵過程能實(shí)實(shí)現(xiàn)自動化后后，工人的勞勞動強(qiáng)度將大大大地減小，同同時啤酒的質(zhì)質(zhì)量與生產(chǎn)都都有望升上一一個新的臺階階，企業(yè)通過過技術(shù)改造增增加了市場競競爭。另一方方面，不少化化工生產(chǎn)過程程都具有相似似性，因此我我們研制的這這一套控制系系統(tǒng)性價比高高，以后還可可以推廣到其其他很多化工工廠生產(chǎn)的場場合。應(yīng)用前前景樂觀，能能產(chǎn)生較大的的社會經(jīng)濟(jì)效效益。1.2國內(nèi)內(nèi)啤酒生產(chǎn)過過程控制概況況我國啤酒的產(chǎn)量量已逐步發(fā)展展，但產(chǎn)品質(zhì)質(zhì)量必須達(dá)較較高水平，花花色品種也必必須趕上去，才才能適應(yīng)日益益變化的消費(fèi)費(fèi)者的需求，這這就要求國內(nèi)內(nèi)的啤酒生產(chǎn)產(chǎn)廠家改變傳傳統(tǒng)的生產(chǎn)工工藝，更新生生產(chǎn)設(shè)備以滿滿足市場的需需求。主要有有以下幾方面面：1.引進(jìn)國國外控制技術(shù)術(shù)例如：福建惠泉泉啤酒廠創(chuàng)下下“十五”啤酒釀造技技術(shù)新亮點(diǎn)—無菌釀造技技術(shù)，并進(jìn)口口德國Thiemmt公司的各種種先進(jìn)儀器和和德國著名的的高德曼(Kotttermannn)實(shí)驗(yàn)室，創(chuàng)創(chuàng)造了世界一一流的現(xiàn)代化化啤酒控制系系統(tǒng)；北京燕燕京啤酒廠引引進(jìn)德國施密密特公司專用用的先進(jìn)設(shè)備備；北京華爾爾森啤酒廠從從捷克全套引引進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備備；北京華都都啤酒廠從丹丹麥引進(jìn)生產(chǎn)產(chǎn)設(shè)備；上海海華光啤酒廠廠從瑞士引進(jìn)進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備等等。引進(jìn)設(shè)備備的最大特點(diǎn)點(diǎn)是自動化水水平比較高，從從而能嚴(yán)格滿滿足啤酒生產(chǎn)產(chǎn)工藝的要求求，因此產(chǎn)量量較高，質(zhì)量量較穩(wěn)定。但但是引進(jìn)設(shè)備備價格昂貴，使使一般小廠望望塵莫及。2.國內(nèi)內(nèi)科研院所、專專業(yè)公司根據(jù)據(jù)國情自行研研究的技術(shù)由于引進(jìn)設(shè)備的的成本非常高高，因此，盡盡快地研制出出自動化水平平較高的啤酒酒生產(chǎn)設(shè)備，以以適應(yīng)國內(nèi)啤啤酒生產(chǎn)的需需要，也成為為國內(nèi)一些科科研部門的熱熱點(diǎn)。1988年北京核工工程研究院研研制的“PRS-880型啤酒發(fā)酵酵控制系統(tǒng)”在伊春啤酒酒廠投入使用用，其硬件配配置分上位機(jī)機(jī)和現(xiàn)場工作作站兩層，控控制方案采用用單變量溫度度控制:1993年國家輕工工業(yè)部自動化化研究所研制制的“PW-40啤酒發(fā)酵微微機(jī)控制系統(tǒng)統(tǒng)”在廈門華僑僑啤酒廠投入入使用，其控控制方案也是是采用單變量量溫度控制；；1994年北京科海海測控工程部部研制的“CMCM啤酒發(fā)酵微微機(jī)測控系統(tǒng)統(tǒng)”在無錫市太太湖水啤酒廠廠投入使用，其其硬件配置上上位機(jī)采用80386，配合了一一個小型局域域網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場場控制機(jī)采用用Z80單板機(jī)，控控制方案采用用單變量控制制，并設(shè)有液液位檢測；合合肥廉泉啤酒酒(集團(tuán))公司為了增增強(qiáng)企業(yè)的整整體實(shí)力，提提高產(chǎn)品檔次次，在1999年3月竣工完成成糖化及發(fā)酵酵自控系統(tǒng)，從從而使擴(kuò)建6萬噸啤酒生生產(chǎn)系統(tǒng)的技技改工作勝利利完成。3.廠內(nèi)自自行研究國內(nèi)中小企業(yè)結(jié)結(jié)合本廠生產(chǎn)產(chǎn)實(shí)際自行研研究的自動化化儀表加手動動的生產(chǎn)控制制技術(shù)，造價價低，效果一一般，符合企企業(yè)目前的狀狀況，但不能能滿足企業(yè)長長遠(yuǎn)發(fā)展的需需求。從上述情況看，我我國的啤酒生生產(chǎn)設(shè)備與發(fā)發(fā)達(dá)國家相比比有較大的差差距，還處于于起步階段。1.3計算算機(jī)控制系統(tǒng)統(tǒng)在發(fā)酵過程程中的應(yīng)用發(fā)酵過程計計算機(jī)上控制制，特別是微微機(jī)控制，己己經(jīng)在我國發(fā)發(fā)酵工業(yè)中推推廣應(yīng)用，我我國大型的發(fā)發(fā)酵罐有7000多臺，若都都能用微機(jī)控控制，發(fā)酵效效益的提高是是十分可觀的的。發(fā)酵過程程中微機(jī)控制制應(yīng)用，早期期的有多STD總線的微機(jī)機(jī)系統(tǒng)，最近近的有工業(yè)PC機(jī)系統(tǒng)，這這些系統(tǒng)比較較簡單，價格格便宜，使用用靈活方便，但但是軟件開發(fā)發(fā)的工作量較較大，用戶修修改控制方案案較麻煩，近近來，有各種種不同改進(jìn)型型的微機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)供發(fā)酵過程程控制應(yīng)用。隨著的小型集散散控制系統(tǒng)在在工業(yè)生產(chǎn)過過程中的應(yīng)用用，在發(fā)酵工工業(yè)上現(xiàn)已采采用先進(jìn)的集集散控制系統(tǒng)統(tǒng)來控制發(fā)酵酵過程。例如如，用YEWPAAK,N--90,111L,JJX,FOOCUS等中小型集集散控系統(tǒng)控控制青霉素發(fā)發(fā)酵，谷氨酸酸發(fā)酵等。隨隨著微機(jī)在發(fā)發(fā)酵過程控制制中的應(yīng)用不不斷發(fā)展，各各種測量傳感感器、二次儀儀表和執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)的完善，發(fā)發(fā)酵罐系統(tǒng)完完全自動化操操作和控制的的目的就可以以實(shí)現(xiàn)。1.4發(fā)酵酵過程控制方方法概述微生物物的發(fā)酵過程程，機(jī)理十分分復(fù)雜，影響響微生物生長長的因素錯綜綜復(fù)雜，很難難用精確的數(shù)數(shù)學(xué)模型來描描述這一發(fā)酵酵過程。發(fā)酵酵試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性性較差，這對對數(shù)學(xué)模型的的建立也帶來來了許多困難難。然而，人們借用用微機(jī)這一先先進(jìn)的科學(xué)工工具，為解決決發(fā)酵過程參參數(shù)的測量。數(shù)數(shù)據(jù)管理與分分析，發(fā)酵過過程優(yōu)化控制制開創(chuàng)了新局局面。1.5發(fā)酵酵過程直接數(shù)數(shù)字控制(DDC)使用微微機(jī)可以取代代各種控制儀儀表，實(shí)現(xiàn)多多回路PID及各種高級級控制功能。同同時，也可以以省去各種顯顯示，記錄，報報警儀表。利利用微機(jī)的功功能，對發(fā)酵酵過程的各種種后參數(shù)，狀狀態(tài)和數(shù)據(jù)，可可以進(jìn)行實(shí)時時在線的優(yōu)化化管理。如報報表打印，各各種參數(shù)的趨趨勢顯示圖，操操作工藝流程程圖，報警信信息圖等。這這對于發(fā)酵過過程的操作監(jiān)監(jiān)控即直觀又又方便，也大大大減輕了工工人的工作量量，提高了效效率。第二章啤酒酒發(fā)酵工藝概概述2.1啤酒酒生產(chǎn)工藝簡簡介啤酒生生產(chǎn)過程主要要包括糖化、發(fā)發(fā)酵以及過濾濾分裝三個環(huán)環(huán)節(jié)。(1)糖化化糖化過過程是把生產(chǎn)產(chǎn)啤酒的主要要原料與溫水水混合，利用用麥芽的水解解酶把淀粉、蛋蛋白質(zhì)等分解解成可溶性低低分子糖類、氨氨基酸、脈、膚膚等物質(zhì)，形形成啤酒發(fā)酵酵原液─麥汁。(2)發(fā)發(fā)酵圖2.1發(fā)酵溫度工工藝設(shè)定曲線線啤酒發(fā)發(fā)酵是一個微微生物代謝過過程，簡單的的說是把糖化化麥汁經(jīng)酵母母發(fā)酵分解成成C2H5OH，CO2，H2O的過程，同同時還會產(chǎn)生生種類繁多的的中間代謝物物雙乙酞、脂脂肪酸、高級級醇、酮等，這這些代謝產(chǎn)物物的含量雖然然極少，但它它們對啤酒的的質(zhì)量和口味味的影響很大大，它們的產(chǎn)產(chǎn)生主要取決決于發(fā)酵溫度度。一般認(rèn)為為，低溫發(fā)酵酵可以降低雙雙乙酞、脂類類等代謝物的的含量，提高高啤酒的色澤澤和口味；高高溫發(fā)酵可以以加快發(fā)酵速速度，提高生生產(chǎn)效率和經(jīng)經(jīng)濟(jì)效益?？偪傊?，如何掌掌握好啤酒發(fā)發(fā)酵過程中的的發(fā)酵溫度，控控制好溫度的的升降速率是是決定啤酒生生產(chǎn)質(zhì)量的核核心內(nèi)容。啤啤酒發(fā)酵是個個放熱過程，如如不加以控制制，罐內(nèi)的溫溫度會隨著發(fā)發(fā)酵生成熱的的產(chǎn)生而逐漸漸上升，目前前大多數(shù)對象象是采用往冷冷卻夾套內(nèi)通通入制冷酒精精水混合物或或液氨來吸收收發(fā)酵過程中中不斷放出的的熱量，從而而維持適宜的的發(fā)酵溫度。整整個發(fā)酵過程程分前酵和后后酵兩個階段段，發(fā)酵溫度度的工藝設(shè)定定典型曲線如如圖2.1所示。不同同品種、不同同工藝所要求求的溫度控制制曲線會有所所不同。(1)前前酵這個階階段又稱為主主發(fā)酵。麥汁汁接種酵母進(jìn)進(jìn)入前酵，接接種酵母幾小小時以后開始始發(fā)酵，麥汁汁糖度下降，產(chǎn)產(chǎn)生CO2并釋放生化化反應(yīng)熱，使使整個罐內(nèi)的的溫度逐漸上上升。經(jīng)過2～3天后進(jìn)入發(fā)發(fā)酵最為旺盛盛的高泡期再再經(jīng)過2～3天，糖度進(jìn)進(jìn)一步降低，降降糖速度變慢慢，酵母開始始沉淀，當(dāng)罐罐內(nèi)發(fā)酵糖度度達(dá)標(biāo)后進(jìn)行行降溫轉(zhuǎn)入后后酵階段。普普通啤酒在前前酵階段，一一般要求控制制在12℃左右，降溫溫速率要求控控制在0.30C/h。(2)后酵酵當(dāng)罐內(nèi)內(nèi)溫度從前酵酵的12℃降到5℃左右時后酵酵階段開始，這這一階段最重重要的是進(jìn)行行雙乙酞還原原，此外，后后酵階段還完完成了殘?zhí)前l(fā)發(fā)酵，充分沉沉淀蛋白質(zhì)，降降低氧含量，提提高啤酒穩(wěn)定定性。一旦雙雙乙酞指標(biāo)合合格，發(fā)酵罐罐進(jìn)入第二個個降溫過程，以0.150C/h的降溫速率把罐內(nèi)發(fā)酵溫度從5℃降到0～-1℃左右進(jìn)行貯酒，以提高啤酒的風(fēng)味和質(zhì)量。經(jīng)過一段時間的貯酒，整個發(fā)酵環(huán)節(jié)基本結(jié)束。通常發(fā)發(fā)酵液溫度在在不同的發(fā)酵酵階段，對罐罐內(nèi)發(fā)酵液的的溫度場要有有相應(yīng)的要求求：在前酵階階段希望發(fā)酵酵罐內(nèi)從罐頂頂?shù)焦薜子幸灰徽臏囟忍萏荻?，即從控控制上層溫度度為主，以利利于發(fā)酵液對對流和酵母在在罐內(nèi)的均勻勻混合；在后后酵階段，則則要求發(fā)酵液液由卜到下有有一定的負(fù)溫溫度梯度，即即控制以下層層溫度為主，便便于酵母的沉沉淀和排除。(3)啤酒酒的過濾和灌灌裝前、后后酵結(jié)束以后后，啤酒將通通過過濾機(jī)和和高溫瞬時殺殺菌進(jìn)行生物物以及膠體穩(wěn)穩(wěn)定處理然后后灌裝。啤酒酒過濾是一種種分離過程，其其主要目的是是把啤酒中仍仍然存在的酵酵母細(xì)胞和其其它混濁物從從啤酒中分離離出去，否則則這些物質(zhì)會會在以后的時時間里從啤酒酒中析出，導(dǎo)導(dǎo)致啤酒混濁濁，目前多采采用硅藻土過過濾方式。如如果啤酒中仍仍含有微生物物(雜菌)，則微生物物可以在啤酒酒中迅速繁殖殖，導(dǎo)致啤酒酒混濁，其排排泄的代謝產(chǎn)產(chǎn)物甚至使啤啤酒不能飲用用。殺菌就是是啤酒在灌裝裝之前對其進(jìn)進(jìn)行生物穩(wěn)定定性處理的最最后一個環(huán)節(jié)節(jié)。至此，一個啤酒酒和生產(chǎn)周期期結(jié)束。2.2啤酒酒發(fā)酵過程溫溫控對象的特特點(diǎn)發(fā)酵罐是啤酒生生產(chǎn)的主要設(shè)設(shè)備，圖2.2為圓筒錐底底發(fā)酵罐示意意圖，酵母在在罐內(nèi)發(fā)生反反應(yīng)而產(chǎn)生熱熱量，使麥汁汁溫度升高，因因此在罐壁設(shè)設(shè)置有上、中中、下三段冷冷卻套，相應(yīng)應(yīng)的設(shè)立上、中中、下三個測測溫點(diǎn)和三個個調(diào)節(jié)閥，通通過閥門調(diào)節(jié)節(jié)冷卻套內(nèi)冷冷卻液的流量量來實(shí)現(xiàn)對酒酒體溫度的控控制。以閥門門開度為控制制量，酒體溫溫度為被控量量。該廣義對對象是一個三三輸入、三輸輸出的多變量量系統(tǒng)，機(jī)理理分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)表明啤酒發(fā)發(fā)酵罐的溫控控對象不同于于一般的工業(yè)業(yè)對象，主要要有以下幾個個方面的特點(diǎn)點(diǎn)：(1)時滯滯很大圖2.2圓筒錐底發(fā)發(fā)酵罐示意圖圖在整個個發(fā)酵過程中中，由于生化化反作用產(chǎn)生生的生化反應(yīng)應(yīng)熱導(dǎo)致罐內(nèi)內(nèi)發(fā)酵溫度的的升高，為了了維持適宜的的發(fā)酵溫度，通通常是往發(fā)酵酵罐冷卻夾套套內(nèi)通入酒精精水或液態(tài)氨氨，來帶走多多余的反應(yīng)熱熱。由于罐內(nèi)內(nèi)沒有攪拌裝裝置和加熱裝裝置，冷媒發(fā)發(fā)酵液間主要要依靠熱傳導(dǎo)導(dǎo)進(jìn)行熱量交交換，發(fā)酵液液內(nèi)部存在一一定的對流，影影響到測溫點(diǎn)點(diǎn)，這就使得得控制量的變變化后，要經(jīng)經(jīng)過一段時間間，被控量才才發(fā)生變化，因因此這類系統(tǒng)統(tǒng)會表現(xiàn)出很很大的時滯效效應(yīng)。例如一一個120m3啤酒發(fā)酵罐罐溫度響應(yīng)的的滯后時間一一般在5～30min之內(nèi)變化。(2)時變變性發(fā)酵罐罐的溫控特性性主要取決于于發(fā)酵液內(nèi)生生化反應(yīng)的劇劇烈程度。而而啤酒發(fā)酵是是從起酵、旺旺盛、衰減到到停止不斷變變化的間歇生生產(chǎn)過程，在在不同的發(fā)酵酵階段，酵母母活力不同，造造成酒體溫度度特性變化，因因此對象特性性具有明顯的的時變性。(3)大時時間常數(shù)發(fā)酵罐罐體積大，發(fā)發(fā)酵液體通過過罐壁與冷卻卻水進(jìn)行熱交交換的過程比比較慢。(4)強(qiáng)關(guān)關(guān)聯(lián)因?yàn)楣薰迌?nèi)酒體的對對流，所以在在任一控制量量的變化均會會引起三個被被控量的變化化。在分析析對象特性的的時候，由于于受到認(rèn)識上上的限制，往往往也不能確確切掌握工業(yè)業(yè)過程中各種種物理、化學(xué)學(xué)變化的本質(zhì)質(zhì)特征，這也也必然會導(dǎo)致致獲取的對象象特性與實(shí)際際特性存在難難以確定的偏偏差。例如啤啤酒生產(chǎn)過程程酵母特性、原原料特性等許許多因素的變變化都會引起起被控系統(tǒng)特特性參數(shù)的變變化和攝動，而而這些因素在在實(shí)際系統(tǒng)中中都是很難在在線或?qū)崟r獲獲取的。硬件電路設(shè)計3.1概述述根據(jù)總體設(shè)計要要求，控制系系統(tǒng)得結(jié)構(gòu)框框圖如圖3-1所示。圖3-1系系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖在系統(tǒng)總總體構(gòu)思時，主主要遵從以下下幾點(diǎn)原則：：1.可靠靠性設(shè)計原則則設(shè)計過過程的首要考考慮的因素是是可靠性，由由于啤酒發(fā)酵酵是一個連續(xù)續(xù)生產(chǎn)過程，要要求設(shè)備長時時間運(yùn)行，正正常情況下一一年才停機(jī)大大修一次，因因此，對硬件件可靠性提出出較高的要求求。為了達(dá)達(dá)到可靠性要要求，在設(shè)計計時采取了以以下措施：a.盡量采采用標(biāo)準(zhǔn)的元元器件和電路路；b.簡化設(shè)設(shè)計；此外，設(shè)設(shè)計中盡量使使用集成度高高的元件或模模塊，減少元元件的數(shù)量。這這既符合抗干干擾需要也符符合可靠性原原則。當(dāng)然，也也不能盲目地地追求新奇器器件，還要考考慮其性能價價格比、貨源源等問題，以以便于投入生生產(chǎn)。2.技術(shù)術(shù)先進(jìn)、生命命周期長3.性性能/價格比高3.2模擬擬量輸入通道道3.2.1模模擬量輸入通通道的一般結(jié)結(jié)構(gòu)形式1.單路模模擬量輸入通通道的結(jié)構(gòu)(1)傳感感器其作用是把工業(yè)業(yè)現(xiàn)場的各種種非電量檢測測出來，并轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)得得電信號。如如熱電偶能把把溫度的高低低轉(zhuǎn)換成相應(yīng)應(yīng)的熱電動勢勢、應(yīng)變橋式式荷重傳感器器能把受力的的大小轉(zhuǎn)換位位相應(yīng)得電位位差。(2)信號號調(diào)理電路信號調(diào)理電路的的作用是將傳傳感器輸出的的信號作適當(dāng)當(dāng)?shù)奶幚?，使使之成為適合合A/D轉(zhuǎn)換得電壓壓信號。主要要包括信號的的濾波、放大大、隔離、變變換以及線形形化處理內(nèi)容容，其中有些些環(huán)節(jié)如濾波波、線形化處處理等可通過過軟件實(shí)現(xiàn)。(3)采樣樣保持器（S/H）一般來講，要輸輸入的模擬信信號都是變化化的。計算機(jī)機(jī)在對模擬信信號進(jìn)行離散散采樣時，需需要得到它某某一時刻的瞬瞬時值，并能能將這一瞬時時值保持到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。采采樣保持器就就是實(shí)現(xiàn)這一一功能的電路路。當(dāng)輸入的的模擬量信號號變化緩慢時時，也可省去去采樣保持器器。(4)A//D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的的作用是將輸輸入的模擬信信號的采樣值值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)應(yīng)得數(shù)字信號號。2.多路模模擬量輸入通通道的結(jié)構(gòu)(1)多通通道并聯(lián)輸入入由若干個單路模模擬量輸入通通道組成。常常用于高速系系統(tǒng)中，可對對各個模擬信信號同時進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。(2)多通通道共用A/D轉(zhuǎn)換器在系統(tǒng)中增加一一個多路開關(guān)關(guān)，這種形式式的A/D轉(zhuǎn)換器可對對各路模擬信信號依次進(jìn)行行A/D轉(zhuǎn)換，由于于轉(zhuǎn)換時分時時進(jìn)行的，故故工作速度較較慢。多路開開關(guān)的作用事事當(dāng)多路輸入入時，能按要要求切換多路路模擬信號，確確保要求的某某一路模擬信信號引入A/D轉(zhuǎn)換器。模擬量輸入入通道設(shè)計中中應(yīng)考慮的問問題模擬量輸入通道道是計算機(jī)控控制系統(tǒng)的信信號采集通道道，在設(shè)計中中必須考慮到到信號的拾取取方式、信號號的調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換以及電電源的配置等等問題。1.信號的的拾取方式在模擬量輸入通通道中，首先先要將工業(yè)現(xiàn)現(xiàn)場的各種非非電物理量，如如壓力、溫度度、液位、流流量等轉(zhuǎn)換成成電量。根據(jù)據(jù)這一要求，信信號的拾取可可以通過敏感感元件、傳感感器及測量儀儀表來實(shí)現(xiàn)。(1)通過過敏感元件拾拾取被測信號號。敏感元件件能將被測的的物理量變換換成電流、電電壓或R、L、C參數(shù)變化。一一般來講，敏敏感元件體積積小，可以隨隨擁護(hù)要求及及環(huán)境特點(diǎn)做做成各種形狀狀的探頭。如如果被測環(huán)境境較特殊，而而無現(xiàn)成的傳傳感器可用，只只能選擇合適適的敏感元件件。對于R、L、C參量型敏感感元件，要設(shè)設(shè)計相應(yīng)的電電路，使這類類參數(shù)變換成成電流或電壓壓量。(2)通過過傳感器失去去被測信號。這這是計算機(jī)控控制系統(tǒng)中使使用最多的一一種信號拾取取方式。它將將敏感元件、測測量電路、傳傳輸構(gòu)件等配配以合適的外外殼做成各種種外形，以滿滿足不同的要要求。一般傳傳感器均為電電量輸出，可可以是電壓或或電流，有的的還直接輸出出頻率信號，無無需再通過A/D轉(zhuǎn)換即可輸輸入計算機(jī)。(3)通過過測量儀表拾拾取被測信號號。目前有許許多測量儀表表，如熱工、化化工行業(yè)的各各種調(diào)節(jié)儀表表、市售的各各種測量儀表表，它們的測測量電路配置置較完善，一一般都是大信信號輸出，有有的還直接輸輸出數(shù)字量，可可大大簡化模模擬量輸入通通道的結(jié)構(gòu)。但但其售價遠(yuǎn)高高于一個傳感感器的價格。2.信號的的調(diào)理在模擬量輸入通通道中，信號號調(diào)理的任務(wù)務(wù)是將傳感器器輸出的電信信號或R、L、C參數(shù)的變化化轉(zhuǎn)換為滿足足A/D轉(zhuǎn)換要求的的電壓信號。在一般的測控系系統(tǒng)中，信號號調(diào)理的任務(wù)務(wù)較復(fù)雜，除除了信號放大大和濾波外，還還有諸如零點(diǎn)點(diǎn)校正、線性性化處理、溫溫度補(bǔ)償、誤誤差修正、量量程切換等。但但在計算機(jī)控控制系統(tǒng)中，許許多環(huán)節(jié)都可可以通過軟件件來實(shí)現(xiàn)。因因此，模擬量量輸入通道中中信號調(diào)理的的重點(diǎn)為小信信號放大、變變換及信號的的濾波等。3.A/DD轉(zhuǎn)換器4.電源配配置模擬量輸入通道道中要完成信信號的拾取、調(diào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換等等復(fù)雜任務(wù)。在在信號拾取時時，要考慮對對傳感器的供供電。在信號號的調(diào)理、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換電路個可可能回有一些些特殊的期間間要求特殊的的供電。因此此，在模擬量量輸入通道靠靠近被測對象象，而且傳感感器輸出的常常常是小信號號，因此，模模擬量輸入通通道是干擾侵侵入的主要渠渠道，在電源源配置時要充充分考慮到干干擾的隔離與與抑制。3.2.3A/D轉(zhuǎn)換器3.2.3.11A/DD轉(zhuǎn)換的基本本概念A(yù)/D轉(zhuǎn)換的功功能是把模擬擬量電壓轉(zhuǎn)換換為N位數(shù)字量電電壓。1.A/DD轉(zhuǎn)換器的模模擬量電壓是是連續(xù)的。由由于A/D轉(zhuǎn)換器完成成依次轉(zhuǎn)換需需要一定的時時間，A/D轉(zhuǎn)換只能間間斷地進(jìn)行，因因此輸出的數(shù)數(shù)字量電壓是是不連續(xù)的，稱稱為離散量。采采樣之后，A/D轉(zhuǎn)換所得的的結(jié)果是一個個個孤立的點(diǎn)點(diǎn)。每個點(diǎn)的的縱坐標(biāo)代表表某個數(shù)字量量，其值與采采樣時刻的模模擬量相對應(yīng)應(yīng)。如果在相相鄰兩次采樣樣時刻之間，A/D轉(zhuǎn)換輸出的的數(shù)字量保持持前一時刻的的值，那么A/D轉(zhuǎn)換的輸出出就是一條階階梯形的曲線線。2.兩次采采樣的時隔時時間稱為采樣樣周期。為了了使輸出量能能充分反映輸輸入量的變化化情況，采樣樣周期要根據(jù)據(jù)輸入量變化化的快慢來決決定。而一次次A/D轉(zhuǎn)換所需要要的時間顯然然必須小于采采樣周期。3.擬量表表示為相應(yīng)的的數(shù)字量，稱稱為量化，數(shù)數(shù)字量的最低低位即最小有有效位1LSB，與此相對對應(yīng)的模擬電電壓值稱為1個量化單位位。如果模擬擬電壓小于此此值，不能轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的的數(shù)字量。這這表示了這個個A/D轉(zhuǎn)換器的分分辨能力。3.2.3.22A/DD轉(zhuǎn)換的主要要性能指標(biāo)1.分辨率率習(xí)慣上以輸出的的二進(jìn)制位數(shù)數(shù)或BCD碼位數(shù)表示示。如一個輸輸出為8位二進(jìn)制的A/D轉(zhuǎn)換器，稱稱其分辨率為為8位?；蛘哂糜脤?yīng)于1LSB的輸入模擬擬電壓來表示示。分辨率也也可以用百分分?jǐn)?shù)來表示，例例如8位A/D轉(zhuǎn)換器的分分辨率百分?jǐn)?shù)數(shù)位（1/256）*100%%=0.399%。2.量化誤誤差A(yù)/D轉(zhuǎn)換是用用數(shù)字量對模模擬量進(jìn)行量量化。由于存存在著最小量量化單位，在在轉(zhuǎn)換中就會會出現(xiàn)誤差。3.轉(zhuǎn)換精精度這是指一個實(shí)際際的A/D轉(zhuǎn)換器與理理想的A/D轉(zhuǎn)換器相比比的轉(zhuǎn)換誤差差。絕對精度度一般以LSB為單位給出出。性隊(duì)精度度則是絕對精精度與滿量程程的比值。不不同廠家（公公司）生產(chǎn)的的A/D轉(zhuǎn)換器6其轉(zhuǎn)換精度度指標(biāo)的表達(dá)達(dá)方式可能不不同。有的給給出綜合誤差差指標(biāo)；有的的給出分項(xiàng)誤誤差指標(biāo)，有有失調(diào)誤差（零零點(diǎn)誤差）、增增益誤差（滿滿量程誤差）、非非線性誤差和和微分非線性性誤差。(1)失調(diào)調(diào)誤差又稱為為零點(diǎn)誤差，這這是指當(dāng)輸入入模擬量從0逐漸增長使使輸出數(shù)字量量從0…0跳至0…1時，輸入模模擬量實(shí)際數(shù)數(shù)值與理想的的模擬量數(shù)值值（即1LSB的對應(yīng)值）之之差。這反映映了A/D轉(zhuǎn)換器零點(diǎn)點(diǎn)的偏差。一一定溫度下的的失調(diào)誤差可可以通過電路路調(diào)整來消除除。(2)增益益誤差當(dāng)輸入數(shù)字量達(dá)達(dá)到滿量程時時，所對應(yīng)的的輸入模擬量量與理想的模模擬量數(shù)值之之差，稱為增增益誤差或滿滿量程誤差。計計算此項(xiàng)誤差差時應(yīng)將失調(diào)調(diào)誤差除去。一一定溫度下的的增益誤差也也可以通過電電路調(diào)整來消消除。(3)非線線性誤差這是指實(shí)際轉(zhuǎn)換換特性與理想想轉(zhuǎn)換特性之之間的最大偏偏差，它可能能出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換換曲線的某處處。此項(xiàng)誤差差不包括量化化誤差、失調(diào)調(diào)誤差和增益益誤差。它不不能通過電路路調(diào)整來消除除。(4)微分分非線性誤差差在A/D轉(zhuǎn)換曲曲線上，實(shí)際際臺階幅度與與理想臺階幅幅度（即理論論上的1LSB）之差，稱稱為微分非線線性誤差。如如果此誤差超超過1LSB，就會出現(xiàn)現(xiàn)丟失某個數(shù)數(shù)字碼的現(xiàn)象象。在上述幾項(xiàng)誤差差中，如果失失調(diào)誤差和增增益誤差能得得到完全補(bǔ)償償，那么只需需考慮后兩項(xiàng)項(xiàng)非線性誤差差。需要指出的是精精度所對應(yīng)的的誤差指標(biāo)中中未包括量化化誤差，因此此實(shí)際的總誤誤差還要把量量化誤差考慮慮在內(nèi)。4.轉(zhuǎn)換時時間這是指A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器完成一一次轉(zhuǎn)換所需需要的時間。其其倒數(shù)為轉(zhuǎn)換換速率。5.溫度系系數(shù)表示A/D轉(zhuǎn)換換器受環(huán)境溫溫度影響的程程度。一般用用環(huán)境溫度變變化1攝氏度所產(chǎn)產(chǎn)生的相對轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換誤差來表表示，以PPm/C位單位。3.2.3.33A/DD轉(zhuǎn)換器的選選擇A/D轉(zhuǎn)換器的的選擇應(yīng)依系系統(tǒng)要求，從從轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換速度、通通道數(shù)量、價價格及器件來來源諸方面綜綜合考慮。一般來講，雙積積分型A/D轉(zhuǎn)換器電路路簡單，抗干干擾性能好，精精度高，價格格便宜但速度度慢，在速度度要求不高的的系統(tǒng)中宜選選用雙積分型型A/D轉(zhuǎn)換器。逐次逼近型A//D轉(zhuǎn)換器的電電點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速速度快，轉(zhuǎn)換換時間不隨輸輸入信號的高高低變化，精精度有高有低低，抗干擾能能力差，性能能不同時價格格差別較大，適適用于速度較較高的系統(tǒng)中中。此外，常用的還還有V/F轉(zhuǎn)換器，它它可將電壓信信號轉(zhuǎn)換成頻頻率信號，其其特點(diǎn)是分辨辨率高，對工工頻干擾有一一定的抑制能能力，頻率信信號易于傳輸輸，且容易實(shí)實(shí)現(xiàn)隔離，但但速度慢。由由于其有一系系列的優(yōu)點(diǎn)，在在一些非快速速系統(tǒng)中使用用較多。如何從種類繁多多的A/D芯片中選擇擇出合適的A/D芯片，是每每個設(shè)計者必必須認(rèn)真考慮慮的問題。一一般可按照下下列原則選擇擇A/D轉(zhuǎn)換器：1.根據(jù)前前向通道的總總誤差，選擇擇A/D轉(zhuǎn)換器的精精度及分辨率率。擁護(hù)提出出的數(shù)據(jù)采集集精度要求是是綜合精度要要求，它包括括傳感器精度度、信號條理理電路精度和和A/D轉(zhuǎn)換精度。應(yīng)應(yīng)將綜合精度度在各個環(huán)節(jié)節(jié)上進(jìn)行分配配，以確定A/D轉(zhuǎn)換器的精精度要求，據(jù)據(jù)次確定A/D轉(zhuǎn)換器的位位數(shù)。2.根據(jù)嬉嬉鬧對象的變變化率及轉(zhuǎn)換換精度要求，確確定A/D轉(zhuǎn)換速度，以以保證系統(tǒng)的的實(shí)時性要求求。3.根據(jù)環(huán)環(huán)境條件選擇擇A/D轉(zhuǎn)換器的一一些環(huán)境參考考要求，如工工作溫度、功功耗、可靠性性等級等性能能。4.根據(jù)計計算機(jī)借口特特征，考慮如如何選擇A/D轉(zhuǎn)換器的輸輸出狀態(tài)。例例如，A/D轉(zhuǎn)換器是并并行輸出還是是串行輸出；；是二進(jìn)制還還是BCD碼輸出；是是用外部時鐘鐘還是內(nèi)部時時鐘；有無轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)態(tài)信號；與TTL、CMOS電路的兼容容性；與微機(jī)機(jī)借口是否易易連等輸出功功能。5.其他還還應(yīng)考慮成本本、資源、是是否是流行芯芯片等因素。模擬量輸入入通道設(shè)計本系統(tǒng)統(tǒng)檢測30個溫度（T1～T9）、10個壓力（P1～P10）、10個液位（H1～H10）。對于溫溫度，我們選選用WZP-2231鉑熱電阻30支和RTTB--EKT溫度變送器30只進(jìn)行溫度度測量和變送送，即將-20～50C變換成4～20mA((DC)信號，送至32路I/V變換板CMB54419-1BB，把4～20mAA(DC)信號變換成1～5V（DC）信號，最最后把1～5V（DC）信號送至32路12位光電隔離A/D板IPC54488，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)溫度的數(shù)據(jù)據(jù)采集。對于于壓力，選用用10臺電容式壓壓力變送器CECY--150G，進(jìn)行壓力力測量變送，即即將0～0.25mmPa壓力變換成4～20mA((DC)信號，同樣樣經(jīng)過I/V板送至A/D板。對于液液位，選用10臺電容式液液位變送器CECU--341G（實(shí)際上是是法蘭差壓變變送器），進(jìn)進(jìn)行液位測量量和變送，即即將0～0.2mPPa的差壓轉(zhuǎn)換換成4～20mA((DC)信號，同樣樣經(jīng)I/V變換送至A/D板。3.3模擬擬量輸出通道道模擬量輸出出通道設(shè)計模擬量輸出通道道的一般形式式：1.單路模模擬量輸出通通道的結(jié)構(gòu)(1)寄存存器用于保存計算機(jī)機(jī)輸出的數(shù)字字量控制信號號。目前的D/A轉(zhuǎn)換器芯片片內(nèi)一般都帶帶有輸入寄存存器，因此，在在模擬量輸出出通道中，一一般不需要再再安排專門的的寄存器電路路。(2)D//A轉(zhuǎn)換器它是模擬量輸出出通道的核心心部件。其作作用是將計算算機(jī)輸出的數(shù)數(shù)字量轉(zhuǎn)換為為模擬量。轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換后的模擬擬量有電壓和和電流兩種形形式。(3)放大大/變換電路D/A轉(zhuǎn)換器輸輸出的模擬量量信號往往無無法直接驅(qū)動動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需需要進(jìn)行適當(dāng)當(dāng)?shù)姆糯蠡蜃冏儞Q。例如，常常用的電動執(zhí)執(zhí)行器需要0～10mA或4～20mA電流信號來來控制，這就就需要把D/A轉(zhuǎn)換器輸出出的電壓信號號變換成上述述范圍地信號號。1.多路模模擬量輸出通通道的結(jié)構(gòu)在計算機(jī)控制系系統(tǒng)中，被控控制的對象往往往是多回路路的。對于模模擬量輸出通通道，需要考考慮的問題是是在每次的控控制量更新之之前，如何保保持本次的信信號不變。保保持的方式有有2種：數(shù)字量量保持和模擬擬量保持。對對應(yīng)的電路結(jié)結(jié)構(gòu)有兩種形形式：各通道道自備D/A轉(zhuǎn)換器形式式和通道共用用D/A轉(zhuǎn)換器形式式。(1)各通通道自備D/A轉(zhuǎn)換器形式式這種形式各通道道之間是相互互獨(dú)立的，每每一通道的結(jié)結(jié)構(gòu)和單路模模擬量輸出通通道相同。其其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換換速度快、工工作可靠，即即使某一路D/A轉(zhuǎn)換器出了了故障也不會會影響其它通通道的工作。(2)各通通道共用D/A轉(zhuǎn)換器形式式計算機(jī)輸出的控控制信息都經(jīng)經(jīng)同一個D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換換成相應(yīng)得模模擬量，再經(jīng)經(jīng)多路開關(guān)傳傳送到相應(yīng)的的通道，由保保持器保持當(dāng)當(dāng)前的模擬量量。其優(yōu)點(diǎn)是是節(jié)省了價格格較貴的D/A轉(zhuǎn)換器，但但由于各通道道是分時工作作的，工作速速度受到限制制。模擬量輸出出通道設(shè)計中中應(yīng)考慮的問問題關(guān)于模擬量輸出出通道的設(shè)計計,像模擬量輸輸入通道的實(shí)實(shí)際一樣,基于現(xiàn)代微微電子技術(shù)的的成就,其主要任務(wù)務(wù)是根據(jù)通道道的技術(shù)要求求,合理地選擇擇通道的結(jié)構(gòu)構(gòu)以及按照一一定的技術(shù)、經(jīng)經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)則，恰恰當(dāng)?shù)剡x擇所所需的集成電電路，并把它它們與微處理理器正確地連連接起來。設(shè)設(shè)計中通常不不需要進(jìn)行繁繁雜的參數(shù)計計算，而需要要清楚地掌握握和理解集成成電路的功能能和特點(diǎn)。在模擬量輸出通通道道的設(shè)計中中，選選擇合適的D/A轉(zhuǎn)換器至關(guān)關(guān)重要，一一般般來講，對對于于D/A轉(zhuǎn)換電路，應(yīng)應(yīng)應(yīng)考慮以下下問問題：(1)通道道技技術(shù)要求所所需需要的分辨辨率率、精度以以及及線性度。(2)連接接電電平和CPU能否直接接接口，數(shù)據(jù)據(jù)是是串行輸入入還還是并行輸輸入入。(3)輸出出是是電流形式式還還是電壓形形式式，滿刻度度值值的大小，能能能否滿足通通道道的技術(shù)要要求求等。(4)參考考電電壓類型。(5)輸出出電電壓是單極極性性的還是雙雙極極性的。(6)速度度是是夠滿足通通道道技術(shù)要求求。(7)此外外，在在硬件設(shè)計計的的同時，還還必必須考慮通通道道的驅(qū)動程程序序的設(shè)計。合合合理的軟件件設(shè)設(shè)計可以簡簡化化硬件電路路。D/A轉(zhuǎn)換換器器.1D/AA轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換得基本本知知識D/A轉(zhuǎn)換的基基本本原理是應(yīng)應(yīng)用用電阻解碼碼網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，將N位數(shù)字量逐逐位位轉(zhuǎn)換為模模擬擬量并求和和，從從而實(shí)現(xiàn)將N位數(shù)字量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換為相應(yīng)得得模模擬量。由于數(shù)字量不是是連連續(xù)的，其其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換后的模模擬擬量自然也也不不會連續(xù)，同同同時由于計計算算機(jī)每次輸輸出出數(shù)據(jù)和D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行行轉(zhuǎn)換需要要一一定的時間間，因因此實(shí)際上D/A轉(zhuǎn)換器輸出出的的模擬量隨隨時時間的變化化不不是連續(xù)的的，而而是呈階梯梯狀狀。.2D/AA轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的主主要要性能指標(biāo)標(biāo)1.分辨率率其定義是當(dāng)輸出出數(shù)數(shù)字量發(fā)生生單單位數(shù)碼變變化化（即1LSB）時，所對對應(yīng)得輸出出模模擬量的變變化化量，即等等于于：模擬量量輸輸出的滿量量程程值/2N（N—數(shù)字量位數(shù)數(shù)）。分分辨率也可可以以用相對值值（即1/2N）百分率來來表示。在在實(shí)實(shí)際使用中中，又又常用數(shù)字字量量的位數(shù)來來作作為分辨率率。2.轉(zhuǎn)換精精度度這是指一個實(shí)際際的的D/A轉(zhuǎn)換器與理理想的D/A轉(zhuǎn)換器相比比較較的轉(zhuǎn)換誤誤差差。精度反映D/A轉(zhuǎn)換的總誤誤差。其主主要要誤差因素素可可分為失調(diào)調(diào)誤誤差、增益益誤誤差、非線線性性誤差和微微分分非線性誤誤差差。(1)失調(diào)調(diào)誤誤差（或零零點(diǎn)點(diǎn)誤差）其定義是黨輸入入數(shù)數(shù)字量為全0碼時，其模模擬量實(shí)際際輸輸出值與理理想想輸出值得得偏偏差。對于于單單極性D/A轉(zhuǎn)換器，模模擬擬量輸出的的理理想值是零零。對對于雙極性D/A轉(zhuǎn)換，此理理想想值是負(fù)的的滿滿量程值。一一一定溫度下下的的失調(diào)誤差差可可以通過外外部部調(diào)整措施施進(jìn)進(jìn)行補(bǔ)償。(2)增益益誤誤差（或滿滿量量程誤差）當(dāng)輸入數(shù)字量為為全全1碼（即滿量量程程）時，實(shí)實(shí)際際輸出電壓壓值值與理想值值之之間的偏差差稱稱為增益誤誤差差。此誤差差是是由于D/A轉(zhuǎn)換器的輸輸出出與輸入傳傳遞遞特性曲線線的的斜率（稱稱為為增益）存存在在誤差所引引起起的。計算算增增益誤差時時應(yīng)應(yīng)將失誤誤誤差差除去。一一定定溫度下的的增增益誤差也也可可通過外部部調(diào)調(diào)整措施實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)補(bǔ)償。(3)非線線性性誤差其含義是實(shí)際轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換特性曲線線與與理想轉(zhuǎn)換換特特性曲線之之間間的最大偏偏差差。一般要要求求此誤差不不大大于1/2LSSB。D/A轉(zhuǎn)換器的失失調(diào)調(diào)和增益調(diào)調(diào)整整一般不能能完完全消除非非線線性誤差，但但但可以使之之顯顯著減小。(4)微分分非非線性誤差差這是指任意兩個個相相鄰數(shù)碼所所對對應(yīng)得模擬擬量量間隔于理理想想值之間的的偏偏差。3.建立時時間間當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器器的輸輸入數(shù)據(jù)發(fā)發(fā)生生變化后，輸輸輸出模擬量量達(dá)達(dá)到穩(wěn)定數(shù)數(shù)值值即進(jìn)入規(guī)規(guī)定定的精度范范圍圍內(nèi)所需要要的的時間。4.溫度系系數(shù)數(shù)以上各項(xiàng)性能指指標(biāo)標(biāo)一般是在在環(huán)環(huán)境溫度為為2250C下測定的就就。環(huán)環(huán)境溫度的的變變化會對D/A轉(zhuǎn)換精度產(chǎn)產(chǎn)生影響，這這這一影響分分別別用失調(diào)溫溫度度系數(shù)、增增益益溫度系數(shù)數(shù)和和微分非線線性性溫度系數(shù)數(shù)來來表示。這這些些系數(shù)的含含義義是環(huán)境溫溫度度變換10C時該項(xiàng)誤差差的的相對變化化率率，單位是ppm/cc。.3D/AA轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的選選擇擇要點(diǎn)選擇D/A轉(zhuǎn)換換器時，主主要應(yīng)考慮慮以以下幾個方方面面：1.輸入信信號號的形式輸入信號有并行行和和串行兩種種形形式，根據(jù)據(jù)實(shí)實(shí)際要求選選定定，在實(shí)際際應(yīng)應(yīng)用中大多多數(shù)數(shù)為并行輸輸入入。串行輸輸入入節(jié)省數(shù)據(jù)據(jù)線線，但速度度較較慢，適用用于于遠(yuǎn)距離數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)傳輸。2.分辨率率和和轉(zhuǎn)換精度度根據(jù)對輸出模擬擬量量的精度要要求求，來確定定DD/A轉(zhuǎn)換器的分分辨辨率和轉(zhuǎn)換換精精度。常用用的的分辨率有8位、10位和12位，相應(yīng)得得百分率值值為為0.3922%、0.09778%和0.02444%。在精度指指標(biāo)標(biāo)方面，零零點(diǎn)點(diǎn)誤差和滿滿量量程誤差可可以以通過電路路調(diào)調(diào)整進(jìn)行補(bǔ)補(bǔ)償償，因此主主要要看芯片的的非非線性誤差差和和微分非線線性性誤差。3.建立時時間間D/A轉(zhuǎn)換器的的電電流建立時時間間很短，一一般般為50～500ns。若是輸出出電壓形式式，加加上運(yùn)算放放大大器電路，電電電壓建立時時間間與半為幾u(yù)s，一般都能能滿足系統(tǒng)統(tǒng)要要求。4.輸入鎖鎖存存器的情況況D/A轉(zhuǎn)換器的的輸輸入部分有有不不帶輸入鎖鎖存存器、帶一一級級輸入鎖存存器器和帶兩級級輸輸入鎖存器器三三種類型，后后后兩種能分分別別工作于單單緩緩沖方式和和雙雙緩沖方式式。這這可根據(jù)對對DD/A轉(zhuǎn)換工作方方式式的要求來來選選擇。5.轉(zhuǎn)換結(jié)結(jié)果果的輸出形形式式轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出出形形式有電流流或或電壓，有有單單極性或雙雙極極性，有不不同同量程，還還有有多通道輸輸出出方式。這這可可根據(jù)應(yīng)用用系系統(tǒng)對模擬擬量量形式的實(shí)實(shí)際際要求來確確定定。其中有有的的要求可以以采采用不同房房時時來實(shí)現(xiàn)，例例例如要發(fā)球球輸輸出為電壓壓形形式，可以以選選擇內(nèi)部帶帶輸輸出放大器器的的D/A芯片；也可可以以兼顧其他他性性能而選擇擇輸輸出為電流流形形式的，再再外外加放大器器。模擬量輸出通道道設(shè)設(shè)計本系統(tǒng)自動控制制330個溫度，即即使用30個電動調(diào)節(jié)節(jié)閥ZDLP--6B，通過調(diào)節(jié)節(jié)閥自動調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)閥門開度度，從從而調(diào)節(jié)冷冷卻卻液（淡酒酒精精）流量，達(dá)達(dá)達(dá)到控制發(fā)發(fā)酵酵溫度的目目的的。在模擬擬量量輸出通道道中中，采用8路12位光電隔離D/A轉(zhuǎn)換板IPC54486，將計算機(jī)機(jī)輸出的控控制制量轉(zhuǎn)換成4～20mA((DC)信號，該信信號送至操操作作器DFQ-22100，DFQ-22100具有自動和和手動切換換功功能，DFQ-22100輸出4～20mA((DC)信號送至電電動調(diào)節(jié)閥閥，從從而實(shí)現(xiàn)控控制制30個調(diào)節(jié)閥（TV1～TV30），達(dá)到控控制溫度的的目目的。另外，系統(tǒng)還配配有有+24V（DC）電源給變變送器、操操作作器供電。因因因而采用光光電電隔離技術(shù)術(shù)，故A/D板和D/A板都采用了DC/DC電源變換模模塊，提供光光電隔離所需需的工作電源源。系統(tǒng)軟件的設(shè)計計4.1計算算機(jī)機(jī)DDC系統(tǒng)的軟件件設(shè)計的要要求求1.實(shí)時性性DDC系統(tǒng)是實(shí)實(shí)時時控制系統(tǒng)統(tǒng)，所所以它的軟軟件件應(yīng)是實(shí)時時性性控制軟件件。計計算機(jī)必須須對對生產(chǎn)過程程（或或裝置）的的各各種工藝參參數(shù)數(shù)及時采集集，不不能丟失有有用用的信息；CPU要盡快地進(jìn)進(jìn)行邏輯判判斷斷或按規(guī)定定的的控制酸法法進(jìn)進(jìn)行數(shù)值運(yùn)運(yùn)算算，完成處處理理過程，輸輸出出控制信號號，以以便對生產(chǎn)產(chǎn)過過程（或裝裝置置）不失時時機(jī)機(jī)的加以控控制制；對突然然出出現(xiàn)的故障障，要要即使報警警和和進(jìn)行事故故處處理。因此此，實(shí)實(shí)時性的概概念念對計算機(jī)DDC系統(tǒng)具有特特被重要的的意意義。2.可靠性性軟件的可靠性是是指指在一定時時間間范圍內(nèi)，軟軟軟件執(zhí)行無無故故障的可能能性性和每次遇遇到到故障時對對擁擁護(hù)造成的的影影響大小。軟軟軟件設(shè)計的的疏疏忽會削弱弱軟軟件的預(yù)期期能能力，降低低控控制質(zhì)量，有有有時還會使使執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)錯錯誤誤動作，使使生生產(chǎn)過程（或或或裝置）不不能能正常工作作，所所以設(shè)計正正確確無誤的軟軟件件應(yīng)該是提提高高軟件可靠靠性性的重要保保證證?？煽啃孕愿吒叩能浖€還應(yīng)應(yīng)該具有自自動動容錯、糾糾錯錯功能，在在誤誤操作時（如如如按錯鍵、輸輸輸入錯誤參參數(shù)數(shù)等）不會會造造成生產(chǎn)過過程程（或裝置置）的的嚴(yán)重失調(diào)調(diào)。3.人機(jī)交交往往功能軟件設(shè)計應(yīng)該方方便便操作人員員與與計算機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng)的“對話”，生產(chǎn)過程程的狀態(tài)要要在在控制面板板上上隨時顯示示，而而操作員也也能能在連機(jī)情情況況下修改程程序序及調(diào)節(jié)參參數(shù)數(shù)，變更控控制制方案。4.編制軟軟件件使用的語語言言、一般計算機(jī)DDDCC系統(tǒng)編制軟軟件要求使使用用匯編語言言。匯匯編語言編編制制的軟件，可可可以達(dá)到按“位”處理的目的的，容易滿滿足足實(shí)時性的的要要，程序結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)較緊湊，以以以節(jié)省存儲儲空空間。在內(nèi)內(nèi)存存容量較大大的的情況下，軟軟軟件中一些些沒沒有實(shí)時性性要要求的管理理程程序也可用用高高級語言編編制制，然后通通過過一點(diǎn)的編編譯譯程序?qū)⑵淦渖赡繕?biāo)程程序序。4.2數(shù)據(jù)據(jù)采采集數(shù)據(jù)采集系系統(tǒng)的控控制方式1.軟件延延時時定時控制制2.硬件定定時時、軟件查查詢詢3.多中斷斷控控制方式4.單中斷斷控控制方式DMA控制方式式數(shù)據(jù)采集程程序首先按順序采集集330個溫度信號號，然后再再采采集10個壓力信號號，最后采采集集10個液位信號號，這些信信號號共采集5遍存儲起來來，采樣周周期期T=2s。4.3數(shù)字字濾濾波常用的數(shù)字字濾波方方法數(shù)字濾波是計算算機(jī)機(jī)通過執(zhí)行行程程序?qū)斎肴氲牡臄?shù)字信號號進(jìn)進(jìn)行處理，減減減少干擾在在信信號中的比比重重，實(shí)質(zhì)上上是是一種程序序?yàn)V濾波。數(shù)字字濾濾波電路與與模模擬濾波電電路路相比，主主要要優(yōu)點(diǎn)有三三：：1.數(shù)字濾濾波波用程序?qū)崒?shí)現(xiàn)現(xiàn)，不需要要增增加硬件設(shè)設(shè)備備，且可以以多多通道“共用”一個濾波程程序，改變變?yōu)V濾波方法只只需需改變程序序而而不需要改改變變硬件，既既靈靈活又方便便。2.由于不不添添加硬件設(shè)設(shè)備備，因而可可靠靠性高，穩(wěn)穩(wěn)定定性好，也也不不存在電路路阻阻抗匹配等等問問題。3.可以對對頻頻率很低的的信信號（如0.01HHZ）實(shí)現(xiàn)濾波波，克服了了模模擬濾波器器的的限制。常用的數(shù)字濾波波方方法：1.程序判判斷斷濾波我們可以從經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)出出發(fā)，定出出一一個最大可可能能的變化范范圍圍。每次采采樣樣后都和上上次次的有效值值進(jìn)進(jìn)行比較，如如如果變化幅幅度度不超過經(jīng)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)值，本次次采采樣有效，否否否則，本次次采采樣值應(yīng)視視為為干擾而放放棄棄，以上次次采采樣值為準(zhǔn)準(zhǔn)。2.中值濾濾波波對目標(biāo)參數(shù)連續(xù)續(xù)進(jìn)進(jìn)行若干次次采采樣，然后后將將這些采樣樣程程序進(jìn)行排排序序，選取中中間間位置的采采樣樣值為有效效值值。本算法法為為取中值，采采采樣次數(shù)應(yīng)應(yīng)為為奇數(shù)，常常取取3次或5次。此方法法用于濾去去偶偶然因素引引起起的采樣值值波波動的脈沖沖干干擾。3.算術(shù)平平均均濾波對目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行行連連續(xù)采樣，然然然后求其算算術(shù)術(shù)平均值作作為為有效采樣樣值值。該算法法適適用于抑制制隨隨機(jī)干擾和和周周期干擾。4.滑動平平均均濾波此算法是將本次次采采樣值和過過去去的若干次次采采樣值一起起求求平均，得得到到本次有效效采采樣值即可可投投入使用。5.低通濾濾波波在模擬量輸入通通道道中，常用RC低通濾波器器消弱干擾擾。但但對頻率很很低低的干擾需需要要的電容數(shù)數(shù)值值太大而難難以以實(shí)現(xiàn)。低低通通濾波法則則是是用程序來來模模擬RC濾波器的作作用。該方方法法對時間常常數(shù)數(shù)很大的溫溫度度系統(tǒng)很適適用用。數(shù)字濾波程序?qū)⒚總€信號的55次次測量值排排序序，去掉一一個個最大值和和一一個最小值值，剩剩余3個求平均值值即為該信信號號的測量結(jié)結(jié)果果，即采用用中中位值濾波波法法與平均值值濾濾波法相結(jié)結(jié)合合來實(shí)現(xiàn)數(shù)數(shù)字字濾波。4.4標(biāo)度度變變換程序變送器輸出的44～～20mA((DC)信號，經(jīng)I/V變換后產(chǎn)生1～5V（DC）信號，進(jìn)進(jìn)行12位A/D轉(zhuǎn)換后，即即得12位二進(jìn)制x，其對應(yīng)的的實(shí)際物理理量量要按下面面方方法求得（對對對于12位A/D轉(zhuǎn)換器，0～5V（DC）時輸出為000～FFFH）。1.溫度的的標(biāo)標(biāo)度變換溫度的量程范圍圍為為-20～+500C，其標(biāo)度變變換計算公公式式為(44--1)2.壓力的的標(biāo)標(biāo)度變換壓力的量程范圍圍為為0～0.25MMpa，其標(biāo)度變變換計算公公式式為(4-22))3.液位的的標(biāo)標(biāo)度變換液位的量程范圍圍（差差壓）為0～0.2Mppa，其標(biāo)度變變換公式為為(4-33))式中，D為啤酒酒（麥麥汁）的密密度度，單位為Kg/m3;g為重力加速速度，單位位為為m/s2;H的單位為m。4.5給定定工工藝曲線的的實(shí)實(shí)時插補(bǔ)計計算算給定工藝曲線由由多多段折線組組成成，每一段段都都是直線，故故故采用直線線插插補(bǔ)算法來來計計算各個采采樣樣周期的給給定定值r(k)::(4--44)其中，，和分別別是是第n段折線的兩兩個端點(diǎn)坐坐標(biāo)標(biāo)。控制算法控制算法的的特性分分析在啤酒生產(chǎn)過程程中中，由于發(fā)發(fā)酵酵過程具有有大大慣性、時時滯滯和非線性性等等特點(diǎn)。所所以以，采用常常規(guī)規(guī)的控制算算法法難以得到到理理想的效果果。這這也是制約約啤啤酒生產(chǎn)質(zhì)質(zhì)量量和效率的的重重要原因。因因因而為了滿滿足足啤酒生產(chǎn)產(chǎn)發(fā)發(fā)酵過程控控制制的要求，我我我們爭取在在不不增加對過過程程模型要求求的的同時，使使無無辨識自適適應(yīng)應(yīng)控制算法法同同樣適用于于大大滯后、建建模模困難的復(fù)復(fù)雜雜工業(yè)過程程控控制。針對對被被控對象的的特特性，本系系統(tǒng)統(tǒng)采用兩種種控控制算式。常規(guī)PIDD控制器常規(guī)的PID調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)方法，即即比比例、積分分、微微分控制規(guī)規(guī)律律。是在工工業(yè)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)應(yīng)用用最廣泛、研研研究得最成成熟熟的一種簡簡單單的自適應(yīng)應(yīng)控控制方式，即即即使在歐、美美美、日等工工業(yè)業(yè)發(fā)達(dá)的國國家家，采用現(xiàn)現(xiàn)代代的高級控控制制算法的回回路路數(shù)也僅占占很很小的比例例，90%以上的控制制回路基本本上上還是采用PID控制算法。其其其原因主要要有有以下幾個個方方面:1.PIDD控控制不要求求嚴(yán)嚴(yán)格掌握被被控控對象的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)模型，而而現(xiàn)現(xiàn)代的控制制算算法是以精精確確的數(shù)學(xué)模模型型為基礎(chǔ)的的。2.PIDD控控制算法結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單、穩(wěn)穩(wěn)定定性好、物物理理概念清晰晰等等，容易被被現(xiàn)現(xiàn)場工程師師所所接受。3.在近半半個個世紀(jì)的PID算法發(fā)展過過程中，廣廣大大工程技術(shù)術(shù)人人員已經(jīng)積積累累了豐富的的經(jīng)經(jīng)驗(yàn)，摸索索出出了一系列列整整定PID參數(shù)的方法法。對于PID控控制盡管取取得了一系系列列的研究成成果果和應(yīng)用經(jīng)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)，但人們們對對PID的認(rèn)識和改改進(jìn)還遠(yuǎn)沒沒有有完成。到到目目前為止對PID的機(jī)理、適適用范圍、魯魯魯棒性等問問題題還沒有徹徹底底的全面的的分分析研究。事事事實(shí)上，PID并非萬能的的控制器，在在在存在多變變量量禍合、時時變變、大時滯滯、強(qiáng)強(qiáng)干擾等復(fù)復(fù)雜雜動態(tài)特性性的的系統(tǒng)中，PID很難獲得理理想的控制制效效果，甚至至產(chǎn)產(chǎn)生不穩(wěn)定定。因因此，有必必要要對PID的控制機(jī)理理進(jìn)行全面面的的分析，并并對對在上述場場合合中的應(yīng)用用提提出改進(jìn)的的辦辦法。PID控制中中的的一個關(guān)鍵鍵問問題是PID參數(shù)整定，傳傳傳統(tǒng)的整定定方方法是在獲獲得得被控對象象數(shù)數(shù)學(xué)模型的的基基礎(chǔ)上按照照某某種整定原原則則來進(jìn)行PID參數(shù)值的整整定。而實(shí)實(shí)際際的工業(yè)生生產(chǎn)產(chǎn)過程往往往具具有非線性性，時時變不確定定性性，難以建建立立精確的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)模型，應(yīng)應(yīng)用用常規(guī)的PID控制不能達(dá)達(dá)到理想的的控控制效果。另另另外，在實(shí)實(shí)際際生產(chǎn)現(xiàn)場場中中，PID參數(shù)整定與與自整定的的方方法很多，但但但往往難以以實(shí)實(shí)施或不太太理理想，常規(guī)PID控制器參數(shù)數(shù)常常整定定不不良，性能能欠欠佳，對運(yùn)運(yùn)行行工況的適適應(yīng)應(yīng)性差。因因此此，在PID參數(shù)的整定定及自整定定方方面還有待待進(jìn)進(jìn)一步深入入研研究。從結(jié)構(gòu)上看PPIDD控制器最簡簡單，但并并非非最優(yōu)，在在克克服較大擾擾動動影響，提提高高系統(tǒng)動態(tài)態(tài)品品質(zhì)等方面面，光光靠調(diào)整參參數(shù)數(shù)難以獲得得滿滿意的控制制效效果。因此此，還還有必要在在全全面分析的的基基礎(chǔ)上，對PID控制器進(jìn)行行結(jié)構(gòu)上的的改改進(jìn)。4.6.3PPID算式加特殊殊處理采用增量型PIIDD控制算式((4-5)式中其中：r(k))為為第K個采樣周期期的實(shí)測溫溫度度值它由式式（4-4）確定；y(k)為第KK個個采樣周期期的的實(shí)測溫度度值值，它由式式（4-1）確定；TT為為采樣周期期（T=2s）。根據(jù)被控對象的的特特點(diǎn)，在PID算式的基礎(chǔ)礎(chǔ)上，進(jìn)行行以以下特殊處處理理：在保溫段，r((kk)不變，采用PI控制算式；；降溫段采采用用PID控制算式；；為了減小小被被控對象純純滯滯后的影響響，在在給定溫度度曲曲線轉(zhuǎn)折處處作作特殊處理理，即即由保溫段段轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)至降溫段段時時提前開大大調(diào)調(diào)節(jié)閥，而而在在降溫段轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)至至保溫段時時提提前關(guān)小調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)閥，其目目的的是使溫度度轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)折時平滑滑過過渡。另外，需對控制制量量和閥位輸出出進(jìn)行限幅幅。實(shí)實(shí)際操作時時，必必須對加以限限制，即滿滿足足當(dāng)時，?。划?dāng)時，??；因采用的的調(diào)調(diào)節(jié)閥控制制信信號為4～20mA((DC)，且D/A轉(zhuǎn)換為12位，因此取?。徊捎迷隽渴剿惴ǚ〞r時，計算機(jī)機(jī)輸輸出的控制制增增量對應(yīng)得是是本次執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)位置（如如如閥門開度度）的的增量，對對應(yīng)應(yīng)閥門實(shí)際際位位置的控制制量量是通過累累積積歷次控制制增增量形成的的，常常用的累積積元元件有步進(jìn)進(jìn)電電動機(jī)等。增量式PID在在算算法上有不不少少優(yōu)點(diǎn)：1.計算機(jī)機(jī)發(fā)發(fā)生故障時時，影影響范圍小小。由由于它每次次只只輸出控制制增增量，即對對應(yīng)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)位位置的變化化量量，輸出變變化化范圍不大大（0～），所以，當(dāng)當(dāng)計算機(jī)發(fā)發(fā)生生故障時，不不不會嚴(yán)重影影響響生產(chǎn)過程程。2.手動--自自動切換時時沖沖擊小。由由于于它每次輸輸出出的最大幅幅度度為，所以，當(dāng)當(dāng)控制從手手動動切換到自自控控時，可做做到到無擾動，即即即可實(shí)現(xiàn)無無擾擾動切換。計算工作量小。算算式中不需要要累加。施密斯（SSmitth）預(yù)估控制制算式根據(jù)施施密密斯預(yù)估控控制制算法，如如果果被控對象象視視為純滯后后的的一階慣性性環(huán)環(huán)節(jié)，即(4-66))式中，K為對象象放放大系數(shù)；T0為對象等效效時間常數(shù)數(shù)；；為純滯后時時間。則相應(yīng)得微分方程程為為對上式進(jìn)行離散散化化處理得經(jīng)整理后得(44--7)式中，，需要指出的是，SSmith預(yù)估控制的的關(guān)鍵是對象象有精確的數(shù)數(shù)學(xué)模型。因因此，對于一一些復(fù)雜而難難以用數(shù)學(xué)模模型描述的系系統(tǒng)，此方法法則無能無力力。4.7軟件件調(diào)調(diào)試軟件設(shè)計的全過過程程可以分為4個階段，它它們是：分分析析問題、繪繪制制流程圖、編編編輯程序（產(chǎn)產(chǎn)產(chǎn)生程序代代碼碼）、軟件件調(diào)調(diào)試。軟件件調(diào)調(diào)試是整個個軟軟件設(shè)計中中最最重要、最最耗耗時的一步步。軟件調(diào)試的基本本原原則是：先先分分調(diào)，后總總調(diào)調(diào)；先模擬擬試試驗(yàn)，后現(xiàn)現(xiàn)場場試驗(yàn)。程序編寫完畢，首首先要按模塊塊和子程序進(jìn)進(jìn)行分段試驗(yàn)驗(yàn)，可用一些些事先準(zhǔn)備的的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或或附加一部分分程序來產(chǎn)生生模擬的外部部信號和狀態(tài)態(tài)，以檢驗(yàn)這這些模塊和子子程序的功能能和獨(dú)立工作作能力。對于于有時間限制制的程序，還還要通過計算算或測試來確確定其執(zhí)行速速度，以免影影響實(shí)時控制制的要求。各各部分程序分分調(diào)正常則可可以裝配成整整體進(jìn)行總調(diào)調(diào)?？傉{(diào)一般般與模擬試驗(yàn)驗(yàn)同時進(jìn)行，模模擬試驗(yàn)是用用生產(chǎn)過程（或或裝配）的現(xiàn)現(xiàn)場模擬器對對整個軟件進(jìn)進(jìn)行測試，檢檢驗(yàn)其是否符符合預(yù)期效果果。一切正常常后方可在現(xiàn)現(xiàn)場安裝，進(jìn)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試試。總結(jié)啤灑發(fā)酵是一個個復(fù)復(fù)雜的生物物化化學(xué)反應(yīng)過過程程。發(fā)酵期期間間，根據(jù)酵酵母母的活動能能力力，繁殖快快慢慢，確定發(fā)發(fā)酵酵給定的溫溫度度。要使酵酵母母的繁殖與與哀哀減，麥汁汁中中糖度的消消耗耗和雙乙酞酞等等雜質(zhì)含量量達(dá)達(dá)到最佳狀狀態(tài)態(tài)，必須嚴(yán)嚴(yán)格格控制發(fā)酵酵各各個階段的的溫溫度。因此此，啤啤灑發(fā)酵過過程程，除生產(chǎn)產(chǎn)工工藝水平外外，生生產(chǎn)工序控控制制指標(biāo)的優(yōu)優(yōu)劣劣