基于PLC的啤酒發(fā)酵自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王靜 張江亞 李煥娜

摘要：本設(shè)計(jì)利用PLC對(duì)啤酒發(fā)酵的溫度控制，發(fā)酵罐的上部，中部和下部中的溫度是通過控制發(fā)酵罐的溫度控制。通過調(diào)節(jié)上、中、下三段冷媒電動(dòng)閥來實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐控溫。PLC通過具體程序?qū)θ齻€(gè)信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)啤酒發(fā)酵罐中溫度的控制的調(diào)節(jié)，這個(gè)系統(tǒng)的可以實(shí)現(xiàn)對(duì)啤酒發(fā)酵過程中的自動(dòng)控制，并達(dá)到啤酒發(fā)酵的技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：啤酒發(fā)酵;溫度控制;PLC

1 研究背景

在我們研究啤酒發(fā)酵的過程中，發(fā)現(xiàn)了諸多問題，其中最困難的就是如何精確的控制啤酒發(fā)酵的溫度，將溫度控制精度達(dá)到±0.5°C。這樣的精度控制不能用傳統(tǒng)的熱工儀器和手動(dòng)操作來完成，當(dāng)現(xiàn)在社會(huì)發(fā)展的進(jìn)步，許許多多的新的儀器的出現(xiàn)，讓這樣的低精度控制不斷向高精度控制方向進(jìn)行完善。它可以提高啤酒產(chǎn)品的產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量，還可以在不增加原材料和能耗的同時(shí)降低勞動(dòng)強(qiáng)度。所以改造啤酒發(fā)酵的生產(chǎn)過程前景是美好的，優(yōu)良的啤酒發(fā)酵系統(tǒng)會(huì)讓社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益的收獲變得更多，還可以使它的應(yīng)用價(jià)值得到充分的體現(xiàn)。啤酒發(fā)酵罐溫度的控制可以使用PLC來實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制。這樣啤酒發(fā)酵的溫度控制的精確度就可以有著顯著的改善。

2 PLC的概述

2.1 PLC的結(jié)構(gòu)

PLC的結(jié)構(gòu)大致分為四部分：CPU，電源，輸入輸出的電路接口，儲(chǔ)存器。

2.2 PLC的工作原理

PLC采用的工作方式是“順序掃描，周期循環(huán)”。當(dāng)PLC工作時(shí)首先使其檢查CPU是否正常工作，確認(rèn)無誤后由其與其他智能模塊完成通信并更新命令內(nèi)容，然后將收到的命令進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)掃描原則，執(zhí)行收到的命令程序，程序命令執(zhí)行完畢后通過轉(zhuǎn)換的輸出信號(hào)向外界的設(shè)備做出驅(qū)動(dòng)命令。

2.3 PLC控制系統(tǒng)與單片機(jī)控制系統(tǒng)的區(qū)別

在編程方式方面是有所不同的，PLC采用梯形圖或者邏輯語句，而單片機(jī)采用高級(jí)語言或者匯編語言來完成。PLC是具有數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)值運(yùn)算等通信功能。

在工作方式上，單片機(jī)使用順序程序加中斷的工作方法。不同的是PLC執(zhí)行指令是以規(guī)定的順序，循環(huán)掃描周期。

PLC的輸出特性和單片機(jī)的也不一樣，PLC可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器;單片機(jī)只能驅(qū)動(dòng)邏輯門電路。PLC可以直接輸入24V-220V交流或直流電壓，單片機(jī)的電壓一般不會(huì)超過5V。PLC控制系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)相比優(yōu)點(diǎn)很多，例如;成本低，效益高，反應(yīng)快，損耗低，體積小，功能強(qiáng)大，編程簡(jiǎn)單，開發(fā)周期短，可以隨時(shí)修改程序，精度高，能夠進(jìn)行自我檢測(cè)，穩(wěn)定運(yùn)行，安全可靠。

3 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的主要研究是控制發(fā)酵罐中麥芽汁的溫度。通過嚴(yán)格控制麥芽汁的溫度，根據(jù)預(yù)定過程發(fā)酵麥芽汁。

啤酒發(fā)酵罐里的溫度是根據(jù)麥芽發(fā)酵產(chǎn)生的，因?yàn)辂溠慨a(chǎn)生速度的增加不能控制，所以啤酒罐發(fā)酵過程中的溫度升高不是人為控制的。因此，只能控制冷卻速度。啤酒發(fā)酵過程中內(nèi)部溫度的降低可以通過冷卻啤酒發(fā)酵罐內(nèi)壁中的冷卻劑來實(shí)現(xiàn)。冷卻劑的速度和流速?zèng)Q定了啤酒冷卻的速度。本次設(shè)計(jì)的PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)用于控制啤酒發(fā)酵過程中的溫度，通過使冷卻管中的醇循環(huán)來降低罐中的溫度。當(dāng)發(fā)酵溫度低于該過程所需的溫度時(shí)，關(guān)閉制冷劑并根據(jù)工藝要求連續(xù)發(fā)酵啤酒。

3.1 選型

西門子S7-200有四種CPU：CPU221，CPU222，CPU224， CPU226。

CPU226這種模塊在CPU224的基礎(chǔ)上功能又進(jìn)一步增強(qiáng)，CPU226具有更多的I/O點(diǎn)，它的輸入輸出點(diǎn)數(shù)為40點(diǎn)。有更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，具有2個(gè)通信/編程口，這樣CPU226就可以有更快的速度來運(yùn)行，同時(shí)它的內(nèi)部集成的功能也更加的強(qiáng)大，對(duì)這個(gè)控制系統(tǒng)應(yīng)用更好。經(jīng)過對(duì)比，決定選用CPU226作為本次設(shè)計(jì)的控制器。

溫度傳感器可將其感應(yīng)到的溫度信號(hào)通過感應(yīng)器轉(zhuǎn)變成我們能夠使用的輸出信號(hào)。溫度傳感器根據(jù)測(cè)量方法可分成接觸型傳感器和非接觸型傳感器，根據(jù)傳感器的材料性質(zhì)來可分為熱電阻傳感器和熱電偶傳感器。本次設(shè)計(jì)選用的是具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)的DS18B20溫度傳感器。

3.2 I/O地址分配

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，我們將設(shè)計(jì)需要的輸入和輸出進(jìn)行了分配，具體分配表如下：

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 溫度控制系統(tǒng)組成

啤酒發(fā)酵里溫度是其中不可或缺的重要因素之一，溫度控制中使用PLC當(dāng)作控制器，通過PID用于控制整個(gè)程序的調(diào)節(jié)，PID調(diào)節(jié)后的輸出的轉(zhuǎn)變成PWM脈沖寬度調(diào)制量，進(jìn)而繼續(xù)控制PLC的輸出繼電器，還用來控制啤酒發(fā)酵槽的冷卻劑的切換，使用溫度傳感器來測(cè)量發(fā)酵罐的溫度，并將溫度轉(zhuǎn)換為與其成比例的電壓。

4.2發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)

想要得到溫度的模擬輸出信號(hào)我們要利用PLC來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而對(duì)啤酒發(fā)酵產(chǎn)生控制，然后把計(jì)算出的過程曲線的溫度比較設(shè)定時(shí)的溫度，就可以使用PID的控制計(jì)算電磁閥的開度，那么發(fā)酵罐中的溫度就可以控制了，為了防止意外的出現(xiàn)還添加了手動(dòng)，有手動(dòng)相位選擇開關(guān)的序列中，這可以在任何階段之間跳躍，從而避免了后續(xù)的程序不能被正常地由于操作者的失誤偶爾操作的情況。

4.3程序流程設(shè)計(jì)

PLC開始根據(jù)每一個(gè)時(shí)間段溫度開始調(diào)整。然后主程序就可以給出啤酒發(fā)酵應(yīng)該需要的時(shí)間，再比較標(biāo)準(zhǔn)的溫度和實(shí)際的溫度，如果二者相同，則繼續(xù)下一個(gè)程序，如二者不同，系統(tǒng)則會(huì)通過CPU計(jì)算相應(yīng)的PID系數(shù)，輸出控制電磁閥的信號(hào)，并通過電磁閥控制氣路打開或關(guān)閉制冷劑閥門以調(diào)節(jié)溫度。該系統(tǒng)可與S7軟件進(jìn)行編程。在這些軟件中，整個(gè)系統(tǒng)被配置為顯示整個(gè)發(fā)酵罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。每個(gè)閥的實(shí)時(shí)狀態(tài)讀取實(shí)際的溫度值、報(bào)警器可以提示操作員、還有溫度的顯示，使操作員能夠掌握系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。

網(wǎng)絡(luò)3為溫度保持的階段當(dāng)I1.0溫度保持的時(shí)候，Q3.0顯示處于溫度保持階段，發(fā)酵罐排氣閥Q4.4打開。網(wǎng)絡(luò)4和網(wǎng)絡(luò)5則為溫度保持階段定時(shí)。當(dāng)?shù)搅?0個(gè)小時(shí)的時(shí)候，發(fā)酵罐開始進(jìn)行發(fā)酵自然升溫的階段，反之則繼續(xù)保持溫度到10小時(shí)。

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)首先了解啤酒發(fā)酵自動(dòng)控制中的各種需求，主要是對(duì)溫度控制，其次，對(duì)啤酒發(fā)酵過程中如何自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)溫度的方案進(jìn)行了硬件和軟件設(shè)計(jì)，最后，進(jìn)行模擬仿真。發(fā)現(xiàn)了此次設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)啤酒發(fā)酵過程中的自動(dòng)控制，并達(dá)到啤酒發(fā)酵的技術(shù)要求。

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（作者單位：河北科技學(xué)院）