毕业论文-基于plc的啤酒发酵自动控制系统设计

毕业论文-基于plc的啤酒发酵自动控制系统设计内容摘要：

可方便地进行输入，输出及模拟量扩展。 8 S7200 主要功能及特点 （ 1）执行指令速度高。 （ 2）丰富的指令功能。 （ 3）灵活的中断功能，中断触发有几种形式：可用软件设定为中断输入信号的上升沿式下降沿，以便做出快 速响应；可设为时间控制的自动中断；可由内置高数计数器自动触发中断；在与外设通信时可以以中断分式工作。 （ 4）输入和输出的直接查询和赋值。 （ 5）严格的口令保护。 （ 6）调试和故障诊断功能。 （ 7）输入或输出的强制功能。 用户调试程序时，可对输入或输出强制接通。 （ 8）通信功能。 用户提供了强大，灵活的通信功能。 用户对点接口（ PPI）作 ，用 RS485 接口实现高速用户可编和接口。 S7200CPU 主要的性能指标见表。 特性 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 外形尺 寸 80*80*62 90*80*62 *80*62 190*8.*62 存储器 用户程序 2048 字 2048 字 4096 字 4096 字 用户数据 1024 字 1024 字 2560 字 2560 字 用户存储器类型 EEPROM EEPROM EEPROM EEPROM 数据后备 （ 超级电容 ） 典型值 50 小时 50 小时 50 小时 50 小时 输入输出 本机 I/O 6 入 4 出 8 入 /6 出 14 入 /10 出 24 入 /16 出 扩展模块数量 无 2 个模块 7 个模块 72 个模块 数字量 I/O 映像区大 小 256 256 256 256 模拟量 I/O 映像区大小 无 16 如 /16 出 32 入 /32 出 32 入 /32 出 指令系统 33MHZ 下布尔指令执行速度 FOR/NEXT 循环 有 有 有 有 实数指令 有 有 有 有 9 整数指令 有 有 有 有 主要内部继电器 I/O 映像寄存器 128I 和 128Q 128I 和 128Q 128I 和 128Q 128I 和 128Q 内部通用继电器 256 256 256 256 计数器 /定时器 256/256 256/256 256/256 256/256 写入 /写出 无 16/16 32/32 32/32 顺序控制继电器 256 256 256 256 附加功能 内置高速计数器 4H/W（ 20KHZ） 4H/W（ 20KHZ） 6H/W（ 20KHZ） 6H/W（ 20KHZ） 模块量调节电位器 1 1 2 2 脉冲输出 2（ 20KHZ， DC） 2（ 20KHZ， DC） 2（ 20KHZ， DC） 2（ 20KHZ， DC） 通信中断 1 发送 /2 接收 1 发送 /2 接收 1 发送 /2 接收 1 发送 /4 接收 硬件输入中断 4，输入滤波器 4，输入滤波器 4，输入滤波器 4，输入滤波器 定时中断 2（ 1~255ms） 2（ 1~255ms） 2（ 1~255ms） 2（ 1~255ms） 定时时钟 有 （ 时钟卡 ） 有 （ 时钟卡 ） 有 （ 内置 ） 有 （ 内置 ） 口令保护 有 有 有 有 通信功能 通信口数量 1（ RS485） 1（ RS485） 1（ RS485） 支持协议 0 号口 1 号口 PPI， DP/T 自由口 N/A PPI， DP/T 自由口 N/A PPI， DP/T 自由口 N/A PPI， DP/T 自由口 （ 同 0 号口 ） S7200CPU 主要的性能指标 文本显示器 TD200 S7200 系统中的文本显示器 TD200 是在现场监控的有效设备， TD200 连接简单，只需要用按特定的通信电缆连接到 PPI 接口上就可以了。 1显示信息，可以显示最多 80 条信息，每条信息最多可包含 4 个变量。 2可设定 CPU214 以上机型的实时时钟。 3提供强制 I/O 点诊断功能。 4过程参数的修改。 5可编程的 8个功能键可以代替普通的控制按钮作为控制键。 6输入和输出设定。 8个可编程式功能键盘的每一个都分配了一个 存储器位。 10 电磁阀 PWM 脉冲宽度调制 (PWM)，是英文 “Pulse Width Modulation” 的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 脉宽调制（ PWM）基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。 也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。 按一定的规则 对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 PID 控制的原理和特点 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。 PID 控制器问世至今已有近 70年历史，它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时， 控制理论 的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。 即当我们不完全 了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。 PID控制，实际中也有 PI和 PD 控制。 PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。 10 4 啤酒发酵自控系统 PLC 程序 设计思路 啤酒发酵对象的时变性、时滞性及其不确定性，决定了发酵罐控制必须采用特殊的控制算法。 由于每个发酵罐都存在个体的差异，而且在不同的工艺条件下，不同的发酵菌种下，对象特性也不尽相同。 因此很难找到或建立某一确切的数学模型来进行模拟和预测控制。 为节省能源，降低生 产成本，并且能够满足控制的要求，发酵罐的温度控制选择了检测发酵罐的上、中、下 3 段的温度，通过上、中、下 3段冷媒进口的两位式电磁阀来实现发酵罐温度控制的方法， 本系统利用 S7200 实现发酵罐温度的控制， PLC 实现啤酒发酵温度控制的主要任务是接受由发酵罐传来的温度、压力模拟量输入信号，然后与工艺曲线设定温度值进行比较，计算出温度偏差值，再使用简单的 PID 控制回路计算出电磁阀的开度，从而实现对发酵罐温度的控制。 为了达到预定的控制效果，采用自动或由操作人员手动选择控制的方法。 程序中设定了手动操作和自动控制选择开关，在任意阶段都能够实现两者间的切换，实现了温度、压力的手、自动选择控制。 程序中有人工阶段选择开关，可以在任意阶段间跳转，从而避免了因操作人员操作偶尔失误而无法实现后续程序正常运行的情况。 根据啤酒发酵温度控制各阶段转换条件及控制要求。 采用的是德国 SIEMENS 公司的 S7200 系列 PLC，运用与之相配的 STEP7 编程软件，通过 STL 和 LAD 两种编程语言编制了下位机的控制程序 ,完成系统软件设计，实现啤酒发酵温度自动控制的 PLC 控制系统设计。 发酵过程中设定的参数 主酵设定温度值（ C）、主酵上下温 度差值（ C） 主酵降温温度设定值（ C），降温过程总时间（ 48 小时）、主酵降温上下温度差值（ ） 后酵设定温度值（ ）、后酵上下温度差值（ C） 后酵降温温度设定值（ ），降温过程总时间、后酵降温上下温度差值（ 11 C） 贮酒温度设定值（ ）、贮酒上下温度差值（ ） 主要的阶段有：主酵阶段控温，主酵降温，后酵阶段控温，后酵降温，过滤前贮酒控温，过滤至一般控温，停止控温。 啤酒发酵期间，发酵温度分为起始温度（即麦汁冷却温度、满罐温度）、最高温度（称发酵温 度）、还原双乙酰温度和贮酒温度。 啤酒发酵期罐压力设定为0~。 其各阶段转换条件及控制要求见表所示。 啤酒发酵各阶段状态表 工作阶段名称 进入条件 控制要求 时间（小时） 温度 ℃ 冷媒阀门 麦汁进罐 启动 麦汁进罐 不需设定 不需设定 关闭所有 满罐温度保持 满罐后，由人工输 入 “ 开始 ” 指令 t0＝ 10 小时 不需设定 关闭所有 主酵 自然升温段 t0 结束 t1 不需设定 中段温度为参考点，自然升至 Tl 程序控制 双乙酰还原阶段 Tl＝ 12℃ t2 不需设定 T1=12℃ 程序控制 降温保温阶段 化验决定，人工输 入指令 t3=100 小时 13 12 Ttt TTT  程序控制 后酵 保温 阶 段 t3 结束且 T2=3℃ t4＝ 48 小时 T2=3℃ 程序控制 第二降温 阶段 t4 结束 t5＝ 72 小时 25 23 Ttt TTT  程序控制 贮酒保温 阶 段 t5结束且 T3=－ 1℃ 不需设定 T3=－ 1℃ 程序控制 控制系统对发酵过程中温度、压力、液位、周期等工艺参数进行全方位检测控制。 为了使罐内酒液循环并有利于不同发酵期的酵母沉淀，一般采用分三 段间冷方式，控制罐内酒液温度，使之形成自上而下的温度梯度。 （ 1）对每个发酵罐的上、中、下 3 个测量点的温度进行检测，实现自动控制，罐内实行压力检测。 整个发酵过程的温度控制在不同发酵时期是不同的，根据主酵 → 双己酰还原 → 冷却 → 酵母回收 → 后贮的阶段，分别设定曲线进行控制，并采用 PI、 PID 等控制方法，使系统控制精度符合工艺要求按啤酒发酵工艺要求， 12 其中从 12℃ 保温向 3℃ 下降的转折点取决于酒液残糖量而不取决于发酵时间。 （ 2）为了保证贮酒在不同阶段的温度设定值，设有温度的上下限报警，为了保证罐内压力在不同阶段的压力设 定值，设有压力的上下限报警。 每个罐设有液位指示，可以作为装酒和成品计量用，还可以了解整个发酵过程的液位变化。 整个系统还设定了手动操作和自动控制选择开关，在任意阶段都能够实现两者间的切换，实现了温度、压力的手、自动选择控制。 程序中有人工阶段选择开关，可以在任意阶段间跳转，从而避免了因操作人员操作偶尔失误而无法实现后续程序正常运行的情况。 （ 3）上位计算机可以动态显示每个发酵罐的工艺流程，即温度、压力、进酒时间、酒龄及超限声光报警等，以便对发酵罐进行宏观管理，并具有阀门的开关状态显示，阀门的手自动控制，实时 报表打印等功能。 能监视每个发酵罐的温度、压力周期曲线，当累积酒龄达到时，自动出信号，以便人工确定是否执行下步操作。 设计 PLC 控制系统方案。 通过对系统的整体分析，可以分析出来系统要提供21 个开关量输入， 16 个开关量输出，五路模拟量的输入，实现啤酒发酵各阶段温度控制。 表明各类具体信号及性质分类。 输入 /输出节点统计表 输入信号 输出信号 启动麦汁进罐 手动方式 麦汁进罐泵运行 关闭麦汁进罐 自动方式 满罐温度保持指示 满罐温度保持 开上冷媒开关电磁阀 主酵自然升温段指示 主酵自然升温段 开中 冷媒开关电磁阀 双乙酞还原阶段指示 双乙酞还原阶段 开下冷媒开关电磁阀 降温保温阶段指示 降温保温阶段 关上冷媒开关电磁阀 后酵保温阶段指示 后酵保温阶段 关中冷媒开关电磁阀 第二降温阶段指示 第二降温阶段 关下冷媒开关电磁阀 贮酒保温阶段指示 贮酒保温阶段 开发酵罐排气阀 上冷媒开关电磁阀 发酵罐上部温度 关发酵罐排气阀 中冷媒开关电磁阀 发酵罐中部温度 系统启动 SB1 下冷媒开关电磁阀 发酵罐下部温度 系统急停 SB2 发酵罐排气阀 发酵罐压力 压力超限报警 发酵罐液位 温度超限报 警 自动运行状态 13 首先，发酵工艺过程模拟量加温度、压力、液位以及各种阀门的状态，进人PLC。 PLC 可以根据工艺要求设定的程序自动完成模拟量和开关量的处理，通过控制算法，输出控制信号至执行机构，对阀门进行控制调节，从而完成发酵工艺过程的控制。 同时，相关数据通过 PLC 的通信接口单元和上位机通信链路传至上位机和模拟屏；上位机及模拟屏相同的图形完成系统组态监控与动态处理。 此外，为确保系统工作安全，系统设计了手动装置。 在意外故障情况下，可以切换自动，进人手动状态，从而保证发酵工艺过程的正常运行。 系统采用上下 位机两级递阶结构。 具体结构见图 显 示 器 键 盘上 位 计 算 机C P U D OD M A I A I A I D O现 场 传 感 器 执 行 装 置打 印 机 系统组成结构图 系统硬件配置 CPU 的选型 SIMATIC S7200 系列是西门子公司生产的小型可编程程序控制器 [14]，结构小巧，可靠性高，运行速度快，有极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性。