基于PLC的啤酒发酵自动控制系统设计

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 PLCPLC技术及应用技术及应用 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 啤酒发酵过程中温度的啤酒发酵过程中温度的PLCPLC控制控制 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间： 2013.12.9-2013.12.18 课程设计（论文）报告的内容及其文本格式课程设计（论文）报告的内容及其文本格式 1、课程设计（论文）报告要求用 A4 纸排版，单面打印，并装订成册，内容包括： 封面（包括题目、院系、专业班级、学生学号、学生姓名、指导教

2、师姓名、起止时间等） 设计(论文)任务及评语 中文摘要 （黑体小二，居中，不少于 200 字） 目录 正文（设计计算说明书、研究报告、研究论文等） 参考文献 2、课程设计（论文）正文参考字数：2000 字周数。 3、封面格式 4、设计（论文）任务及评语格式 5、目录格式 标题“目录”（ 小二号、黑体、居中） 章标题（四号字、黑体、居左） 节标题（小四号字、宋体） 页码（小四号字、宋体、居右） 6、正文格式 页边距：上 2.5cm，下 2.5cm，左 3cm，右 2.5cm，页眉 1.5cm，页脚 1.75cm，左侧装订； 字体：一级标题，小二号字、黑体、居中；二级标题，黑体小三、居左；三级标题

3、，黑体四号；正文文字，小四 号字、宋体； 行距：20 磅行距； 页码：底部居中，五号、黑体； 7、参考文献格式 标题：“参考文献”，小二，黑体，居中。 示例：（五号宋体） 期刊类：序号作者 1,作者 2,作者 n.文章名.期刊名（版本）.出版年,卷次（期次）:页次. 图书类：序号作者 1,作者 2,作者 n.书名.版本.出版地:出版社，出版年:页次. 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：自动 化 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 课程设计 （论文）题 目 基于Ethernet/IP远程锅炉液

4、位控制系统设计 课程设计（论文）任务 课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数 实现功能实现功能 以 Netlinx 网络控制平台为基础，设计锅炉液位控制系统，网络选择 Ethernet/IP，通过 FlexI/O 模块，实现基于 Ethernet/IP 的液位远程控制。 设计任务及要求设计任务及要求 1、确定系统设计方案，画出 Ethernet/IP 远程 FlexI/O 的结构图。 2、Ethernet/IP 远程 FlexI/O 液位控制系统硬件设计，包括介质、模块及器件等选择。 3、Ethernet/IP 远程 FlexI/O 硬件组态及软件组态

5、（PID 程序） 。 4、使用 Factory talk view 软件设计显示画面。 5、要求认真独立完成所规定的全部内容；所设计的内容要求正确、合理。 6、按学校规定的格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。 技术参数技术参数 1、Ethernet/IP 传输速率 10Mbps；2、液位高度设定值 80cm；3、控制精度5% 进度计划 1、布置任务，查阅资料，确定系统设计方案（1 天） 2、对系统功能进行分析，构建 Ethernet/IP 远程 FlexI/O 网络（1 天） 3、系统硬件组态及模块选择（3 天） 4、系统软件组态及编写功能程序及调试（3 天） 5、撰

6、写、打印设计说明书（1天） 6、验收及答辩。 （1天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 摘 要 啤酒发酵是啤酒生产工艺流程中关键环节之一，本文针对实验室啤酒发酵装置技术 装备落后、自动化程度低、产品质量不稳定以及啤酒发酵罐温度所具有的大时滞、强关 联、时变、大时间常数和变量的特点，提出了 S7-200PLC 核心的温度控制系统方案。在 发酵罐中设置上、中和下三个测温点，控制系统对这三个测温点进行循环检测，然后检 测到的温度信号送到 PLC，由 PLC 通过具体程序对以上三个信号进行处理，通过本文设定 的特殊控制算法决定每层控制阀的开度，从而

7、实现了啤酒发酵罐内部麦汁三层温度的精 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. 文中介绍了系统的工艺流程、软件设计。软件设计包括系统控制的梯形图、温度设 定值的计算和电磁阀控制。该设计编程容易，容易掌握。 该系统满足啤酒生产发酵工艺的技术要求，并兼顾了实用的需求且性能/价格比高、 可靠、技术先进，扩展性强，移植性强，具有推广实用价值。 关键词：啤酒发酵；温度控制；可编程逻辑控制器 PLC 目 录 第 1 章 绪论.1 第 2 章 课程设计的方案.2 2.1 概述 .2 2.2 控制原理 .2 2.3 啤酒发酵工艺流程 .3 第 3 章 硬件设计

8、.6 3.1 PLC 的选型 .6 3.1.1 PLC 工作原理及功能 .6 3.1.2 PLC 的选型 .6 3.2 S7-200 主要功能及特点 .8 3.3 控制系统的硬件配置 .8 3.4 文本显示器 TD200 .9 3.5 I/O 地址分配 .10 第 4 章 软件设计.12 4.1 控制系统组成 .12 4.2 程序流程图设计 .12 4.3 PLC 功能模块程序设计 .14 4.4 主程序 .15 4.5 模拟量信号采集处理 .18 4.6 温度设定值的计算 .18 4.7 电磁阀控制 .19 第 5 章 课程设计总结.21 参考文献.22 第 1 章 绪论 随着我国改革开放现

9、代化建设，人民生活水平不断断提高，啤酒己成为人 们的时尚饮品，市场的宠儿，生产直线上升，目前已成为仅次于美国的世界第 二大啤酒产销国，令世界啤酒界人士刮目相看。啤酒生产是一个利用生物加工 进行生产的过程，生产周期长，过程参数分散性大，传统操作方式难以保证产 品的质量。近年来，国外的各大啤酒生产厂家纷纷进军中国市场，凭借技术优 势与国内的啤酒生产厂家争夺市场份额，虽然我国的啤酒装备配套水平有很大 提高，但与国外的主要啤酒生产厂家相比大部分企业技术落后，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。 啤酒的发酵过程是在啤酒酵母的参与下，对麦

10、汁的某些组成进行一系列代 谢，从而将麦汁风味转变为啤酒风味的过程。啤酒发酵是啤酒生产工艺流程中 关键环节之一，也是一个极其复杂的在发酵罐内发生并释放大量热量的生化放 热反应过程。由于这一过程中麦汁的可酵糖和氨基酸等营养物质被酵母细胞酶 分解为乙醇（C2H5OH）和二氧化碳（CO2），同时还产生一系列的发酵副产物， 如：双乙酰、醛、酸、酯等。这些代谢产物的含量虽然极少，但它们对啤酒质 量和口味的影响很大，而这些中间代谢产物的生成取决于发酵温度。因此发酵 过程是否正常和顺利，将直接影响到最终啤酒成品的质量。比如，发酵过程的 温度若发生剧烈变化，不仅会使酵母早期沉淀、衰老、死亡、自溶，造成发酵 异常

11、，还直接影响到酵母代谢副产物组成，从而对啤酒酒体与风味，及啤酒胶 体稳定性造成危害。 啤酒发酵具有非线性、时间滞后和大惯性等特征，发酵过程的精密控制一 直是自动控制领域较难解决的问题之一。要求发酵液的温度严格按照一定的工 艺曲线变化，温度控制精度在0.5范围内，这样的控制精度单凭传统的热工 仪表加上手工操作方式是完全不能满足要求的，随着控制领域新技术、新方法 的不断涌现，这些问题也在不断地得到改进。改进啤酒发酵生产过程控制是酿 造业技术进步的有效措施，它可以在不增加原材料及动力消耗的前提下，增加 产品产量、提高产品质量，同时减轻劳动强度、改善工作条件、提高发酵工艺 水平及生产管理水平。因此，优

12、化啤酒发酵控制应用前景乐观，能产生较大的 社会经济效益，具有很大的应用价值。 利用 PLC 实现啤酒发酵罐温度的自动控制，对提高啤酒发酵温度控制精度， 优化啤酒温度控制过程，使用效果好且性能稳定可靠，编程简单，具有非常现 实的意义。 第 2 章 课程设计的方案 2.1 概述 啤酒是采用麦芽和水为主要原料，加酒花，经酵母发酵酿制而成的一种含 有二氧化碳、气泡的低酒精度饮料。啤酒生产工艺主要由麦汁制备（俗称糖化） 、 啤酒发酵、啤酒罐装等工艺流程组成。发酵过程是啤酒生产中一个非常重要的 环节，啤酒发酵是一个复杂的生化过程，这个过程可以理解为把麦汁转化为啤 酒的过程，整个发酵过程同样也包含若干个生产

13、工序，如：麦汁充氧、酵母添 加、发酵、过滤、修饰以及酵母扩培等等。生产周期都在十几天以上，要求发 酵液的温度严格按照一定的工艺曲线变化，温度控制精度在0.5范围内如果 温度控制偏低，就会使得发酵过程缓慢，影响生产进度；如果温度偏高，又会 造成生化参数超出标准，影响啤酒的质量。 啤酒发酵整个过程分为：麦汁进罐，自然升温，还原双乙酰，降温过程等。 麦汁进料阶段的温度为 5100C, 自然升温阶段的温度为 20350C，开始进行主 发酵，发酵液直接由糖化车间经管道灌入，初始的温度大约为 8 摄氏度左右， 糖度为 10 度左右，温度控制开始实施，以保证满罐后发酵液的温度在规定范围 内。发酵液满罐后工人

14、开始测量发酵液的满罐糖度，主发酵阶段结束，发酵进 入还原双乙酰阶段，这一阶段要求温度控制在 15200C 。当双乙酰浓度下降到 合格标准时，发酵就可以进入降温阶段，分两个阶段按不同的速率降温，此时 把所有冷媒阀打开，使发酵液全速降温，降温阶段的温度为-1 120C。当温度 到达 1 摄氏度以下时发酵进入低温储酒阶段，在低温储酒阶段温度控制在 0.510 摄氏度。这一阶段主要是让酵母和一些固态物进行充分沉淀并进行回收。 2.2 控制原理 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，

15、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。 对于采用外部冷媒间接换热方式来控制体积大，惯性大的发酵温度的情况， 采用普通的控制方案极易引起大的起调和持续的震荡，很难取得预期的控制效 果。在不同的季节，甚至在不同一季节的不同发酵罐，要求生产不同品种的啤 酒，这样就要求每个罐具有各自独立的工艺控制曲线，这不仅要求高精度，高 稳定性的控制，还需要控制系统有极大的灵活性。 利用

16、PLC 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， 对阀门进行控制调节，从而实现对发酵罐温度的控制。在发酵的过程中，温度 在不断的升高，当达到上限温度时，要打开制冷设备，通过酒精在冷却管内循 环使罐内的温度降下来。当发酵温度低于工艺要求的温度时，关闭冷媒，则啤 酒按工艺要求继续发酵，发酵罐工艺示意图如图 2.1 所示： 图 2.1 啤酒发酵罐工艺示意图 2.3 啤酒发酵工艺流程 根据锥形发酵大罐的特性将发酵的全过程分为多个阶段：麦汁

17、进罐，自然 升温，还原双乙酰，一次降温，低温储酒等，各个阶段温度的曲线图如图 2.2 所示。oa 段为自然升温段，不须外部控制；ab 段为主发酵阶段；主酵阶段， 典型的控制温度为 26；bc 段为降温逐渐进入后酵， ；cd 段为后酵阶段，典型 控制点 16；de 段为降温进入贮酒阶段， ；e f 段为贮酒阶段。啤酒口味和实 际要求的不同，啤酒的发酵工艺曲线也就不同，但是对于确定好的啤酒发酵工 艺，就应严格按照工艺曲线去控制温度和压力等，这样才能保证啤酒的质量。 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

18、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 图 2.2 啤 酒发酵工艺曲线 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。整个发酵过程按照发酵机理，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，并采用滞后预估等控制方 法，使

19、系统控制精度符合工艺要求。 在各个阶段，对象的特性相对稳定，温度的控制存在一定的规律性。在发 酵开始前，根据工艺要求预先设定工艺控制的温度曲线；在发酵工程中，根据 发酵进行的程度（发酵时间、糖度、双乙酰含量等） ，发酵罐上、中、下 3 段温 度的差异，以及 3 段温度各自的变化趋势，自动正确选择各个阶段相应的控制 策略，从而达到预期的控制效果。在前期的自然升温阶段基本上不需要加以控 制，这是由于啤酒罐发酵过程中，升温是靠发酵本身产生的热量进行的，任其 自然升温；在恒温阶段，通过控制冷媒开关阀，保持发酵罐内温度恒定；在降 温阶段，通过控制冷媒开关阀，以指定速率降温。 主要分为以下阶段： 1.麦汁

20、进料过程：在这个过程中，由糖化阶段产生的麦汁原料经由连接管 道由糖化罐进入发酵罐中。 2.自然升温阶段：麦汁进料过程中，随着酵母的加入，酵母菌逐渐开始生 长和繁殖。在这个过程中，麦汁在酵母菌的作用下发生化学反应，产生大量二 氧化碳和热量，这就使原料的温度逐渐上升。 3.还原双乙酰过程：在自然升温发酵过程中，化学反应能产生一种学名叫 双乙酰的化学物质。这种物质对人体健康不利而且会降低啤酒的可口程度，所 以这个过程需要将其除去，增强啤酒的品质。 4.降温过程：在 1 和 2 过程中啤酒发酵已经完成，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

21、过程：降温过程完成以后，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。 第 3 章 硬件设计 3.1 PLC 的选型 3.1.1 PLC 工作原理及功能 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。 PLC 的主

22、要功能：逻辑控制、定时控制、计数控制、步进（顺序）控制、 PID 控制、数据处理、通信和联网，还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊 控制的要求，如定位控制模块，CRT 模块。 正是由于 PLC 具有多种功能，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。 3.1.2 PLC 的选型 各个种类 PLC 的容量、结构形式、性能、指令系统、编程方法、价格各不 相同，适应的工

23、作场合也有差异。因此，对于每一个准备使用 PLC 的用户来说， 合理的选择 PLC 是非常重要的，它直接影响到所设计系统的性能与造价。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 因此 PLC 的选择包括机型、容量、I/O 模块等几个方面的内容。 1.PLC 机型的选择 如今国内使用的 PLC 以国外产品居多。美国是 PLC 的发源地，以大中型机 为主，功能完备，单机价格高，GE 公司、MODICON 公司、AB 公司是其代表。日 本的 PLC 以中小

24、型机为主，价格便宜，典型代表为 OMRON 公司、三菱 （MITSUBISHI）公司的产品。德国 SIEMENS 公司的产品以可靠性高著称，其主 要产品有 S5、S7 两个系列，包括了从大型机到小型机各个型号，在国内使用广 泛。 2.选择容量。 PLC 的容量包括主机用户存储器的内存容量和 I/O 控制点数两个方面，选 择时应留有适当的裕量做备用。 3.选择 I/O 模块。 输入模块有直流 24VDC 和交流 220VAC 两种。 输出模块有三种形式：继电器输出，晶体管输出和晶闸管输出。晶体管输 出模块只能带直流负载，是直流输出模块，用于高速小功率负载;晶闸管输出模 块是交流输出模块，只用于高

25、速大功率负载；继电器输出模块是交直流输出模 块，即可带直流也可带交流，因其有触点，故只能用于低速负载。上煤系统电 控部分控制对象为接触器，属于交流低速负载。 S7-200 系列是西门子公司生产的小型可编程程序控制器，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 CPU：CPU221，CPU222，CPU224，CPU226 CPU226 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

26、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 20%30%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。 3.2 S7-200 主要功能及特点 1.执行指令速度高。CPU212 执行每条二进制指令时间为 1.2s，而 CPU214- CPU261 仅为 0.8s。 2.丰富的指令功能。S7-200PLC

27、 几乎包括了一般计算所具有的各种基本操 作指令，如变量赋值、数据存位置、传送、比较、子程序调用、循环等。另外， 它还有良好的用户使用功能，如脉宽调制（PWM）,位置控制（PTO） 、PID 等功 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。在扫描周期内，可直接查询当前的输入 和输出信号，在必要时，还可以用指令对输入和输出直接赋值或改变其值，这 样不仅用户调试程序方便，同时也可使系统对过程事件做出快速响应

28、。 5.严格的口令保护。S7-200 系统有 3 个不同的口令保护级别，以便用户对 程序做有效保护，3 级口令分别是自由存取，只读，完全保护。 6.友好的调试和故障诊断功能，包括整个用户程序可在用户规定的同期数 内运行和分析，同时可纪录性存储器、定时器、计数器状态。 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。通信是 S7-200PLC 的一个重要功能，它为用户提供了强大， 灵活的通信功能。用户对点接口（PPI）作 9.6Kbit/s 的数据通信，用 RS-485 接口实现高速用户可编和接口。 3.3 控制系统的硬件配置 S7-200 PLC 的扩展模块

29、S7-200 PLC 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。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。 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、液位 四个模拟量需要测量，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，所以每只发酵罐的 I/O 点数为 4 个模拟量、36 个开关量，考虑到 CPU226 主机上的 I/O 口不

30、够多必须对它进行扩展，在这选用 EM 221 CN 数字量 输入模块（6ES7 2111BF220XA8） 、EM 222 CN 数字量输出模块（6ES7 222- 1HF22-0XA8） 、模拟量扩展模块 EM231CNAI4X12 位。其扩展图如图 3.1 所示： 图 3.1 模块扩展连接图 3.4 文本显示器 TD200 TD200 是 Text Display 200 的简写，它是可编程控制器 S7-200 系列的常 用文本显示器。它可以用来显示信息，在信息中可以内嵌数据，数据既可以显 示，也可以由操作人员进行设置。 TD200 键盘共有 9 个键：5 个命令键和 4 个功能键。 命令

31、键：ENTER用写入新数据和确认信息；ESC用转换 Display Message 方式和 Menu 方式，或紧急停止一个编辑；UP ARROW UP 箭头用于递 增数据和上卷光标到下一个更高优先级的信息；DOWN ARROW DOWN 箭头用于 递减数据和卷动光标到下一个较低优先级的信息； SHIFT转换所有功能键的 数值。当按 SHIFT 键时，在 TD200 显示区的右下方显示一个闪烁的 S。 功能键：F1设置标志位 Mx.0。 （S7-200 M 存储区 x 字节的第 0 位）如果 按 SHIFT 键的同时（或预先按下 SHIFT 键）按下功能键 F1，则设置标志位 Mx.4； F2设

32、置标志位 Mx.1。如果按 SHIFT 键的同时（或预先按下 SHIFT 键） 按下功能键 F2，则设置标志位 Mx.5；F3设置标志位 Mx.2。如果按 SHIFT 键 的同时（或预先按下 SHIFT 键）按下功能键 F3，则设置标志位 Mx.6；F4设置 标志位 Mx.3。如果按 SHIFT 键的同时（或预先按下 SHIFT 键）按下功能键 F4， 则设置标志位 Mx.7。 TD200 既可以通过 TD/CPU 电缆由 S7-200 CPU 供电，也可以由一个外部插 入式电源供电，但不能 TD/CPU 电缆和外部电源同时对 TD200 供电，这样会损 坏设备。本文只讨论最简单、最常用的方式

33、：由 S7-200 通过 TD/CPU 电缆供电。 TD200 只是一个文本显示器，不需对 TD200 进行组态和编程，所有组态信 息全部存在 CPU S7-200 中。 TD200 里只存储 TD200 的地址、所连接的 CPU 的 地址、通讯波特率和参数块的位置（注意要与 CPU 中的一致） 。 也就是说，TD200 的所有组态数据都存储在 CPU S7-200 可变存储器（V 存 储器）内，而在 TD200 中只需通过面板设置 TD200 的地址、所连接的 CPU 的地 址、通讯波特率和参数块(TD 向导中变量的起始地址)的位置。 TD200 上电后，按“ESC”键进入“诊断菜单” ，接

34、着进入“TD200 设置” 选项，分别设置“TD200 地址” （缺省值为 1） 、 “CPU 地址” （缺省值为 2） 、 “参 数块地址” （缺省值为 0） 、 “波特率” （缺省值为 9.6K） 。本例中，我们使用缺省 设置。 在 STEP 7 MicroWIN V4.0 中，用 TD200 向导（菜单“ToolsTD200 Wizard” ）给 CPU S7-200 编程。完成编程并下载后，将 CPU 和 TD200 通过 TD/CPU 电缆进行正确连接，正确设置 TD200 的参数，即可完成 TD200 的开发使 用。 上电后，TD200 从 CPU 读参数块。对所有参数均进行合法性

35、检查。如果一 切合格，TD200 开始主动轮询信息使能位以决定要显示的信息，并从 CPU 读取 信息，然后显示信息。显示的信息，并从 CPU 读取信息，然后显示信息。 3.5 I/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 S7-200PLC CPU226 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 3-1。 表 3-1 本机及扩展模块 I/O 地址分配 地址

36、注解地址注解 I0.0系统启动 Q0.0自动运行状态 I0.1系统急停 Q1.0麦汁进罐泵运行 I0.2启动麦汁进罐Q1.1压力超限报警 I0.3关闭麦汁进罐Q1.2温度超限报警 I0.4自动方式Q3.0满罐温度保持指示 I1.0满罐温度保持Q3.1主酵自然升温段指示 I1.2主酵自然升温段Q3.2双乙酰还原阶段指示 I1.3 双乙酰还原阶段Q3.3降温保温阶段指示 I1.4 降温保温阶段Q3.4后酵保温阶段指示 I1.5后酵保温阶段Q3.5第二降温阶段指示 I1.6第二降温阶段Q3.6阀贮酒保温阶段指示 I1.7贮酒保温阶段Q4.1上冷媒开关电磁阀 I4.0 开上冷媒开关电磁阀Q4.2中冷媒

37、开关电磁阀 I4.1开中冷媒开关电磁阀Q4.3下冷媒开关电磁 I4.2开下冷媒开关电磁阀Q4.4发酵罐排气阀 I4.3关上冷媒开关电磁阀AIW6发酵罐上部温度 I4.4关中冷媒开关电磁阀AIW8发酵罐中部温度 I4.5关下冷媒开关电磁阀AIW10发酵罐下部温度 I4.6开发酵罐排气阀AIW12发酵罐压力 I4.7 关发酵罐排气阀AIW16发酵罐液位 第 4 章 软件设计 4.1 控制系统组成 温度是工业生产中主要的被控参数之一。温度控制系统组成框图如图 4.1 所示。图中的控制器即为 PLC，它按 PID 控制规律来设计控制程序。PID 调节器 的输出量变换成 PWM 脉宽调制量，用于控制 P

38、LC 的输出继电器，从而控制啤酒 发酵罐的冷媒开关阀。 温度测量元件采用线性度好且时间常数小集成温度传感器来测量发酵罐温 度，经温度变送器把温度转换成与其成比例的电压。V/F 转换器的作用是将温 度转换器输出的电压转换成与其成比例的频率，该频率代表发酵罐内的实际温 度。用 PLC 内的高速计数器记录此频率，以便和温度的给定值相比较产生误差 信号。 图 4.1 温度控制系统组成框图 4.2 程序流程图设计 啤酒的发酵工艺过程共有十多天时间，最重要的环节是控制每个时间段发 酵罐内不同的发酵温度，我们根据发酵工艺的要求，设计出发酵温度-时间曲线， 输入可编程序控制器，使系统自动根据不同时间段的温度给

39、定值进行调节。整 个系统程序流程图如图 4.2 所示。 主程序开始先计算出实际该罐啤酒的发酵时间，然后取出该段时间对应的 标准温度值，将标准温度值与实际温度值比较，若相等则再次回到主程序入口 进行下一轮的标准值查找，若不相等则系统由 CPU 计算出相应的 PID 系数，输 出信号去控制电磁阀，用电磁阀控制的气路打开或关闭冷媒阀，进行温度调节。 该系统可用 S7 软件编程。应用这些软件，对整个系统进行组态，随时可显 示出整个发酵罐系统的结构，各个阀门的实时状态，可读出每个发酵罐各点的 实际温度值，液位置等参数，对整个系统进行监控，并有各种报警实时显示和 温度控制情况曲线记录等，以便操作者及时掌握

40、系统工作状况。 图 4.2 程序流程图 4.3 PLC 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

41、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 4.3 所示。 图4.3 电磁阀 PWM 输出波形图 图中 T 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。 T、T1、T2 之间关系为 T=T1+T2. 电磁阀的阀位值=T2/T1100%。 4.4 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，主程序如图 4.4 所示。 网络 1 麦汁进灌 网络 2 满灌检测 网络 3 满灌温度保持阶段 网络 4 满灌温度保持定

42、时 网络6 主酵自然升温阶段 网络 5 满灌定时到 网络7 自然升温检测 网络 8 双乙酰还原阶段 网络 9 降温阶段 网络10 降温保温检测 网络 11 后酵保温阶段 网络 12 第二次降温 网络 13 二次降温检测 网络 14 贮酒保温 图 4.4 网络 1网络 14 主程序 4.5 模拟量信号采集处理 拟量采集处理部分由网络 1网络 3 组成。主要完成温度液位等模拟量的 采集和处理，梯形图如图 4.5 所示： 网络 1 读取温度模拟输入值 网络 2 温度值由字变量转换为双字变量 网络 3 温度由整数转换为浮点数 图 4.5 网络 1网络 3 梯形图 4.6 温度设定值的计算 温度的设定值很简单，就是按比例计算求值。如图 4.6 所示，曲线 a 是温 度设定曲线的一部分，t1 和 t2 是曲线的两个端点的横坐标，T1 和 T2 是曲线的 两个端点的纵坐标，t 是当前的时间，T 就是当前的设定温度。用很简单的比例 关系式就可以求出当前的设定温度值 T。 21 11 21 TT TttT tt T温度 t时间 0 t1t t2 T1 T T2 图 4.6 温度曲线 温度设定值的计算由网络 4网络 6 组成对发酵罐温度使用 PID 控制必须 具