王靜 張江亞 李煥娜

摘要：本設計利用PLC對啤酒發(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、下三段冷媒電動閥來實現(xiàn)發(fā)酵罐控溫。PLC通過具體程序對三個信號進行處理，實現(xiàn)對啤酒發(fā)酵罐中溫度的控制的調(diào)節(jié)，這個系統(tǒng)的可以實現(xiàn)對啤酒發(fā)酵過程中的自動控制，并達到啤酒發(fā)酵的技術要求。

關鍵詞：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)的熱工儀器和手動操作來完成，當現(xiàn)在社會發(fā)展的進步，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降低勞動強度。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)會讓社會和經(jīng)濟效益的收獲變得更多，還可以使它的應用價值得到充分的體現(xiàn)。啤酒發(fā)酵罐溫度的控制可以使用PLC來實現(xiàn)溫度的自動控制。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的結構

PLC的結構大致分為四部分：CPU，電源，輸入輸出的電路接口，儲存器。

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PLC工作時首先使其檢查CPU是否正常工作，確認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行轉換，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)行完畢后通過轉換的輸出信號向外界的設備做出驅動命令。

2.3 PLC控制系統(tǒng)與單片機控制系統(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，而單片機采用高級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)值運算等通信功能。

在工作方式上，單片機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的也不一樣，PLC可以直接驅動繼電器;單片機只能驅動邏輯門電路。PLC可以直接輸入24V-220V交流或直流電壓，單片機的電壓一般不會超過5V。PLC控制系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)相比優(yōu)點很多，例如;成本低，效益高，反應快，損耗低，體積小，功能強大，編程簡單，開發(fā)周期短，可以隨時修改程序，精度高，能夠進行自我檢測，穩(wěn)定運行，安全可靠。

3 硬件設計

該系統(tǒng)的主要研究是控制發(fā)酵罐中麥芽汁的溫度。通過嚴格控制麥芽汁的溫度，根據(jù)預定過程發(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，因為麥芽產(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)壁中的冷卻劑來實現(xiàn)。冷卻劑的速度和流速決定了啤酒冷卻的速度。本次設計的PLC自動控制系統(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。當發(fā)酵溫度低于該過程所需的溫度時，關閉制冷劑并根據(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的基礎上功能又進一步增強，CPU226具有更多的I/O點，它的輸入輸出點數(shù)為40點。有更強的模塊擴展能力，可連接7個擴展模塊，具有2個通信/編程口，這樣CPU226就可以有更快的速度來運行，同時它的內(nèi)部集成的功能也更加的強大，對這個控制系統(tǒng)應用更好。經(jīng)過對比，決定選用CPU226作為本次設計的控制器。

溫度傳感器可將其感應到的溫度信號通過感應器轉變成我們能夠使用的輸出信號。溫度傳感器根據(jù)測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。本次設計選用的是具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點的DS18B20溫度傳感器。

3.2 I/O地址分配

根據(jù)設計需要，我們將設計需要的輸入和輸出進行了分配，具體分配表如下：

4 軟件設計

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當作控制器，通過PID用于控制整個程序的調(diào)節(jié)，PID調(diào)節(jié)后的輸出的轉變成PWM脈沖寬度調(diào)制量，進而繼續(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量發(fā)酵罐的溫度，并將溫度轉換為與其成比例的電壓。

4.2發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)流程圖設計

想要得到溫度的模擬輸出信號我們要利用PLC來實現(xiàn)，進而對啤酒發(fā)酵產(chǎn)生控制，然后把計算出的過程曲線的溫度比較設定時的溫度，就可以使用PID的控制計算電磁閥的開度，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，有手動相位選擇開關的序列中，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程序流程設計

PLC開始根據(jù)每一個時間段溫度開始調(diào)整。然后主程序就可以給出啤酒發(fā)酵應該需要的時間，再比較標準的溫度和實際的溫度，如果二者相同，則繼續(xù)下一個程序，如二者不同，系統(tǒng)則會通過CPU計算相應的PID系數(shù)，輸出控制電磁閥的信號，并通過電磁閥控制氣路打開或關閉制冷劑閥門以調(diào)節(jié)溫度。該系統(tǒng)可與S7軟件進行編程。在這些軟件中，整個系統(tǒng)被配置為顯示整個發(fā)酵罐系統(tǒng)的結構。每個閥的實時狀態(tài)讀取實際的溫度值、報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)的運行時間。

網(wǎng)絡3為溫度保持的階段當I1.0溫度保持的時候，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4和網(wǎng)絡5則為溫度保持階段定時。當?shù)搅?0個小時的時候，發(fā)酵罐開始進行發(fā)酵自然升溫的階段，反之則繼續(xù)保持溫度到10小時。

5 總結

本設計首先了解啤酒發(fā)酵自動控制中的各種需求，主要是對溫度控制，其次，對啤酒發(fā)酵過程中如何自動控制和調(diào)節(jié)溫度的方案進行了硬件和軟件設計，最后，進行模擬仿真。發(fā)現(xiàn)了此次設計可以實現(xiàn)對啤酒發(fā)酵過程中的自動控制，并達到啤酒發(fā)酵的技術要求。

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（作者單位：河北科技學院）