基于PLC的啤酒發(fā)酵過程控制系統(tǒng)

周小鳳，賈志軍

(1.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014030；2.內(nèi)蒙古京能康巴什熱電有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

隨著工業(yè)革命時(shí)代的開始，人們對(duì)于日常的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了大幅度的更新。由過去大多數(shù)的人為感知，到后來逐步變成了機(jī)器代替手工加工制作。啤酒生產(chǎn)技術(shù)在這個(gè)發(fā)展中亦是如此，很早憑借著釀酒師的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和時(shí)間積累，對(duì)發(fā)酵過程有了認(rèn)識(shí)性的了解，但是沒有形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，即使是最成熟的釀酒師也會(huì)存在感知誤差，使啤酒品質(zhì)相差巨大。伴隨著時(shí)代的進(jìn)步，工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)控制理論已漸漸成熟并形成了一個(gè)可靠全面的構(gòu)架，各種傳感器、執(zhí)行器等硬件也開發(fā)出一系列具有精度高、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的產(chǎn)品。又研制出單片機(jī)、可編程邏輯控制器等適合現(xiàn)代工業(yè)以及極具性能的控制器。因此，現(xiàn)代啤酒發(fā)酵技術(shù)應(yīng)運(yùn)而來，利用現(xiàn)有的各種設(shè)備可對(duì)啤酒發(fā)酵過程進(jìn)行合理精確控制，最大限度優(yōu)化啤酒的最終質(zhì)量，給人們創(chuàng)造出最佳口感的啤酒產(chǎn)品[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)對(duì)啤酒發(fā)酵過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，實(shí)質(zhì)的含義就是對(duì)啤酒發(fā)酵的相應(yīng)環(huán)境要求達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的，使得相應(yīng)的物理量保持在規(guī)定范圍內(nèi)。影響發(fā)酵過程的因素眾多，為此，我們選擇兩個(gè)最主要的物理量溫度和壓力在發(fā)酵過程中進(jìn)行測(cè)量控制。

如圖1所示為溫度單回路控制系統(tǒng)框圖，和普通單回路控制系統(tǒng)框圖相比，多出一項(xiàng)上位機(jī)監(jiān)控，這是提供給控制工作人員所示的溫度顯示，通過PLC對(duì)應(yīng)的通信I/O口傳送至中心控制室的計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件上，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和溫度變化，特殊情況還具有提前預(yù)測(cè)的作用。PLC作為“大腦”管控著整個(gè)溫度控制系統(tǒng)內(nèi)的所有設(shè)備，發(fā)酵溫度通過電動(dòng)閥門的開關(guān)度直接改變冷媒體流量進(jìn)行相應(yīng)的溫度調(diào)控。另外，啤酒發(fā)酵過程中的溫度具有很多獨(dú)特的性質(zhì)，在硬件和軟件上要盡量克服這些性質(zhì)對(duì)最終結(jié)果的影響。需要謹(jǐn)記的是，在具體的控制過程中，需要將每一個(gè)具體發(fā)酵步驟以及對(duì)應(yīng)的溫度單獨(dú)進(jìn)行輸入，對(duì)比過程的溫度和相應(yīng)的期望數(shù)值產(chǎn)生偏差，以此進(jìn)行反饋控制過程[2]。

圖1 溫度單回路控制系統(tǒng)框圖

和溫度控制過程一樣，在壓力的控制方案上同樣選用單回路控制系統(tǒng)，在反應(yīng)容器罐的上部安裝壓力傳感器，傳感器會(huì)按照設(shè)定的頻率經(jīng)過信號(hào)變送向PLC發(fā)送壓力信號(hào)，控制器再將其顯示在上位機(jī)監(jiān)控的畫面里。鑒于壓力控制的特殊要求，壓力在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上選擇人為控制的手動(dòng)閥門，可以防止自動(dòng)化設(shè)備對(duì)于氧氣、細(xì)菌的控制不足從而對(duì)發(fā)酵反應(yīng)產(chǎn)生影響[3]。

2 硬件設(shè)計(jì)及選型

可編程邏輯控制器PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的中心樞紐，相關(guān)的選型也是硬件部分的核心內(nèi)容，最終將PLC定型為SIEMENS S7-200型，不同的PLC對(duì)應(yīng)不同的軟件仿真，S7-200使用STEP 7工程軟件，是相關(guān)技術(shù)人員的最佳選擇。在選用西門子S7-200PLC以及CPU226的基礎(chǔ)上，分析相關(guān)溫度和壓力的測(cè)量變送與PLC相應(yīng)輸出的信號(hào)模式，以及中間的互聯(lián)性，最終選用了EM235模塊完成對(duì)過程控制系統(tǒng)內(nèi)的進(jìn)出信號(hào)進(jìn)行處置。

本設(shè)計(jì)的溫度傳感器選用Pt100鉑熱電阻。Pt100鉑熱電阻的工作原理是根據(jù)溫度的升高而使電阻呈現(xiàn)基本均勻的增加，因而此熱電阻具有非常優(yōu)良的線性度。另外，Pt100熱電阻的溫度適用區(qū)間完全涵蓋啤酒發(fā)酵過程溫度的變化范圍，并且在規(guī)定范圍之內(nèi)的偏差不大于0.5℃，可以滿足對(duì)應(yīng)的精度要求。對(duì)于設(shè)計(jì)中的啤酒發(fā)酵反應(yīng)等一系列化學(xué)反應(yīng)，Pt100鉑熱電阻還具有很穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，不會(huì)受到反應(yīng)的干擾，還具備準(zhǔn)確度高、耐高壓、抗振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。

壓力傳感器采用擴(kuò)散硅式壓力傳感器，具備相當(dāng)大的壓力測(cè)量區(qū)間，而且線性度極好，壓力幾乎會(huì)和產(chǎn)生的電流同時(shí)呈正比變化，轉(zhuǎn)化的電流輸出為標(biāo)準(zhǔn)4 mA～20 mA的直流電流，和普通元器件的規(guī)定電流范圍相同。

在對(duì)電動(dòng)閥門的選用上，必須對(duì)相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)敏感，微弱的信號(hào)變化也可以使閥門的開度增加或者減少，這樣才能達(dá)到對(duì)溫度的控制精度。在閥門的形態(tài)上，達(dá)到普通流量閥門的一般外形即可。

3 軟件設(shè)計(jì)

STEP 7—Micro/WIN編程軟件是專門為S7-200設(shè)計(jì)的，在計(jì)算機(jī)Windows操作系統(tǒng)下運(yùn)行的編程軟件。設(shè)計(jì)程序包括主程序、子程序以及中斷程序，主程序的流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程

主程序流程圖既適用于具體的操作流程，也可適用于整個(gè)過程控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的過程我們要圍繞兩個(gè)被控變量，包括對(duì)溫度和壓力的綜合測(cè)量控制。并且在相應(yīng)的數(shù)字化顯示和信號(hào)統(tǒng)一處理上也給出了具體流程。

子程序包括汽包水位控制子程序、爐膛負(fù)壓控制子程序、報(bào)警子程序、PID算法子程序等，在PLC主程序中根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)用。

4 上位機(jī)監(jiān)控

整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)設(shè)定均由控制器PLC掌握，PLC與計(jì)算機(jī)必須擁有對(duì)應(yīng)的通信接口，并且包括相同規(guī)定的通訊設(shè)置和專用協(xié)議，組態(tài)軟件中建立的過程模型可以接收PLC的相關(guān)數(shù)據(jù)信號(hào)，并且將這些信號(hào)的含義表現(xiàn)在組態(tài)的過程模型里，給人們直觀的了解系統(tǒng)運(yùn)作情況。另外，啤酒生產(chǎn)企業(yè)并非只有單個(gè)發(fā)酵罐，所以會(huì)出現(xiàn)多個(gè)發(fā)酵控制系統(tǒng)連接同一臺(tái)計(jì)算機(jī)的情況，具體可以對(duì)不同的發(fā)酵罐進(jìn)行編號(hào)，以方便查詢對(duì)應(yīng)的具體情況[4]。

在本設(shè)計(jì)里，為了更直觀地體現(xiàn)出過程系統(tǒng)的控制過程和相關(guān)參數(shù)，也由于設(shè)計(jì)過程中的局限，采用單發(fā)酵罐模式。如圖3所示為單發(fā)酵罐模式界面。

圖3 單發(fā)酵罐模式界面

對(duì)于其他畫面的切換，我們利用組態(tài)王中函數(shù)MenuIndex與Show picture進(jìn)行操作點(diǎn)擊不同的切換界面按鈕可實(shí)現(xiàn)由主界面切換到其他畫面，有報(bào)警事件、PID窗口、趨勢(shì)曲線和歷史表幾個(gè)分界面，通過切換按鈕可以快速實(shí)現(xiàn)界面的相互切換。

5 結(jié)束語

筆者對(duì)啤酒發(fā)酵過程中兩個(gè)最主要的物理量溫度和壓力在發(fā)酵過程中進(jìn)行測(cè)量控制。內(nèi)容包括溫度和壓力的單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；PLC、溫度傳感器、壓力傳感器和閥門等硬件的選型；主程序和子程序的編寫；上位機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵過程中溫度和壓力的控制。