基于plc的啤酒發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 ，整個發(fā)酵環(huán)節(jié)基本結(jié)束。（3）啤酒過濾和殺菌主酵、后酵結(jié)束以后，啤酒將通過過濾機(jī)和高溫瞬時殺菌進(jìn)行生物以及膠體穩(wěn)定處理然后灌裝。啤酒過濾是一種分離過程，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)會在以后的時間里從啤酒中析出，導(dǎo)致啤酒混濁，目前多采用硅藻土過濾方式。如果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其進(jìn)行生物穩(wěn)定性處理的最后一個環(huán)節(jié)。啤酒發(fā)酵工藝曲線如圖 22 所示。圖中，0a 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 ℃/h；cd 段為后酵階段，典型控制點 3℃；de 段為降溫進(jìn)入貯酒階段，典型降溫速度為 ℃/h；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(yīng)嚴(yán)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(zhì)量。024681 01 21 40a bc def T/℃t / h圖 22 啤酒發(fā)酵工藝曲線 本章小結(jié)本章對啤酒發(fā)酵整個過程做了概述，對發(fā)酵過程各階段溫度控制機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的說明，并對啤酒發(fā)酵設(shè)備和發(fā)酵溫控基本要求做了研究，從而總結(jié)出啤酒發(fā)酵工藝流程中 PLC 在各階段溫度控制中能起到的作用。第 3 章 應(yīng)用 PLC 實現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度控制的可行性分析 可編程序控制器 PLC 的特點可編程序控制器（Programmable Controller）是一種以計算機(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關(guān)量的邏輯控制，被稱為可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller） ，簡稱 PLC，這個名稱被一直沿用。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，不僅具有邏輯控制功能，還具有算術(shù)運算、模擬量處理和通信聯(lián)網(wǎng)等功能，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。自 1969 年 DEC 公司研制出世界上第一臺 PLC 后，經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，有的已經(jīng)使用 RISC（精簡指令系統(tǒng) CPU）芯片。最快的 PLC 處理一步程序僅需幾十納秒；軟件上使用容錯技術(shù)，硬件上使用多 CPU 技術(shù)，具有二三百步以上的高級指令，使 PLC 具有強大的數(shù)值運算、函數(shù)運算和大批量數(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密切相關(guān)的，與繼電器、微機(jī)控制相比，PLC 具有以下特點：（1）高可靠性PLC 是為了適應(yīng)工業(yè)環(huán)境而專門設(shè)計的控制裝置，可靠性高、抗干擾能力強是它的最重要的特點。PLC 在硬件和軟件方面采取了如下一系列可靠性設(shè)計方法。硬件設(shè)計方面：采用可靠性高的元件，對干擾的屏蔽、隔離和濾波，對電源的掉電保護(hù)，存儲器內(nèi)容保護(hù)，采用看門狗和其他自診斷措施等。軟件設(shè)計方面：采用軟件濾波，軟件自診斷，簡化編程語言，信息保護(hù)和恢復(fù)，報警和運行信息的顯示等。這些措施的采用使 PLC 的可靠性和抗干擾能力大大優(yōu)于一般的計算機(jī)控制系統(tǒng)，PLC 的平均故障間隔時間（MTBF）可達(dá)幾十萬小時。（2）易操作性PLC 的易操作性表現(xiàn)為編程簡單，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 采用了面向控制過程、面向問題的“ 自然語言”編程，易于掌握。例如目前大多數(shù) PLC 采用的梯形圖語言，繼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單。PLC 的自診斷功能使在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時候，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 不僅具有邏輯運算、定時、計數(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)值運算和數(shù)據(jù)處理等功能。因此，它既可對開關(guān)量進(jìn)行控制，也可對模擬量進(jìn)行控制；既可以控制單臺設(shè)備，也可以控制一條生產(chǎn)線或全部生產(chǎn)工藝過程。PLC 還具有通信聯(lián)網(wǎng)功能，可與各類型的 PLC 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。而且由于 PLC 是專為工業(yè)控制而設(shè)計的專用計算機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊湊、堅固耐用，并具有很強的可靠性和抗干擾能力，易于裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，因而成為實現(xiàn)機(jī)電一體化十分理想的控制設(shè)備。 PLC 的組成與基本原理 PLC 的組成結(jié)構(gòu)PLC 本質(zhì)上是一臺用于控制的專用計算機(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 的主要特點是與控制對象有更強的接口能力，也就是說，它的基本結(jié)構(gòu)主要是圍繞著適宜于過程控制的要求來進(jìn)行設(shè)計的。按結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC 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)展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過 10m。無論哪知結(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 S7224型 PLC 為整體式結(jié)構(gòu)，通過主機(jī)連接 I/O 擴(kuò)展單元，I/O 點數(shù)可在 24 點到 168 點的范圍內(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 31 為 PLC 的組成示意圖。電源中央處理單元（CPU）存儲器EPROM(系統(tǒng)程序)RAM（用戶程序）輸入單元輸出單元外設(shè)接口擴(kuò)展口擴(kuò)展單元編程器輸入信號輸出信號盒式打印機(jī)打印機(jī)EPROM 寫入器PLC 或上位計算機(jī)圖 31 PLC 組成示意圖 PLC 的工作原理與其它計算機(jī)系統(tǒng)相同，PLC 的 CPU 采用分時操作原理，每一時刻執(zhí)行一個操作，隨時間順序執(zhí)行各個操作。這種分時操作進(jìn)程稱為 CPU 對程序的掃描。PLC 的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按序號順序排列。CPU 從第一條指令開始，順序逐條的執(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始，新一輪掃描。除了執(zhí)行用戶程序外，在每次掃描過程中還要完成系統(tǒng)自檢測，輸入輸出處理，處理外設(shè)請求等工作。以上幾個過程共同構(gòu)成了 PLC 工作的一個工作周期。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)工作過程，一次循環(huán)可歸納為五個工作階段，如圖 32 所示。各個階段完成的任務(wù)如下：（1）公共處理。復(fù)位監(jiān)控定時器（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)錯誤的嚴(yán)重程度發(fā)出報警或停止 PLC 運行。（2）I/O 刷新。輸入刷新時，CPU 從輸入電路中讀出各輸入點狀態(tài)，并將此狀態(tài)寫入輸入映像寄存器中；輸出刷新時候，將輸出繼電器的元件影響寄存器的狀態(tài)傳送到輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路隔離和功率放大，驅(qū)動外部負(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)行邏輯運算，運算結(jié)果再寫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處理。 PLC 的主要功能和應(yīng)用可編程控制器的設(shè)計思想是盡可能地利用當(dāng)前先進(jìn)的計算機(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）外，其它的邏輯功能均在其內(nèi)部實現(xiàn)。這些邏輯功能不僅可以取代，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過諸如中間繼電器、時間繼電器等硬件邏輯所能達(dá)到的功能，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、定時控制、計數(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，國內(nèi)外的 PLC 產(chǎn)品有幾十個系列，上百個型號。各個種類 PLC 的容量、結(jié)構(gòu)形式、性能、指令系統(tǒng)、編程方法、價格各不相同，適應(yīng)的工作場合也有差異。因此，對于每一個準(zhǔn)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(shè)計系統(tǒng)的性能與造價。PLC 的選擇包括機(jī)型、容量、I/O 模塊等幾個方面的內(nèi)容。（1）PLC 機(jī)型的選擇圖 32 PLC 工作流程圖電源接上初始化檢查硬件和用戶程序存儲器檢 查 結(jié) 果 正常 ？采樣輸入信號，刷新 I/O數(shù)據(jù)，更新輸出信號監(jiān)控定時器復(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 器 復(fù) 位 ； 檢 查 I/O單 元 連 接否報警異常是 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）目前國內(nèi)使用的 PLC 以國外產(chǎn)品居多。美國是 PLC 的發(fā)源地，以大中型機(jī)為主，功能完備，單機(jī)價格高，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，價格便宜，典型代表為 OMRON 公司、三菱（MITSUBISHI）公司的產(chǎn)品。德國 SIEMENS 公司的產(chǎn)品以可靠性高著稱，其主要產(chǎn)品有 SS7 兩個系列，包括了從大型機(jī)到小型機(jī)各個型號，在國內(nèi)使用廣泛。（2）選擇容量。PLC 的容量包括主機(jī)用戶存儲器的內(nèi)存容量和 I/O 控制點數(shù)兩個方面，選擇時應(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 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，故只能用于低速負(fù)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(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。 PLC 在啤酒發(fā)酵中應(yīng)用的可行性啤酒發(fā)酵過程控制是啤酒釀造過程的一個重要工藝控制環(huán)節(jié)，發(fā)酵過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)酵過程控制是用許多單回路的溫度控制儀表控制每個發(fā)酵罐上的各點溫度，根據(jù)溫度變化情況去控制冷媒閥的開度，達(dá)到溫度調(diào)節(jié)的目的。該過程控制因線路復(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。隨著計算機(jī)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，啤酒發(fā)酵過程也逐步開始應(yīng)用計算機(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，對元器件進(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、差錯校驗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)一級的容余配置等；此外，PLC 采用周期循環(huán)掃描方式工作，對輸入輸出集中進(jìn)行處理。這種特殊的工作方式本身就具有抗干擾功能。在一個循環(huán)掃描周期 T 中，僅只有一小段時間集中進(jìn)行 I/O 處理，也只有在這一小段集中 I/O 時間中的干擾才會被引入 PLC 內(nèi)部，在掃描周期的其余大部分時間，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)計的計算機(jī)” 。PLC 是以控制開關(guān)量起家的，它采用循環(huán)掃描方式，通過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，要求循環(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)的實時多任務(wù)的調(diào)度，在 PLC 中加入針對慢連續(xù)量的過程控制并不困難。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，而且可以獨立各自處理不同問題，也可分解協(xié)調(diào)，共同處理非常復(fù)雜的問題。此外，PLC 配置著大量內(nèi)含 CPU 的智能模板，有些專用于 PID 控制，有些用于運動控制，有些用于高速計數(shù)器，有些用于連網(wǎng)通信，它們采用模塊結(jié)構(gòu)，通過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)模的自動化系統(tǒng) [13]。正是由于 PLC 具有多種功能，集三電于一體，PLC 網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)良的性能價格比和PLC 具