1、目錄摘要 .3ABSTRACT .41 緒論 .51.1 選題的目的和意義.51.2 啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)方案綜述 .51.3 實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵罐溫度 PLC 控制的主要研究工作 .62 啤酒發(fā)酵工藝概述 .72.1 啤酒發(fā)酵概述 .72.2 發(fā)酵各階段溫度控制機(jī)理.72.3 啤酒發(fā)酵設(shè)備概述.82.4 啤酒發(fā)酵溫控基本要求.92.5 啤酒發(fā)酵工藝流程.103 應(yīng)用 PLC 實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度控制的可行性分析 .123.1 可編程序控制器 PLC 的特點(diǎn).123.2 PLC 的組成與基本原理 .133.2.1 PLC 的組成結(jié)構(gòu) .133.2.2 PLC 的工作原理 .133.2.3 PLC 的主要功能

2、和應(yīng)用 .153.3 PLC 在啤酒發(fā)酵中應(yīng)用的可行性 .154 啤酒發(fā)酵溫度 PLC 控制方案 .174.1 系統(tǒng)控制要求及功能 .174.1.1 啤酒發(fā)酵溫度要求 .174.1.2 系統(tǒng)功能.174.1.3 PLC 控制系統(tǒng)方案 .185 啤酒發(fā)酵溫度 PLC 控制硬件設(shè)計(jì) .205.1 系統(tǒng)硬件配置 .205.1.1 CPU 的選型 .205.1.2 模擬量擴(kuò)展模塊.225.1.3 控制系統(tǒng)硬件配置.235.2 啤酒發(fā)酵溫度 PLC 控制系統(tǒng)的 I/O 分配.245.2.1 I/O 地址分配 .246 PLC 實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度控制的程序設(shè)計(jì).27.1 編程軟件的介紹.276.1.1 指令

3、系統(tǒng).27.1.2 PLC 程序設(shè)計(jì)流程及原則 .28.1.3 STEP7-MICRO/WIN 32 編程軟件基本信息 .296.2 控制程序流程圖.30.2.1 發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)流程圖.30.2.2 控溫程序流程圖設(shè)計(jì).316.3 PID 控制 .326.3.1 S7-200 的 PID 指令 .326.3.2 數(shù)值轉(zhuǎn)換及標(biāo)準(zhǔn)化.336.3.3 選擇 PID 回路類型.336.4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì).336.4.1 符號(hào)表.336.4.2 主程序.356.4.3 主酵自然升溫段程序.366.4.4 溫度控制程序.366.4.5 電磁閥控制.40結(jié)束語(yǔ) .41致謝 .42參考文獻(xiàn) .43附錄 .44

4、利用PLC實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵罐溫度的自動(dòng)控制摘要人類使用谷物制造酒類飲料已有8000多年的歷史。中國(guó)的啤酒是19世紀(jì)末從外國(guó)傳入的。啤酒工業(yè)是我國(guó)食品工業(yè)占有重要地位，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活的改善，我國(guó)啤酒工業(yè)也得到空前發(fā)展。盡管如此，我國(guó)的啤酒生產(chǎn)工業(yè)目前還存在較大的提升空間。由于起步較晚及啤酒生產(chǎn)的工藝復(fù)雜，目前我國(guó)大多數(shù)啤酒生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)裝備落后，自動(dòng)化程度低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。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)力這一課題有很大研究空間。發(fā)酵過(guò)程是啤酒生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)之一，本文以啤酒發(fā)酵過(guò)程為工程背景，利用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)啤酒發(fā)酵過(guò)程溫度的控制，這對(duì)更加牢固掌握PLC

5、并將PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際及了解啤酒的生產(chǎn)工藝有很好作用。本文主要工作在于:由于啤酒發(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段液氨進(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。利用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程溫度的控制。該系統(tǒng)性能/價(jià)格比高、可靠、技術(shù)先進(jìn)，完全滿足啤酒生產(chǎn)發(fā)酵工藝的技術(shù)要求，并兼

6、顧了實(shí)用的需求。關(guān)鍵詞：PLC; 發(fā)酵溫度；對(duì)象ABSTRACTThe human use the grain manufacture wines more than 8000 years. Beer spread from the foreign country to China in 19 century. Beer production, as one of the most important traditional industry, has been developed quickly in our country with the development of civil eco

7、nomy and the improvement of standard of living. However, because of the complexity of the beer production, domestic breweries have many disadvantages, such as outdated measurement and control equipments, low level of automation, instable product quality, etc. How to improve the integrated automation

8、 level in beer production becomes an urgent research project. Beer fermentation is one of the key steps of beer production. Thus, on the basis of some projects in breweries, this thesis investigated beer fermentation automation and Fuzzy Intelligent PID algorithm applied in this process. It is an at

9、tempt to apply high technology to traditional industry and has importantly practical meaning. In this paper, beer fermentation process for the project background, the use of PLC in the beer fermentation process temperature control, which is more firmly grasp PLC and used to produce practical and und

10、erstanding of the beer production process have a very good role. What this research solute is： As the object of beer fermentation, degeneration, and the uncertainty of the delay, a decision must be in control of fermentation tank special control algorithms. As each there are individual differences,

11、but in different process conditions, different fermentation bacteria, the object characteristics vary. Therefore it is difficult to find or create a precise mathematical model to simulate and forecast control. To save energy, reduce production costs and to meet the requirements of control, temperatu

12、re control of fermentation tank selected the detection of the fermentation tank, in the next paragraph 3 of the temperature, through the upper, middle and lower imports of liquid ammonia in paragraph three Electromagnetic valve to achieve fermentation tank temperature control method. To solute the w

13、hole process temperature control by plc. The system performance higher than price, reliable, advanced technology, to fully meet the fermentation process of beer production technology requirements, taking into account the practical needs.Keywords: PLC;Fermentation temperature;object1 緒論1.1 選題的目的和意義啤酒

14、是世界上產(chǎn)量及消費(fèi)最大的一種酒，特別是北美及歐洲國(guó)家的總產(chǎn)量及人均消費(fèi)量均居世界前列，我國(guó)隨著改革開(kāi)放現(xiàn)代化建設(shè)，人民生活水平不斷斷提高，啤酒己成為人們的時(shí)尚飲品，市場(chǎng)的寵兒，生產(chǎn)直線上升，進(jìn)入九十年代后產(chǎn)量逐年增加，目前已成為僅次于美國(guó)的世界第二大啤酒產(chǎn)銷國(guó)，令世界啤酒界人士刮目相看。但是我國(guó)人均啤酒消費(fèi)水平只有 8 升，僅相當(dāng)于世界水平的 1/3 差距很大；近年來(lái)，雖然我國(guó)的啤酒裝備配套水平有很大提高，但與國(guó)外的主要啤酒生產(chǎn)廠家相比大部分企業(yè)技術(shù)落后，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。由于啤酒生產(chǎn)的工藝復(fù)雜，目前我國(guó)大多數(shù)啤

15、酒生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)裝備落后，自動(dòng)化程度低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。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1。啤酒發(fā)酵是啤酒生產(chǎn)過(guò)程非常重要的環(huán)節(jié)，是決定啤酒質(zhì)量的最關(guān)鍵的一步，特別是對(duì)發(fā)酵過(guò)程中溫度、壓力的控制尤其重要，控制指標(biāo)的好壞將直接影響啤酒的質(zhì)量。早期，由于人們對(duì)發(fā)酵機(jī)理認(rèn)識(shí)不深，再加上采用控制器的限制，對(duì)發(fā)酵采取自動(dòng)控制未能成功。隨著人們對(duì)發(fā)酵機(jī)理的逐步認(rèn)識(shí)，并隨著可靠性高、能經(jīng)受惡劣環(huán)境器件的引用，對(duì)發(fā)酵采用自動(dòng)控制逐漸取得成功。啤酒發(fā)酵具有非線性、時(shí)間滯后和大慣性等特征，發(fā)酵過(guò)程的精密控制一直是自動(dòng)控制領(lǐng)域較難解決的問(wèn)題之一。按啤酒發(fā)酵的生產(chǎn)工藝，生

16、產(chǎn)周期一般在十五天左右，要求發(fā)酵液的溫度嚴(yán)格按照一定的工藝曲線變化。溫度控制精度在0.5范圍內(nèi)，這樣的控制精度單憑傳統(tǒng)的熱工儀表加上手工操作方式是完全不能滿足要求的，但目前國(guó)內(nèi)的不少生產(chǎn)廠家都是采用這種生產(chǎn)方式。隨著控制領(lǐng)域新技術(shù)、新方法的不斷涌現(xiàn)，這些問(wèn)題也在不斷地得到改進(jìn)。改進(jìn)啤酒發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程控制是釀造業(yè)技術(shù)進(jìn)步的有效措施，它可以在不增加原材料及動(dòng)力消耗的前提下，增加產(chǎn)品產(chǎn)量、提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)還可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善工作條件、提高發(fā)酵工藝水平及生產(chǎn)管理水平。因此，優(yōu)化啤酒發(fā)酵控制應(yīng)用前景樂(lè)觀，能產(chǎn)生較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。利用 PLC 實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵罐溫度的自動(dòng)控制的選題。

17、對(duì)提高啤酒發(fā)酵溫度控制精度，優(yōu)化啤酒溫度控制過(guò)程，使用效果好且性能穩(wěn)定可靠，編程簡(jiǎn)單，具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。同時(shí)我個(gè)人可以通過(guò)這次設(shè)計(jì)更加鞏固 PLC 知識(shí)，更好地掌握梯形圖等編程。熟悉啤酒的制造工藝及過(guò)程，并通過(guò)此次設(shè)計(jì)鍛煉將理論應(yīng)用于實(shí)際的能力。1.2 啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)方案綜述目前，國(guó)內(nèi)啤酒生產(chǎn)(糖化、發(fā)酵工段)的控制水平基本上可以分為四個(gè)檔次。1) 完全手動(dòng)操作方式其主要特點(diǎn)是閥門(mén)為手動(dòng)。對(duì)溫度、壓力、液位、流量、濁度、電導(dǎo)率等生產(chǎn)過(guò)程中的模擬量信號(hào)采用常規(guī)分散儀表進(jìn)行采集，然后集中或現(xiàn)場(chǎng)顯示，操作人員在現(xiàn)場(chǎng)或集中操作盤(pán)(柜)上控制主要設(shè)置啟停，閥門(mén)由工人到現(xiàn)場(chǎng)操作。這種方式下啤酒生產(chǎn)工藝

18、參數(shù)得不到可靠執(zhí)行，一致性較差，啤酒質(zhì)量受人為因素影響較大，而且工人的操作勞動(dòng)強(qiáng)度很大，主要生產(chǎn)設(shè)備與裝置不能工作在較佳狀態(tài)，原材料利用率低，產(chǎn)品能耗大，不可能采用較復(fù)雜的先進(jìn)工藝生產(chǎn)啤酒，生產(chǎn)成本較高2。2) 半自動(dòng)控制方式(集中手動(dòng)控制方式)其主要特點(diǎn)為閥門(mén)多采用氣動(dòng)或電動(dòng)自動(dòng)閥門(mén)。采取諸如數(shù)據(jù)采集器等手段采集各種過(guò)程量進(jìn)入控制室，一般設(shè)有馬賽克模擬屏或上位機(jī)。在模擬屏或上位機(jī)上顯示各種溫度、流量、壓力、液位等過(guò)程參數(shù)和電機(jī)、閥門(mén)的開(kāi)啟狀態(tài)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，操作人員根據(jù)顯示的參數(shù)和工藝參數(shù)對(duì)比，在模擬屏或操作臺(tái)上遙控閥門(mén)開(kāi)啟和電機(jī)啟停從而滿足工藝要求，生產(chǎn)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)由人工記錄。但由于

19、需要操作工人的頻繁介入，其啤酒質(zhì)量和口味也有較大的波動(dòng)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度也比較大。3) PC 機(jī)+數(shù)據(jù)采集插卡方式以工業(yè) PC 機(jī)加各種數(shù)據(jù)采集卡為代表，過(guò)程控制中的各種信號(hào)在外圍通過(guò)相應(yīng)的變送器送入插在工業(yè) PC 機(jī)插槽中的數(shù)據(jù)采集卡，在 PC機(jī)畫(huà)面上顯示各種生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)，同時(shí)控制閥門(mén)與泵、電機(jī)等設(shè)備的啟、停來(lái)滿足工藝生產(chǎn)要求，目前國(guó)內(nèi)不少啤酒廠發(fā)酵車間采用這種系統(tǒng)進(jìn)行控制。一定程度上解決了啤酒生產(chǎn)過(guò)程控制問(wèn)題，但存在以下缺點(diǎn)：a系統(tǒng)可靠性差。b畫(huà)面呆板，缺乏一般工控組態(tài)軟件靈活的程序腳本控制功能，同時(shí)系統(tǒng)本身安全性差，難以建立有效的操作等級(jí)和權(quán)限制度。c系統(tǒng)的可擴(kuò)充性差。d由于外圍器件的漂移較

20、大，系統(tǒng)控制精度受一年四季影響大，控制效果不理想3。4) 分布式控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)加先進(jìn)的控制算法對(duì)生產(chǎn)工序進(jìn)行自動(dòng)控制，主要特點(diǎn)是采用 PLC 作為下位機(jī)。目前有 DCS(分布式控制系統(tǒng))控制系統(tǒng)與 FCS 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng))控制系統(tǒng)兩種。在這種控制方式中，下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)中控制單元一般采用 PLC，其可靠性非常高(一般可連續(xù)可靠工作 20 年)，性能穩(wěn)定，上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)可兼容多種通訊協(xié)議(如 TCP/IP 協(xié)議)，和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，掛在局域以太子網(wǎng)上，便于信息集成管理，和功能拓展。但主要缺點(diǎn)是一次投入資金較大4。目前啤酒工業(yè)總的技術(shù)特點(diǎn)是向設(shè)備大型化、自動(dòng)化、生產(chǎn)周期短，經(jīng)濟(jì)

21、效益高的方向發(fā)展。近十年來(lái)，我國(guó)的啤酒工業(yè)得到了迅速發(fā)展，但是由于起步較晚，生產(chǎn)設(shè)備都比較落后，自動(dòng)化程度低，因而產(chǎn)品效率較低，產(chǎn)品質(zhì)量也不高，噸酒能耗較大，這都是我國(guó)啤酒工業(yè)急待解決的問(wèn)題。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)控制我國(guó)大部分啤酒生產(chǎn)廠家目前仍然采用常規(guī)儀表進(jìn)行控制，人工監(jiān)控各種參數(shù)，人為因素較多。這種人工控制方式很難保證生產(chǎn)工藝的正確執(zhí)行，導(dǎo)致啤酒質(zhì)量不穩(wěn)定，波動(dòng)性大且不利于擴(kuò)大再生產(chǎn)規(guī)

22、模。1.3 實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵罐溫度 PLC 控制的主要研究工作(1) 熟悉啤酒發(fā)酵的工藝過(guò)程，詳細(xì)分析控制要求，選定裝置所需檢測(cè)和控制的參數(shù)，確定系統(tǒng)的控制方案。(2) 完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及其系統(tǒng)選型，包括系統(tǒng)的硬件連線，PLC 的選型，PLC 點(diǎn)數(shù)確定、PLC，擴(kuò)展模擬量處理模塊等部分。(3) 采用的是德國(guó) SIEMENS 公司的 S7-200 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)。2 啤酒發(fā)酵工藝概述2.1 啤酒發(fā)酵概述啤酒是采用麥芽和水為主要原料，加

23、酒花，經(jīng)酵母發(fā)酵釀制而成的一種含有二氧化碳、氣泡的低酒精度飲料。啤酒生產(chǎn)工藝主要由麥汁制備(俗稱糖化)、啤酒發(fā)酵、啤酒罐裝等工藝流程組成。發(fā)酵過(guò)程是啤酒生產(chǎn)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，啤酒發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的生化過(guò)程，這個(gè)過(guò)程可以理解為把麥汁轉(zhuǎn)化為啤酒的過(guò)程，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程同樣也包含若干個(gè)生產(chǎn)工序，如：麥汁充氧、酵母添加、發(fā)酵、過(guò)濾、修飾以及酵母擴(kuò)培等等。生產(chǎn)周期都在十幾天以上，要求發(fā)酵液的溫度嚴(yán)格按照一定的工藝曲線變化，溫度控制精度在0.5范圍內(nèi)如果溫度控制偏低，就會(huì)使得發(fā)酵過(guò)程緩慢，影響生產(chǎn)進(jìn)度;如果溫度偏高，又會(huì)造成生化參數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)，影響啤酒的質(zhì)量。啤酒發(fā)酵整個(gè)過(guò)程分為：主發(fā)酵階段、還原雙乙酰階段和

24、低溫貯酒階段。從原麥汁入罐時(shí)刻起，就開(kāi)始進(jìn)行主發(fā)酵，這一階段的溫度控制在12攝氏度(不同工藝數(shù)值不同)。發(fā)酵液直接由糖化車間經(jīng)管道灌入，初始的溫度大約為8攝氏度左右，糖度為10度左右，每一罐發(fā)酵液需要分幾批入罐，每一次入罐后都要由化驗(yàn)員測(cè)定一次糖度并把信息反饋到糖化車間，保證最后整罐發(fā)酵液的初始糖度符合標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)溫度控制開(kāi)始實(shí)施，以保證滿罐后發(fā)酵液的溫度在規(guī)定范圍內(nèi)。發(fā)酵液滿罐后1小時(shí)工人開(kāi)始測(cè)量發(fā)酵液的滿罐糖度，以后每隔八小時(shí)測(cè)量一次。當(dāng)糖度降至低于6.5度時(shí)，每?jī)尚r(shí)測(cè)量一次，直至到達(dá)6.0度。當(dāng)糖度降到6.0度時(shí)主發(fā)酵階段結(jié)束，主發(fā)酵階段約歷時(shí)4天。發(fā)酵進(jìn)入還原雙乙酰階段，這一階段要求溫

25、度控制在1218攝氏度 (不同工藝數(shù)值)。進(jìn)入第二階段后，要求化驗(yàn)員每隔2小時(shí)測(cè)量一次雙乙酞的濃度和糖度，直到糖度降至3.0度時(shí)變?yōu)槊堪诵r(shí)測(cè)量一次。當(dāng)糖度降至3.0度時(shí)再經(jīng)過(guò)16小時(shí)糖度監(jiān)測(cè)工作就結(jié)束。當(dāng)雙乙酰濃度下降到合格標(biāo)準(zhǔn) (0.08mg/升)時(shí)，且糖度降至極限4248小時(shí)后，如果此時(shí)距離裝罐時(shí)間已大于6天，發(fā)酵就可以進(jìn)入降溫階段，分兩個(gè)階段按不同的速率降溫，此時(shí)把所有冷媒閥打開(kāi)，使發(fā)酵液全速降溫。當(dāng)溫度到達(dá)1攝氏度以下時(shí)發(fā)酵進(jìn)入低溫儲(chǔ)酒階段，在低溫儲(chǔ)酒階段溫度控制在0. 510攝氏度。這一階段主要是讓酵母和一些固態(tài)物進(jìn)行充分沉淀并進(jìn)行回收。正常情況下，全過(guò)程必須在14天以上5 6。2

26、.2 發(fā)酵各階段溫度控制機(jī)理(1) 自然升溫階段麥汁滿罐溫度高低直接關(guān)系到發(fā)酵工藝的準(zhǔn)確執(zhí)行，酵母前期增值速度，發(fā)酵周期的長(zhǎng)短，發(fā)酵度的高低，酵母還原雙乙酰能力以及副產(chǎn)物形成、泡沫、口味等，過(guò)低和過(guò)高的滿罐溫度均不利于酵母和成品酒質(zhì)量。滿罐溫度的確定應(yīng)考慮麥汁分鍋次進(jìn)罐中酵母繁殖代謝使溫度上升因素的影響，滿罐后的自然升溫階段切忌因各種失誤出現(xiàn)的控溫，應(yīng)通過(guò)此過(guò)程，使酵母盡快其發(fā)酵增殖適應(yīng)新的麥汁環(huán)境形成良好的酒液對(duì)流。(2) 主發(fā)酵及雙乙酰還原階段主發(fā)酵階段酵母大量繁殖并產(chǎn)生較多的熱量，隨著發(fā)酵液中氧的迅速消耗，酵母在無(wú)氧呼吸下轉(zhuǎn)化為生成大量的 ，使罐內(nèi)中下部酒液中 含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上部，酒體密度

27、發(fā)生變化，在 釋放及密度變化的共同作用下，發(fā)酵液發(fā)生自下而上的強(qiáng)烈對(duì)抗，此階段溫控應(yīng)促進(jìn)對(duì)流充分進(jìn)行，保持旺盛發(fā)酵并均衡罐內(nèi)酒液狀態(tài)，以控制上段溫度為主，適度輔以中段，形成的溫度梯度，三帶溫差在 0.5左右。雙乙酰還原階段控溫原理與主酵段類似，但此過(guò)程發(fā)酵速度趨緩，熱量產(chǎn)生少，對(duì)流慢，對(duì)上段控溫應(yīng)緩慢、慎重，不可急劇冷卻，防止罐內(nèi)溫度出現(xiàn)較大幅度下滑，酵母大量沉積將影響雙乙酞還原。此過(guò)程以保持發(fā)酵液適度對(duì)流和一定數(shù)量懸浮酵母為主，溫度梯度為 T上上 T中中T下下，三帶溫差在 0.20.3 攝氏度左右。(3) 降溫保溫階段發(fā)酵液雙乙酰還原達(dá)標(biāo)后即開(kāi)始轉(zhuǎn)入降溫階段，此過(guò)程應(yīng)按照工藝設(shè)定的速度將酒液

28、均勻了冷卻至貯酒溫度，由于此時(shí)酒液發(fā)酵已基本結(jié)束，二氧化碳生成和放熱趨于停止，原二氧化碳上升托拉力等形成的自下而上對(duì)流大為減弱，酒液在不同溫度下密度差形成對(duì)流的作用漸占主導(dǎo)，根據(jù)啤酒最大密度溫度計(jì)算公式可知，酒液最大密度時(shí)溫度約為 3 攝氏度，3 攝氏度上下的酒液對(duì)流方向相反，控溫時(shí)應(yīng)據(jù)此區(qū)別對(duì)待。(4) 雙乙酰還原溫度冷卻至 3 攝氏度酒液在此階段降溫中密度逐漸增大，對(duì)流方向仍為自下而上，酒液沿罐壁向下流動(dòng)，由于此時(shí)冷媒與酒液溫差較大，降溫及罐內(nèi)均衡過(guò)程不容易控制，應(yīng)以上帶和中帶控溫為主，須防止冷卻過(guò)于強(qiáng)烈造成貼近罐壁處部分酒液結(jié)冰，影響降溫效果及啤酒質(zhì)量。(5) 三攝氏度保溫過(guò)程在整體降溫

29、過(guò)程中，3 攝氏度以前的降溫速度較快，降溫慣性大，在接近 3 攝氏度對(duì)流方向變化過(guò)程中，易出現(xiàn)罐內(nèi)各點(diǎn)酒液溫度的紊亂，或溫度出現(xiàn)突升突降，或溫度持續(xù)變化，無(wú)法按工序執(zhí)行，且難以總結(jié)出變化規(guī)律。針對(duì)此情況，在生產(chǎn)中采用了 3 攝氏度保溫工藝，目的是穩(wěn)定酒液流態(tài)，是對(duì)流過(guò)程放緩或停頓，罐內(nèi)溫度均衡準(zhǔn)確，并在保溫過(guò)程徹底排放剩余的廢酵母和沉積物，3 攝氏度保溫結(jié)束后開(kāi)始進(jìn)行新的對(duì)流降溫過(guò)程，實(shí)踐證明此工藝有效的保證了降溫速率及酒液澄清。(6) 三攝氏度以下深冷過(guò)程酒液降溫至 3 攝氏度最高密度時(shí)將形成密度相同而溫度不同的酒液，自行區(qū)域性對(duì)流，狀態(tài)紊亂，酒液溫度形成梯度，冷卻加套冷量傳遞達(dá)不到要求，冷

30、卻速度和酒液溫度下降緩慢，此時(shí)應(yīng)以下部控溫為主，加大錐罐底酒液控溫強(qiáng)度，降低酒液密度，使對(duì)流方向由自下而上轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨隙拢蚱菩纬傻臏囟忍荻龋瑵M足溫度控制效果，此過(guò)程下段溫度應(yīng)低于中、上段溫度 12 攝氏度。(7) 貯酒階段貯酒階段的溫控對(duì)發(fā)酵液成熟及酒液澄清等影響很大，控溫不當(dāng)將可能造成發(fā)酵液結(jié)冰。此階段溫度控制應(yīng)以上、中、下三段均衡控溫為主，縮小罐內(nèi)發(fā)酵液溫差。在貯酒過(guò)程中罐內(nèi)下段二氧化碳的密度梯度高于中上段，而下段發(fā)酵液的密度高于中、上段，同時(shí)存在自下而上和自上而下的對(duì)流，狀態(tài)紊亂，緩慢而不規(guī)則，使用調(diào)節(jié)閥控制冷媒可采用長(zhǎng)時(shí)間小流量的操作方法，對(duì)于開(kāi)關(guān)閥則可采用高頻短時(shí)間開(kāi)啟控制，避免長(zhǎng)

31、時(shí)問(wèn)深度冷卻，溫控精度要求在0.2 攝氏度，嚴(yán)禁出現(xiàn)溫度回升。2.3 啤酒發(fā)酵設(shè)備概述發(fā)酵罐是啤酒生產(chǎn)的主要設(shè)備，目前，我國(guó)絕大部分啤酒廠均采用園柱錐底式發(fā)酵罐簡(jiǎn)稱錐形罐，般在圓柱部分焊有兩到三段冷卻夾套，錐底還有一冷卻夾套。整個(gè)罐體除罐頂裝置和罐底的進(jìn)出口以外，全部用絕熱材料包裹起來(lái)，用其來(lái)阻隔與外界的熱交換。這樣使得罐內(nèi)發(fā)酵液與外界的熱交換量和發(fā)酵液產(chǎn)生的生化熱相比較可忽略不計(jì)，控溫中通過(guò)冷卻夾套由冷卻介質(zhì)帶走的熱量主要是生化熱。錐形發(fā)酵罐的直徑與高度之比一般為1：1.54。錐底內(nèi)角，不銹鋼罐錐角一般為60度，內(nèi)有涂料的鋼罐錐角通常為75度，使排污時(shí)可強(qiáng)制酵母滑出。罐的有效容量是每批麥汁的

32、整數(shù)倍，應(yīng)在1624小時(shí)內(nèi)裝滿一個(gè)錐形罐，罐的容量系數(shù)取80%85%。發(fā)酵是一個(gè)放熱的過(guò)程，如果讓啤酒自然發(fā)酵，發(fā)酵液的溫度會(huì)逐漸上升，因此在發(fā)酵罐外部罐壁設(shè)置有上、中、下三段冷卻套，相應(yīng)的設(shè)立上、中、下三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)和三個(gè)調(diào)節(jié)閥，通過(guò)閥門(mén)調(diào)節(jié)冷卻套內(nèi)冷卻液的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)酒體溫度的控制7。2.4 啤酒發(fā)酵溫控基本要求由于啤酒酵母的作用，麥汁在發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵，在發(fā)酵過(guò)程中釋放出的生化反應(yīng)熱和CO2 熱量釋放導(dǎo)致發(fā)酵溫度上升，同時(shí) CO2 的產(chǎn)生使罐內(nèi)壓力升高。在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中，根據(jù)麥芽發(fā)酵的反應(yīng)規(guī)律來(lái)控制發(fā)酵的溫度和時(shí)間是保證發(fā)酵過(guò)程正常安全地進(jìn)行，提高啤酒質(zhì)量和口味，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約能源的關(guān)

33、鍵。罐類容器的主要工況參數(shù)有溫度、液位、氣體壓力。溫度參數(shù)的高低來(lái)提醒罐內(nèi)物料已加熱時(shí)間的長(zhǎng)短，以便指導(dǎo)操作者進(jìn)行物料儲(chǔ)存及物料反應(yīng)。液位間接反應(yīng)了物料的多少，以便控制物料的儲(chǔ)存量，實(shí)時(shí)調(diào)控或者進(jìn)行物料反應(yīng)等。氣體壓力的大小反應(yīng)了罐內(nèi) CO2的多少，壓力到一定程度時(shí)需從罐頂排出一定的 CO2以減小罐內(nèi)的壓力，防止爆炸。所以需要對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)液溫的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，同時(shí)罐內(nèi)的壓力也是安全生產(chǎn)的必要控制量8。啤酒發(fā)酵生產(chǎn)工藝對(duì)控制的要求是：發(fā)酵罐上、中、下液溫的實(shí)時(shí)測(cè)控，控制罐溫在特定階段與標(biāo)準(zhǔn)的工藝生產(chǎn)曲線相符；控制罐內(nèi)氣體的有效排放，使罐內(nèi)壓力符合不同階段的需要控制。啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)流程圖如圖 2

34、-4-1 所示。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圖2-4-1 啤酒發(fā)酵罐控制系統(tǒng)流程圖2.5 啤酒發(fā)酵工藝流程根據(jù)錐形發(fā)酵大罐的特性將發(fā)酵的全過(guò)程分為多個(gè)階段，在各個(gè)階段，對(duì)象的特性相對(duì)穩(wěn)定，溫度和壓力的控制方面存在一定的規(guī)律性。在發(fā)酵開(kāi)始前，根據(jù)工藝要求預(yù)先設(shè)定工藝控制的溫度、壓力曲線；在發(fā)酵工程中，根據(jù)發(fā)酵進(jìn)行的程度(發(fā)酵時(shí)間、糖度、雙乙酰含量等)，發(fā)酵罐上、中、下 3 段溫度的差異，以及 3 段溫度各自的變化趨勢(shì)，自動(dòng)正確選擇各個(gè)階段相應(yīng)的控制策略，從而達(dá)到預(yù)期的控制效果9。主要分為以下階段： (l

35、) 麥汁充氧和酵母添加麥汁在泵入發(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵之前，麥汁中需要加入適量的酵母，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程可以簡(jiǎn)單理解為酵母把麥汁中的糖類分解成 C2H50H、H2O 及其它產(chǎn)物的過(guò)程。這個(gè)階段麥汁原料經(jīng)由連接管道由糖化罐進(jìn)入發(fā)酵罐中。(2) 發(fā)酵啤酒發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的微生物代謝過(guò)程，這是啤酒生產(chǎn)過(guò)程中耗時(shí)最長(zhǎng)的一個(gè)環(huán)節(jié)。在發(fā)酵期間，一般是往附著于罐壁上的冷卻夾套內(nèi)通入致冷酒精水或液氨來(lái)吸收生化反應(yīng)熱，以維持適宜的發(fā)酵溫度，致冷量通過(guò)調(diào)節(jié)冷媒流量來(lái)控制。整個(gè)發(fā)酵過(guò)程可以分為主酵和后酵兩個(gè)階段：(a) 主酵這個(gè)階段又稱為前酵。麥汁接種酵母進(jìn)入發(fā)酵罐幾小時(shí)以后逐漸開(kāi)始主發(fā)酵，麥汁糖度下降，產(chǎn)生 CO2，反應(yīng)熱的釋放

36、使整個(gè)罐內(nèi)的溫度逐漸上升。經(jīng)過(guò) 23 天后進(jìn)入發(fā)酵最為旺盛的高泡期，再過(guò) 23 天，降糖速度變慢，糖度很低，酵母開(kāi)始沉淀，進(jìn)行封罐發(fā)酵。此時(shí)，前酵基本結(jié)束，進(jìn)行降溫轉(zhuǎn)入后酵階段。普通啤酒在前酵時(shí)的工藝要求控制在 12左右，從前酵進(jìn)入后酵的降溫過(guò)程。(b) 后酵當(dāng)罐內(nèi)溫度從前酵的 12降到 3左右時(shí)，后酵階段開(kāi)始了，這一階段最主要的目的是進(jìn)行雙乙酰還原。此外，后酵階段還完成了殘?zhí)前l(fā)酵，充分沉淀蛋白質(zhì)、降低氧含量，提高啤酒的穩(wěn)定性。一旦雙乙酰指標(biāo)合格，發(fā)酵罐進(jìn)入第二個(gè)降溫過(guò)程，把罐內(nèi)發(fā)酵溫度從 3降到 01左右進(jìn)行貯酒，以提高啤酒的風(fēng)味和質(zhì)量。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的貯酒，整個(gè)發(fā)酵環(huán)節(jié)基本結(jié)束。 通常，發(fā)酵

37、液溫度要求控制在給定溫度的0.5范圍之內(nèi)，以期達(dá)到理想的發(fā)酵狀況。另外，在不同的發(fā)酵階段，對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)溫度場(chǎng)也有相應(yīng)的要求：在前酵階段希望發(fā)酵罐內(nèi)從罐頂?shù)焦薜子幸徽臏囟忍荻?上段溫度低于下段溫度)，以利于發(fā)酵液對(duì)流和酵母在罐內(nèi)的均勻混合；在后酵階段，則要求發(fā)酵液由上到下必須有一定的負(fù)溫度梯度，便于酵母的沉淀和排出。(3) 啤酒過(guò)濾和殺菌主酵、后酵結(jié)束以后，啤酒將通過(guò)過(guò)濾機(jī)和高溫瞬時(shí)殺菌進(jìn)行生物以及膠體穩(wěn)定處理然后灌裝。啤酒過(guò)濾是一種分離過(guò)程，其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母細(xì)胞和其它混濁物從啤酒中分離出去，否則這些物質(zhì)會(huì)在以后的時(shí)間里從啤酒中析出，導(dǎo)致啤酒混濁，目前多采用硅藻土過(guò)濾方式。如果

38、啤酒中仍含有微生物(雜菌)，則微生物可以在啤酒中迅速繁殖，導(dǎo)致啤酒混濁，其排泄的代謝產(chǎn)物甚至使啤酒不能飲用。殺菌就是啤酒在灌裝之前對(duì)其進(jìn)行生物穩(wěn)定性處理的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。啤酒發(fā)酵工藝曲線如圖 2-5-1 所示。圖中，0 a 段為自然升溫段，不須外部控制；ab 段為主發(fā)酵階段；主酵階段，典型的控制溫度為 12； bc 段為降溫逐漸進(jìn)入后酵，典型降溫速度為 0.3/；cd 段為后酵階段，典型控制點(diǎn) 3；de 段為降溫進(jìn)入貯酒階段，典型降溫速度為 0.15/；e f 段為貯酒階段。啤酒口味和實(shí)際要求的不同，啤酒的發(fā)酵工藝曲線也就不同，但是對(duì)于確定好的啤酒發(fā)酵工藝，就應(yīng)嚴(yán)格按照工藝曲線去控制溫度和壓力等

39、，這樣才能保證啤酒的質(zhì)量。024681012140abcdef T/t/h圖 2-5-1 啤酒發(fā)酵工藝曲線3 應(yīng)用 PLC 實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度控制的可行性分析3.1 可編程序控制器 PLC 的特點(diǎn)可編程序控制器(Programmable Controller)是一種以計(jì)算機(jī)(微處理器)為核心的通用工業(yè)控制裝置。早期可編程序控制器主要用于開(kāi)關(guān)量的邏輯控制，被稱為可編程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡(jiǎn)稱 PLC，這個(gè)名稱被一直沿用。現(xiàn)代 PLC 采用微處理器作為中央處理單元，其功能大大增強(qiáng)，不僅具有邏輯控制功能，還具有算術(shù)運(yùn)算、模擬量處理和通信聯(lián)網(wǎng)等功能

40、，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。自 1969 年DEC 公司研制出世界上第一臺(tái) PLC 后，經(jīng)過(guò) 30 多年的發(fā)展，有的已經(jīng)使用 RISC(精簡(jiǎn)指令系統(tǒng) CPU)芯片。最快的 PLC 處理一步程序僅需幾十納秒；軟件上使用容錯(cuò)技術(shù)，硬件上使用多 CPU 技術(shù)，具有二三百步以上的高級(jí)指令，使 PLC 具有強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算和大批量數(shù)據(jù)處理能力10。PLC 的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用是與其自身的性能特點(diǎn)密切相關(guān)的，與繼電器、微機(jī)控制相比，PLC 具有以下特點(diǎn)：(1) 高可靠性PLC 是為了適應(yīng)工業(yè)環(huán)境而專門(mén)設(shè)計(jì)的控制裝置，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)是它的最重要的特點(diǎn)。PLC 在硬件和軟件方面采

41、取了如下一系列可靠性設(shè)計(jì)方法。硬件設(shè)計(jì)方面：采用可靠性高的元件，對(duì)干擾的屏蔽、隔離和濾波，對(duì)電源的掉電保護(hù)，存儲(chǔ)器內(nèi)容保護(hù)，采用看門(mén)狗和其他自診斷措施等。軟件設(shè)計(jì)方面：采用軟件濾波，軟件自診斷，簡(jiǎn)化編程語(yǔ)言，信息保護(hù)和恢復(fù)，報(bào)警和運(yùn)行信息的顯示等。這些措施的采用使 PLC 的可靠性和抗干擾能力大大優(yōu)于一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，PLC 的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)可達(dá)幾十萬(wàn)小時(shí)。(2) 易操作性PLC 的易操作性表現(xiàn)為編程簡(jiǎn)單，使用方便。考慮到大多數(shù)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣和應(yīng)用微機(jī)的水平，PLC 采用了面向控制過(guò)程、面向問(wèn)題的“自然語(yǔ)言”編程，易于掌握。例如目前大多數(shù) PLC 采用的梯形圖語(yǔ)言，繼

42、承了繼電器控制線路的清晰直觀感，很容易被電氣技術(shù)人員所接受和掌握。PLC 的輸入輸出接口可直接與控制現(xiàn)場(chǎng)的用戶設(shè)備相連接，可拆卸的接線端子排使接線工作及其簡(jiǎn)單。PLC 的自診斷功能使在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，維護(hù)人員可根據(jù)各種異常狀態(tài)的指示或自診結(jié)果，快速確定故障的位置，以便迅速處理和修復(fù)。(3) 通用性現(xiàn)代 PLC 不僅具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制等功能，而且還具有A/D、D/A 轉(zhuǎn)換，PID 控制、數(shù)值運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理等功能。因此，它既可對(duì)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制，也可對(duì)模擬量進(jìn)行控制；既可以控制單臺(tái)設(shè)備，也可以控制一條生產(chǎn)線或全部生產(chǎn)工藝過(guò)程。PLC 還具有通信聯(lián)網(wǎng)功能，可與相同或不同類型的 PL

43、C 聯(lián)網(wǎng)，并可與上位機(jī)通信構(gòu)成分布式的控制系統(tǒng)。(4) 易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化由于 PLC 采用半導(dǎo)體集成電路，因此具有體積小、重量輕、功耗低的特點(diǎn)。而且由于 PLC 是專為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用，并具有很強(qiáng)的可靠性和抗干擾能力，易于裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，因而成為實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化十分理想的控制設(shè)備。3.2 PLC 的組成與基本原理3.2.1 PLC 的組成結(jié)構(gòu)PLC 本質(zhì)上是一臺(tái)用于控制的專用計(jì)算機(jī)，因此它與一般的控制機(jī)在結(jié)構(gòu)上有很大的相似性。PLC 的主要特點(diǎn)是與控制對(duì)象有更強(qiáng)的接口能力，也就是說(shuō)，它的基本結(jié)構(gòu)主要是圍繞著適宜于過(guò)程控制的要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。按結(jié)構(gòu)形式的不同，P

44、LC 可分為整體式和組合式兩類。整體式 PLC 是將中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機(jī)。另外還有獨(dú)立的 I/O擴(kuò)展單元與主機(jī)配合使用。主機(jī)中 CPU 是 PLC 的核心，I/O 單元是連接 CPU 與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的接口電路，通信接口用于 PLC 與編程器和上位機(jī)等外部設(shè)備的連接。組合式 PLC 將 CPU 單元、輸入單元、輸出單元、智能 I/O 單元、通信單元等分別做成相應(yīng)的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過(guò)底板上的總線相互聯(lián)系。裝有 CPU 單元的底板稱為 CPU 底板，其它稱為擴(kuò)展底板。CPU 底板與擴(kuò)展底板之間通過(guò)電纜連接，距

45、離一般不超過(guò) 10m。無(wú)論哪知結(jié)構(gòu)類型的 PLC，都可根據(jù)需要進(jìn)行配置與組合。例如 SIEMENS S7-224型 PLC 為整體式結(jié)構(gòu)，通過(guò)主機(jī)連接 I/O 擴(kuò)展單元，I/O 點(diǎn)數(shù)可在 24 點(diǎn)到 168 點(diǎn)的范圍內(nèi)進(jìn)行配置。組合式 PLC 則在 I/O 配置上更方便、更靈活11。圖 3-2-1 為 PLC 的組成示意圖。3.2.2 PLC 的工作原理與其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相同，PLC 的 CPU 采用分時(shí)操作原理，每一時(shí)刻執(zhí)行一個(gè)操作，隨時(shí)間順序執(zhí)行各個(gè)操作。這種分時(shí)操作進(jìn)程稱為 CPU 對(duì)程序的掃描。PLC 的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲(chǔ)器中按序號(hào)順序排列。CPU 從第一條指令開(kāi)始，順

46、序逐條的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束。然后返回第一條指令開(kāi)始，新一輪掃描。除了執(zhí)行用戶程序外，在每次掃描過(guò)程中好要完成系統(tǒng)自檢測(cè)，輸入輸出處理，處理外設(shè)請(qǐng)求等工作。以上幾個(gè)過(guò)程共同構(gòu)成了 PLC 工作的一個(gè)工作周期。PLC 按工作周期方式周而復(fù)始的循環(huán)工作。PLC 上電后，首先進(jìn)行初始化，然后進(jìn)圖循環(huán)工作過(guò)程，一次循環(huán)可歸納為五個(gè)工作階段，如圖 3-2-2 所示。各個(gè)階段完成的任務(wù)如下：(1) 公共處理。復(fù)位監(jiān)控定時(shí)器(WDT)，進(jìn)行硬件檢查、用戶內(nèi)存檢查等。檢查正常后，方可進(jìn)行下面的操作。如果有異常情況，則根據(jù)錯(cuò)誤的嚴(yán)重程度發(fā)出報(bào)警或停止PLC 運(yùn)行。(2) I/O 刷新。輸入刷新時(shí)，CP

47、U 從輸入電路中讀出各輸入點(diǎn)狀態(tài)，并將此狀態(tài)寫(xiě)入輸入映像寄存器中；輸出刷新時(shí)候，將輸出繼電器的元件影響寄存器的狀態(tài)傳送到輸出圖 3-2-1 PLC 組成示意圖鎖存電路，再經(jīng)輸出電路隔離和功率放大，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。(3) 執(zhí)行用戶程序。在程序執(zhí)行階段，CPU 按先左后右，先上后下的順序?qū)γ織l指令進(jìn)行解釋、執(zhí)行，CPU 從輸入映像寄存器和輸出映像寄存器中讀出各繼電器的狀態(tài)，根據(jù)用戶程序給出的邏輯關(guān)系進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再寫(xiě)入輸出映像寄存器中。(4) 外設(shè)端口服務(wù)。完成與外設(shè)端口連接的外圍設(shè)備(如編程器)或通訊適配器的通信圖 3-2-2 PLC 工作流程圖電源接上初始化檢查硬件和用戶程序存儲(chǔ)器檢查結(jié)

48、果正常？采樣輸入信號(hào)，刷新 I/O數(shù)據(jù)，更新輸出信號(hào)監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位逐條執(zhí)行用戶程序指令程序結(jié)束？外設(shè)端口服務(wù)錯(cuò)誤標(biāo)志置位，故障燈亮故障性質(zhì)I/O內(nèi)部繼電器清零；定時(shí)器復(fù)位；檢查 I/O單元連接否報(bào)警異常是否初始化公共處理I/O 刷新執(zhí)行用戶程序外設(shè)端口服務(wù)（a）（b）處理。3.2.3 PLC 的主要功能和應(yīng)用可編程控制器的設(shè)計(jì)思想是盡可能地利用當(dāng)前先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)去滿足用戶的需要，PLC 與繼電器接觸器控制電路的一個(gè)本質(zhì)區(qū)別就是除了必要的與外部物理世界的接口(即I/O 點(diǎn))外，其它的邏輯功能均在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。這些邏輯功能不僅可以取代，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)諸如中間繼電器、時(shí)間繼電器等硬件邏輯所能達(dá)到的功能

49、，從而為 PLC 在可靠性和便利性上形成特色奠定了基礎(chǔ)12。PLC 的主要功能：邏輯控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、步進(jìn)(順序)控制、PID 控制、數(shù)據(jù)處理、通信和聯(lián)網(wǎng)，還有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，如定位控制模塊，CRT 模塊。目前，國(guó)內(nèi)外的 PLC 產(chǎn)品有幾十個(gè)系列，上百個(gè)型號(hào)。各個(gè)種類 PLC 的容量、結(jié)構(gòu)形式、性能、指令系統(tǒng)、編程方法、價(jià)格各不相同，適應(yīng)的工作場(chǎng)合也有差異。因此，對(duì)于每一個(gè)準(zhǔn)備使用 PLC 的用戶來(lái)說(shuō)，合理的選擇 PLC 是非常重要的，它直接影響到所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能與造價(jià)。PLC 的選擇包括機(jī)型、容量、I/O 模塊等幾個(gè)方面的內(nèi)容。(1) PLC 機(jī)型的選擇目

50、前國(guó)內(nèi)使用的 PLC 以國(guó)外產(chǎn)品居多。美國(guó)是 PLC 的發(fā)源地，以大中型機(jī)為主，功能完備，單機(jī)價(jià)格高，GE 公司、MODICON 公司、AB 公司是其代表。日本的 PLC 以中小型機(jī)為主，價(jià)格便宜，典型代表為 OMRON 公司、三菱(MITSUBISHI)公司的產(chǎn)品。德國(guó) SIEMENS 公司的產(chǎn)品以可靠性高著稱，其主要產(chǎn)品有 S5、S7 兩個(gè)系列，包括了從大型機(jī)到小型機(jī)各個(gè)型號(hào)，在國(guó)內(nèi)使用廣泛。(2) 選擇容量。PLC 的容量包括主機(jī)用戶存儲(chǔ)器的內(nèi)存容量和 I/O 控制點(diǎn)數(shù)兩個(gè)方面，選擇時(shí)應(yīng)留有適當(dāng)?shù)脑Ａ孔鰝溆谩?(3) 選擇 I/O 模塊。輸入模塊有直流 24VDC 和交流 220VAC

51、兩種。輸出模塊有三種形式：繼電器輸出，晶體管輸出和可控硅輸出。晶體管輸出模塊只能帶直流負(fù)載，是直流輸出模塊，用于高速小功率負(fù)載;可控硅輸出模塊是交流輸出模塊，只用于高速大功率負(fù)載；繼電器輸出模塊是交直流輸出模塊，即可帶直流也可帶交流，因其有觸點(diǎn)，故只能用于低速負(fù)載。上煤系統(tǒng)電控部分控制對(duì)象為接觸器，屬于交流低速負(fù)載。據(jù)此選擇原則可以選用合理便捷的 PLC 產(chǎn)品。本系統(tǒng)選用了 SIMENS SIMATIC S7系列 PLC 組件。3.3 PLC 在啤酒發(fā)酵中應(yīng)用的可行性啤酒發(fā)酵過(guò)程控制是啤酒釀造過(guò)程的一個(gè)重要工藝控制環(huán)節(jié)，發(fā)酵過(guò)程控制得好壞直接影響到整罐啤酒的產(chǎn)品質(zhì)量。舊式的啤酒發(fā)酵過(guò)程控制是用

52、許多單回路的溫度控制儀表控制每個(gè)發(fā)酵罐上的各點(diǎn)溫度，根據(jù)溫度變化情況去控制冷媒閥的開(kāi)度，達(dá)到溫度調(diào)節(jié)的目的。該過(guò)程控制因線路復(fù)雜，控制參數(shù)單一，故維護(hù)工作量大，且調(diào)節(jié)效果差，特別是在發(fā)酵罐數(shù)量多，體積大，系統(tǒng)滯后大的情況下更是如此。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，啤酒發(fā)酵過(guò)程也逐步開(kāi)始應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。PLC 是一種具有很高可靠性的控制裝置，它與可編程調(diào)節(jié)器、DCS 系統(tǒng)同被列為“不損壞儀表” 。這不僅是由于它在硬件上采取了諸如隔離、濾波、屏蔽、接地等一系列抗干擾措施，在模板機(jī)箱進(jìn)行了完善的電磁兼容性設(shè)計(jì)，對(duì)元器件進(jìn)行了精心的挑選;而且更重要的是它采用了諸如數(shù)字濾波、指令復(fù)執(zhí)、程序卷回、差錯(cuò)校

53、驗(yàn)等一系列軟件抗干擾措施及故障診斷技術(shù)，以及在系統(tǒng)一級(jí)的容余配置等;此外，PLC 采用周期循環(huán)掃描方式工作，對(duì)輸入輸出集中進(jìn)行處理。這種特殊的工作方式本身就具有抗干擾功能。在一個(gè)循環(huán)掃描周期 T 中，僅只有一小段時(shí)間集中進(jìn)行 I/O 處理，也只有在這一小段集中I/O 時(shí)間中的干擾才會(huì)被引入 PLC 內(nèi)部，在掃描周期的其余大部分時(shí)間，干擾都被阻擋在 PLC 之外。以上這些原因使 PLC 的可靠性更高。因此，PLC 被稱為“專為適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)” 。PLC 是以控制開(kāi)關(guān)量起家的，它采用循環(huán)掃描方式，通過(guò)串行處理使其在邏輯上等效于并行處理的繼電器邏輯控制系統(tǒng)，為了不丟失輸入信號(hào)，要求

54、循環(huán)掃描周期愈短愈好，這就使得在 PLC 中配置的處理器性能好，速度快。這些高性能處理器本身有很大的潛能，只要處理好不同性質(zhì)的實(shí)時(shí)多任務(wù)的調(diào)度，在 PLC 中加入針對(duì)慢連續(xù)量的過(guò)程控制并不困難。而在大中型 PLC 中普遍采用了多微處理器結(jié)構(gòu)進(jìn)行多道處理，這使得 PLC不僅速度快，而且可以獨(dú)立各自處理不同問(wèn)題，也可分解協(xié)調(diào)，共同處理非常復(fù)雜的問(wèn)題。此外，PLC 配置著大量?jī)?nèi)含 CPU 的智能模板，有些專用于 PID 控制，有些用于運(yùn)動(dòng)控制，有些用于高速計(jì)數(shù)器，有些用于連網(wǎng)通信，它們采用模塊結(jié)構(gòu)，通過(guò)背板并行總線連成有機(jī)的整體。所有這些都使得 PLC 適合于各種規(guī)模的自動(dòng)化系統(tǒng)13。正是由于 PL

55、C 具有多種功能，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。4 啤酒發(fā)酵溫度 PLC 控制方案4.1 系統(tǒng)控制要求及功能4.1.1 啤酒發(fā)酵溫度要求啤酒發(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 00.15Mpa。其各階段轉(zhuǎn)換條件及控制要求見(jiàn)表 4-1 所示。表 4-1 啤酒發(fā)酵各階段

56、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(mén)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(kāi)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T1=12程序控制降溫保溫階段化驗(yàn)決定，人工輸入指令t3=100 小時(shí)1312TttTTT程序控制后酵保溫階段t3 結(jié)束且 T2=3t448 小時(shí)T2=3程序控制第二降溫階段t4 結(jié)束t572 小時(shí)2523TttTTT程序控制貯酒保溫階段t5 結(jié)束且 T3=1不需設(shè)定T3=1程序控制4.1.2 系統(tǒng)功能控制系

57、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

58、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(kāi)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(kāi)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(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)顯示，閥門(mén)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

59、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。 4.1.3 PLC 控制系統(tǒng)方案根據(jù)啤酒發(fā)酵工藝控制需求，充分考慮企業(yè)的綜合實(shí)力、現(xiàn)狀與發(fā)展等因素，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(kāi)關(guān)量輸入，16 個(gè)開(kāi)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 4-2 表明各類具體信號(hào)及性質(zhì)分類。 表 4-2 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(kāi)上冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥主酵自然升溫段指示主酵自然升溫段開(kāi)中冷媒開(kāi)關(guān)電磁閥雙乙酞還原階段指示雙乙酞還原階段開(kāi)

60、下冷媒開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電磁閥貯酒保溫階段指示貯酒保溫階段開(kāi)發(fā)酵罐排氣閥上冷媒開(kāi)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(kāi)關(guān)電磁閥發(fā)酵罐中部溫度系統(tǒng)啟動(dòng) SB1下冷媒開(kāi)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(mén)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(kāi)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(mén)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，從而