基于S7-1200PLC的啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)研究

李 鑫 張煜星 高 博

(西京學(xué)院，陜西 西安 710021)

啤酒因清熱解暑、平順甘醇且含有豐富的糖類、氨基酸、維生素等營養(yǎng)元素深受廣大消費(fèi)者喜愛，特別是炎炎夏日，啤酒更是成為人們主流飲品。然而，隨著人們生活水平的提高，對啤酒的質(zhì)量要求也在逐步提升。啤酒發(fā)酵工段是啤酒釀造的重要工序之一，發(fā)酵溫度控制精度是決定啤酒口味的重要因素之一。溫度稍有偏差就會影響酵母活性，產(chǎn)生多種類的衍生物，影響啤酒口味，甚至造成啤酒質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，所以，啤酒發(fā)酵過程溫度控制精度至關(guān)重要[1]。

由于啤酒發(fā)酵罐體積大、發(fā)酵時(shí)間長、生化反應(yīng)過程復(fù)雜、熱交換速度慢等因素影響，使控制系統(tǒng)存在時(shí)變性、非線性和滯后性。目前，中國啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)多采用PID控制，因受P、I、D參數(shù)固定很難實(shí)現(xiàn)較好的控制精度[2]。隨著自動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展，張震等[3]利用模糊控制器整定PID控制的3個(gè)參數(shù)，改善了一定的控制效果，但傳統(tǒng)模糊控制器的比例因子、量化因子、論域設(shè)置固定，若要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制將出現(xiàn)控制規(guī)則復(fù)雜、語言變量繁多的缺陷，所以本研究擬引入論域伸縮因子調(diào)整模糊控制器輸入輸出變量的論域，改進(jìn)現(xiàn)有模糊PID控制器，避免了因論域固定或范圍不當(dāng)而造成的控制偏差增加，以解決系統(tǒng)的控制精度與模糊規(guī)則數(shù)、論域大小間的矛盾，提高啤酒發(fā)酵溫度控制的響應(yīng)速度和精確度，保證啤酒生產(chǎn)質(zhì)量。

1 硬件系統(tǒng)組成

啤酒發(fā)酵環(huán)節(jié)是十分復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)過程，且伴隨產(chǎn)生大量能量。如圖1所示，為了使發(fā)酵罐內(nèi)溫度均勻且穩(wěn)定，發(fā)酵罐設(shè)有上層、中層、底層3段冷卻夾套設(shè)備，同時(shí)對應(yīng)安裝TIC103、TIC102、TIC101 3個(gè)溫度智能變送器和FV103、FV102、FV101冷媒調(diào)節(jié)閥，進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)[4]。啤酒發(fā)酵溫度控制原理：由溫度智能變送器檢測所在層內(nèi)啤酒液溫度，然后將檢測溫度信號傳輸給S71200-PLC控制器，S71200-PLC控制器對檢測溫度和設(shè)定溫度的差值進(jìn)行邏輯運(yùn)算并將控制輸出傳輸?shù)綄?yīng)層的冷媒調(diào)節(jié)閥，通過改變冷媒調(diào)節(jié)閥的閥門開度控制進(jìn)入夾套內(nèi)冷媒的流量，以實(shí)現(xiàn)溫度控制[5]。

2 變論域模糊PID啤酒發(fā)酵溫度控制器

模糊PID是利用模糊控制算法對PID的3個(gè)控制器進(jìn)行在線自整定，其原理是模糊控制隨輸入變量(誤差e和誤差變化率ec)的改變，推理獲得不同的輸出變量(比例參數(shù)P、積分參數(shù)I和微分參數(shù)D)，改善PID控制器因參數(shù)固定而不能獲得良好控制性能的劣勢[6]。然而，在控制器調(diào)節(jié)過程中，隨著誤差值不斷縮小或擴(kuò)大，固定論域相對縮小或擴(kuò)大后的論域調(diào)節(jié)誤差值偏大，將影響控制器的控制精度。

圖1 啤酒發(fā)酵溫度控制示意圖

2.1 變論域思想

由于固定論域和模糊規(guī)則數(shù)量限制了模糊控制器的調(diào)節(jié)精度，所以在模糊控制器內(nèi)增加論域伸縮因子，使模糊控制器輸入輸出變量論域隨系統(tǒng)誤差及誤差變化率進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，其本質(zhì)相當(dāng)于在原有規(guī)則不變的情況下增加了模糊規(guī)則數(shù)量，從而達(dá)到精確控制[7]。

如圖2所示，以系統(tǒng)誤差e的論域伸縮為例，假設(shè)e的初始論域?yàn)閇-E，E]，引入e論域伸縮因子α(e)，α(e)為誤差變化量e的函數(shù)，使論域范圍隨e值進(jìn)行變化，則e的論域范圍為[-α(e)E，α(e)E]?；谝陨侠碚?，引入啤酒發(fā)酵溫度控制過程關(guān)于溫度誤差e和誤差變化率ec函數(shù)的模糊控制器輸入變量e、ec和輸出變量△KP、△KI、△KD的論域調(diào)整因子α(e)、α(ec)和β(pid)。啤酒發(fā)酵溫度控制的論域伸縮因子函數(shù)公式[8]：

(1)

(2)

(3)

式中：

E和EC——e和ec初始論域邊界值；

ε1、ε2、ε3——極小的常數(shù)，以避免論域收縮因子為零；

θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、θ7——0～1的常數(shù)。

2.2 模糊PID算法

本試驗(yàn)利用模糊控制器對啤酒發(fā)酵溫度控制PID的3個(gè)參數(shù)實(shí)時(shí)增量進(jìn)行調(diào)節(jié)，構(gòu)建變論域模糊PID控制算法，以提高溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度，PID控制器的實(shí)時(shí)參數(shù)為：

(4)

式中：

KP、KI、KD——PID控制器的實(shí)時(shí)參數(shù)；

KP0、KI0、KD0——PID控制器的初始參數(shù)；

△KP、△KI、△KD——模糊控制器輸出的PID參數(shù)實(shí)時(shí)增量。

依據(jù)啤酒發(fā)酵溫度控制過程的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)和專家經(jīng)驗(yàn)，建立△KP、△KI、△KD。

2.3 變論域模糊PID算法在啤酒發(fā)酵溫度控制的應(yīng)用

啤酒的發(fā)酵環(huán)節(jié)一般包括自然升溫、保溫及降溫階段，該環(huán)節(jié)按照溫度工藝將麥汁分解為C2H6O、CO2及其他副產(chǎn)品，溫度控制精度決定副產(chǎn)品種類和數(shù)量，所以啤酒發(fā)酵溫度控制精度對啤酒口味和質(zhì)量至關(guān)重要[9-10]。本試驗(yàn)為提高啤酒發(fā)酵過程溫度控制精度和穩(wěn)定性，在傳統(tǒng)模糊PID算法的基礎(chǔ)上，引入論域伸縮因子，使模糊控制輸入輸出量論域隨溫度e及ec進(jìn)行自調(diào)整，改善模糊PID控制器性能，啤酒發(fā)酵變論域模糊PID溫度控制結(jié)構(gòu)圖見圖3。

表1 △KP、△KI、△KD的模糊控制規(guī)則表

由圖3可知，啤酒發(fā)酵罐溫度控制器為3層結(jié)構(gòu)：第1層為模糊論域調(diào)整，由智能溫度變送器檢測啤酒發(fā)酵罐相應(yīng)層的啤酒液溫度，將溫度信號傳送到PLC控制器，通過邏輯運(yùn)算后獲得溫度e和ec，并送入論域伸縮調(diào)整單元，計(jì)算出當(dāng)前模糊控制器輸入輸出變量的論域伸縮因子，并進(jìn)行論域調(diào)整；第2層為模糊推理單元，模糊控制器依據(jù)當(dāng)前溫度e、ec及當(dāng)前模糊論域進(jìn)行模糊推理，獲得PID參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)增量△KP、△KI、△KD， 并與PID控制器初始參數(shù)KP0、KI0、KD0疊加運(yùn)算后傳輸給PID控制器；第3層為溫度調(diào)節(jié)，PID控制輸出冷媒調(diào)節(jié)閥控制量，調(diào)整冷媒調(diào)節(jié)閥開度，改變冷媒流量，實(shí)現(xiàn)溫度的精確調(diào)整[11]。啤酒發(fā)酵溫度變論域模糊控制器相關(guān)參數(shù)見表2。

圖3 啤酒發(fā)酵變論域模糊PID溫度控制結(jié)構(gòu)圖

Figure 3 Variable universe fuzzy PID temperature control structure chart for beer fermentation

表2 變論域模糊控制器相關(guān)參數(shù)

3 啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

啤酒發(fā)酵過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括硬件選型、軟件設(shè)計(jì)及HMI界面設(shè)計(jì)等方面。

3.1 硬件選型

啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)硬件選型必須依據(jù)現(xiàn)場控制需求、控制點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行合理選擇。通過對啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)的控制點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到：AI型控制點(diǎn)個(gè)數(shù)為18、AO型控制點(diǎn)個(gè)數(shù)為6、DI型控制點(diǎn)個(gè)數(shù)為21、DO控制點(diǎn)個(gè)數(shù)為16，共計(jì)61個(gè)控制點(diǎn)，屬于小型控制系統(tǒng)。由于啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)控制點(diǎn)數(shù)量較少，從控制器性能、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性等方面考慮，本文利用西門子TIA Selection Tool硬件(見圖4)，其軟件可以選擇、組態(tài)、訂購全集成自動(dòng)化設(shè)備，包含產(chǎn)品模塊的型號、訂單號、信號種類、端子數(shù)量、控制精度、附件、尺寸等信息[12]。通過TIA Selection Tool完成硬件配置選型后直接導(dǎo)出為excel格式，啤酒發(fā)酵控制過程系統(tǒng)硬件配置表見表3。

3.2 變論域模糊PID溫度控制程序設(shè)計(jì)

啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)程序按照模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)各子程序，便于對程序調(diào)試和后期維護(hù)。程序運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化設(shè)計(jì)，然后對PID初始參數(shù)、變論域伸縮函數(shù)參數(shù)值、量化因子、比例因子、△KP、△KI、△KD查詢表等預(yù)置參數(shù)錄入到內(nèi)存區(qū)，同時(shí)將啤酒發(fā)酵溫度工藝曲線錄入控制器內(nèi)存，可以準(zhǔn)確計(jì)算啤酒發(fā)酵各階段的溫度設(shè)定值和持續(xù)時(shí)間，S7-1200 PLC控制器以采樣周期T為時(shí)間間隔判斷是否達(dá)到各階段發(fā)酵時(shí)間。在發(fā)酵過程中，智能溫度變送器獲取啤酒發(fā)酵罐對應(yīng)層的溫度信號并傳輸給S7-1200 PLC控制器，若溫度設(shè)定值與溫度檢測值不存在偏差e，則控制器按照掃描周期繼續(xù)進(jìn)行溫度監(jiān)控；若存在偏差e，則進(jìn)行邏輯運(yùn)算獲取ec，并將e和ec送入論域伸縮因子計(jì)算子程序。論域伸縮子程序完成模糊控制器輸入輸出量論域伸縮后，模糊控制器進(jìn)行模糊推理輸出，獲取PID的增量參數(shù)△KP、△KI、△KD，然后與PID初始參數(shù)加法運(yùn)算后送于PID控制器進(jìn)行冷媒調(diào)節(jié)閥閥門開度調(diào)整。啤酒發(fā)酵溫度控制程序流程圖見圖5。

圖4 啤酒發(fā)酵硬件選型圖

表3 硬件配置表

圖5 啤酒發(fā)酵溫度控制程序流程圖

3.3 HMI界面設(shè)計(jì)

啤機(jī)發(fā)酵自動(dòng)控制系統(tǒng)HMI界面采用西門子PN通訊方式的KTP1000 Basic型觸摸屏，以SIMATIC WinCC Flexible觸摸屏編程軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括參數(shù)設(shè)置、歷史曲線、生產(chǎn)報(bào)表、工藝流程、故障報(bào)警及用戶登錄界面[13]。如圖6所示，工藝流程界面可以直觀地讀取發(fā)酵罐各層溫度及溫差、冷媒調(diào)節(jié)閥開度等參數(shù)信號，點(diǎn)擊上方界面選擇按鈕進(jìn)行界面切換。

圖6 啤酒發(fā)酵HMI界面

4 測試與應(yīng)用

為驗(yàn)證變結(jié)構(gòu)模糊PID溫度控制器性能，以麥花、水、酒花、酵母為試驗(yàn)原料；以50 L啤酒發(fā)酵罐及控制裝置為試驗(yàn)設(shè)備，按照啤酒發(fā)酵溫度工藝設(shè)定發(fā)酵罐溫度—時(shí)間曲線進(jìn)行啤酒發(fā)酵試驗(yàn)。利用智能溫度變送器采集變論域模糊PID啤酒發(fā)酵罐中層溫度數(shù)據(jù)，獲得溫度響應(yīng)曲線圖(圖7)。從圖7可知：溫度誤差范圍為±0.09 ℃，溫度控制精度為0.75%，且溫度控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和跟蹤性。

5 結(jié)論

以S7-1200 PLC為核心控制器，完成系統(tǒng)硬件配置、軟件開發(fā)、HMI界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，且在模糊PID控制

圖7 啤酒發(fā)酵罐中層溫度曲線圖

算法的基礎(chǔ)上，引入論域伸縮因子使模糊控制輸入輸出變量的論域范圍隨溫度誤差及誤差變化率進(jìn)行伸縮，解決了因模糊論域固定而引起的控制精度降低的問題，同時(shí)制定△KP、△KI、△KD的模糊控制規(guī)則查詢表，設(shè)計(jì)變論域模糊PID啤酒發(fā)酵溫度控制器，提高溫度控制系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性，通過啤酒發(fā)酵溫度控制試驗(yàn)得出：溫度誤差范圍為±0.09 ℃，溫度控制精度為0.75%，滿足啤酒發(fā)酵溫度精確要求。

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