西门子模块6ES7231-7PB22-0XA8物优价廉

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啤酒的发酵过程是在啤酒酵母的参与下，对麦汁的某些组成进行一系列代谢，从而将麦汁风味转变为啤酒风味的过程。啤酒发酵是啤酒生产工艺流程中关键环节之一，也是一个极其复杂的在发酵罐内发生并释放大量热量的生化放热反应过程。由于这一过程中不仅麦汁中的可酵糖和氨基酸等营养物质被酵母细胞酶分解为乙醇（C2H5OH）和二氧化碳（CO2），同时还产生一系列的发酵副产物，如：双乙酰，醇、醛、酸、酯等。这些代谢产物的含量虽然极少，但它们对啤酒质量和口味的影响很大，而这些中间代谢产物的生成取决于发酵温度。因此发酵过程是否正常和顺利，将直接影响到终啤酒成品的质量。比如，发酵过程的温度若发生剧烈变化，不仅会使酵母早期沉淀、衰老、死亡、自溶，造成发酵异常，还直接影响到酵母代谢副产物组成，从而对啤酒酒体与风味，及啤酒胶体稳定性造成危害。所以发酵过程工艺条件的控制历来都受到酿酒工作者的高度重视。

过去啤酒发酵过程中各种工艺参数的控制，多用常规表显示，人工现场操作调节，手工记录来实现。然而随着啤酒产量的不断增大，发酵罐数量逐步增多（有的厂已达30～40个），倘若仍然沿用常规办法，不仅会因仪表众多，给工人的生产操作造成极大的不便，而且还会因疏忽、错漏等人为原因，造成生产质量的不稳定，甚至发生生产事故。因此，设计用可编程控制器（PLC）自动控制啤酒的发酵温度。

1 啤酒发酵过程控制

1.1 被控对象

啤酒发酵是在发酵罐中静态进行的，它是由罐体、冷却带、保温层等部件组成。发酵罐的形状一般为圆锥状，容积较大，大部分在100m3（我国的啤酒发酵罐容积在120m3～500m3）以上。啤酒发酵要严格的按着工艺曲线进行，否则就会影响啤酒质量。为了有利于热量的散发，在发酵罐的外壁设置了上、中、下三段冷却套，相应设立上、中、下三个测温点和三个偏心气动阀，通过阀门开度调节冷却套内的冰水liuliang以实现对酒体温度的控制。以阀门开度为控制量，酒体温度为被控量，相应有3个冷媒阀门，通过控制流过冷却带的冷媒liuliang，控制发酵罐的温度。在发酵的过程中，温度在不断的升高，当达到上限温度时，要打开制冷设备，通过酒精在冷却管内循环使罐内的温度降下来。当发酵温度低于工艺要求的温度时，关闭冷媒，则啤酒按工艺要求继续发酵，整个发酵过程大约20多天完成。因此，控制好啤酒发酵过程中温度及其升降速率是决定啤酒质量和生产效率的关键。

1.2 啤酒发酵温度曲线

啤酒发酵工艺曲线如图1所示，包括自然升温、高温恒温控制、降温及低温恒温控制等三个阶段。在前期的自然升温阶段基本上不需要加以控制，这是由于啤酒罐发酵过程中，升温是靠发酵本身产生的热量进行的，任其自然升温；在恒温阶段，通过控制冷媒开关阀，保持发酵罐内温度恒定；在降温阶段，通过控制冷媒开关阀，以指定速率降温。

图1 典型啤酒发酵曲线

根据以上要求，设计以PLC为核心的啤酒发酵控制器。每个控制器控制一个发酵罐。具体的温度控制采用PID 算法实现。PID控制以其简单可靠、容易实现、静态性能好等优点而广泛应用于实际工业过程中。

2 控制系统的硬件实现

发酵过程PLC控制系统结构如图2所示，由SIEMENS S7系列PLC（控制站）和若干台IPC（操作站）组成。该系统采用3级总线结构：底层链路为PROFIBUS-DP总线，连接远程I/O机架，负责PLC、CPU与分布式I/O站点的连接，现场设备就近连接到分布式I/O机架上。

图2 发酵罐群PLC控制系统结构图

（1）控制站（下位机）

下位机系统只需配置一套S7-200或者S7-300PLC系统（根据系统规模而定），主要实现数据采集、自动控制、遥控和联锁等功能。下位机系统具有可靠性高、扩展方便的特点。

（2）操作站（上位机）
上位机系统由两套以上的工业控制计算机结合相应的通信接口设备构成。

3 控制系统的软件设计

3.1 控制系统组成

温度是工业生产中主要的被控参数之一。温度控制系统组成框图如图3所示。图中的控制器即为PLC，它按PID控制规律来设计控制程序。PID调节器的输出量变换成PWM脉宽调制量，用于控制PLC的输出继电器，从而控制啤酒发酵罐的冷媒开关阀。

图3 温度控制系统组成框图

温度测量元件采用线性度好且时间常数小的铂电阻来测量发酵罐温度，经温度变送器把温度转换成与其成比例的电压。V/F转换器的作用是将温度转换器输出的电压转换成与其成比例的频率，该频率代表发酵罐内的实际温度。用PLC内的高速计数器记录此频率，以便和温度的给定值相比较产生误差信号。

啤酒的发酵工艺过程共有十多天时间，重要的环节是控制每个时间段发酵罐内不同的发酵温度，我们根据发酵工艺的要求，设计出发酵温度-时间曲线，输入可编程序控制器，使系统自动根据不同时间段的温度给定值进行调节。整个系统主程序流程图如图4所示。

图4 控制主程序

主程序开始先计算出实际该罐啤酒的发酵时间，然后取出该段时间对应的标准温度值，将标准温度值与实际温度值比较，若相等则再次回到主程序入口进行下一轮的标准值查找，若不相等则系统由CPU计算出相应的PID系数，输出信号去控制电磁阀，用电磁阀控制的气路打开或关闭冷媒阀，进行温度调节。

该系统可用S7软件编程。应用这些软件，对整个系统进行组态，随时可显示出整个发酵罐系统的结构，各个阀门的实时状态，可读出每个发酵罐各点的实际温度值，液位置等参数，对整个系统进行监控，并有各种报警实时显示和温度控制情况曲线记录等，以便操作者及时掌握系统工作状况。

3.2 PLC闭环控制系统中PID控制器的实现

本系统采用德国SIMENS公司的S7-300PLC为控制核心，可实现温度的采集与自动调节。本系统要求实现12路温度控制，每一回路均为设定固定值控制。根据实际要求选用相应的功能模块。其中CPU模块选用CPU-314IFM，其带有一个MPI接口，集成有20个数字输入端、16个数字输出端、4个模拟输入端、1个模拟输出端，内部集成PID控制功能块，可以方便的实现PID控制。

PID控制器是比例—积分—微分控制（Proportional-Integral-Derivative）的简称，之所以得到广泛应用是因为它具有以下优点：

（1）不需要jingque的控制系统数学模型。由于非线性和时变性，很多工业控制对象难以得到其准确的数学模型，因此不能使用控制理论中的设计方法。对于这一类系统，使用PID控制可以得到比较满意的效果。

（2）有较强的灵活性和适应性。积分控制可以消除系统的静差，微分控制可以改善系统得动态响应速度，比例、积分和微分控制三者有效的结合就可以满足不同的控制要求。根据被控对象的具体情况，还可以采用各种PID控制的改进的控制方式，如PI、PD、带死区的PID、积分分离PID、变速积分PID等。

（3）PID控制器的结构模型，程序设计简单，工程上易于实现，参数调整方便。

3.3 PLC实现PID控制的方式

用PLC对模拟量进行PID控制时，可以采用以下几种方法：

（1）使用PID过程控制模块。这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块的价格较高，一般在大型控制系统中使用。

（2）使用PID功能指令。现在很多的PLC都有供PID控制用的功能指令，如S7-200的PID指令。他们实际上是用于PID控制的子程序，与模拟量输入/输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果，但是价格便宜。

（3）用自编的程序实现PID闭环控制。有的PLC没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令，有的虽然可以使用PID 控制指令，但是希望采用某种改进的PID控制算法。在上述情况下，都需要用户自己编制PID控制程序。

3.4 PID控制参数的调整

1. 采样周期TS的确定

根据采样定理可知，采样频率应该大于或等于被采样信号所含高频率的两倍，才能还原出原信号，即fs≥2fmax，式中fs为采样频率， fmax为被采样信号中高频率。

2. 参数Kp、Ki、Kd的确定

PID控制回路的参数整定是模拟量闭环控制中的一个难点，如果初始参数选择不当，可能会出现很大的超调量，甚至使系统不稳定。西门子公司的新一代小型S7-200PLC具有PID参数自整定功能，V4.0版的编程软件STEP7-Micro/WIN增加了PID整定控制面板。这两项功能相结合，使用户能轻松地实现PID 的参数自整定。自整定能提供一组近似优的整定参数。S7-200的V4.0 版编程软件STEP7-Micro/WIN中的PID整定控制面板用图形方式监视PID回路。该面板还可用来起动或取消自整定过程，设置自整定的参数，并将推荐的整定值或用户设置的整定值应用到实际控制中。

结 论

本文介绍的发酵罐自动控制系统经实践检验，系统达到设计要求，运行效果良好，发酵温度符合工艺要求。当实际温度偏离标准温度时，自控系统及时响应，通过电磁阀去控制冷媒阀开启或关闭，发酵温度很快稳定在温度给定值上，且发酵温度变化曲线平缓，系统调节偏差仅为士0.1℃，与传统的温度调节仪系统的调节偏差士1℃相比，控制质量大大tigao。

本文创新点：

1. 以计算机为主站，以PLC为控制器，实现了对啤酒的发酵温度控制；

2. 上位机监控软件以实时的形式，向操作人员提供发酵的温度,实现了操作过程的可视化；

3. 整个软PLC系统的架构是遵循IEC 61131-3标准的，各种符合IEC 61131-3标准的编程语言的转换模型的建立和中间语言的结构定义是一个全新的开放的体系结构，有很强的兼容性和通用性。它支持数据结构，强大的网络通讯功能，友好的人机界面，能够执行比较复杂的控制算法，程序具有可移植性

PLC让你满足了吗？

自动化行业的历史已经成为工程和技术的发展史，但有时发展似乎并不能满足用户愈来愈多的需求。新的现场设备、更复杂的过程、将数据反馈给企业网络的需求，所有这些要求都可能让一个控制工程师崩溃。

随着自动化应用的飞速发展，不少曾经被视为强大和面向未来的系统已逐渐被淘汰。甚至于一些运行多年先进的控制系统造车网版权所有，仍受着当时的设计和制造能力所限。

历史一览

过去的自动化系统一般都是为特定行业在特定目的下开发的。例如，可编程逻辑控制器（PLC）初是为取代控制和监测离散机器及设备的机械继电器而开发，如灌装厂的开关控制。这些继电器本质上就是开关，或开或关，PLC内部的梯形逻辑编程用于模拟原来继电器的功能。

对于一个大量离散应用的系统，中心控制器的任务是系统地读取所有输入/输出（I/O）点的状态，处理逻辑，反馈给I/O输出，并快速地不断反复这程。PLC速度无疑很快。

输入模拟量

作为对比，许多复杂的过程如炼油、污水处理往往使用较少的开/关数字量信号。这些过程涉及大量的可变模拟信号如温度、压力、变量泵等。不同类型的系统—集散控制系统（DCS），就是为了适应这些应用而开发的。

在DCS中，读、写及逻辑处理都不是集中在中心控制器，而是分散到一些被控装置附近的小型智能单元中。中心控制器提供集中管理。

分布式智能对于过程控制是必不可少的，因为模拟信号和逻辑对处理能力有更大的需求。例如，将电信号转换成摄氏温度涉及复杂的数学公式。一个单一的控制器无法处理所有这些模拟任务；若分工进行，即使非常大的系统也能顺畅运行。

当代的挑战

如今的自动化应用已不再被狭义地界定。离散控制和过程控制都需要涉及到任务中。我们可以看到这一趋势，大型DCS生产商的新产品中包含混合系统，如Emerson的DeltaV®及ABB的Freelance®。

控制工程师花费大量的时间开发和运行的离散系统现在可能需要在增加过程控制。由于PLC系统和DCS架构的差异，从PLC方向发展的混合系统将面临一些问题。

过程控制的替代

对PLC系统新增过程控制会涉及成本、集成、系统性能等问题。一个完整的DCS由于尺寸、费用以及系统学习的复杂性很难进行调整。对于企业中中小型的过程控制，如药品、食品及饮料行业或水、污水处理等应用，一个完整的DCS有些浪费。

使用新的混合系统可能意味着放弃一个现有的良好运行的系统。相反地，将DCS与你的现有系统集成又很困难，因为这些系统是私有的。处于制造和市场的目的，一般这些系统被设计成封闭系统。

基于PC的过程控制是一种可能性，但是操作系统的可靠性和工业应用对硬件的要求仍存有疑虑。而集成也可能较困难，涉及工程时间和费用问题。

如何简单地使用PLC的过程控制及离散制造？新的PLC提供模拟量功能，PLC制造商为了满足过程控制的需要，近新增了功能。

但是基于PC控制和PLC系统都缺少分布式智能，而这一智能恰恰是DCS的优势。因此任何大量的模拟量逻辑将减缓扫描次数，增加网络负荷，逆向地影响系统能力。对于模拟量设备，减少扫描次数还尚能接受，但对运行数字量控制的PLC则无法负担延缓下来的关键数字量响应时间。

DCS系统集散控制能源

PLC系统负荷

作为过程控制的系统，若您必须在PLC系统和分布式智能中做出选择，但是如何拥有两者好的功能呢？若能对您的PLC系统进行增负荷，您将怎么办？

这里就是方法—对您的现有PLC系统新增远程智能I/O。

EtherNet/IP™通讯协议

如同DCS，PLC也曾是封闭和私有的系统。但是现在许多类似系统—比如Allen-Bradley® 、ControlLogix® 和CompactLogix® PLC—使用一个由以太网和EtherNet/IP（由A-B和开发的工业协议，当前已被开放设备供应商协会采纳支持）组成的常见通讯平台。
EtherNet/IP的主要优势在于它提供了一个在不同产品厂商间广泛使用的标准通讯通道。因此使用EtherNet/IP协议的PLC更易于与其他设备进行通讯。这种互用性将给您带来更多的选择。

作为一个控制工程师能使用支持EtherNet/IP的硬件和软件如Allen-Bradley CompactLogix、ControlLogix PLC和RSLogix，但是为了特定目的需要选择其他厂商的I/O。

新选择

PLC系统按种类不包括分布式控制。当你深刻意识到新增模拟I/O时，你必须为你的过程I/O增加新的梯形逻辑图。但是额外的逻辑和I/O点将消耗掉系统开销，增加的网络负荷和扫描次数的降低会影响整体系统性能。

一个令人激动的选择—EtherNet/IP出现了，它能够扩大带I/O点的PLC系统。你可以选择对PLC系统增加DCS的分布式智能。

Opto 22的SNAP I/O™能扩大A-B ControlLogix 或CompactLogix系统—或者另一个使用EtherNet/IP 的PLC系统—只需这么做：提供远程智能I/O卸载许多I/O功能，尤其是大部分过程控制应用中涉及迟钝的模拟信号处理。远程I/O处理类似功能如模拟量梯度设定、热电偶线性化、标定、PID回路控制，PLC能继续正常工作而几乎不受影响。

无需编程的方案

在PLC系统中，许多远程I/O通过总线耦合进行通讯。过去，在I/O层放入智能处理器意味着购买另一个PLC并使用梯形逻辑或学习新的语言对其进行编程。两者都需要开发时间和费用。

Opto 22的SNAP I/O，其优势之一也在于无需编程。所有I/O智能功能内置入I/O，其设备叫做智能处理器。智能处理器提供通讯，如总线耦合，但是同时也提供自动I/O处理。当I/O配置完成后，智能处理器马上开始处理。其与A-B PLC兼容的SNAP I/O由ODVA认证支持EtherNet/IP协议。

内置远程I/O功能

在过程控制应用方面，以下SNAP I/O的内置模拟量功能尤其有用：

PID回路控制（每个智能处理器拥有多达96个回路）
小和大值
模拟量标定
校准
求和
工程单位换算
热电偶线性化
温度转换
看门狗定时
输出锁存

另外，SNAP I/O在相同的I/O地板上提供串口和数字量功能：

多重串行设备控制（RS 232/485）
输入闭锁
数字量过滤
积分运算
高速计数
看门狗定时
脉冲发生
脉冲测量
时间比例输出
频率和时间测量

在远程I/O中新增以上功能，无需编程也不会对整体系统造成影响，这种能力可以对您的系统增负， 并能在新的过程控制任务上获得成功。

1 引言
　　拉丝机是金属加工行业主要加工设备之一，主要是将粗线加工成各种规格细线，一般由放线、水冷、收线等部分组成，其中电气传动部份主要由拉线电机和收线电机实现。通过PLC来实现拉拔速度设定、操作自动化、生产过程控制、实时闭环控制、自动计米等功能。通过变频器来控制电机的转速。
　

　　2 直进式拉丝机变频控制系统
　　该直进式拉丝机主要对精轧出来的不锈钢丝进行牵伸，设计的工艺要求为：（1）高拉丝速度18m/s；（2）加工品种主要是进线Ф6mm→出线Ф2mm（3）停车不能有断头（紧急停车除外）。
　　直进式拉丝机是拉丝机中难控制的一种，由于它是多台电机同时对金属丝进行拉伸，作业的效率很高。不像以前经常遇到的水箱拉丝机和活套式拉丝机，允许金属丝在各道模具之间打滑。由于比较容易在作业过程中拉断，它对电机的同步性以及动态响应的快速性都有较高的要求。本系统共有六个的转鼓，每个转鼓由一台变频器控制并带有机械制动装置，和一个收线电机。每个转鼓之间安装有用于检测位置的气缸摆臂，采用位移传感器可以检测出摆臂的位置，当丝拉得紧的时候，丝会在摆臂的气缸上面产生压力使得摆臂内移。

图1 设备外形图

图2 加工工艺简图

　　3 控制工艺原理
　　该直线式拉丝机控制系统主要分为：点动、联动、加速启动、自动工作和刹车五部分组成。
　　1） 点动：点动分为前转和后转。当踩下点动脚踏开关时，所选控电机以固定的转速运行，使每个转鼓上的线绕紧。
　　2） 联动：联动分为前联和后联。台转鼓没有前联，第六台转鼓没有后联，中间四台转鼓前联和后联都有。当踩下前联开关时，所选控电机及之前的电机一起转动绕丝；当踩下后联开关时，所选控电机及之后的电机一起转动绕丝。当联动时，电机以某一固定速度旋转。
　　3） 加速启动：加速启动与联动类似，但没有前后之分，当按下加速按钮时，所选择电机及之前的电机加速启动到设定的速度。
　　4） 自动启动：当把线全部绕到转鼓上时，按下启动按钮，所有电机一起加速启动，通过PLC里面的PID来调节各个电机的转速，保证在高速运行的状态下不会拉断丝，直到速度达到设定值，收线机也一起运行。当按下停止按钮时，所有电机减速停止。
　　5） 刹车及急停：当停车状态下，为了防止断线，所有转鼓不允许转动。当在运行状态下，如果发生断线，所有的转鼓要立即停止，防止发生意外。
　

　　4 控制系统介绍
　　控制系统上位机采用和利时HT6600C系列触摸屏，下位机CPU选用和利时LM3109 PLC控制器，上、下位机之间通过RS485进行通讯。通过逻辑编程处理来自触摸屏以及按钮、传感器等信号，控制6台变频器。图3为控制系统配置图。

图3 控制系统配置图

　　4.1可编程控制器部分
　　本系统采用HOLLiAS LM系列PLC控制，配置1个CPU模块LM3109、1个16通道数字量输入模块LM3212、1个8通道数字量输出模块LM3222、1个8通道模拟量输入模块LM3313和3个2通道模拟量输出模块LM3320。
　　1）CPU模块：LM3109模块的额定工作电压为AC220V，自带40点I/O，提供24路DC24V输入/16路继电器输出。具有1个RS232和1个RS485通讯接口，支持专有协议（仅RS232）/Modbus RTU协议/自由协议。
　　2）数字量扩展模块：LM3212模块是16路数字量输入处理通道，主要完成数字量信号处理，数字量输入信号的额定工作电压为24VDC。LM3222模块是8路数字量输出处理通道，主要完成触点型数字量的输出处理工作，输出额定负载的电压为24VDC或220VAC。
　　3）模拟量扩展模块：LM3313模块提供8通道模拟量输入通道，输入范围-10-10V电压信号和-10-20mA电流信号可选，主要完成现场模拟量的输入、采集与处理工作。LM3320模块有2路模拟量输出处理通道，输出范围0～10V电压信号或0～20mA电流信号，完成模拟量信号的输出工作。

　　表1为系统I/O分配表。
　

　　4.2 监控部分
　　上位监控部份采用和利时HT6600系列触摸屏，配以监控软件来完成。触摸屏上可以进行参数设置、电机启停控制和显示转速和故障等信息。图4-图7为触摸屏部分监控画面。

　　5 结论
　　采用和利时可编程控制器、和利时的触摸屏以及变频器，为直线拉丝机设备提供了机电一体化的系统解决方案，可进行点动、联动和自动控制，tigao了拉丝机的自动化程度。同时，控制系统提供非常高的运算速度和控制精度，保证了拉丝的质量，具有很高的可靠性和性能价格比，在保证质量的同时，大化的降低生产成本。