廣州大學松田學院畢業論文（設計）題目_基于PLC的啤酒發酵自動控制系統設計_基于PLC啤酒發酵自動控制系統設計摘要啤酒發酵是啤酒生產中最重要的一道工序，是決定啤酒質量的最關鍵的一步。啤酒的發酵是把糖化的姜汁分解成乙醇，由于發酵時間長，過程機理復雜，影響發酵因素很多，對發酵過程缺乏精確的數學模型。從原料到發酵過程，如何控制好溫度，壓力，讓發酵滿總生產工藝曲線，決定了啤酒的生產質量和生產效率，發酵過程是啤酒生產過程中的重要環節，發酵控制系統的任務就是將發酵酒液的實際溫度控制在和標準發酵曲線相差有限的誤差范圍內。過去的啤酒發酵過程，啤酒發酵罐多為人工現場操作調節，手工記錄。但隨著啤酒產量的不斷增加，所需發酵罐也會增多，給生產啤酒帶來極大的不便，造成生產質量的穩定，如何提高啤酒生產的綜合自動化水平，增強啤酒產業實力成為一個好的研究課題。為止，本文通過對啤酒生產發酵過程的工藝及關鍵問題的分析，基于PLC設計啤酒生產過程中啤酒發酵自動控制系統。關鍵詞PLC啤酒發酵溫度控制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國內啤酒生產過程控制概況213啤酒生產過程自動控制的作用和意義32啤酒發酵321啤酒發酵概述322啤酒發酵的具體過程323啤酒發酵設備424啤酒發酵工藝曲線53啤酒發酵自控系統PLC選型和配置631PLC選型632S7200主要功能及特點833文本顯示器TD2001034電磁閥PWM1035PID控制的原理和特點1036PLC其他資源配置114啤酒發酵自控系統PLC程序1041設計思路1042系統硬件配置13421CPU的選型13422模擬量擴展模塊13424控制系統硬件配置14425其他資源配置1543啤酒發酵溫度PLC控制系統的I/O分配16431I/O地址分配1644編程軟件的介紹18441指令系統1845程序流程圖1846PLC功能模塊程序設計21461主程序22462主酵自然升溫段程序22463溫度控制程序22464模擬量信號采集處理23465發酵狀態處理25466溫度設定值的計算29467PID回路計算31468電磁閥控制33469軟件調試34結論34主要參考文獻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，也是富含營養價值的食品，每100G中僅有酒精35G，一般不超過8G。它有特殊的酒精花清香味和適口的苦味，并有較高的營養成分即有較高的發熱量。啤酒是世界上產量以及消費最大的一種酒，啤酒市場非常巨大，世界啤酒的未來充滿希望，歐洲啤酒市場和美國啤酒市場，隨著人均消費量增長，啤酒消費量增長顯著，居世界前列。作為世界最大且增速最快的啤酒，飲料生產消費大國之一，中國已日趨成為最具吸引力市場。未來五年中國啤酒將保持平穩持續增長的態勢。同時啤酒工業是我國食品工業中一個重要的產業，隨著國家經濟的發展和人民生活的改善，喝啤酒變成一種時尚，我們國家人均啤酒消費較世界水平少，這也透出了我國啤酒市場濃濃的商機。我國內生產啤酒的企業數以百計，但與國外的主要啤酒生產廠家相比，大部分企業的技術相對落后，國的啤酒生產工業前存在許多不盡如人意的地方。由于啤酒生產的工藝復雜，目前我國大多數啤酒生產企業裝備落后，自動化程度低，產品質量不穩定。大部分處于手動控制階段，只有極少數企業實現半自動化，國內的啤酒行業迫切要求進行技術改造，提高生產率，保證產品質量，以確保在激烈的市場競爭中立于不敗之地。如何提高啤酒生產的綜合自動化水平，增強我國啤酒產業的綜合實力是一個很好的研究課題。啤酒釀造過程是這樣的糖化，麥汁充氧，添加酵母，發酵，降溫，倒罐，貯酒。而我要做的就是其中發酵的一部分，啤酒發酵也是一個復雜的過程，啤酒生產過程中發酵是一道關鍵工序，除生產工藝水平外，生產工序控制指標的好壞將直接影響啤酒的質量。啤酒發酵是啤酒生產中最重要的一道工序，是決定啤酒質量的最關鍵的一步。啤酒的發酵過程能實現自動化后，工人的勞動強度將大大地減小，同時啤酒的質量與生產都有望升上一個新的臺階，企業通過技術改造增加了市場競爭。另一方面，不少化工生產過程都具有相似性，因此我們研制的這一套控制系統性價比高，以后還可以推廣到其他很多化工廠生產的場合。應用前景樂觀，能產生較大的社會經濟效益，能應用新技術，新材料，新設備改進生產工藝，提高生產效率。發酵過程是啤酒生產過程中的重要環節，發酵控制系統的任務就是將發酵酒液的實際溫度控制在和標準發酵曲線相差有限的誤差范圍內。其中前發酵是啤酒發酵的主要過程，在這個過程中，酵母完成了增殖，厭氧發酵及其沉淀回收等。這個過程消耗了大部分可發酵性糖和可同化性氮等麥汁成分，排出的發酵代謝產物即啤酒的主要組成。而后發酵就是對主發酵的殘糖繼續發酵，達到要求的發酵度，排除氧氣，增加酒精中的CO2的溶解量。促進發酵液成熟，改善口味，促進啤酒自然澄清，使其具有良好的穩定性。啤酒發酵罐內部溫度的精確控制，進而解決了啤酒發酵罐內部溫度控制精度不高的問題，提高了啤酒生產的綜合自動化水平，使啤酒生產集控制與數據管理于一身，能夠適應當前現代化生產的需要。12國內啤酒生產過程控制概況我國啤酒的產量逐步發展，產品質量達較高水平，品種也趕上去，這就要求國內啤酒生產發酵過程控制和更新生產設備能否滿足市場的需求。引進國外控制技術。北京華爾森啤酒廠從捷克全套引進生產設備；北京華都啤酒廠從丹麥引進生產設備；上海華光啤酒廠從瑞士引進生產設備等。引進設備的最大特點是自動化水平比較高，從而能嚴格滿足啤酒生產工藝的要求，因此產量較高，質量較穩定。2根據國情自行研究的技術1993年國家輕工業部自動化研究所研制的“PW40啤酒發酵微機控制系統”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；國內中小企業結合本廠生產實際自行研究的自動化儀表加手動的生產控制技術，造價低，效果一般，符合企業目前的狀況，但不能滿足企業長遠發展的需求。我國普遍啤酒廠存在的問題1產品低劣，品種單一；2技術含量低，自控水平差，生產過程多為人工或簡單控制，使得啤酒質量不穩定3原材料消耗大，與國際先進水平存在較大差距13啤酒生產過程自動控制的作用和意義國內目前啤酒市場的競爭，體現在兩個方面質量和價格。為適應現在生產的要求，提高啤酒的質量，提高生產率，在啤酒生產中自動化控制可以增加競爭能力體現在提高工藝廠品質量，以及原材料的利用，降低生產成本，減少工人的勞動強度。強化產品質量管理。輔助生產管理，方便生產成本的控制盒管理啤酒生產有自己獨有的環境，只有結合國內的啤酒行業實際情況，針對其特殊性，才能開發出適合的生產啤酒的自動控制系統。2啤酒發酵21啤酒發酵概述啤酒發酵是一個復雜的過程，發酵過程是把糖化姜汁經過酵母生產乙醇、水、二氧化碳等產物。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。發酵過程的溫度變化與發酵液的糖度和雙乙酰成統計關系。實際上，控制發酵液的溫度是以人工化驗。在啤酒大規模生產中，要求發酵液溫度按照一定的工藝曲線變化，溫度精確05。如果溫度過高，會影響啤酒質量，反之則影響了啤酒生產效率。22啤酒發酵的具體過程啤酒發酵主要有3個過程主發酵、還原雙乙酰和低溫貯酒。主發酵階段，從原姜汁開始主發酵，溫度要控制在10。發酵液有糖化車間經管道灌入，起始溫度8，每罐發酵液分批入罐，每次都要測定糖度信息反饋到糖化車間，保證整罐發酵液符合標準，同時實施溫度控制，保證發酵液在規定的溫度。發酵液滿罐一小時測量其糖度，每八小時一次，當糖度降至65度，每兩小時測一次，直到60度。還原雙乙酰階段，溫度要求1218，進入第二階段要每2小時測雙乙酰的濃度和糖度，直到糖度降至30度每8小時測一次。當雙乙酰濃度到合格標準，發酵就進入降溫階段。發酵溫度控制機制1自動升溫階段，姜汁滿罐酵母自然升溫，要控制溫度，否則會導致啤酒質量下降。2主發酵和雙乙酰還原階段，酵母大量繁殖產生較多熱量，當酵母進行無氧呼吸，使罐內中，下部酒液濃度不同，要保持強烈的發酵并均衡的酒液狀態，要控制不同部分的溫度。3降溫保溫，還原雙乙酰后轉入降溫階段，將酒均為冷卻與貯酒溫度。酒在不同溫度選會形成對流的作用。酒液密度溫度在直接冷卻3，要以上帶和中帶控溫為主。3保溫穩定酒液流態。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啤酒發酵設備發酵罐設有上，中，下三個冷卻帶，有3個電磁閥控制冷卻，并有3個溫度傳感器檢測3點溫度，啤酒發酵罐結構示意圖PIC01TIC01TIC02TIC03LI01電磁閥關排放CO2上層溫度中層溫度下層溫度罐內壓力罐內液位冷媒出口冷媒入口啤酒發酵罐結構示意圖24啤酒發酵工藝曲線啤酒的合口和實際要求不同，啤酒發酵工藝曲線也不同，嚴格按照工藝曲線控制溫度和壓力才能保證啤酒質量。啤酒發酵工藝曲線如下T0麥汁進罐溫度T1第一升溫時間段，自然升溫T2第一恒溫時間段T3第二升溫時間段，自然升溫，主發酵保溫T4第二恒溫時間段，雙乙酰含量，主發酵降溫T5第一降溫時間段，后發酵保溫T6第二恒溫時間段，后發酵降溫T7第二降溫時間段各個階段進行簡單地介紹1麥汁進料，由糖化階段產生的麥汁原料由糖化罐進入發酵罐中。2自然升溫，酵母的加入，酵母菌逐漸開始生長和繁殖。產生大量的二氧化碳和熱量，使原料的溫度逐漸上升。3自然升溫發酵，產生一種學名叫雙乙酰的化學物質。這個過程需要將這個化合物除去，增加啤酒的品質。4降溫過程其實屬于啤酒發酵的后續過程，其作用是將發酵過程中加入的酵母菌進行沉淀、排出。5低溫儲酒發酵完成的原料繼續儲存在發酵罐已經發酵完成的原料繼續儲存在發酵罐等待過濾、稀釋、殺菌等過程的進行。3啤酒發酵自控系統PLC選型和配置31PLC選型可編程控制器PLC工作原理當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段1輸入采樣即檢查各輸入的開關狀態，將這些狀態數據存儲起來為下一階段使用；2執行程序然后PLC按用戶程序中的指令逐條執行，但是把執行結果暫時存儲起來；3刷新輸出按第1階段的輸入狀態在第2階段執行程序中確定的結果，在本階段中對輸出予以刷新；電源中央處理單元（CPU）存儲器EPROM系統程序RAM（用戶程序）輸入單元輸出單元外設接口擴展口擴展單元編程器輸入信號輸出信號盒式打印機打印機EPROM寫入器PLC或上位計算機PLC組成示意圖PLC的特點控制程序可變，具有很好的柔性；具有高度可靠性，適用于工業環境；功能完善；易于掌握、便于維修。據啤酒發酵的工藝流程和需要，PLC的選型需要滿足以下條件1、有簡單回路控制算法。；2、有模擬量的采集、處理過程及開關量的輸入/輸出功能。3、有溫度顯示和用外部按鍵隨時改變內部參數PLC集三電于一體，PLC網絡具有優良的性能價格比和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，成為現代工業自動化的支柱。因此，可編程控制器啤酒發酵過程自動控制系統，可完成啤酒發酵過程控制功能，完成與上位機的通訊，實現啤酒發酵過程的遠程監控。西門子S7200系列PLC，S7200系列的PLC具有體積小，運行速度高，功能強等特點。1S7200PLC機械結構特性體積小，重量輕，結構緊湊，可用接線端子排接線，而且接線端子前帶有面板保護，PLC上設計有標準的DIN導軌安裝機構和安裝孔，可以垂直或水平方向安裝。2S7的電氣結構特性1免維護性。S7200CPU中配有EPROM，可以永久保護用戶程序和一些重要參數。它還安裝有大容量電容，可以長時間存儲數據而不需要后備電池。2PLC內有24直流傳感器或負載驅動電源，輸出電流可達180MA或24MA靈活中斷輸入。3為了適合不同場合使用，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響應中斷請求信號的上升沿或下降沿5PLC內配有高速計數器。CPU212有一個2KHZ的加/減計數器，而CPU214CPU216有兩個獨立的7KHZ的高速計數器，他們可用軟件或硬件復位。6便于擴展，為系統備有專用的擴展模塊（EN），可方便地進行輸入，輸出及模擬量擴展。7模擬電位器外部設定32S7200主要功能及特點（1）執行指令速度高。（2）豐富的指令功能。（3）靈活的中斷功能，中斷觸發有幾種形式可用軟件設定為中斷輸入信號的上升沿式下降沿，以便做出快速響應；可設為時間控制的自動中斷；可由內置高數計數器自動觸發中斷；在與外設通信時可以以中斷分式工作。（4）輸入和輸出的直接查詢和賦值。（5）嚴格的口令保護。（6）調試和故障診斷功能。（7）輸入或輸出的強制功能。用戶調試程序時，可對輸入或輸出強制接通。（8）通信功能。用戶提供了強大，靈活的通信功能。用戶對點接口（PPI）作96KBIT/S的數據通信，用RS485接口實現高速用戶可編和接口。S7200CPU主要的性能指標見表。特性CPU221CPU222CPU224CPU226外形尺寸80806290806212058062190862存儲器用戶程序2048字2048字4096字4096字用戶數據1024字1024字2560字2560字用戶存儲器類型EEPROMEEPROMEEPROMEEPROM數據后備（超級電容）典型值50小時50小時50小時50小時輸入輸出本機I/O6入4出8入/6出14入/10出24入/16出擴展模塊數量無2個模塊7個模塊72個模塊數字量I/O映像區大小256256256256模擬量I/O映像區大小無16如/16出32入/32出32入/32出指令系統33MHZ下布爾指令執行速度037US/指令037US/指令037US/指令037US/指令FOR/NEXT循環有有有有實數指令有有有有整數指令有有有有主要內部繼電器I/O映像寄存器128I和128Q128I和128Q128I和128Q128I和128Q內部通用繼電器256256256256計數器/定時器256/256256/256256/256256/256寫入/寫出無16/1632/3232/32順序控制繼電器256256256256附加功能內置高速計數器4H/W（20KHZ）4H/W（20KHZ）6H/W（20KHZ）6H/W（20KHZ）模塊量調節電位器1122脈沖輸出2（20KHZ，DC）2（20KHZ，DC）2（20KHZ，DC）2（20KHZ，DC）通信中斷1發送/2接收1發送/2接收1發送/2接收1發送/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，輸入濾波器定時中斷2（1255MS）2（1255MS）2（1255MS）2（1255MS）定時時鐘有（時鐘卡）有（時鐘卡）有（內置）有（內置）口令保護有有有有通信功能通信口數量1（RS485）1（RS485）1（RS485）支持協議0號口1號口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號口）S7200CPU主要的性能指標33文本顯示器TD200S7200系統中的文本顯示器TD200是在現場監控的有效設備，TD200連接簡單，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個變量。2可設定CPU214以上機型的實時時鐘。3提供強制I/O點診斷功能。4過程參數的修改。5可編程的8個功能鍵可以代替普通的控制按鈕作為控制鍵。6輸入和輸出設定。8個可編程式功能鍵盤的每一個都分配了一個存儲器位。34電磁閥PWM脈沖寬度調制PWM，是英文“PULSEWIDTHMODULATION”的縮寫，簡稱脈寬調制，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。脈寬調制（PWM）基本原理控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產生多個脈沖，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。按一定的規則對各脈沖的寬度進行調制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。35PID控制的原理和特點在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。4啤酒發酵自控系統PLC程序41設計思路啤酒發酵對象的時變性、時滯性及其不確定性，決定了發酵罐控制必須采用特殊的控制算法。由于每個發酵罐都存在個體的差異，而且在不同的工藝條件下，不同的發酵菌種下，對象特性也不盡相同。因此很難找到或建立某一確切的數學模型來進行模擬和預測控制。為節省能源，降低生產成本，并且能夠滿足控制的要求，發酵罐的溫度控制選擇了檢測發酵罐的上、中、下3段的溫度，通過上、中、下3段冷媒進口的兩位式電磁閥來實現發酵罐溫度控制的方法，本系統利用S7200實現發酵罐溫度的控制，PLC實現啤酒發酵溫度控制的主要任務是接受由發酵罐傳來的溫度、壓力模擬量輸入信號，然后與工藝曲線設定溫度值進行比較，計算出溫度偏差值，再使用簡單的PID控制回路計算出電磁閥的開度，從而實現對發酵罐溫度的控制。為了達到預定的控制效果，采用自動或由操作人員手動選擇控制的方法。程序中設定了手動操作和自動控制選擇開關，在任意階段都能夠實現兩者間的切換，實現了溫度、壓力的手、自動選擇控制。程序中有人工階段選擇開關，可以在任意階段間跳轉，從而避免了因操作人員操作偶爾失誤而無法實現后續程序正常運行的情況。根據啤酒發酵溫度控制各階段轉換條件及控制要求。采用的是德國SIEMENS公司的S7200系列PLC，運用與之相配的STEP7編程軟件，通過STL和LAD兩種編程語言編制了下位機的控制程序,完成系統軟件設計，實現啤酒發酵溫度自動控制的PLC控制系統設計。發酵過程中設定的參數主酵設定溫度值（125C）、主酵上下溫度差值（04C）主酵降溫溫度設定值（85C），降溫過程總時間（48小時）、主酵降溫上下溫度差值（04C）后酵設定溫度值（85C）、后酵上下溫度差值（03C）后酵降溫溫度設定值（05C），降溫過程總時間、后酵降溫上下溫度差值（02C）貯酒溫度設定值（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，過濾前貯酒控溫，過濾至一般控溫，停止控溫。啤酒發酵期間，發酵溫度分為起始溫度（即麥汁冷卻溫度、滿罐溫度）、最高溫度（稱發酵溫度）、還原雙乙酰溫度和貯酒溫度。啤酒發酵期罐壓力設定為0015MPA。其各階段轉換條件及控制要求見表所示。啤酒發酵各階段狀態表控制要求工作階段名稱進入條件時間（小時）溫度冷媒閥門麥汁進罐啟動麥汁進罐不需設定不需設定關閉所有滿罐溫度保持滿罐后，由人工輸入“開始”指令T010小時不需設定關閉所有主酵自然升溫段T0結束T1不需設定中段溫度為參考點，自然升至TL程序控制雙乙酰還原階段TL12T2不需設定T112程序控制降溫保溫階段化驗決定，人工輸入指令T3100小時132T程序控制后酵保溫階段T3結束且T23T448小時T23程序控制第二降溫階段T4結束T572小時253T程序控制貯酒保溫階段T5結束且T31不需設定T31程序控制控制系統對發酵過程中溫度、壓力、液位、周期等工藝參數進行全方位檢測控制。為了使罐內酒液循環并有利于不同發酵期的酵母沉淀，一般采用分三段間冷方式，控制罐內酒液溫度，使之形成自上而下的溫度梯度。（1）對每個發酵罐的上、中、下3個測量點的溫度進行檢測，實現自動控制，罐內實行壓力檢測。整個發酵過程的溫度控制在不同發酵時期是不同的，根據主酵雙己酰還原冷卻酵母回收后貯的階段，分別設定曲線進行控制，并采用PI、PID等控制方法，使系統控制精度符合工藝要求按啤酒發酵工藝要求，其中從12保溫向3下降的轉折點取決于酒液殘糖量而不取決于發酵時間。（2）為了保證貯酒在不同階段的溫度設定值，設有溫度的上下限報警，為了保證罐內壓力在不同階段的壓力設定值，設有壓力的上下限報警。每個罐設有液位指示，可以作為裝酒和成品計量用，還可以了解整個發酵過程的液位變化。整個系統還設定了手動操作和自動控制選擇開關，在任意階段都能夠實現兩者間的切換，實現了溫度、壓力的手、自動選擇控制。程序中有人工階段選擇開關，可以在任意階段間跳轉，從而避免了因操作人員操作偶爾失誤而無法實現后續程序正常運行的情況。（3）上位計算機可以動態顯示每個發酵罐的工藝流程，即溫度、壓力、進酒時間、酒齡及超限聲光報警等，以便對發酵罐進行宏觀管理，并具有閥門的開關狀態顯示，閥門的手自動控制，實時報表打印等功能。能監視每個發酵罐的溫度、壓力周期曲線，當累積酒齡達到時，自動出信號，以便人工確定是否執行下步操作。設計PLC控制系統方案。通過對系統的整體分析，可以分析出來系統要提供21個開關量輸入，16個開關量輸出，五路模擬量的輸入，實現啤酒發酵各階段溫度控制。表明各類具體信號及性質分類。輸入/輸出節點統計表輸入信號輸出信號啟動麥汁進罐手動方式麥汁進罐泵運行關閉麥汁進罐自動方式滿罐溫度保持指示滿罐溫度保持開上冷媒開關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電磁閥降溫保溫階段指示降溫保溫階段關上冷媒開關電磁閥后酵保溫階段指示后酵保溫階段關中冷媒開關電磁閥第二降溫階段指示第二降溫階段關下冷媒開關電磁閥貯酒保溫階段指示貯酒保溫階段開發酵罐排氣閥上冷媒開關電磁閥發酵罐上部溫度關發酵罐排氣閥中冷媒開關電磁閥發酵罐中部溫度系統啟動SB1下冷媒開關電磁閥發酵罐下部溫度系統急停SB2發酵罐排氣閥發酵罐壓力壓力超限報警發酵罐液位溫度超限報警自動運行狀態首先，發酵工藝過程模擬量加溫度、壓力、液位以及各種閥門的狀態，進人PLC。PLC可以根據工藝要求設定的程序自動完成模擬量和開關量的處理，通過控制算法，輸出控制信號至執行機構，對閥門進行控制調節，從而完成發酵工藝過程的控制。同時，相關數據通過PLC的通信接口單元和上位機通信鏈路傳至上位機和模擬屏；上位機及模擬屏相同的圖形完成系統組態監控與動態處理。此外，為確保系統工作安全，系統設計了手動裝置。在意外故障情況下，可以切換自動，進人手動狀態，從而保證發酵工藝過程的正常運行。系統采用上下位機兩級遞階結構。具體結構見圖顯示器鍵盤上位計算機CPUDODMAIAIAIDO現場傳感器執行裝置打印機系統組成結構圖42系統硬件配置421CPU的選型SIMATICS7200系列是西門子公司生產的小型可編程程序控制器14，結構小巧，可靠性高，運行速度快，有極豐富的指令集，具有強大的多種集成功能和實時特性，配有功能豐富的擴展模塊，性能價格比非常高。S7200四種CPUCPU221，CPU222，CPU224，CPU226CPU226這種模塊在CPU224的基礎上功能又進一步增強，主機輸入輸出點數增為40點，具有擴展能力，最大擴展為248點數字量或35點模擬量，增加了通信口的數量，通信能力大大增強，它可用于點數較多、要求較高的小型或中型控制系統。根據對整個系統的考察，啤酒發酵溫度PLC控制系統的I/O點數及類型確定，可知PLC要提供21個開關量輸入和15個開關量輸出，5個模擬量輸入，同時考慮到要留有2030的余量。通過比較S7200四種CPU的各種技術指標，選定CPU226為啤酒發酵溫度PLC控制的控制器。422模擬量擴展模塊PLC對模擬量信號的PID控制方式用可編程控制器對模擬量進行PID控制時，可采用以下方式（1）用PID過程控制模塊這種模塊的PID控制程序是可編程控制器生產廠家設計的，并存放在模塊中，用戶在使用時只需設置一些參數，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環回路，但是，這種模塊價格昂貴，一般在大型的控制系統能中使用。（2）用PID功能指令現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過程控制模塊的效果，但是價格便宜的多。可以用STEP7MICRO/WIN32編程軟件中的“指令向導”簡單快速的設置PID程序中的各種參數，設置完成后，指令向導自動生成PID程序。（3）用自編的程序實現PID閉環控制有的可編程序控制器沒有PID過程控制模塊和PID控制用的功能指令，有時雖然可以使用PID控制指令，但是希望采用某種改進的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。本系統需對啤酒發酵過程中溫度、壓力、液位、周期等工藝參數進行全方位檢測控制，選擇S7200PLC主機，擴展模擬量處理模塊，利用PLC提供的PID編程功能模塊，即可實現相應模擬量的閉環控制。在模擬量閉環過程控制領域內，擴展模擬量處理模塊，如EM231、EM232、EM235，根據PLC提供的PID編程功能模塊，只需設定好PID參數，運行PID控制指令，就能求得輸出控制值，實現模擬量閉環控制。EM231模塊提供了模擬量輸入/輸出的功能，優點如下（1）最佳適應性可適用于復雜的控制場合（2）直接與傳感器和執行器相連，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）靈活性當實際應用變化時，PLC可以相應地進行擴展，并可非常容易的調整用戶程序。424控制系統硬件配置S7200PLC的擴展模塊S7200PLC可以安裝在板上，也可以安裝在標準DIN導軌上，利用總線連接電纜，可以很容易的把CPU模塊和擴展模塊連接在一起16。需要連接的擴展模塊較多時，模塊連接起來會過長，兩組模塊之間可使用擴展連接電纜，將模塊安裝成兩排。信號處理模塊主要分為四類開關量輸入DI、開關量輸出DO、模擬量輸入AI、模擬量輸出AO；擴展方擴展方法如圖。S7200擴展圖啤酒發酵控制原理可以得出每只發酵罐需要有上溫、中溫、下溫、壓力四個模擬量需要測量，有些情況需要對發酵罐的液位進行測量；上溫、中溫、下溫3個溫度各需要一個二位式電磁閥進行控制，罐內壓力需要一個二位式電磁閥進行控制。所以每只發酵罐的I/O點數為5個模擬量、36個開關量考慮到CPU226主機上的I/O口不夠多必須對它進行擴展，在這選用EM221CN數字量輸入模塊（6ES72111BF220XA8）、EM222CN數字量輸出模塊（6ES72221HF220XA8）、模擬量擴展模塊EM231CNAI4X12位。其擴展圖如圖。圖44模塊擴展連接圖425其他資源配置除了PLC必需的I/O擴展模塊之外，另外涉及的設備儀表有測溫用PT100鉑電阻溫度變送器、壓力變送器、液位變送器等。根據啤酒發酵的特點，啤酒發酵過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啤酒發酵溫度PLC控制系統的I/O分配431I/O地址分配根據啤酒發酵溫度控制的工藝流程及實際需求，確定整個系統共有26個輸入點，其中5個模擬量；16個輸出點，考慮到系統的擴展留有少量冗余，因此選用西門子S7226PLCCPU模塊1塊、EM221擴展模塊1塊、EM222擴展模塊2塊、EM231模擬量擴展模塊2塊。本機及擴展模塊I/O地址分配見表本機及擴展模塊I/O地址分配輸入信號輸出信號符號地址注解符號地址注解K1I00系統啟動BENGYXQ10麥汁進罐泵運行K2I02系統急停MGWDBCZSQ30滿罐溫度保持指示S1I03手動方式ZJZRSWDZSQ31主酵自然升溫段指示S2I04自動方式SYTHYDZSQ32雙乙酰還原階段指示QDMZJGI05啟動麥汁進罐JWBWDZSQ33降溫保溫階段指示GBMXJGI06關閉麥汁進罐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上冷媒開關電磁閥JWBWDI14降溫保溫階段ZHONGLKFQ42中冷媒開關電磁閥HJBWJDI15后酵保溫階段XIALKFQ43下冷媒開關電磁閥DEJWJDI16第二降溫階段YLPQFYXQ44發酵罐排氣閥CJBWJDI17貯酒保溫階段YALICXBJQ11壓力超限報警KSHANGI40開上冷媒開關電磁閥WDCXBJQ12溫度超限報警KZHONGI41開中冷媒開關電磁閥ZDYXZTQ00自動運行狀態KXIAI42開下冷媒開關電磁閥SHANGWDAIW6發酵罐上部溫度GSHANGI43關上冷媒開關電磁閥ZHONGWDAIW8發酵罐中部溫度GZHONGI44關中冷媒開關電磁閥XIAWDAIW10發酵罐下部溫度GXIAI45關下冷媒開關電磁閥FJGYALIAIW12發酵罐壓力KYLPQFI46開發酵罐排氣閥FJGYEWEIAIW16發酵罐液位GYLPQFI47關發酵罐排氣閥PLC外部接線圖示意圖如圖S7200可編程控制器CPU226EM231I00I01I02I03I04I05I06I07I10I11I12I13I14I15I16I17I20I27MLQ00Q01Q02Q03Q04Q05Q06Q07Q10Q11Q12Q13Q14Q15Q16Q17NL1RARBRCIOLMRBRCIOLMEM231RA手動方式自動方式啟動麥汁進罐關閉麥汁進罐開上冷媒開關電磁閥開中冷媒開關電磁閥開下冷媒開關電磁閥關上冷媒開關電磁閥關中冷媒開關電磁閥關下冷媒開關電磁閥開發酵罐排氣閥關發酵罐排氣閥系統啟動系統急停上冷媒開關電磁閥中冷媒開關電磁閥下冷媒開關電磁閥發酵罐排氣閥壓力超限報警溫度超限報警交流電流AC220V發酵罐上部溫度變送器發酵罐中部溫度變送器發酵罐下部溫度變送器發酵罐壓力變送器發酵罐液位變送器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罐泵運行自動運行狀態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指令系統可編程序控制器中所有指令的集合，就稱它為指令系統。指令系統是表征PLC性能的重要指標，他的格式與功能硬件緊密聯系，而且直接影響程序的編制，從而影響機器系統的應用范圍。S7200系列PLC主機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設計的，本指令通常執行時間短，而且可以用LAD、STL和FBD三種編程語言IEC11313指令集是不同PLC廠家的指令標準，不能使用STL編程語言。利用計算機編程軟件STEP7MICROWIN/WIN32提供的不同的編程語言，可以利用這些指令創建控制程序，兩種指令集和所選用編程語言的可能組合。STEP7MICRO/WIN32STEP7MICRO/WIN32是S7200系列的PLC的編程軟件。可以對S7200的所有功能進行編程。該軟件可以在WINDOWS平臺上運行，其基本功能是協助用戶完成應用軟件任務。例如創建用戶程序、修改和編輯過程中編輯器具有簡單的語法檢查功能，還可以直接用軟件設置PLC的工作方式、參數和運行監控。本系統中采用的PID算法可由PID指令直接生成。45程序流程圖發酵溫度控制系統流程圖PLC實現啤酒發酵溫度控制的主要任務是接受由發酵罐傳來的溫度、壓力模擬量輸入信號，然后與工藝曲線設定溫度值進行比較，計算出溫度偏差值，再使用簡單的PID控制回路計算出電磁閥的開度，從而實現對發酵罐溫度的控制。為了達到預定的控制效果，采用自動或由操作人員手動選擇控制的方法。序中有人工階段選擇開關，可以在任意階段間跳轉，從而避免了因操作人員操作偶爾失誤而無法實現后續程序正常運行的情況。單罐啤酒發酵溫度控制系統流程圖麥汁進罐滿罐初始化進程滿罐溫度保持10小時定時到主酵自然升溫段溫度T12雙乙酰還原段（12）糖度達標降溫保溫階段100小時定時到溫度T3后酵保溫段48小時定時到第二次降溫段72小時定時到溫度T1貯酒保溫段啟動AA出酒NYNNNNNNNNYYYYYYYY單罐啤酒發酵溫度控制系統流程圖控溫程序流程圖設計根據前面工藝流程的介紹，可以總結出實現啤酒發酵溫度自動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量信號狀態模擬量讀取處理溫度、壓力超限工作方式選擇自動設定發酵溫度時間曲線計算實際工作時間計算溫度設定值讀取實際溫度值溫度設定值等于實際溫度PID運算輸出控制冷媒電磁閥罐狀態操作手動故障報警處理輸出電磁閥開關狀態YYNN圖41啤酒發酵控制過程程序流程圖S7200的PID指令PID算法的實現在模擬量閉環過程控制領域內，擴展模擬量處理模塊。根據PLC提供的PID編程功能模塊，只需設定好PID參數，運行PID控制指令，就能求得輸出控制值，實現模擬量閉環控制。PID算法在模擬量的控制中，經常用到PID運算來執行PID回路的功能，PID回路指令使這一任務的編程和實現變得非常容易。用可編程序控制器控制PID回路時，要把實際測量輸入量、設定值和回路表中的其他輸入參數進行標準化處理，即用程序轉化為PLC能夠識別和處理的數據的標準，例如把從AIW采集來的16位整數轉化為0010之間的標準化實數。標準化實數又分為雙極性（圍繞05上下變化）和單極性（以00為起點在00和10之間的范圍內變化）兩種。程序執行時把各個標準化實數量用離散化PID算式進行處理，產生一個標準化的實數運算結果，這一結果同樣也要用程序將其轉化為相應AQW，用以驅動模擬量的輸出負載，實現控制。46PLC功能模塊程序設計（1）計算出啤酒發酵時間。在程序中必須能夠得到每個發酵罐的起始發酵時間，然后由當前時間計算出罐內啤酒的已經發酵時間。這個過程中需要考慮到的問題是，每個月的天數、該年是否可能為潤年等。（2）計算當前時刻的設定溫度。處在發酵過程中的每一個發酵罐根據各自的生產需要，都有一個工藝設定曲線。在計算出發酵的時間之后，可以通過計算得到當前時刻的設定溫度。（3）計算當前時刻的電磁閥開度。計算出當前時刻設定溫度之后，可以計算出溫度的偏差值，使用簡單的PID控制回路就可以計算出電磁閥的開度。由于電磁閥是二位式的，所以其閥的開關動作作為占空比連續變化的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為電磁閥動作周期。T1為電磁閥關閉時間。T2為電磁閥打開時間。TT、T1、T2之間關系為TTT1T2電磁閥的閥位值T2/T1100。461主程序主程序控制系統的啟動與停止，整個發酵溫度控制過程根據不同發酵時期的不同轉換條件，調用相關子程序，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設定好的曲線實現控制。主程序部分截圖見附錄。462主酵自然升溫段程序當麥汁和酵母進入發酵罐后，就開始進入主酵階段。由于發酵是入熱反應，溫度升高，產生大量的CO2，使發酵液產生強大的對流。在控制上應T上VW10,VW12Q42雙乙酰還原階段溫度控制程序NETWORK1/讀罐狀態值判斷跳轉LDSM00MOVBMB1,VB1000AENOLPSABVB1000,1Q30LRDABVB1000,2Q31LRDABVB1000,3Q32LRDABVB1000,4Q33LRDABVB1000,5Q34LRDABVB1000,6Q35LPPABVB1000,7Q36NETWORK2/NETWORKTITLE/讀測量值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、液位由整數轉換為浮點數。LDM12LPSDTRVD40,VD100AENODTRVD44,VD104LRDDTRVD48,VD108AENODTRVD52,VD112LPPDTRVD56,VD116NETWORK5/壓力溫度超限報警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間等于閥關時間DVD1304,VD1320AENO/溫度控制時間由小時更改為分鐘R6000,VD1312AENOANT37降溫保溫階段控制程序NETWORK1/LDQ33OM13ANM23M13NETWORK2/讀罐狀態值判斷跳轉LDSM00MOVBMB0,VB1000AENOLPSABVB1000,1Q30LRDABVB1000,2Q31LRDABVB1000,3Q32LRDABVB1000,4Q33LRDABVB1000,5Q34LRDABVB1000,6Q35LPPABVB1000,7Q36NETWORK3/讀測量值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、液位由整數轉換為浮點數。LDM13LPSDTRVD40,VD100AENODTRVD44,VD104LRDDTRVD48,VD108AENODTRVD52,VD112LPPDTRVD5