基于PLC的啤酒發(fā)酵自動控制系統(tǒng)設計

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學 PLCPLC技術及應用技術及應用 課程設計（論文）課程設計（論文） 題目：題目： 啤酒發(fā)酵過程中溫度的啤酒發(fā)酵過程中溫度的PLCPLC控制控制 院（系）：院（系）： 電氣工程學院電氣工程學院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 學學 號：號： 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： （簽字） 起止時間：起止時間： 2013.12.9-2013.12.18 課程設計（論文）報告的內容及其文本格式課程設計（論文）報告的內容及其文本格式 1、課程設計（論文）報告要求用 A4 紙排版，單面打印，并裝訂成冊，內容包括： 封面（包括題目、院系、專業(yè)班級、學生學號、學生姓名、指導教

2、師姓名、起止時間等） 設計(論文)任務及評語 中文摘要 （黑體小二，居中，不少于 200 字） 目錄 正文（設計計算說明書、研究報告、研究論文等） 參考文獻 2、課程設計（論文）正文參考字數(shù)：2000 字周數(shù)。 3、封面格式 4、設計（論文）任務及評語格式 5、目錄格式 標題“目錄”（ 小二號、黑體、居中） 章標題（四號字、黑體、居左） 節(jié)標題（小四號字、宋體） 頁碼（小四號字、宋體、居右） 6、正文格式 頁邊距：上 2.5cm，下 2.5cm，左 3cm，右 2.5cm，頁眉 1.5cm，頁腳 1.75cm，左側裝訂； 字體：一級標題，小二號字、黑體、居中；二級標題，黑體小三、居左；三級標題

3、，黑體四號；正文文字，小四 號字、宋體； 行距：20 磅行距； 頁碼：底部居中，五號、黑體； 7、參考文獻格式 標題：“參考文獻”，小二，黑體，居中。 示例：（五號宋體） 期刊類：序號作者 1,作者 2,作者 n.文章名.期刊名（版本）.出版年,卷次（期次）:頁次. 圖書類：序號作者 1,作者 2,作者 n.書名.版本.出版地:出版社，出版年:頁次. 課程設計（論文）任務及評語課程設計（論文）任務及評語 院（系）：電氣工程學院 教研室：自動 化 注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算 學 號學生姓名專業(yè)班級 課程設計 （論文）題 目 基于Ethernet/IP遠程鍋爐液

4、位控制系統(tǒng)設計 課程設計（論文）任務 課題完成的功能、設計任務及要求、技術參數(shù)課題完成的功能、設計任務及要求、技術參數(shù) 實現(xiàn)功能實現(xiàn)功能 以 Netlinx 網絡控制平臺為基礎，設計鍋爐液位控制系統(tǒng)，網絡選擇 Ethernet/IP，通過 FlexI/O 模塊，實現(xiàn)基于 Ethernet/IP 的液位遠程控制。 設計任務及要求設計任務及要求 1、確定系統(tǒng)設計方案，畫出 Ethernet/IP 遠程 FlexI/O 的結構圖。 2、Ethernet/IP 遠程 FlexI/O 液位控制系統(tǒng)硬件設計，包括介質、模塊及器件等選擇。 3、Ethernet/IP 遠程 FlexI/O 硬件組態(tài)及軟件組態(tài)

5、（PID 程序） 。 4、使用 Factory talk view 軟件設計顯示畫面。 5、要求認真獨立完成所規(guī)定的全部內容；所設計的內容要求正確、合理。 6、按學校規(guī)定的格式，撰寫、打印設計說明書一份；設計說明書應在4000字以上。 技術參數(shù)技術參數(shù) 1、Ethernet/IP 傳輸速率 10Mbps；2、液位高度設定值 80cm；3、控制精度5% 進度計劃 1、布置任務，查閱資料，確定系統(tǒng)設計方案（1 天） 2、對系統(tǒng)功能進行分析，構建 Ethernet/IP 遠程 FlexI/O 網絡（1 天） 3、系統(tǒng)硬件組態(tài)及模塊選擇（3 天） 4、系統(tǒng)軟件組態(tài)及編寫功能程序及調試（3 天） 5、撰

6、寫、打印設計說明書（1天） 6、驗收及答辯。 （1天） 指導教師評語及成績 平時： 論文質量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日 摘 要 啤酒發(fā)酵是啤酒生產工藝流程中關鍵環(huán)節(jié)之一，本文針對實驗室啤酒發(fā)酵裝置技術 裝備落后、自動化程度低、產品質量不穩(wěn)定以及啤酒發(fā)酵罐溫度所具有的大時滯、強關 聯(lián)、時變、大時間常數(shù)和變量的特點，提出了 S7-200PLC 核心的溫度控制系統(tǒng)方案。在 發(fā)酵罐中設置上、中和下三個測溫點，控制系統(tǒng)對這三個測溫點進行循環(huán)檢測，然后檢 測到的溫度信號送到 PLC，由 PLC 通過具體程序對以上三個信號進行處理，通過本文設定 的特殊控制算法決定每層控制閥的開度，從而

7、實現(xiàn)了啤酒發(fā)酵罐內部麥汁三層溫度的精 確控制，進而解決了啤酒發(fā)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. 文中介紹了系統(tǒng)的工藝流程、軟件設計。軟件設計包括系統(tǒng)控制的梯形圖、溫度設 定值的計算和電磁閥控制。該設計編程容易，容易掌握。 該系統(tǒng)滿足啤酒生產發(fā)酵工藝的技術要求，并兼顧了實用的需求且性能/價格比高、 可靠、技術先進，擴展性強，移植性強，具有推廣實用價值。 關鍵詞：啤酒發(fā)酵；溫度控制；可編程邏輯控制器 PLC 目 錄 第 1 章 緒論.1 第 2 章 課程設計的方案.2 2.1 概述 .2 2.2 控制原理 .2 2.3 啤酒發(fā)酵工藝流程 .3 第 3 章 硬件設計

8、.6 3.1 PLC 的選型 .6 3.1.1 PLC 工作原理及功能 .6 3.1.2 PLC 的選型 .6 3.2 S7-200 主要功能及特點 .8 3.3 控制系統(tǒng)的硬件配置 .8 3.4 文本顯示器 TD200 .9 3.5 I/O 地址分配 .10 第 4 章 軟件設計.12 4.1 控制系統(tǒng)組成 .12 4.2 程序流程圖設計 .12 4.3 PLC 功能模塊程序設計 .14 4.4 主程序 .15 4.5 模擬量信號采集處理 .18 4.6 溫度設定值的計算 .18 4.7 電磁閥控制 .19 第 5 章 課程設計總結.21 參考文獻.22 第 1 章 緒論 隨著我國改革開放現(xiàn)

9、代化建設，人民生活水平不斷斷提高，啤酒己成為人 們的時尚飲品，市場的寵兒，生產直線上升，目前已成為僅次于美國的世界第 二大啤酒產銷國，令世界啤酒界人士刮目相看。啤酒生產是一個利用生物加工 進行生產的過程，生產周期長，過程參數(shù)分散性大，傳統(tǒng)操作方式難以保證產 品的質量。近年來，國外的各大啤酒生產廠家紛紛進軍中國市場，憑借技術優(yōu) 勢與國內的啤酒生產廠家爭奪市場份額，雖然我國的啤酒裝備配套水平有很大 提高，但與國外的主要啤酒生產廠家相比大部分企業(yè)技術落后，國內的啤酒行 業(yè)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。 啤酒的發(fā)酵過程是在啤酒酵母的參與下，對麥

10、汁的某些組成進行一系列代 謝，從而將麥汁風味轉變?yōu)槠【骑L味的過程。啤酒發(fā)酵是啤酒生產工藝流程中 關鍵環(huán)節(jié)之一，也是一個極其復雜的在發(fā)酵罐內發(fā)生并釋放大量熱量的生化放 熱反應過程。由于這一過程中麥汁的可酵糖和氨基酸等營養(yǎng)物質被酵母細胞酶 分解為乙醇（C2H5OH）和二氧化碳（CO2），同時還產生一系列的發(fā)酵副產物， 如：雙乙酰、醛、酸、酯等。這些代謝產物的含量雖然極少，但它們對啤酒質 量和口味的影響很大，而這些中間代謝產物的生成取決于發(fā)酵溫度。因此發(fā)酵 過程是否正常和順利，將直接影響到最終啤酒成品的質量。比如，發(fā)酵過程的 溫度若發(fā)生劇烈變化，不僅會使酵母早期沉淀、衰老、死亡、自溶，造成發(fā)酵 異常

11、，還直接影響到酵母代謝副產物組成，從而對啤酒酒體與風味，及啤酒膠 體穩(wěn)定性造成危害。 啤酒發(fā)酵具有非線性、時間滯后和大慣性等特征，發(fā)酵過程的精密控制一 直是自動控制領域較難解決的問題之一。要求發(fā)酵液的溫度嚴格按照一定的工 藝曲線變化，溫度控制精度在0.5范圍內，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，隨著控制領域新技術、新方法 的不斷涌現(xiàn)，這些問題也在不斷地得到改進。改進啤酒發(fā)酵生產過程控制是釀 造業(yè)技術進步的有效措施，它可以在不增加原材料及動力消耗的前提下，增加 產品產量、提高產品質量，同時減輕勞動強度、改善工作條件、提高發(fā)酵工藝 水平及生產管理水平。因此，優(yōu)

12、化啤酒發(fā)酵控制應用前景樂觀，能產生較大的 社會經濟效益，具有很大的應用價值。 利用 PLC 實現(xiàn)啤酒發(fā)酵罐溫度的自動控制，對提高啤酒發(fā)酵溫度控制精度， 優(yōu)化啤酒溫度控制過程，使用效果好且性能穩(wěn)定可靠，編程簡單，具有非常現(xiàn) 實的意義。 第 2 章 課程設計的方案 2.1 概述 啤酒是采用麥芽和水為主要原料，加酒花，經酵母發(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)酵過程是啤酒生產中一個非常重要的 環(huán)節(jié)，啤酒發(fā)酵是一個復雜的生化過程，這個過程可以理解為把麥汁轉化為啤 酒的過程，整個發(fā)酵過程同樣也包含若干個生產

13、工序，如：麥汁充氧、酵母添 加、發(fā)酵、過濾、修飾以及酵母擴培等等。生產周期都在十幾天以上，要求發(fā) 酵液的溫度嚴格按照一定的工藝曲線變化，溫度控制精度在0.5范圍內如果 溫度控制偏低，就會使得發(fā)酵過程緩慢，影響生產進度；如果溫度偏高，又會 造成生化參數(shù)超出標準，影響啤酒的質量。 啤酒發(fā)酵整個過程分為：麥汁進罐，自然升溫，還原雙乙酰，降溫過程等。 麥汁進料階段的溫度為 5100C, 自然升溫階段的溫度為 20350C，開始進行主 發(fā)酵，發(fā)酵液直接由糖化車間經管道灌入，初始的溫度大約為 8 攝氏度左右， 糖度為 10 度左右，溫度控制開始實施，以保證滿罐后發(fā)酵液的溫度在規(guī)定范圍 內。發(fā)酵液滿罐后工人

14、開始測量發(fā)酵液的滿罐糖度，主發(fā)酵階段結束，發(fā)酵進 入還原雙乙酰階段，這一階段要求溫度控制在 15200C 。當雙乙酰濃度下降到 合格標準時，發(fā)酵就可以進入降溫階段，分兩個階段按不同的速率降溫，此時 把所有冷媒閥打開，使發(fā)酵液全速降溫，降溫階段的溫度為-1 120C。當溫度 到達 1 攝氏度以下時發(fā)酵進入低溫儲酒階段，在低溫儲酒階段溫度控制在 0.510 攝氏度。這一階段主要是讓酵母和一些固態(tài)物進行充分沉淀并進行回收。 2.2 控制原理 啤酒發(fā)酵對象的時變性、時滯性及其不確定性，決定了發(fā)酵罐控制必須采 用特殊的控制算法。由于每個發(fā)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(fā)酵菌種下，

15、對象特性也不盡相同。因此很難找到或建立某一確 切的數(shù)學模型來進行模擬和預測控制。為節(jié)省能源，降低生產成本，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發(fā)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(xiàn)發(fā)酵罐溫度控制的方 法。 對于采用外部冷媒間接換熱方式來控制體積大，慣性大的發(fā)酵溫度的情況， 采用普通的控制方案極易引起大的起調和持續(xù)的震蕩，很難取得預期的控制效 果。在不同的季節(jié)，甚至在不同一季節(jié)的不同發(fā)酵罐，要求生產不同品種的啤 酒，這樣就要求每個罐具有各自獨立的工藝控制曲線，這不僅要求高精度，高 穩(wěn)定性的控制，還需要控制系統(tǒng)有極大的靈活性。 利用

16、PLC 實現(xiàn)發(fā)酵罐溫度的控制，PLC 實現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度控制的主要任務 是接受由發(fā)酵罐傳來的溫度模擬量輸入信號，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， 對閥門進行控制調節(jié)，從而實現(xiàn)對發(fā)酵罐溫度的控制。在發(fā)酵的過程中，溫度 在不斷的升高，當達到上限溫度時，要打開制冷設備，通過酒精在冷卻管內循 環(huán)使罐內的溫度降下來。當發(fā)酵溫度低于工藝要求的溫度時，關閉冷媒，則啤 酒按工藝要求繼續(xù)發(fā)酵，發(fā)酵罐工藝示意圖如圖 2.1 所示： 圖 2.1 啤酒發(fā)酵罐工藝示意圖 2.3 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)酵的全過程分為多個階段：麥汁

17、進罐，自然 升溫，還原雙乙酰，一次降溫，低溫儲酒等，各個階段溫度的曲線圖如圖 2.2 所示。oa 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 26；bc 段為降溫逐漸進入后酵， ；cd 段為后酵階段，典型 控制點 16；de 段為降溫進入貯酒階段， ；e f 段為貯酒階段。啤酒口味和實 際要求的不同，啤酒的發(fā)酵工藝曲線也就不同，但是對于確定好的啤酒發(fā)酵工 藝，就應嚴格按照工藝曲線去控制溫度和壓力等，這樣才能保證啤酒的質量。 發(fā)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(fā)酵和雙乙酰還原階段，酵母大量

18、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(fā)酵并均衡的酒液 狀態(tài)，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(wěn)定酒液流態(tài)。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 圖 2.2 啤 酒發(fā)酵工藝曲線 每個發(fā)酵罐的上、中、下 3 個測量點的溫度進行檢測，實現(xiàn)自動控制，罐 內實行壓力檢測。整個發(fā)酵過程按照發(fā)酵機理，根據(jù)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，并采用滯后預估等控制方 法，使

19、系統(tǒng)控制精度符合工藝要求。 在各個階段，對象的特性相對穩(wěn)定，溫度的控制存在一定的規(guī)律性。在發(fā) 酵開始前，根據(jù)工藝要求預先設定工藝控制的溫度曲線；在發(fā)酵工程中，根據(jù) 發(fā)酵進行的程度（發(fā)酵時間、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，自動正確選擇各個階段相應的控制 策略，從而達到預期的控制效果。在前期的自然升溫階段基本上不需要加以控 制，這是由于啤酒罐發(fā)酵過程中，升溫是靠發(fā)酵本身產生的熱量進行的，任其 自然升溫；在恒溫階段，通過控制冷媒開關閥，保持發(fā)酵罐內溫度恒定；在降 溫階段，通過控制冷媒開關閥，以指定速率降溫。 主要分為以下階段： 1.麥汁

20、進料過程：在這個過程中，由糖化階段產生的麥汁原料經由連接管 道由糖化罐進入發(fā)酵罐中。 2.自然升溫階段：麥汁進料過程中，隨著酵母的加入，酵母菌逐漸開始生 長和繁殖。在這個過程中，麥汁在酵母菌的作用下發(fā)生化學反應，產生大量二 氧化碳和熱量，這就使原料的溫度逐漸上升。 3.還原雙乙酰過程：在自然升溫發(fā)酵過程中，化學反應能產生一種學名叫 雙乙酰的化學物質。這種物質對人體健康不利而且會降低啤酒的可口程度，所 以這個過程需要將其除去，增強啤酒的品質。 4.降溫過程：在 1 和 2 過程中啤酒發(fā)酵已經完成，降溫過程其實屬于啤酒 發(fā)酵的后續(xù)過程，其作用是將發(fā)酵過程中加入的酵母菌進行沉淀、排出。 5.低溫儲酒

21、過程：降溫過程完成以后，已經發(fā)酵完成的原料繼續(xù)儲存在發(fā) 酵罐等待過濾、稀釋、殺菌等過程的進行。 第 3 章 硬件設計 3.1 PLC 的選型 3.1.1 PLC 工作原理及功能 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(zhí)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(tài)，將這些狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲起來為下一 階段使用。 2. 執(zhí)行程序：然后 PLC 按用戶程序中的指令逐條執(zhí)行，但是把執(zhí)行結果暫 時存儲起來。 3. 刷新輸出：按第 1 階段的輸入狀態(tài)在第 2 階段執(zhí)行程序中確定的結果， 在本階段中對輸出予以刷新。 PLC 的主

22、要功能：邏輯控制、定時控制、計數(shù)控制、步進（順序）控制、 PID 控制、數(shù)據(jù)處理、通信和聯(lián)網，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。 正是由于 PLC 具有多種功能，集三電于一體，PLC 網絡具有優(yōu)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(xiàn)代工業(yè)自動化的支柱。因此，可編程控制器啤酒發(fā)酵過程自動控制系統(tǒng)， 可完成啤酒發(fā)酵過程控制功能，完成與上位機的通訊，實現(xiàn)啤酒發(fā)酵過程的遠 程監(jiān)控。 3.1.2 PLC 的選型 各個種類 PLC 的容量、結構形式、性能、指令系統(tǒng)、編程方法、價格各不 相同，適應的工

23、作場合也有差異。因此，對于每一個準備使用 PLC 的用戶來說， 合理的選擇 PLC 是非常重要的，它直接影響到所設計系統(tǒng)的性能與造價。據(jù)啤 酒發(fā)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(shù) 因此 PLC 的選擇包括機型、容量、I/O 模塊等幾個方面的內容。 1.PLC 機型的選擇 如今國內使用的 PLC 以國外產品居多。美國是 PLC 的發(fā)源地，以大中型機 為主，功能完備，單機價格高，GE 公司、MODICON 公司、AB 公司是其代表。日 本的 PLC 以中小

24、型機為主，價格便宜，典型代表為 OMRON 公司、三菱 （MITSUBISHI）公司的產品。德國 SIEMENS 公司的產品以可靠性高著稱，其主 要產品有 S5、S7 兩個系列，包括了從大型機到小型機各個型號，在國內使用廣 泛。 2.選擇容量。 PLC 的容量包括主機用戶存儲器的內存容量和 I/O 控制點數(shù)兩個方面，選 擇時應留有適當?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 兩種。 輸出模塊有三種形式：繼電器輸出，晶體管輸出和晶閘管輸出。晶體管輸 出模塊只能帶直流負載，是直流輸出模塊，用于高速小功率負載;晶閘管輸出模 塊是交流輸出模塊，只用于高

25、速大功率負載；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，故只能用于低速負載。上煤系統(tǒng)電 控部分控制對象為接觸器，屬于交流低速負載。 S7-200 系列是西門子公司生產的小型可編程程序控制器，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 CPU：CPU221，CPU222，CPU224，CPU226 CPU226 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(shù)增為 40 點，具有擴展能力，最大擴展為 248 點數(shù)字量或 35 點模擬量，增加 了

26、通信口的數(shù)量，通信能力大大增強，它可用于點數(shù)較多、要求較高的小型或 中型控制系統(tǒng)。 根據(jù)對整個系統(tǒng)的考察，啤酒發(fā)酵溫度 PLC 控制系統(tǒng)的 I/O 點數(shù)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 20%30%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(fā)酵溫度 PLC 控制的控制器。 3.2 S7-200 主要功能及特點 1.執(zhí)行指令速度高。CPU212 執(zhí)行每條二進制指令時間為 1.2s，而 CPU214- CPU261 僅為 0.8s。 2.豐富的指令功能。S7-200PLC

27、 幾乎包括了一般計算所具有的各種基本操 作指令，如變量賦值、數(shù)據(jù)存位置、傳送、比較、子程序調用、循環(huán)等。另外， 它還有良好的用戶使用功能，如脈寬調制（PWM）,位置控制（PTO） 、PID 等功 能。 3.靈活的中斷功能，中斷觸發(fā)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(shù)計數(shù)器自動觸發(fā)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。在掃描周期內，可直接查詢當前的輸入 和輸出信號，在必要時，還可以用指令對輸入和輸出直接賦值或改變其值，這 樣不僅用戶調試程序方便，同時也可使系統(tǒng)對過程事件做出快速響應

28、。 5.嚴格的口令保護。S7-200 系統(tǒng)有 3 個不同的口令保護級別，以便用戶對 程序做有效保護，3 級口令分別是自由存取，只讀，完全保護。 6.友好的調試和故障診斷功能，包括整個用戶程序可在用戶規(guī)定的同期數(shù) 內運行和分析，同時可紀錄性存儲器、定時器、計數(shù)器狀態(tài)。 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。通信是 S7-200PLC 的一個重要功能，它為用戶提供了強大， 靈活的通信功能。用戶對點接口（PPI）作 9.6Kbit/s 的數(shù)據(jù)通信，用 RS-485 接口實現(xiàn)高速用戶可編和接口。 3.3 控制系統(tǒng)的硬件配置 S7-200 PLC 的擴展模塊

29、S7-200 PLC 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。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。 啤酒發(fā)酵控制原理可以得出：每只發(fā)酵罐需要有上溫、中溫、下溫、液位 四個模擬量需要測量，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，所以每只發(fā)酵罐的 I/O 點數(shù)為 4 個模擬量、36 個開關量，考慮到 CPU226 主機上的 I/O 口不

30、夠多必須對它進行擴展，在這選用 EM 221 CN 數(shù)字量 輸入模塊（6ES7 2111BF220XA8） 、EM 222 CN 數(shù)字量輸出模塊（6ES7 222- 1HF22-0XA8） 、模擬量擴展模塊 EM231CNAI4X12 位。其擴展圖如圖 3.1 所示： 圖 3.1 模塊擴展連接圖 3.4 文本顯示器 TD200 TD200 是 Text Display 200 的簡寫，它是可編程控制器 S7-200 系列的常 用文本顯示器。它可以用來顯示信息，在信息中可以內嵌數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)既可以顯 示，也可以由操作人員進行設置。 TD200 鍵盤共有 9 個鍵：5 個命令鍵和 4 個功能鍵。 命令

31、鍵：ENTER用寫入新數(shù)據(jù)和確認信息；ESC用轉換 Display Message 方式和 Menu 方式，或緊急停止一個編輯；UP ARROW UP 箭頭用于遞 增數(shù)據(jù)和上卷光標到下一個更高優(yōu)先級的信息；DOWN ARROW DOWN 箭頭用于 遞減數(shù)據(jù)和卷動光標到下一個較低優(yōu)先級的信息； SHIFT轉換所有功能鍵的 數(shù)值。當按 SHIFT 鍵時，在 TD200 顯示區(qū)的右下方顯示一個閃爍的 S。 功能鍵：F1設置標志位 Mx.0。 （S7-200 M 存儲區(qū) x 字節(jié)的第 0 位）如果 按 SHIFT 鍵的同時（或預先按下 SHIFT 鍵）按下功能鍵 F1，則設置標志位 Mx.4； F2設

32、置標志位 Mx.1。如果按 SHIFT 鍵的同時（或預先按下 SHIFT 鍵） 按下功能鍵 F2，則設置標志位 Mx.5；F3設置標志位 Mx.2。如果按 SHIFT 鍵 的同時（或預先按下 SHIFT 鍵）按下功能鍵 F3，則設置標志位 Mx.6；F4設置 標志位 Mx.3。如果按 SHIFT 鍵的同時（或預先按下 SHIFT 鍵）按下功能鍵 F4， 則設置標志位 Mx.7。 TD200 既可以通過 TD/CPU 電纜由 S7-200 CPU 供電，也可以由一個外部插 入式電源供電，但不能 TD/CPU 電纜和外部電源同時對 TD200 供電，這樣會損 壞設備。本文只討論最簡單、最常用的方式

33、：由 S7-200 通過 TD/CPU 電纜供電。 TD200 只是一個文本顯示器，不需對 TD200 進行組態(tài)和編程，所有組態(tài)信 息全部存在 CPU S7-200 中。 TD200 里只存儲 TD200 的地址、所連接的 CPU 的 地址、通訊波特率和參數(shù)塊的位置（注意要與 CPU 中的一致） 。 也就是說，TD200 的所有組態(tài)數(shù)據(jù)都存儲在 CPU S7-200 可變存儲器（V 存 儲器）內，而在 TD200 中只需通過面板設置 TD200 的地址、所連接的 CPU 的地 址、通訊波特率和參數(shù)塊(TD 向導中變量的起始地址)的位置。 TD200 上電后，按“ESC”鍵進入“診斷菜單” ，接

34、著進入“TD200 設置” 選項，分別設置“TD200 地址” （缺省值為 1） 、 “CPU 地址” （缺省值為 2） 、 “參 數(shù)塊地址” （缺省值為 0） 、 “波特率” （缺省值為 9.6K） 。本例中，我們使用缺省 設置。 在 STEP 7 MicroWIN V4.0 中，用 TD200 向導（菜單“ToolsTD200 Wizard” ）給 CPU S7-200 編程。完成編程并下載后，將 CPU 和 TD200 通過 TD/CPU 電纜進行正確連接，正確設置 TD200 的參數(shù)，即可完成 TD200 的開發(fā)使 用。 上電后，TD200 從 CPU 讀參數(shù)塊。對所有參數(shù)均進行合法性

35、檢查。如果一 切合格，TD200 開始主動輪詢信息使能位以決定要顯示的信息，并從 CPU 讀取 信息，然后顯示信息。顯示的信息，并從 CPU 讀取信息，然后顯示信息。 3.5 I/O 地址分配 根據(jù)啤酒發(fā)酵溫度控制的工藝流程及實際需求，確定整個系統(tǒng)共有 26 個輸 入點，其中 5 個模擬量；16 個輸出點，考慮到系統(tǒng)的擴展留有少量冗余，因此 選用西門子 S7-200PLC CPU226 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 3-1。 表 3-1 本機及擴展模塊 I/O 地址分配 地址

36、注解地址注解 I0.0系統(tǒng)啟動 Q0.0自動運行狀態(tài) I0.1系統(tǒng)急停 Q1.0麥汁進罐泵運行 I0.2啟動麥汁進罐Q1.1壓力超限報警 I0.3關閉麥汁進罐Q1.2溫度超限報警 I0.4自動方式Q3.0滿罐溫度保持指示 I1.0滿罐溫度保持Q3.1主酵自然升溫段指示 I1.2主酵自然升溫段Q3.2雙乙酰還原階段指示 I1.3 雙乙酰還原階段Q3.3降溫保溫階段指示 I1.4 降溫保溫階段Q3.4后酵保溫階段指示 I1.5后酵保溫階段Q3.5第二降溫階段指示 I1.6第二降溫階段Q3.6閥貯酒保溫階段指示 I1.7貯酒保溫階段Q4.1上冷媒開關電磁閥 I4.0 開上冷媒開關電磁閥Q4.2中冷媒

37、開關電磁閥 I4.1開中冷媒開關電磁閥Q4.3下冷媒開關電磁 I4.2開下冷媒開關電磁閥Q4.4發(fā)酵罐排氣閥 I4.3關上冷媒開關電磁閥AIW6發(fā)酵罐上部溫度 I4.4關中冷媒開關電磁閥AIW8發(fā)酵罐中部溫度 I4.5關下冷媒開關電磁閥AIW10發(fā)酵罐下部溫度 I4.6開發(fā)酵罐排氣閥AIW12發(fā)酵罐壓力 I4.7 關發(fā)酵罐排氣閥AIW16發(fā)酵罐液位 第 4 章 軟件設計 4.1 控制系統(tǒng)組成 溫度是工業(yè)生產中主要的被控參數(shù)之一。溫度控制系統(tǒng)組成框圖如圖 4.1 所示。圖中的控制器即為 PLC，它按 PID 控制規(guī)律來設計控制程序。PID 調節(jié)器 的輸出量變換成 PWM 脈寬調制量，用于控制 P

38、LC 的輸出繼電器，從而控制啤酒 發(fā)酵罐的冷媒開關閥。 溫度測量元件采用線性度好且時間常數(shù)小集成溫度傳感器來測量發(fā)酵罐溫 度，經溫度變送器把溫度轉換成與其成比例的電壓。V/F 轉換器的作用是將溫 度轉換器輸出的電壓轉換成與其成比例的頻率，該頻率代表發(fā)酵罐內的實際溫 度。用 PLC 內的高速計數(shù)器記錄此頻率，以便和溫度的給定值相比較產生誤差 信號。 圖 4.1 溫度控制系統(tǒng)組成框圖 4.2 程序流程圖設計 啤酒的發(fā)酵工藝過程共有十多天時間，最重要的環(huán)節(jié)是控制每個時間段發(fā) 酵罐內不同的發(fā)酵溫度，我們根據(jù)發(fā)酵工藝的要求，設計出發(fā)酵溫度-時間曲線， 輸入可編程序控制器，使系統(tǒng)自動根據(jù)不同時間段的溫度給

39、定值進行調節(jié)。整 個系統(tǒng)程序流程圖如圖 4.2 所示。 主程序開始先計算出實際該罐啤酒的發(fā)酵時間，然后取出該段時間對應的 標準溫度值，將標準溫度值與實際溫度值比較，若相等則再次回到主程序入口 進行下一輪的標準值查找，若不相等則系統(tǒng)由 CPU 計算出相應的 PID 系數(shù)，輸 出信號去控制電磁閥，用電磁閥控制的氣路打開或關閉冷媒閥，進行溫度調節(jié)。 該系統(tǒng)可用 S7 軟件編程。應用這些軟件，對整個系統(tǒng)進行組態(tài)，隨時可顯 示出整個發(fā)酵罐系統(tǒng)的結構，各個閥門的實時狀態(tài)，可讀出每個發(fā)酵罐各點的 實際溫度值，液位置等參數(shù)，對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控，并有各種報警實時顯示和 溫度控制情況曲線記錄等，以便操作者及時掌握

40、系統(tǒng)工作狀況。 圖 4.2 程序流程圖 4.3 PLC 功能模塊程序設計 1.計算出啤酒發(fā)酵時間。在程序中必須能夠得到每個發(fā)酵罐的起始發(fā)酵時 間，然后由當前時間計算出罐內啤酒的已經發(fā)酵時間。這個過程中需要考慮到 的問題是，每個月的天數(shù)、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(fā)酵過程中的每一個發(fā)酵罐根據(jù)各自的 生產需要，都有一個工藝設定曲線。在計算出發(fā)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

41、動作作為占空比連續(xù)變化的 PWM 輸出。電 磁閥 PWM 輸出波形如圖 4.3 所示。 圖4.3 電磁閥 PWM 輸出波形圖 圖中 T 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。 T、T1、T2 之間關系為 T=T1+T2. 電磁閥的閥位值=T2/T1100%。 4.4 主程序 主程序控制系統(tǒng)的啟動與停止，整個發(fā)酵溫度控制過程根據(jù)不同發(fā)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(jù)設定好的曲線實現(xiàn)控制，主程序如圖 4.4 所示。 網絡 1 麥汁進灌 網絡 2 滿灌檢測 網絡 3 滿灌溫度保持階段 網絡 4 滿灌溫度保持定

42、時 網絡6 主酵自然升溫階段 網絡 5 滿灌定時到 網絡7 自然升溫檢測 網絡 8 雙乙酰還原階段 網絡 9 降溫階段 網絡10 降溫保溫檢測 網絡 11 后酵保溫階段 網絡 12 第二次降溫 網絡 13 二次降溫檢測 網絡 14 貯酒保溫 圖 4.4 網絡 1網絡 14 主程序 4.5 模擬量信號采集處理 擬量采集處理部分由網絡 1網絡 3 組成。主要完成溫度液位等模擬量的 采集和處理，梯形圖如圖 4.5 所示： 網絡 1 讀取溫度模擬輸入值 網絡 2 溫度值由字變量轉換為雙字變量 網絡 3 溫度由整數(shù)轉換為浮點數(shù) 圖 4.5 網絡 1網絡 3 梯形圖 4.6 溫度設定值的計算 溫度的設定值很簡單，就是按比例計算求值。如圖 4.6 所示，曲線 a 是溫 度設定曲線的一部分，t1 和 t2 是曲線的兩個端點的橫坐標，T1 和 T2 是曲線的 兩個端點的縱坐標，t 是當前的時間，T 就是當前的設定溫度。用很簡單的比例 關系式就可以求出當前的設定溫度值 T。 21 11 21 TT TttT tt T溫度 t時間 0 t1t t2 T1 T T2 圖 4.6 溫度曲線 溫度設定值的計算由網絡 4網絡 6 組成對發(fā)酵罐溫度使用 PID 控制必須 具