毕业论文-基于plc的啤酒发酵自动控制系统设计

广州大学松田学院毕业论文（设计）题目_基于PLC的啤酒发酵自动控制系统设计_基于PLC啤酒发酵自动控制系统设计摘要啤酒发酵是啤酒生产中最重要的一道工序，是决定啤酒质量的最关键的一步。啤酒的发酵是把糖化的姜汁分解成乙醇，由于发酵时间长，过程机理复杂，影响发酵因素很多，对发酵过程缺乏精确的数学模型。从原料到发酵过程，如何控制好温度，压力，让发酵满总生产工艺曲线，决定了啤酒的生产质量和生产效率，发酵过程是啤酒生产过程中的重要环节，发酵控制系统的任务就是将发酵酒液的实际温度控制在和标准发酵曲线相差有限的误差范围内。过去的啤酒发酵过程，啤酒发酵罐多为人工现场操作调节，手工记录。但随着啤酒产量的不断增加，所需发酵罐也会增多，给生产啤酒带来极大的不便，造成生产质量的稳定，如何提高啤酒生产的综合自动化水平，增强啤酒产业实力成为一个好的研究课题。为止，本文通过对啤酒生产发酵过程的工艺及关键问题的分析，基于PLC设计啤酒生产过程中啤酒发酵自动控制系统。关键词PLC啤酒发酵温度控制BASEDONTHEDESIGNOFPLCAUTOMATICCONTROLSYSTEMOFBEERFERMENTATIONABSTRACTBEERFERMENTATIONISONEOFTHEMOSTIMPORTANTPROCEDUREINBEERPRODUCTION,ISTHEMOSTCRUCIALSTEPINDETERMININGTHEQUALITYOFBEERBEERFERMENTATIONISTHEBREAKDOWNOFSACCHARIFICATIONGINGERINTOETHANOL,DUETOTHELONGFERMENTATIONTIME,THEPROCESSMECHANISMISCOMPLEX,MANYFACTORSINFLUENCINGTHEFERMENTATION,THEFERMENTATIONPROCESSISALACKOFACCURATEMATHEMATICALMODELFROMRAWMATERIALTOTHEFERMENTATIONPROCESS,HOWTOCONTROLTHETEMPERATURE,PRESSURE,ANDMAKEFULLOFTHETOTALFERMENTATIONTECHNOLOGYCURVE,DETERMINESTHEPRODUCTIONQUALITYANDPRODUCTIONEFFICIENCYOFBEER,THEFERMENTATIONPROCESSISTHEIMPORTANTLINKINTHEPROCESSOFBEERPRODUCTION,FERMENTATIONCONTROLSYSTEMOFTHETASKISTOCONTROLTHEFERMENTATIONLIQUIDOFACTUALTEMPERATUREFERMENTATIONANDSTANDARDCURVEISLIMITEDWITHINTHEERRORRANGETHEBEERFERMENTATION,BEERFERMENTATIONTANKFORARTIFICIALFIELDOPERATIONADJUSTMENT,MANUALRECORDBUTASTHEINCREASEOFBEERPRODUCTION,THEFERMENTATIONTANKWILLBENEEDEDTOINCREASE,PRODUCEDBEERTOBRINGHUGEINCONVENIENCECAUSEDBYTHESTABLEQUALITYOFPRODUCTION,HOWTOIMPROVETHECOMPREHENSIVEAUTOMATIONLEVELOFBEERPRODUCTION,STRENGTHENTHEBEERINDUSTRYTOBECOMEAGOODRESEARCHTOPICSOFAR,THISARTICLETHROUGHTOTHEFERMENTATIONPROCESSOFBEERPRODUCTIONPROCESSANDTHEANALYSISOFTHEKEYPROBLEMSOFBEERPRODUCTIONINTHEPROCESSOFBEERFERMENTATIONBASEDONPLCDESIGNOFAUTOMATICCONTROLSYSTEMKEYWORDSBEERFERMENTATIONTEMPERATURECONTROLBYPLC目录1绪论111课题的背景112国内啤酒生产过程控制概况213啤酒生产过程自动控制的作用和意义32啤酒发酵321啤酒发酵概述322啤酒发酵的具体过程323啤酒发酵设备424啤酒发酵工艺曲线53啤酒发酵自控系统PLC选型和配置631PLC选型632S7200主要功能及特点833文本显示器TD2001034电磁阀PWM1035PID控制的原理和特点1036PLC其他资源配置114啤酒发酵自控系统PLC程序1041设计思路1042系统硬件配置13421CPU的选型13422模拟量扩展模块13424控制系统硬件配置14425其他资源配置1543啤酒发酵温度PLC控制系统的I/O分配16431I/O地址分配1644编程软件的介绍18441指令系统1845程序流程图1846PLC功能模块程序设计21461主程序22462主酵自然升温段程序22463温度控制程序22464模拟量信号采集处理23465发酵状态处理25466温度设定值的计算29467PID回路计算31468电磁阀控制33469软件调试34结论34主要参考文献35致谢35附录361绪论11课题的背景啤酒是一种低浓度的饮料，也是富含营养价值的食品，每100G中仅有酒精35G，一般不超过8G。它有特殊的酒精花清香味和适口的苦味，并有较高的营养成分即有较高的发热量。啤酒是世界上产量以及消费最大的一种酒，啤酒市场非常巨大，世界啤酒的未来充满希望，欧洲啤酒市场和美国啤酒市场，随着人均消费量增长，啤酒消费量增长显著，居世界前列。作为世界最大且增速最快的啤酒，饮料生产消费大国之一，中国已日趋成为最具吸引力市场。未来五年中国啤酒将保持平稳持续增长的态势。同时啤酒工业是我国食品工业中一个重要的产业，随着国家经济的发展和人民生活的改善，喝啤酒变成一种时尚，我们国家人均啤酒消费较世界水平少，这也透出了我国啤酒市场浓浓的商机。我国内生产啤酒的企业数以百计，但与国外的主要啤酒生产厂家相比，大部分企业的技术相对落后，国的啤酒生产工业前存在许多不尽如人意的地方。由于啤酒生产的工艺复杂，目前我国大多数啤酒生产企业装备落后，自动化程度低，产品质量不稳定。大部分处于手动控制阶段，只有极少数企业实现半自动化，国内的啤酒行业迫切要求进行技术改造，提高生产率，保证产品质量，以确保在激烈的市场竞争中立于不败之地。如何提高啤酒生产的综合自动化水平，增强我国啤酒产业的综合实力是一个很好的研究课题。啤酒酿造过程是这样的糖化，麦汁充氧，添加酵母，发酵，降温，倒罐，贮酒。而我要做的就是其中发酵的一部分，啤酒发酵也是一个复杂的过程，啤酒生产过程中发酵是一道关键工序，除生产工艺水平外，生产工序控制指标的好坏将直接影响啤酒的质量。啤酒发酵是啤酒生产中最重要的一道工序，是决定啤酒质量的最关键的一步。啤酒的发酵过程能实现自动化后，工人的劳动强度将大大地减小，同时啤酒的质量与生产都有望升上一个新的台阶，企业通过技术改造增加了市场竞争。另一方面，不少化工生产过程都具有相似性，因此我们研制的这一套控制系统性价比高，以后还可以推广到其他很多化工厂生产的场合。应用前景乐观，能产生较大的社会经济效益，能应用新技术，新材料，新设备改进生产工艺，提高生产效率。发酵过程是啤酒生产过程中的重要环节，发酵控制系统的任务就是将发酵酒液的实际温度控制在和标准发酵曲线相差有限的误差范围内。其中前发酵是啤酒发酵的主要过程，在这个过程中，酵母完成了增殖，厌氧发酵及其沉淀回收等。这个过程消耗了大部分可发酵性糖和可同化性氮等麦汁成分，排出的发酵代谢产物即啤酒的主要组成。而后发酵就是对主发酵的残糖继续发酵，达到要求的发酵度，排除氧气，增加酒精中的CO2的溶解量。促进发酵液成熟，改善口味，促进啤酒自然澄清，使其具有良好的稳定性。啤酒发酵罐内部温度的精确控制，进而解决了啤酒发酵罐内部温度控制精度不高的问题，提高了啤酒生产的综合自动化水平，使啤酒生产集控制与数据管理于一身，能够适应当前现代化生产的需要。12国内啤酒生产过程控制概况我国啤酒的产量逐步发展，产品质量达较高水平，品种也赶上去，这就要求国内啤酒生产发酵过程控制和更新生产设备能否满足市场的需求。引进国外控制技术。北京华尔森啤酒厂从捷克全套引进生产设备；北京华都啤酒厂从丹麦引进生产设备；上海华光啤酒厂从瑞士引进生产设备等。引进设备的最大特点是自动化水平比较高，从而能严格满足啤酒生产工艺的要求，因此产量较高，质量较稳定。2根据国情自行研究的技术1993年国家轻工业部自动化研究所研制的“PW40啤酒发酵微机控制系统”在厦门华侨啤酒厂投入使用，其控制方案也是采用单变量温度控制；国内中小企业结合本厂生产实际自行研究的自动化仪表加手动的生产控制技术，造价低，效果一般，符合企业目前的状况，但不能满足企业长远发展的需求。我国普遍啤酒厂存在的问题1产品低劣，品种单一；2技术含量低，自控水平差，生产过程多为人工或简单控制，使得啤酒质量不稳定3原材料消耗大，与国际先进水平存在较大差距13啤酒生产过程自动控制的作用和意义国内目前啤酒市场的竞争，体现在两个方面质量和价格。为适应现在生产的要求，提高啤酒的质量，提高生产率，在啤酒生产中自动化控制可以增加竞争能力体现在提高工艺厂品质量，以及原材料的利用，降低生产成本，减少工人的劳动强度。强化产品质量管理。辅助生产管理，方便生产成本的控制盒管理啤酒生产有自己独有的环境，只有结合国内的啤酒行业实际情况，针对其特殊性，才能开发出适合的生产啤酒的自动控制系统。2啤酒发酵21啤酒发酵概述啤酒发酵是一个复杂的过程，发酵过程是把糖化姜汁经过酵母生产乙醇、水、二氧化碳等产物。最终控制为糖度和双乙酰。糖量决定乙醇含量，双乙酰有气味的物质。发酵过程的温度变化与发酵液的糖度和双乙酰成统计关系。实际上，控制发酵液的温度是以人工化验。在啤酒大规模生产中，要求发酵液温度按照一定的工艺曲线变化，温度精确05。如果温度过高，会影响啤酒质量，反之则影响了啤酒生产效率。22啤酒发酵的具体过程啤酒发酵主要有3个过程主发酵、还原双乙酰和低温贮酒。主发酵阶段，从原姜汁开始主发酵，温度要控制在10。发酵液有糖化车间经管道灌入，起始温度8，每罐发酵液分批入罐，每次都要测定糖度信息反馈到糖化车间，保证整罐发酵液符合标准，同时实施温度控制，保证发酵液在规定的温度。发酵液满罐一小时测量其糖度，每八小时一次，当糖度降至65度，每两小时测一次，直到60度。还原双乙酰阶段，温度要求1218，进入第二阶段要每2小时测双乙酰的浓度和糖度，直到糖度降至30度每8小时测一次。当双乙酰浓度到合格标准，发酵就进入降温阶段。发酵温度控制机制1自动升温阶段，姜汁满罐酵母自然升温，要控制温度，否则会导致啤酒质量下降。2主发酵和双乙酰还原阶段，酵母大量繁殖产生较多热量，当酵母进行无氧呼吸，使罐内中，下部酒液浓度不同，要保持强烈的发酵并均衡的酒液状态，要控制不同部分的温度。3降温保温，还原双乙酰后转入降温阶段，将酒均为冷却与贮酒温度。酒在不同温度选会形成对流的作用。酒液密度温度在直接冷却3，要以上带和中带控温为主。3保温稳定酒液流态。3以下控制罐下部为主控温，打破温度梯度，满足控制温度效果23啤酒发酵设备发酵罐设有上，中，下三个冷却带，有3个电磁阀控制冷却，并有3个温度传感器检测3点温度，啤酒发酵罐结构示意图PIC01TIC01TIC02TIC03LI01电磁阀关排放CO2上层温度中层温度下层温度罐内压力罐内液位冷媒出口冷媒入口啤酒发酵罐结构示意图24啤酒发酵工艺曲线啤酒的合口和实际要求不同，啤酒发酵工艺曲线也不同，严格按照工艺曲线控制温度和压力才能保证啤酒质量。啤酒发酵工艺曲线如下T0麦汁进罐温度T1第一升温时间段，自然升温T2第一恒温时间段T3第二升温时间段，自然升温，主发酵保温T4第二恒温时间段，双乙酰含量，主发酵降温T5第一降温时间段，后发酵保温T6第二恒温时间段，后发酵降温T7第二降温时间段各个阶段进行简单地介绍1麦汁进料，由糖化阶段产生的麦汁原料由糖化罐进入发酵罐中。2自然升温，酵母的加入，酵母菌逐渐开始生长和繁殖。产生大量的二氧化碳和热量，使原料的温度逐渐上升。3自然升温发酵，产生一种学名叫双乙酰的化学物质。这个过程需要将这个化合物除去，增加啤酒的品质。4降温过程其实属于啤酒发酵的后续过程，其作用是将发酵过程中加入的酵母菌进行沉淀、排出。5低温储酒发酵完成的原料继续储存在发酵罐已经发酵完成的原料继续储存在发酵罐等待过滤、稀释、杀菌等过程的进行。3啤酒发酵自控系统PLC选型和配置31PLC选型可编程控制器PLC工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段1输入采样即检查各输入的开关状态，将这些状态数据存储起来为下一阶段使用；2执行程序然后PLC按用户程序中的指令逐条执行，但是把执行结果暂时存储起来；3刷新输出按第1阶段的输入状态在第2阶段执行程序中确定的结果，在本阶段中对输出予以刷新；电源中央处理单元（CPU）存储器EPROM系统程序RAM（用户程序）输入单元输出单元外设接口扩展口扩展单元编程器输入信号输出信号盒式打印机打印机EPROM写入器PLC或上位计算机PLC组成示意图PLC的特点控制程序可变，具有很好的柔性；具有高度可靠性，适用于工业环境；功能完善；易于掌握、便于维修。据啤酒发酵的工艺流程和需要，PLC的选型需要满足以下条件1、有简单回路控制算法。；2、有模拟量的采集、处理过程及开关量的输入/输出功能。3、有温度显示和用外部按键随时改变内部参数PLC集三电于一体，PLC网络具有优良的性能价格比和PLC具有高可靠性等等，使得PLC在工厂中倍受欢迎，用量高居首位，成为现代工业自动化的支柱。因此，可编程控制器啤酒发酵过程自动控制系统，可完成啤酒发酵过程控制功能，完成与上位机的通讯，实现啤酒发酵过程的远程监控。西门子S7200系列PLC，S7200系列的PLC具有体积小，运行速度高，功能强等特点。1S7200PLC机械结构特性体积小，重量轻，结构紧凑，可用接线端子排接线，而且接线端子前带有面板保护，PLC上设计有标准的DIN导轨安装机构和安装孔，可以垂直或水平方向安装。2S7的电气结构特性1免维护性。S7200CPU中配有EPROM，可以永久保护用户程序和一些重要参数。它还安装有大容量电容，可以长时间存储数据而不需要后备电池。2PLC内有24直流传感器或负载驱动电源，输出电流可达180MA或24MA灵活中断输入。3为了适合不同场合使用，每种CPU又都有3种不同的类型可供选择4灵活中断输入。S7200CPU可以以极快的速度来响应中断请求信号的上升沿或下降沿5PLC内配有高速计数器。CPU212有一个2KHZ的加/减计数器，而CPU214CPU216有两个独立的7KHZ的高速计数器，他们可用软件或硬件复位。6便于扩展，为系统备有专用的扩展模块（EN），可方便地进行输入，输出及模拟量扩展。7模拟电位器外部设定32S7200主要功能及特点（1）执行指令速度高。（2）丰富的指令功能。（3）灵活的中断功能，中断触发有几种形式可用软件设定为中断输入信号的上升沿式下降沿，以便做出快速响应；可设为时间控制的自动中断；可由内置高数计数器自动触发中断；在与外设通信时可以以中断分式工作。（4）输入和输出的直接查询和赋值。（5）严格的口令保护。（6）调试和故障诊断功能。（7）输入或输出的强制功能。用户调试程序时，可对输入或输出强制接通。（8）通信功能。用户提供了强大，灵活的通信功能。用户对点接口（PPI）作96KBIT/S的数据通信，用RS485接口实现高速用户可编和接口。S7200CPU主要的性能指标见表。特性CPU221CPU222CPU224CPU226外形尺寸80806290806212058062190862存储器用户程序2048字2048字4096字4096字用户数据1024字1024字2560字2560字用户存储器类型EEPROMEEPROMEEPROMEEPROM数据后备（超级电容）典型值50小时50小时50小时50小时输入输出本机I/O6入4出8入/6出14入/10出24入/16出扩展模块数量无2个模块7个模块72个模块数字量I/O映像区大小256256256256模拟量I/O映像区大小无16如/16出32入/32出32入/32出指令系统33MHZ下布尔指令执行速度037US/指令037US/指令037US/指令037US/指令FOR/NEXT循环有有有有实数指令有有有有整数指令有有有有主要内部继电器I/O映像寄存器128I和128Q128I和128Q128I和128Q128I和128Q内部通用继电器256256256256计数器/定时器256/256256/256256/256256/256写入/写出无16/1632/3232/32顺序控制继电器256256256256附加功能内置高速计数器4H/W（20KHZ）4H/W（20KHZ）6H/W（20KHZ）6H/W（20KHZ）模块量调节电位器1122脉冲输出2（20KHZ，DC）2（20KHZ，DC）2（20KHZ，DC）2（20KHZ，DC）通信中断1发送/2接收1发送/2接收1发送/2接收1发送/4接收硬件输入中断4，输入滤波器4，输入滤波器4，输入滤波器4，输入滤波器定时中断2（1255MS）2（1255MS）2（1255MS）2（1255MS）定时时钟有（时钟卡）有（时钟卡）有（内置）有（内置）口令保护有有有有通信功能通信口数量1（RS485）1（RS485）1（RS485）支持协议0号口1号口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号口）S7200CPU主要的性能指标33文本显示器TD200S7200系统中的文本显示器TD200是在现场监控的有效设备，TD200连接简单，只需要用按特定的通信电缆连接到PPI接口上就可以了。1显示信息，可以显示最多80条信息，每条信息最多可包含4个变量。2可设定CPU214以上机型的实时时钟。3提供强制I/O点诊断功能。4过程参数的修改。5可编程的8个功能键可以代替普通的控制按钮作为控制键。6输入和输出设定。8个可编程式功能键盘的每一个都分配了一个存储器位。34电磁阀PWM脉冲宽度调制PWM，是英文“PULSEWIDTHMODULATION”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉宽调制（PWM）基本原理控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。35PID控制的原理和特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。4啤酒发酵自控系统PLC程序41设计思路啤酒发酵对象的时变性、时滞性及其不确定性，决定了发酵罐控制必须采用特殊的控制算法。由于每个发酵罐都存在个体的差异，而且在不同的工艺条件下，不同的发酵菌种下，对象特性也不尽相同。因此很难找到或建立某一确切的数学模型来进行模拟和预测控制。为节省能源，降低生产成本，并且能够满足控制的要求，发酵罐的温度控制选择了检测发酵罐的上、中、下3段的温度，通过上、中、下3段冷媒进口的两位式电磁阀来实现发酵罐温度控制的方法，本系统利用S7200实现发酵罐温度的控制，PLC实现啤酒发酵温度控制的主要任务是接受由发酵罐传来的温度、压力模拟量输入信号，然后与工艺曲线设定温度值进行比较，计算出温度偏差值，再使用简单的PID控制回路计算出电磁阀的开度，从而实现对发酵罐温度的控制。为了达到预定的控制效果，采用自动或由操作人员手动选择控制的方法。程序中设定了手动操作和自动控制选择开关，在任意阶段都能够实现两者间的切换，实现了温度、压力的手、自动选择控制。程序中有人工阶段选择开关，可以在任意阶段间跳转，从而避免了因操作人员操作偶尔失误而无法实现后续程序正常运行的情况。根据啤酒发酵温度控制各阶段转换条件及控制要求。采用的是德国SIEMENS公司的S7200系列PLC，运用与之相配的STEP7编程软件，通过STL和LAD两种编程语言编制了下位机的控制程序,完成系统软件设计，实现啤酒发酵温度自动控制的PLC控制系统设计。发酵过程中设定的参数主酵设定温度值（125C）、主酵上下温度差值（04C）主酵降温温度设定值（85C），降温过程总时间（48小时）、主酵降温上下温度差值（04C）后酵设定温度值（85C）、后酵上下温度差值（03C）后酵降温温度设定值（05C），降温过程总时间、后酵降温上下温度差值（02C）贮酒温度设定值（05C）、贮酒上下温度差值（03C）主要的阶段有主酵阶段控温，主酵降温，后酵阶段控温，后酵降温，过滤前贮酒控温，过滤至一般控温，停止控温。啤酒发酵期间，发酵温度分为起始温度（即麦汁冷却温度、满罐温度）、最高温度（称发酵温度）、还原双乙酰温度和贮酒温度。啤酒发酵期罐压力设定为0015MPA。其各阶段转换条件及控制要求见表所示。啤酒发酵各阶段状态表控制要求工作阶段名称进入条件时间（小时）温度冷媒阀门麦汁进罐启动麦汁进罐不需设定不需设定关闭所有满罐温度保持满罐后，由人工输入“开始”指令T010小时不需设定关闭所有主酵自然升温段T0结束T1不需设定中段温度为参考点，自然升至TL程序控制双乙酰还原阶段TL12T2不需设定T112程序控制降温保温阶段化验决定，人工输入指令T3100小时132T程序控制后酵保温阶段T3结束且T23T448小时T23程序控制第二降温阶段T4结束T572小时253T程序控制贮酒保温阶段T5结束且T31不需设定T31程序控制控制系统对发酵过程中温度、压力、液位、周期等工艺参数进行全方位检测控制。为了使罐内酒液循环并有利于不同发酵期的酵母沉淀，一般采用分三段间冷方式，控制罐内酒液温度，使之形成自上而下的温度梯度。（1）对每个发酵罐的上、中、下3个测量点的温度进行检测，实现自动控制，罐内实行压力检测。整个发酵过程的温度控制在不同发酵时期是不同的，根据主酵双己酰还原冷却酵母回收后贮的阶段，分别设定曲线进行控制，并采用PI、PID等控制方法，使系统控制精度符合工艺要求按啤酒发酵工艺要求，其中从12保温向3下降的转折点取决于酒液残糖量而不取决于发酵时间。（2）为了保证贮酒在不同阶段的温度设定值，设有温度的上下限报警，为了保证罐内压力在不同阶段的压力设定值，设有压力的上下限报警。每个罐设有液位指示，可以作为装酒和成品计量用，还可以了解整个发酵过程的液位变化。整个系统还设定了手动操作和自动控制选择开关，在任意阶段都能够实现两者间的切换，实现了温度、压力的手、自动选择控制。程序中有人工阶段选择开关，可以在任意阶段间跳转，从而避免了因操作人员操作偶尔失误而无法实现后续程序正常运行的情况。（3）上位计算机可以动态显示每个发酵罐的工艺流程，即温度、压力、进酒时间、酒龄及超限声光报警等，以便对发酵罐进行宏观管理，并具有阀门的开关状态显示，阀门的手自动控制，实时报表打印等功能。能监视每个发酵罐的温度、压力周期曲线，当累积酒龄达到时，自动出信号，以便人工确定是否执行下步操作。设计PLC控制系统方案。通过对系统的整体分析，可以分析出来系统要提供21个开关量输入，16个开关量输出，五路模拟量的输入，实现啤酒发酵各阶段温度控制。表明各类具体信号及性质分类。输入/输出节点统计表输入信号输出信号启动麦汁进罐手动方式麦汁进罐泵运行关闭麦汁进罐自动方式满罐温度保持指示满罐温度保持开上冷媒开关电磁阀主酵自然升温段指示主酵自然升温段开中冷媒开关电磁阀双乙酞还原阶段指示双乙酞还原阶段开下冷媒开关电磁阀降温保温阶段指示降温保温阶段关上冷媒开关电磁阀后酵保温阶段指示后酵保温阶段关中冷媒开关电磁阀第二降温阶段指示第二降温阶段关下冷媒开关电磁阀贮酒保温阶段指示贮酒保温阶段开发酵罐排气阀上冷媒开关电磁阀发酵罐上部温度关发酵罐排气阀中冷媒开关电磁阀发酵罐中部温度系统启动SB1下冷媒开关电磁阀发酵罐下部温度系统急停SB2发酵罐排气阀发酵罐压力压力超限报警发酵罐液位温度超限报警自动运行状态首先，发酵工艺过程模拟量加温度、压力、液位以及各种阀门的状态，进人PLC。PLC可以根据工艺要求设定的程序自动完成模拟量和开关量的处理，通过控制算法，输出控制信号至执行机构，对阀门进行控制调节，从而完成发酵工艺过程的控制。同时，相关数据通过PLC的通信接口单元和上位机通信链路传至上位机和模拟屏；上位机及模拟屏相同的图形完成系统组态监控与动态处理。此外，为确保系统工作安全，系统设计了手动装置。在意外故障情况下，可以切换自动，进人手动状态，从而保证发酵工艺过程的正常运行。系统采用上下位机两级递阶结构。具体结构见图显示器键盘上位计算机CPUDODMAIAIAIDO现场传感器执行装置打印机系统组成结构图42系统硬件配置421CPU的选型SIMATICS7200系列是西门子公司生产的小型可编程程序控制器14，结构小巧，可靠性高，运行速度快，有极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，配有功能丰富的扩展模块，性能价格比非常高。S7200四种CPUCPU221，CPU222，CPU224，CPU226CPU226这种模块在CPU224的基础上功能又进一步增强，主机输入输出点数增为40点，具有扩展能力，最大扩展为248点数字量或35点模拟量，增加了通信口的数量，通信能力大大增强，它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。根据对整个系统的考察，啤酒发酵温度PLC控制系统的I/O点数及类型确定，可知PLC要提供21个开关量输入和15个开关量输出，5个模拟量输入，同时考虑到要留有2030的余量。通过比较S7200四种CPU的各种技术指标，选定CPU226为啤酒发酵温度PLC控制的控制器。422模拟量扩展模块PLC对模拟量信号的PID控制方式用可编程控制器对模拟量进行PID控制时，可采用以下方式（1）用PID过程控制模块这种模块的PID控制程序是可编程控制器生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路，但是，这种模块价格昂贵，一般在大型的控制系统能中使用。（2）用PID功能指令现在很多可编程控制器都有供PID控制用的功能指令，如S7200的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序，与模拟量输入/输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果，但是价格便宜的多。可以用STEP7MICRO/WIN32编程软件中的“指令向导”简单快速的设置PID程序中的各种参数，设置完成后，指令向导自动生成PID程序。（3）用自编的程序实现PID闭环控制有的可编程序控制器没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令，有时虽然可以使用PID控制指令，但是希望采用某种改进的PID控制算法15。在上述情况下都需要用户自己编制PID控制程序。本系统需对啤酒发酵过程中温度、压力、液位、周期等工艺参数进行全方位检测控制，选择S7200PLC主机，扩展模拟量处理模块，利用PLC提供的PID编程功能模块，即可实现相应模拟量的闭环控制。在模拟量闭环过程控制领域内，扩展模拟量处理模块，如EM231、EM232、EM235，根据PLC提供的PID编程功能模块，只需设定好PID参数，运行PID控制指令，就能求得输出控制值，实现模拟量闭环控制。EM231模块提供了模拟量输入/输出的功能，优点如下（1）最佳适应性可适用于复杂的控制场合（2）直接与传感器和执行器相连，12位的分辨率和多种输入/输出范围能够不用外加放大器而与传感器和执行器直接相连，例如EM235CN模块可直接与PT100热电阻相连（3）灵活性当实际应用变化时，PLC可以相应地进行扩展，并可非常容易的调整用户程序。424控制系统硬件配置S7200PLC的扩展模块S7200PLC可以安装在板上，也可以安装在标准DIN导轨上，利用总线连接电缆，可以很容易的把CPU模块和扩展模块连接在一起16。需要连接的扩展模块较多时，模块连接起来会过长，两组模块之间可使用扩展连接电缆，将模块安装成两排。信号处理模块主要分为四类开关量输入DI、开关量输出DO、模拟量输入AI、模拟量输出AO；扩展方扩展方法如图。S7200扩展图啤酒发酵控制原理可以得出每只发酵罐需要有上温、中温、下温、压力四个模拟量需要测量，有些情况需要对发酵罐的液位进行测量；上温、中温、下温3个温度各需要一个二位式电磁阀进行控制，罐内压力需要一个二位式电磁阀进行控制。所以每只发酵罐的I/O点数为5个模拟量、36个开关量考虑到CPU226主机上的I/O口不够多必须对它进行扩展，在这选用EM221CN数字量输入模块（6ES72111BF220XA8）、EM222CN数字量输出模块（6ES72221HF220XA8）、模拟量扩展模块EM231CNAI4X12位。其扩展图如图。图44模块扩展连接图425其他资源配置除了PLC必需的I/O扩展模块之外，另外涉及的设备仪表有测温用PT100鉑电阻温度变送器、压力变送器、液位变送器等。根据啤酒发酵的特点，啤酒发酵过程的温度范围最低可以到1摄氏度以下，最高到12摄氏度以上，一般可以选择的量程为1090摄氏度的温度变送器；中央处理单元CPU226EM221DI8DC24VEM222DO8DC24VEM222DO8DC24VEM231AO4DC24VEM231AO4DC24V压力变送器可以选择量程为0200KPA或者0400KPA。43啤酒发酵温度PLC控制系统的I/O分配431I/O地址分配根据啤酒发酵温度控制的工艺流程及实际需求，确定整个系统共有26个输入点，其中5个模拟量；16个输出点，考虑到系统的扩展留有少量冗余，因此选用西门子S7226PLCCPU模块1块、EM221扩展模块1块、EM222扩展模块2块、EM231模拟量扩展模块2块。本机及扩展模块I/O地址分配见表本机及扩展模块I/O地址分配输入信号输出信号符号地址注解符号地址注解K1I00系统启动BENGYXQ10麦汁进罐泵运行K2I02系统急停MGWDBCZSQ30满罐温度保持指示S1I03手动方式ZJZRSWDZSQ31主酵自然升温段指示S2I04自动方式SYTHYDZSQ32双乙酰还原阶段指示QDMZJGI05启动麦汁进罐JWBWDZSQ33降温保温阶段指示GBMXJGI06关闭麦汁进罐HJBWJDZSQ34后酵保温阶段指示MGWDBCI10满罐温度保持DEJWJDZSQ35第二降温阶段指示ZJZRSWDI12主酵自然升温段CJBWJDZSQ36贮酒保温阶段指示SYTHYDI13双乙酰还原阶段SHANGLKFQ41上冷媒开关电磁阀JWBWDI14降温保温阶段ZHONGLKFQ42中冷媒开关电磁阀HJBWJDI15后酵保温阶段XIALKFQ43下冷媒开关电磁阀DEJWJDI16第二降温阶段YLPQFYXQ44发酵罐排气阀CJBWJDI17贮酒保温阶段YALICXBJQ11压力超限报警KSHANGI40开上冷媒开关电磁阀WDCXBJQ12温度超限报警KZHONGI41开中冷媒开关电磁阀ZDYXZTQ00自动运行状态KXIAI42开下冷媒开关电磁阀SHANGWDAIW6发酵罐上部温度GSHANGI43关上冷媒开关电磁阀ZHONGWDAIW8发酵罐中部温度GZHONGI44关中冷媒开关电磁阀XIAWDAIW10发酵罐下部温度GXIAI45关下冷媒开关电磁阀FJGYALIAIW12发酵罐压力KYLPQFI46开发酵罐排气阀FJGYEWEIAIW16发酵罐液位GYLPQFI47关发酵罐排气阀PLC外部接线图示意图如图S7200可编程控制器CPU226EM231I00I01I02I03I04I05I06I07I10I11I12I13I14I15I16I17I20I27MLQ00Q01Q02Q03Q04Q05Q06Q07Q10Q11Q12Q13Q14Q15Q16Q17NL1RARBRCIOLMRBRCIOLMEM231RA手动方式自动方式启动麦汁进罐关闭麦汁进罐开上冷媒开关电磁阀开中冷媒开关电磁阀开下冷媒开关电磁阀关上冷媒开关电磁阀关中冷媒开关电磁阀关下冷媒开关电磁阀开发酵罐排气阀关发酵罐排气阀系统启动系统急停上冷媒开关电磁阀中冷媒开关电磁阀下冷媒开关电磁阀发酵罐排气阀压力超限报警温度超限报警交流电流AC220V发酵罐上部温度变送器发酵罐中部温度变送器发酵罐下部温度变送器发酵罐压力变送器发酵罐液位变送器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显示器I30I37I40I41I42I43I44I45I46I47MLEM221EM222EM222Q20Q27Q30Q31Q32Q33Q34Q35Q36Q37MLQ40Q41Q42Q43Q44Q47ML满罐温度保持主酵自然升温段双乙酰还原阶段降温保温阶段后酵保温阶段第二降温阶段贮酒保温阶段麦汁进罐泵运行自动运行状态满罐温度保持指示主酵自然升温段指示双乙酰还原阶段指示降温保温阶段指示后酵保温阶段指示第二降温阶段指示贮酒保温阶段指示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外部接线示意图44编程软件的介绍441指令系统可编程序控制器中所有指令的集合，就称它为指令系统。指令系统是表征PLC性能的重要指标，他的格式与功能硬件紧密联系，而且直接影响程序的编制，从而影响机器系统的应用范围。S7200系列PLC主机中有两类基本指令集SIMATIC指令集和IEC11313指令集SIMATIC指令集是为S7200系列PLC设计的，本指令通常执行时间短，而且可以用LAD、STL和FBD三种编程语言IEC11313指令集是不同PLC厂家的指令标准，不能使用STL编程语言。利用计算机编程软件STEP7MICROWIN/WIN32提供的不同的编程语言，可以利用这些指令创建控制程序，两种指令集和所选用编程语言的可能组合。STEP7MICRO/WIN32STEP7MICRO/WIN32是S7200系列的PLC的编程软件。可以对S7200的所有功能进行编程。该软件可以在WINDOWS平台上运行，其基本功能是协助用户完成应用软件任务。例如创建用户程序、修改和编辑过程中编辑器具有简单的语法检查功能，还可以直接用软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控。本系统中采用的PID算法可由PID指令直接生成。45程序流程图发酵温度控制系统流程图PLC实现啤酒发酵温度控制的主要任务是接受由发酵罐传来的温度、压力模拟量输入信号，然后与工艺曲线设定温度值进行比较，计算出温度偏差值，再使用简单的PID控制回路计算出电磁阀的开度，从而实现对发酵罐温度的控制。为了达到预定的控制效果，采用自动或由操作人员手动选择控制的方法。序中有人工阶段选择开关，可以在任意阶段间跳转，从而避免了因操作人员操作偶尔失误而无法实现后续程序正常运行的情况。单罐啤酒发酵温度控制系统流程图麦汁进罐满罐初始化进程满罐温度保持10小时定时到主酵自然升温段温度T12双乙酰还原段（12）糖度达标降温保温阶段100小时定时到温度T3后酵保温段48小时定时到第二次降温段72小时定时到温度T1贮酒保温段启动AA出酒NYNNNNNNNNYYYYYYYY单罐啤酒发酵温度控制系统流程图控温程序流程图设计根据前面工艺流程的介绍，可以总结出实现啤酒发酵温度自动控制的双乙酰还原阶段、降温保温阶段、后酵保温阶段、第二降温阶段、贮酒保温阶段等控温阶段基本的程序流程图如图开始初始化读开关量信号状态模拟量读取处理温度、压力超限工作方式选择自动设定发酵温度时间曲线计算实际工作时间计算温度设定值读取实际温度值温度设定值等于实际温度PID运算输出控制冷媒电磁阀罐状态操作手动故障报警处理输出电磁阀开关状态YYNN图41啤酒发酵控制过程程序流程图S7200的PID指令PID算法的实现在模拟量闭环过程控制领域内，扩展模拟量处理模块。根据PLC提供的PID编程功能模块，只需设定好PID参数，运行PID控制指令，就能求得输出控制值，实现模拟量闭环控制。PID算法在模拟量的控制中，经常用到PID运算来执行PID回路的功能，PID回路指令使这一任务的编程和实现变得非常容易。用可编程序控制器控制PID回路时，要把实际测量输入量、设定值和回路表中的其他输入参数进行标准化处理，即用程序转化为PLC能够识别和处理的数据的标准，例如把从AIW采集来的16位整数转化为0010之间的标准化实数。标准化实数又分为双极性（围绕05上下变化）和单极性（以00为起点在00和10之间的范围内变化）两种。程序执行时把各个标准化实数量用离散化PID算式进行处理，产生一个标准化的实数运算结果，这一结果同样也要用程序将其转化为相应AQW，用以驱动模拟量的输出负载，实现控制。46PLC功能模块程序设计（1）计算出啤酒发酵时间。在程序中必须能够得到每个发酵罐的起始发酵时间，然后由当前时间计算出罐内啤酒的已经发酵时间。这个过程中需要考虑到的问题是，每个月的天数、该年是否可能为润年等。（2）计算当前时刻的设定温度。处在发酵过程中的每一个发酵罐根据各自的生产需要，都有一个工艺设定曲线。在计算出发酵的时间之后，可以通过计算得到当前时刻的设定温度。（3）计算当前时刻的电磁阀开度。计算出当前时刻设定温度之后，可以计算出温度的偏差值，使用简单的PID控制回路就可以计算出电磁阀的开度。由于电磁阀是二位式的，所以其阀的开关动作作为占空比连续变化的PWM输出。电磁阀PWM输出波形如图所示。TTT1T2电磁阀PWM输出波形图图中TT为电磁阀动作周期。T1为电磁阀关闭时间。T2为电磁阀打开时间。TT、T1、T2之间关系为TTT1T2电磁阀的阀位值T2/T1100。461主程序主程序控制系统的启动与停止，整个发酵温度控制过程根据不同发酵时期的不同转换条件，调用相关子程序，完成主酵双乙酰还原冷却酵母回收后贮的阶段的温度根据设定好的曲线实现控制。主程序部分截图见附录。462主酵自然升温段程序当麦汁和酵母进入发酵罐后，就开始进入主酵阶段。由于发酵是入热反应，温度升高，产生大量的CO2，使发酵液产生强大的对流。在控制上应T上VW10,VW12Q42双乙酰还原阶段温度控制程序NETWORK1/读罐状态值判断跳转LDSM00MOVBMB1,VB1000AENOLPSABVB1000,1Q30LRDABVB1000,2Q31LRDABVB1000,3Q32LRDABVB1000,4Q33LRDABVB1000,5Q34LRDABVB1000,6Q35LPPABVB1000,7Q36NETWORK2/NETWORKTITLE/读测量值LDM12LPSMOVWAIW10,VW14AENOMOVWAIW12,VW16LRDMOVWAIW8,VW12AENOMOVWAIW16,VW18LPPMOVWAIW6,VW10NETWORK3/将读入的上温、中温、下温、压力、液位由字变量转换为双字变量。LDM12LPSITDVW10,VD40AENOITDVW12,VD44LRDITDVW16,VD48AENOITDVW16,VD52LPPITDVW18,VD56NETWORK4/将上温、中温、下温、压力、液位由整数转换为浮点数。LDM12LPSDTRVD40,VD100AENODTRVD44,VD104LRDDTRVD48,VD108AENODTRVD52,VD112LPPDTRVD56,VD116NETWORK5/压力温度超限报警LDSM00LPSADVD52,VD2030Q11Q44LPPADVD44,VD2060Q41Q42Q43Q12NETWORK6/工作方式选择LDI03LPSAI40SQ41,QB4LRDAI41SQ42,QB4LRDAI42SQ43,QB4LRDAI43RQ41,QB4LRDAI44RQ42,QB4LRDAI45RQ43,QB4LRDAI46SQ44,QB4LPPAI47RQ44,QB4NETWORK7LDI04OQ00ANI03Q00NETWORK8LDQ00ASM04EUCALLSBR8NETWORK9LDQ00/PID输出值MOVRVD1272,VD1300AENOMOVRVD1300,VD1312AENO/PID输出值与温度控制周期相乘RVD1304,VD1312AENOMOVDVD1312,VD1320AENO/总温度控制周期减去阀开时间等于阀关时间DVD1304,VD1320AENO/温度控制时间由小时更改为分钟R6000,VD1312AENOANT37降温保温阶段控制程序NETWORK1/LDQ33OM13ANM23M13NETWORK2/读罐状态值判断跳转LDSM00MOVBMB0,VB1000AENOLPSABVB1000,1Q30LRDABVB1000,2Q31LRDABVB1000,3Q32LRDABVB1000,4Q33LRDABVB1000,5Q34LRDABVB1000,6Q35LPPABVB1000,7Q36NETWORK3/读测量值LDM13LPSMOVWAIW10,VW14AENOMOVWAIW12,VW16LRDMOVWAIW8,VW12AENOMOVWAIW16,VW18LPPMOVWAIW6,VW10NETWORK4/将读入的上温、中温、下温、压力、液位由字变量转换为双字变量。LDM13LPSITDVW10,VD40AENOITDVW12,VD44LRDITDVW16,VD48AENOITDVW16,VD52LPPITDVW18,VD56NETWORK5/将上温、中温、下温、压力、液位由整数转换为浮点数。LDM13LPSDTRVD40,VD100AENODTRVD44,VD104LRDDTRVD48,VD108AENODTRVD52,VD112LPPDTRVD5