西门子6ES7223-1HF22-0XA8优质产品

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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。 

高炉喷吹煤粉是一项正在迅速发展的新技术，一套可靠的自动控制对于连续、稳定的喷吹起着关键的作用。针对某钢铁公司炼铁喷煤现状，遵循先进性与实用性相结合的原则，设计了一套高炉喷煤系统。介绍了该系统如何利用西门子PLCS7-300 实现喷煤的过程控制、数据采集、喷吹量调节等自动控制。 
关键词：过程控制 数据采集高炉喷煤 

引言 

由于能源价格的上涨，使得吨铁成本上升，九羊公司内部挖潜改造、降低成本的空间已到极限，为了完成公司制定的产量目标和成本目标，必须采取新的措施来增产降耗，高炉喷煤配合富氧，则可大幅度地tigao生铁产量、降低生铁成本，喷煤技术改造对我公司的发展具有非常重要的意义。 

高炉喷吹煤粉是世界炼铁正在迅速发展的一项重大技术，其目的是在高炉冶炼过程中，扩大高炉燃料来源，从风口向高炉喷吹煤粉，以价格低的煤粉替代价格昂贵的冶金焦，改善高炉的操作条件；增加高炉的调剂手段；终达到节焦增产的目的。 

在当前能源紧张的形势下，必须采取措施大力节约和替代焦炭。炼铁生产降低焦炭的途径很多：如改进原料质量、tigao风温、改善操作、降低铁水含硅量、加强管理等。但从效果上看扩大高炉喷吹煤粉，以煤代焦乃是降低焦炭消耗的有效措施。因此，扩大高炉喷煤是当务之急，符合钢铁工业长远规划。 

1 山东九羊钢铁公司炼铁喷煤现状 

山东九羊钢铁公司铁厂现有128 m3、350 m3、420 m3三座高炉,按年生产日为355 天，则年产铁为110 万吨。九羊高炉喷煤设计按混合喷吹无烟煤、并罐喷吹系统设计，并联罐的优点：①罐系统出现故障，可三个罐轮流喷煤；②倒罐较易实现自动控制；③厂房低，投资小；并联罐的缺点：①倒罐瞬间中断喷吹；②输粉切断阀开关频繁，寿命短。 

2 设计原则 

九羊高炉制煤、喷煤自动检测控制系统的设计遵循先进性与实用性相结合的原则，充分考虑到满足设备控制要求，完善测量功能，在检测元件选型方面适应制煤、喷煤工艺气粉混合测量和煤粉易燃爆的特点，具有测量准确、维护量小、防爆、使用寿命长等优点。高炉喷煤系统主要由制粉系统和喷煤系统两部分组成。两部分可以单独运行，互不影响。 

3 控制原理和硬件结构 

3.1 硬件配置 

该工程采用S7-300 系列可编程控制器，SIEMENS 系统是具有快速处理能力的专用计算机系统，是模块化、可扩展的体系结构，是用于工业和制造过程实时控制，具有体积小、内存大、处理速度快、组态灵活和便利用户支持的特点，在支持新技术的同时，tigao了性能价格比。 

3.2 软件配置 

运用STEP7 V5.2 软件对PLC 系统组态编程，STEP7 V5.2 既可以进行复杂的仪控，又可以进行常规的电气控制。 

画面监控软件选用WinC C 6.0 软件，该软件操作简单，能够动态显示工艺过程参数，并可设置重要参数的历史趋势、实时趋势、报警等。 

3.3 控制系统的通信网络 

该网络结构包括两套PLC 系统：制粉系统、高炉喷煤系统。每个控制系统通过以太网进行数据传输和现场设备的控制。在喷煤控制室，设4 台上位机，其中原煤储运、烟气炉、制粉共用一台上位机；128 高炉、350 高炉、420 高炉喷吹各一台上位机，各上位机、PLC 之间通过交换机互联。该网络结构可以为将来联网做准备，交换机预留光纤口，通过光线实现数据的透明化，具有不可比拟的优越性。其网络结构如图1 所示。

4 工艺及控制功能介绍 

4.1 原煤储运系统 

该系统包括受料斗A、受料斗B、振动给煤机A、振动给煤机B、电磁除铁器、转运皮带机、大倾角皮带机、振动筛，主要负责向原煤仓上煤，操作人员根据原煤仓需煤量的情况开启设备：依次启动振动筛、大倾角皮带机、转运皮带机、电磁除铁器、振动给煤机A 或振动给煤机B,设备停止顺序与启动顺序相反。 

4.2 烟气炉系统 

4.2.1 工艺介绍 

该系统为制粉系统提供干燥原煤和输送煤粉的干燥气，干燥气为烟气炉燃烧煤气产生的热气体。为了保证磨煤系统所需的一次风量31 000～53 800 Nm3/h，入口温度180～250℃的混合干燥气。热空气，经一台主引风机吸送至磨煤机用以干燥原煤和输送煤粉。为了保证磨煤系统所需的一定温度、一定liuliang的一次混合干燥气，使出口温度处于规定值内，并通过磨煤机出口温度变化情况进一步控制和调节磨煤机入口的一次风调节阀、掺冷风调节阀的开度。 

4.2.2 控制功能 

① 当高炉煤气压力高于高定值或低于低定值时，由操作人员计算机手动调节阀门开度； 
② 冷空气调节系统，根据中速磨所需热风的温度的高低混兑冷空气，由操作人员计算机调节阀门开度。 

4.3 制粉系统 

4.3.1 工艺介绍 

制粉系统主要包括埋刮板机系统、磨煤机系统、稀油站系统、液压站系统、主引风机系统、布袋收粉器系统。其中埋刮板机可以从上位机控制，也可以从设备带来的PC 控制。 

4.3.2 控制功能介绍 

① 入磨一次风量调节：由操作人员根据实际观察的结果，手动调节相应阀的开度。 
② 开车顺序：开主引风机→开布袋收尘器→开磨煤机（操作回路动作）→开给煤机，停车顺序与开车顺序相反。 

4.4 喷吹系统 

4.4.1 工艺介绍 

喷吹系统主要是及时向高炉输送煤粉，每座高炉都设计有两个喷吹罐，细煤粉利用自重从煤粉仓落到喷吹罐中，并用空气充压。当一个喷吹罐装满煤粉并充压到压力设定值后，即准备喷煤（作为待用罐）；当另一个正在喷吹的喷吹罐（操作罐）一旦喷空时，待用罐就与煤粉输送管道接通，在一个短暂的过渡时间后，喷空的操作罐开始卸压，装煤粉和再充压的另一个循环。 

4.4.2 控制功能介绍 

生产过程中重要的参数均能随时进行调节，通过PID 回路控制，使之维持在设定值左右，所有的PID 回路都可以进行PV 跟踪，无扰动切换。所有进行监视和调节的参数，我们均可在工艺画面中显示出来，使操作人员易于观察和调节。调节回路有三种工作方式：自动，半自动和手动。 

自动：由 PLC 自动调节阀门开度 
半自动：由操作人员直接在画面上调节阀门开度 
手动：由操作人员用手操器操作阀门开度，画面上跟踪此阀门开度 

4.4.2.1 喷吹罐罐压自动调节 

为了保证喷吹量的稳定，须保持喷吹罐内压力的稳定。通过调节补压调节阀的开度可保持罐压在设定值。补压设定值在罐压调节画面设定，与罐压实测值比较运算后输出补压调节阀的开度。系统调节回路及相应的自动程序框图分别如图2 和图3 所示。

 
图2 罐压调节回路

 
图3 喷吹罐罐压自控程序框图

4.2.2 喷吹量控制 

在一定的喷吹压力下稳定流化氮气量，压缩空气补气量的变化改变输煤阻力和固气比，此功能只需人工设定喷吹率设定值和罐压，喷吹率调节是通过调节补气调节阀来调节，补气调节阀根据采样数据，将设定喷吹率与实际喷吹率相比较，当设定值〉实际值时，将阀位开大，当设定值〈实际值时，将阀位开小。计算机自动时，补气liuliang调节阀的开度小限制为8℅；计算机手动时，程序上无此限制，但操作时不应小于此值。控制回路及其相应程序框图如图4 和图5 所示。

 
图4 喷水量控制回路

 
图5 程序框图

4.2.3 阀门控制 

该方式下，须在满足联锁保护条件和阀门开关顺序的情况下操作。 

① 罐压卸至零压时，下钟阀方可进行开动作； 
② 上出料阀关到位后，才能打开卸压阀； 
③ 向高炉送煤时，必须先开补气支阀，才能进行给煤阀开动作。