基于PLC的啤酒发酵自动控制系统设计样本.doc

广州大学松田学院

毕业论文（设计）

题目___ 基于PLC啤酒发酵自动控制系统设计______

基于PLC啤酒发酵自动控制系统设计

摘要：啤酒发酵是啤酒生产中最重要一道工序，是决定啤酒质量最核心一步。啤酒发酵是把糖化姜汁分解成乙醇，由于发酵时间长，过程机理复杂，影响发酵因素诸多，对发酵过程缺少精准数学模型。从原料到发酵过程，如何控制好温度，压力，让发酵满总生产工艺曲线，决定了啤酒生产质量和生产效率，发酵过程是啤酒生产过程中重要环节，发酵控制系统任务就是将发酵酒液实际温度控制在和原则发酵曲线相差有限误差范畴内。
过去啤酒发酵过程，啤酒发酵罐多为人工现场操作调节，手工记录。但随着啤酒产量不断增长，所需发酵罐也会增多，给生产啤酒带来极大不便，导致生产质量稳定，如何提高啤酒生产综合自动化水平，增强啤酒产业实力成为一种好研究课题。
为止，本文通过对啤酒生产发酵过程工艺及核心问题分析，基于PLC设计啤酒生产过程中啤酒发酵自动控制系统。
核心词：PLC 啤酒发酵 温度控制

Based on the design of PLC automatic control system of beer fermentation

Abstract：Beer fermentation is one of the most important procedure in beer production，is the most crucial step in determining the quality of beer. Beer fermentation is the breakdown of saccharification ginger into ethanol，due to the long fermentation time，the process mechanism is complex，many factors influencing the fermentation，the fermentation process is a lack of accurate mathematical model. From raw material to the fermentation process，how to control the temperature，pressure，and make full of the total fermentation technology curve，determines the production quality and production efficiency of beer，the fermentation process is the important link in the process of beer production，fermentation control system of the task is to control the fermentation liquid of actual temperature fermentation and standard curve is limited within the error range.
The beer fermentation，beer fermentation tank for artificial field operation adjustment，manual record. But as the increase of beer production，the fermentation tank will be needed to increase，produced beer to bring huge inconvenience caused by the stable quality of production，how to improve the comprehensive automation level of beer production，strengthen the beer industry to become a good research topic.
So far，this article through to the fermentation process of beer production process and the analysis of the key problems of beer production in the process of beer fermentation based on PLC design of automatic control system.
Keywords：beer fermentation temperature control by PLC

目录
1绪 论 1
1.1课题背景 1
1.2国内啤酒生产过程控制概况 2
1.3啤酒生产过程自动控制作用和意义 3
2啤酒发酵 3
2.1啤酒发酵概述 3
2.2啤酒发酵详细过程 3
2.3啤酒发酵设备 4
2.4啤酒发酵工艺曲线 5
3啤酒发酵自控系统PLC选型和配备 6
3.1PLC选型 6
3.2 S7-200重要功能及特点 8
3.3文本显示屏TD200 10
3.4电磁阀PWM 10
3.5 PID控制原理和特点 10
3.6 PLC其她资源配备 11
4啤酒发酵自控系统PLC程序 10
4.1设计思路 10
4.2 系统硬件配备 13
4.2.1 CPU选型 13
4.2.2 模仿量扩展模块 13
4.2.4 控制系统硬件配备 14
4.2.5其她资源配备 15
4.3 啤酒发酵温度PLC控制系统I/O分派 16
4.3.1 I/O地址分派 16
4.4 编程软件简介 18
4.4.1 指令系统 18
4.5程序流程图 18
4.6 PLC功能模块程序设计 21
4.6.1 主程序 22
4.6.2 主酵自然升温段程序 22
4.6.3 温度控制程序 22
4.6.4模仿量信号采集解决 23
4.6.5发酵状态解决 25
4.6.6温度设定值计算 29
4.6.7 PID回路计算 31
4.6.8电磁阀控制 33
4.6.9软件调试 34
结论 34
重要参照文献 35
道谢 35
附录 36

1绪 论
1.1课题背景
啤酒是一种低浓度饮料，也是富含营养价值食品，每100g中仅有酒精3—5g，普通不超过8g。它有特殊酒精花清香味和适口苦味，并有较高营养成分即有较高发热量。
啤酒是世界上产量以及消费最大一种酒，啤酒市场非常巨大，世界啤酒将来布满但愿，欧洲啤酒市场和美国啤酒市场，随着人均消费量增长，啤酒消费量增长明显，居世界前列。作为世界最大且增速最快啤酒，饮料生产消费大国之一，中华人民共和国已日趋成为最具吸引力市场。将来五年中华人民共和国啤酒将保持平稳持续增长态势。同步啤酒工业是国内食品工业中一种重要产业，随着国家经济发展和人民生活改进，喝啤酒变成一种潮流，咱们国家人均啤酒消费较世界水平少，这也透出了国内啤酒市场浓浓商机。国内内生产啤酒公司数以百计，但与国外重要啤酒生产厂家相比，大某些公司技术相对落后，国啤酒生产工业前存在许多不尽如人意地方。由于啤酒生产工艺复杂，当前国内大多数啤酒生产公司装备落后，自动化限度低，产品质量不稳定。大某些处在手动控制阶段，只有很少数公司实现半自动化，国内啤酒行业迫切规定进行技术改造，提高生产率，保证产品质量，以保证在激烈市场竞争中立于不败之地。
如何提高啤酒生产综合自动化水平，增强国内啤酒产业综合实力是一种较好研究课题。啤酒酿造过程是这样：糖化，麦汁充氧，添加酵母，发酵，降温，倒罐，贮酒。而我要做就是其中发酵一某些，啤酒发酵也是一种复杂过程，啤酒生产过程中发酵是一道核心工序，除生产工艺水平外，生产工序控制指标好坏将直接影响啤酒质量。
啤酒发酵是啤酒生产中最重要一道工序，是决定啤酒质量最核心一步。啤酒发酵过程能实现自动化后，工人劳动强度将大大地减小，同步啤酒质量与生产均有望升上一种新台阶，公司通过技术改造增长了市场竞争。另一方面，不少化工生产过程都具备相似性，因而咱们研制这一套控制系统性价比高，后来还可以推广到其她诸多化工厂生产场合。应用前景乐观，能产生较大社会经济效益，能应用新技术，新材料，新设备改进生产工艺，提高生产效率。发酵过程是啤酒生产过程中重要环节，发酵控制系统任务就是将发酵酒液实际温度控制在和原则发酵曲线相差有限误差范畴内。其中前发酵是啤酒发酵重要过程，在这个过程中，酵母完毕了增殖，厌氧发酵及其沉淀回收等。这个过程消耗了大某些可发酵性糖和可同化性氮等麦汁成分，排出发酵代谢产物即啤酒重要构成。而后发酵就是对主发酵残糖继续发酵，达到规定发酵度，排除氧气，增长酒精中CO2溶解量。增进发酵液成熟，改进口味，增进啤酒自然澄清，使其具备良好稳定性。
啤酒发酵罐内部温度精准控制，进而解决了啤酒发酵罐内部温度控制精度不高问题，提高了啤酒生产综合自动化水平，使啤酒生产集控制与数据管理于一身，可以适应当前当代化生产需要。
1.2国内啤酒生产过程控制概况
国内啤酒产量逐渐发展，产品质量达较高水平，品种也赶上去，这就规定国内啤酒生产发酵过程控制和更新生产设备能否满足市场需求。
引进国外控制技术。
北京华尔森啤酒厂从捷克全套引进生产设备；北京华都啤酒厂从丹麦引进生产设备；上海华光啤酒厂从瑞士引进生产设备等。引进设备最大特点是自动化水平比较高，从而能严格满足啤酒生产工艺规定，因而产量较高，质量较稳定。
2.依照国情自行研究技术
1993年国家轻工业部自动化研究所研制“PW-40啤酒发酵微机控制系统”在厦门华侨啤酒厂投入使用，其控制方案也是采用单变量温度控制；国内中小公司结合本厂生产实际自行研究自动化仪表加手动生产控制技术，造价低，效果普通，符合公司当前状况，但不能满足公司长远发展需求。
国内普遍啤酒厂存在问题：
1产品低劣，品种单一；
2技术含量低，自控水平差，生产过程多为人工或简朴控制，使得啤酒质量不稳定
3原材料消耗大，与国际先进水平存在较大差距
1.3啤酒生产过程自动控制作用和意义
国内当前啤酒市场竞争，体当前两个方面：质量和价格。为适应当前生产规定，提高啤酒质量，提高生产率，在啤酒生产中自动化控制可以增长竞争能力体当前
提高工艺厂品质量，以及原材料运用，减少生产成本，减少工人劳动强度。
强化产品质量管理。
辅助生产管理，以便生产成本控制盒管理
啤酒生产有自己独有环境，只有结合国内啤酒行业实际状况，针对其特殊性，才干开发出适合生产啤酒自动控制系统。
2啤酒发酵
2.1啤酒发酵概述
啤酒发酵是一种复杂过程，发酵过程是把糖化姜汁通过酵母生产乙醇、水、二氧化碳等产物。最后控制为糖度和双乙酰。糖量决定乙醇含量，双乙酰有气味物质。发酵过程温度变化与发酵液糖度和双乙酰成记录关系。事实上，控制发酵液温度是以人工化验。在啤酒大规模生产中，规定发酵液温度按照一定工艺曲线变化，温度精准0.5℃。如果温度过高，会影响啤酒质量，反之则影响了啤酒生产效率。
2.2啤酒发酵详细过程
啤酒发酵重要有3个过程：主发酵、还原双乙酰和低温贮酒。
主发酵阶段，从原姜汁开始主发酵，温度要控制在10℃。发酵液有糖化车间经管道灌入，起始温度8℃，每罐发酵液分批入罐，每次都要测定糖度信息反馈到糖化车间，保证整罐发酵液符合原则，同步实行温度控制，保证发酵液在规定温度。发酵液满罐一小时测量其糖度，每八小时一次，当糖度降至6.5度，每两小时测一次，直到6.0度。还原双乙酰阶段，温度规定12-18℃，进入第二阶段要每2小时测双乙酰浓度和糖度，直到糖度降至3.0度每8小时测一次。当双乙酰浓度到合格原则，发酵就进入降温阶段。
发酵温度控制机制
1自动升温阶段，姜汁满罐酵母自然升温，要控制温度，否则会导致啤酒质量下降。
2主发酵和双乙酰还原阶段 ，酵母大量繁殖产生较多热量，当酵母进行无氧呼吸，使罐内中，下部酒液浓度不同，要保持强烈发酵并均衡酒液状态，要控制不同某些温度。
3降温保温，还原双乙酰后转入降温阶段，将酒均为冷却与贮酒温度。酒在不同温度选会形成对流作用。酒液密度温度在直接冷却3℃，要以上带和中带控温为主。3℃保温稳定酒液流态。3℃如下控制罐下部为主控温，打破温度梯度，满足控制温度效果
2.3啤酒发酵设备
发酵罐设有上，中，下三个冷却带，有3个电磁阀控制冷却，并有3个温度传感器检测3点温度，啤酒发酵罐构造示意图

啤酒发酵罐构造示意图
2.4啤酒发酵工艺曲线
啤酒合口和实际规定不同，啤酒发酵工艺曲线也不同，严格按照工艺曲线控制温度和压力才干保证啤酒质量。啤酒发酵工艺曲线如下：

T0-麦汁进罐温度
t1-第一升温时间段，自然升温
t2-第一恒温时间段
t3-第二升温时间段，自然升温，主发酵保温
t4-第二恒温时间段，双乙酰含量，主发酵降温
t5-第一降温时间段，后发酵保温
t6-第二恒温时间段，后发酵降温
t7-第二降温时间段
各个阶段进行简朴地简介：
1麦汁进料，由糖化阶段产生麦汁原料由糖化罐进入发酵罐中。
2自然升温，酵母加入，酵母菌逐渐开始生长和繁殖。产生大量二氧化碳和热量，使原料温度逐渐上升。
3自然升温发酵，产生一种学名叫双乙酰化学物质。这个过程需要将这个化合物除去，增长啤酒品质。
4降温过程其实属于啤酒发酵后续过程，其作用是将发酵过程中加入酵母菌进行沉淀、排出。
5低温储酒发酵完毕原料继续储存在发酵罐已经发酵完毕原料继续储存在发酵罐等待过滤、稀释、杀菌等过程进行。
3啤酒发酵自控系统PLC选型和配备
3.1PLC选型
可编程控制器(PLC))工作原理
当PLC投入运营后，其工作过程普通分为三个阶段，即输入采样、顾客程序执行和输出刷新三个阶段：
1. 输入采样：即检查各输入开关状态，将这些状态数据存储起来为下一阶段使用；
2. 执行程序：然后PLC按顾客程序中指令逐条执行，但是把执行成果暂时存储起来；
3. 刷新输出：按第1阶段输入状态在第2阶段执行程序中拟定成果，在本阶段中对输出予以刷新；
电源
中央解决单元
（CPU）
存储器
EPROM
(系统程序)
RAM
（顾客程序）
输
入
单
元
输
出
单
元
外
设
接
口
扩
展
口
扩展单元
编程器
输入信号
输出信号
盒式打印机
打印机
EPROM写入器
PLC或上位计算机

PLC构成示意图
PLC特点：
控制程序可变，具备较好柔性；
具备高度可靠性，合用于工业环境；
功能完善；
易于掌握、便于维修。
据啤酒发酵工艺流程和需要，PLC选型需要满足如下条件：
1、有简朴回路控制算法。；
2、有模仿量采集、解决过程及开关量输入/输出功能。
3、有温度显示和用外部按键随时变化内部参数
PLC集三电于一体，PLC网络具备优良性能价格比和PLC具备高可靠性等等，使得PLC在工厂中倍受欢迎，用量高居首位，成为当代工业自动化支柱。因而，可编程控制器啤酒发酵过程自动控制系统，可完毕啤酒发酵过程控制功能，完毕与上位机通讯，实现啤酒发酵过程远程监控。

西门子S7-200系列PLC，S7-200系列PLC具备体积小，运营速度高，功能强等特点。
(1)S7-200PLC机械构造特性
体积小，重量轻，构造紧凑，可用接线端子排接线，并且接线端子前带有面板保护，PLC上设计有原则DIN导轨安装机构和安装孔，可以垂直或水平方向安装。
(2) S7电气构造特性
1.免维护性。S7200CPU中配有EPROM，可以永久保护顾客程序和某些重要参数。它还安装有大容量电容，可以长时间存储数据而不需要后备电池。
2..PLC内有24∨直流传感器或负载驱动电源，输出电流可达180mA或24mA灵活中断输入。
3.为了适合不同场合使用，每种CPU又均有3种不同类型可供选取
4.灵活中断输入。S7-200cpu可以以极迅速度来响应中断祈求信号上升沿或下降沿
5.PLC内配有高速计数器。CPU212有一种2KHZ加/减计数器，而CPU214-CPU216有两个独立7KHZ高速计数器，她们可用软件或硬件复位。
6.便于扩展，为系统备有专用扩展模块（EN），可以便地进行输入，输出及模仿量扩展。
7.模仿电位器外部设定

3.2 S7-200重要功能及特点
（1）执行指令速度高。
（2）丰富指令功能。
（3）灵活中断功能，中断触发有几种形式：可用软件设定为中断输入信号上升沿式下降沿，以便做出迅速响应；可设为时间控制自动中断；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）输入和输出直接查询和赋值。（5）严格口令保护。
（6）调试和故障诊断功能。（7）输入或输出强制功能。顾客调试程序时，可对输入或输出强制接通。
（8）通信功能。顾客提供了强大，灵活通信功能。顾客对点接口（PPI）作9.6Kbit/s数据通信，用RS-485接口实现高速顾客可编和接口。
S7-200CPU重要性能指标见表。
特性
CPU221
CPU222
CPU224
CPU226
外形尺寸
80*80*62
90*80*62
120.5*80*62
190*8.*62
存储器
顾客程序
2048字
2048字
4096字
4096字
顾客数据
1024字
1024字
2560字
2560字
顾客存储器类型
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
模仿量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
0.37us/指令
0.37us/指令
0.37us/指令
0.37us/指令
FOR/NEXT循环
有
有
有
有
实数指令
有
有
有
有
整数指令
有
有
有
有
重要内部继电器
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/定期器
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接受
1发送/2接受
1发送/2接受
1发送/4接受
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
定期中断
2（1~255ms）
2（1~255ms）
2（1~255ms）
2（1~255ms）
定期时钟
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（RS-485）
1（RS-485）
1（RS-485）

支持合同
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）
S7-200CPU重要性能指标

3.3文本显示屏TD200
S7-200系统中文本显示屏TD200是在现场监控有效设备，TD-200连接简朴，只需要用按特定通信电缆连接到PPI接口上就可以了。
1显示信息，可以显示最多80条信息，每条信息最多可包括4个变量。
2可设定CPU214以上机型实时时钟。
3提供强制I/O点诊断功能。
4过程参数修改。
5可编程8个功能键可以代替普通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每一种都分派了一种存储器位。
3.4电磁阀PWM
脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”缩写，简称脉宽调制，是运用微解决器数字输出来对模仿电路进行控制一种非常有效技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换许多领域中。脉宽调制（PWM）基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要波形。也就是在输出波形半个周期中产生各种脉冲，使各脉冲等值电压为正弦波形，所获得输出平滑且低次谐波少。按一定规则对各脉冲宽度进行调制，即可变化逆变电路输出电压大小，也可变化输出频率。
3.5 PID控制原理和特点
在工程实际中，应用最为广泛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 以其构造简朴、稳定性好、工作可靠、调节以便而成为工业控制重要技术之一。当被控对象构造和参数不能完全掌握，或得不到精准数学模型时，控制理论 其他技术难以采用时，系统控制器构造和参数必要依托经验和现场调试来拟定，这时应用PID控制技术最为以便。即当咱们不完全理解一种系统和被控对象，或 不能通过有效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控制器就是依照系统误差，运用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。

4啤酒发酵自控系统PLC程序
4.1设计思路
啤酒发酵对象时变性、时滞性及其不拟定性，决定了发酵罐控制必要采用特殊控制算法。由于每个发酵罐都存在个体差别，并且在不同工艺条件下，不同发酵菌种下，对象特性也不尽相似。因而很难找到或建立某一确切数学模型来进行模仿和预测控制。为节约能源，减少生产成本，并且可以满足控制规定，发酵罐温度控制选取了检测发酵罐上、中、下3段温度，通过上、中、下3段冷媒进口两位式电磁阀来实现发酵罐温度控制办法，
本系统运用S7-200实现发酵罐温度控制，PLC实现啤酒发酵温度控制重要任务是接受由发酵罐传来温度、压力模仿量输入信号，然后与工艺曲线设定温度值进行比较，计算出温度偏差值，再使用简朴PID控制回路计算出电磁阀开度，从而实现对发酵罐温度控制。为了达到预定控制效果，采用自动或由操作人员手动选取控制办法。 程序中设定了手动操作和自动控制选取开关，在任意阶段都可以实现两者间切换，实现了温度、压力手、自动选取控制。程序中有人工阶段选取开关，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营状况。依照啤酒发酵温度控制各阶段转换条件及控制规定。
采用是德国SIEMENS公司S7-200系列PLC，运用与之相配STEP7编程软件，通过STL和LAD两种编程语言编制了下位机控制程序,完毕系统软件设计，实现啤酒发酵温度自动控制PLC控制系统设计。

发酵过程中设定参数
主酵设定温度值（12.5 C）、主酵上下温度差值（0.4 C）
主酵降温温度设定值（8.5 C），降温过程总时间（48小时）、主酵降温上下温度差值（0.4C）
后酵设定温度值（8.5C）、后酵上下温度差值（0.3 C）
后酵降温温度设定值（-0.5C），降温过程总时间、后酵降温上下温度差值（0.2 C）
贮酒温度设定值（-0.5C）、贮酒上下温度差值（0.3C）
重要阶段有：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，过滤至普通控温，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0~0.15Mpa。其各阶段转换条件及控制规定见表所示。
啤酒发酵各阶段状态表
工作阶段名称
进入条件
控制规定
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
中段温度为参照点，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

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

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助于不同发酵期酵母沉淀，普通采用分三段间冷方式，控制罐内酒液温度，使之形成自上而下温度梯度。
（1）对每个发酵罐上、中、下3个测量点温度进行检测，实现自动控制，罐内实行压力检测。整个发酵过程温度控制在不同发酵时期是不同，依照主酵→双己酰还原→冷却→酵母回收→后贮阶段，分别设定曲线进行控制，并采用PI、PID等控制办法，使系统控制精度符合工艺规定按啤酒发酵工艺规定，其中从12℃保温向3℃下降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温度设定值，设有温度上下限报警，为了保证罐内压力在不同阶段压力设定值，设有压力上下限报警。每个罐设有液位批示，可以作为装酒和成品计量用，还可以理解整个发酵过程液位变化。整个系统还设定了手动操作和自动控制选取开关，在任意阶段都可以实现两者间切换，实现了温度、压力手、自动选取控制。程序中有人工阶段选取开关，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营状况。
（3）上位计算机可以动态显示每个发酵罐工艺流程，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，并具备阀门开关状态显示，阀门手自动控制，实时报表打印等功能。  能监视每个发酵罐温度、压力周期曲线，当累积酒龄达届时，自动出信号，以便人工拟定与否执行下步操作。

设计PLC控制系统方案。通过对系统整体分析，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，五路模仿量输入，实现啤酒发酵各阶段温度控制。表白各类详细信号及性质分类。
输入/输出节点登记表
输入信号
输出信号
启动麦汁进罐
手动方式
麦汁进罐泵运营
关闭麦汁进罐
自动方式
满罐温度保持批示
满罐温度保持
开上冷媒开关电磁阀
主酵自然升温段批示
主酵自然升温段
开中冷媒开关电磁阀
双乙酞还原阶段批示
双乙酞还原阶段
开下冷媒开关电磁阀
降温保温阶段批示
降温保温阶段
关上冷媒开关电磁阀
后酵保温阶段批示
后酵保温阶段
关中冷媒开关电磁阀
第二降温阶段批示
第二降温阶段
关下冷媒开关电磁阀
贮酒保温阶段批示
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

自动运营状态

一方面，发酵工艺过程模仿量加温度、压力、液位以及各种阀门状态，进人PLC。PLC可以依照工艺规定设定程序自动完毕模仿量和开关量解决，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，从而完毕发酵工艺过程控制。同步，有关数据通过PLC通信接口单元和上位机通信链路传至上位机和模仿屏；上位机及模仿屏相似图形完毕系统组态监控与动态解决。此外，为保证系统工作安全，系统设计了手动装置。在乎外故障状况下，可以切换自动，进人手动状态，从而保证发酵工艺过程正常运营。系统采用上下位机两级递阶构造。详细构造见图

系统构成构造图
4.2 系统硬件配备
4.2.1 CPU选型
SIMATIC S7-200系列是西门子公司生产小型可编程程序控制器[14]，构造小巧，可靠性高，运营速度快，有极丰富指令集，具备强大各种集成功能和实时特性，配有功能丰富扩展模块，性能价格比非常高。
S7200四种CPU：CPU221，CPU222，CPU224，CPU226
CPU226
这种模块在CPU224基本上功能又进一步增强，主机输入输出点数增为40点，具备扩展能力，最大扩展为248点数字量或35点模仿量，增长了通信口数量，通信能力大大增强，它可用于点数较多、规定较高小型或中型控制系统。
依照对整个系统考察，啤酒发酵温度PLC控制系统I/O点数及类型拟定，可知PLC要提供21个开关量输入和15个开关量输出，5个模仿量输入，同步考虑到要留有20%～30%余量。通过比较S7200四种CPU各种技术指标，选定CPU226为啤酒发酵温度PLC控制控制器。
4.2.2 模仿量扩展模块
PLC对模仿量信号PID控制方式
用可编程控制器对模仿量进行PID控制时，可采用如下方式：
（1）用PID过程控制模块：
这种模块PID控制程序是可编程控制器生产厂家设计，并存储在模块中，顾客在使用时只需设立某些参数，使用起来非常以便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路，但是，这种模块价格昂贵，普通在大型控制系统能中使用。
（2）用PID功能指令：
当前诸多可编程控制器均有供PID控制用功能指令，如S7-200PID指令。它们
事实上是用于PID控制子程序，与模仿量输入/输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块效果，但是价格便宜多。可以用STEP7-Micro/WIN32编程软件中“指令向导”简朴迅速设立PID程序中各种参数，设立完毕后，指令向导自动生成PID程序。
（3）用自编程序实现PID闭环控制：
有可编程序控制器没有PID过程控制模块和PID控制用功能指令，有时虽然可以使用PID控制指令，但是但愿采用某种改进PID控制算法[15]。在上述状况下都需要顾客自己编制PID控制程序。
本系统需对啤酒发酵过程中温度、压力、液位、周期等工艺参数进行全方位检测控制，选取S7-200PLC主机，扩展模仿量解决模块，运用PLC提供PID编程功能模块，即可实现相应模仿量闭环控制。在模仿量闭环过程控制领域内，扩展模仿量解决模块，如EM231、EM232、EM235，依照PLC提供PID编程功能模块，只需设定好PID参数， 运营PID控制指令，就能求得输出控制值，实现模仿量闭环控制。
EM231模块提供了模仿量输入/输出功能，长处如下：
（1）最佳适应性：可合用于复杂控制场合
（2）直接与传感器和执行器相连，12 位辨别率和各种输入/输出范畴可以不用外加放大器而与传感器和执行器直接相连，例如EM235 CN模块可直接与Pt100 热电阻相连
（3）灵活性：当实际应用变化时，PLC 可以相应地进行扩展，并可非常容易调节顾客程序。

4.2.4 控制系统硬件配备
S7-200 PLC扩展模块
S7-200 PLC可以安装在板上，也可以安装在原则DIN导轨上，运用总线连接电缆，可以很容易把CPU模块和扩展模块连接在一起[16]。需要连接扩展模块较多时，模块连接起来会过长，两组模块之间可使用扩展连接电缆，将模块安装成两排。信号解决模块重要分为四类：开关量输入DI、开关量输出DO、模仿量输入AI、模仿量输出AO；扩展方扩展办法如图。

S7-200扩展图
啤酒发酵控制原理可以得出：每只发酵罐需要有上温、中温、下温、压力四个模仿量需要测量，有些状况需要对发酵罐液位进行测量；上温、中温、下温3个温度各需要一种二位式电磁阀进行控制，罐内压力需要一种二位式电磁阀进行控制。因此每只发酵罐I/O点数为5个模仿量、36个开关量考虑到CPU226主机上I/O口不够多必要对它进行扩展，在这选用EM 221 CN 数字量输入模块（6ES7 211～1BF22～0XA8）、EM 222 CN 数字量输出模块（6ES7 222～1HF22-0XA8）、模仿量扩展模块EM231CNAI4X12位。其扩展图如图。

中央解决单元CPU226

EM221DI8
DC24V

EM222DO8
DC24V

EM222
DO8
DC24V

EM231
AO4
DC24V

EM231
AO4
DC24V

图4-4 模块扩展连接图

4.2.5其她资源配备
除了PLC必须I/O扩展模块之外，此外涉及设备仪表有测温用Pt100鉑电阻温度变送器、压力变送器、液位变送器等。
依照啤酒发酵特点，啤酒发酵过程温度范畴最低可以到-1摄氏度如下，最高到12摄氏度以上，普通可以选取量程为-10～90摄氏度温度变送器；压力变送器可以选取量程为0～200Kpa或者0～400Kpa。

4.3 啤酒发酵温度PLC控制系统I/O分派
4.3.1 I/O地址分派
依照啤酒发酵温度控制工艺流程及实际需求，拟定整个系统共有26个输入点，其中5个模仿量；16个输出点，考虑到系统扩展留有少量冗余，因而选用西门子S7-226PLC CPU模块1块、EM221扩展模块1块、EM222扩展模块2块、EM231模仿量扩展模块2块。本机及扩展模块I/O地址分派见表

本机及扩展模块I/O地址分派
输入信号
输出信号
符号
地址
注解
符号
地址
注解
k1
I0.0
系统启动
bengyx
Q1.0
麦汁进罐泵运营
k2
I0.2
系统急停
mgwdbczs
Q3.0
满罐温度保持批示
s1
I0.3
手动方式
zjzrswdzs
Q3.1
主酵自然升温段批示
s2
I0.4
自动方式
sythydzs
Q3.2
双乙酰还原阶段批示
qdmzjg
I0.5
启动麦汁进罐
jwbwdzs
Q3.3
降温保温阶段批示
gbmxjg
I0.6
关闭麦汁进罐
hjbwjdzs
Q3.4
后酵保温阶段批示
mgwdbc
I1.0
满罐温度保持
dejwjdzs
Q3.5
第二降温阶段批示
zjzrswd
I1.2
主酵自然升温段
cjbwjdzs
Q3.6
贮酒保温阶段批示
sythyd
I1.3
双乙酰还原阶段
shanglkf
Q4.1
上冷媒开关电磁阀
jwbwd
I1.4
降温保温阶段
zhonglkf
Q4.2
中冷媒开关电磁阀
hjbwjd
I1.5
后酵保温阶段
xialkf
Q4.3
下冷媒开关电磁阀
dejwjd
I1.6
第二降温阶段
ylpqfyx
Q4.4
发酵罐排气阀
cjbwjd
I1.7
贮酒保温阶段
ya