糖化工藝自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：將計(jì)算機(jī)及可編程控制器(PLC)應(yīng)用在啤酒廠糖化工藝生產(chǎn)工序中進(jìn)行自動化控制，重點(diǎn)對糊化鍋與糖化鍋的加料系統(tǒng)進(jìn)行改造，將各設(shè)備的閥門開度、開關(guān)關(guān)斷狀態(tài)、溫度和液位等信號傳送到PLC控制站。利用工控機(jī)來完成工藝參數(shù)的設(shè)定、報(bào)表打印及故障記錄等，完成監(jiān)視控制設(shè)備的狀態(tài)，在線修改PLC控制參數(shù)，對故障進(jìn)行報(bào)警，以達(dá)到工藝生產(chǎn)的集成化、穩(wěn)定化、高效化。
關(guān)鍵詞：糖化工藝；自動化控制；PLC；CPU224

    糖化工藝過程控制是整個(gè)啤酒生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的部分，控制是否得當(dāng)決定工藝指標(biāo)的好壞。糖化過程所需的設(shè)備龐大，工藝管線復(fù)雜，各種需要控制及調(diào)節(jié)的閥門數(shù)量繁多，在人工手動控制時(shí)，容易出現(xiàn)操作失誤，造成不必要的原料損失和能源浪費(fèi)。另外，糖化過程的溫升過程比較復(fù)雜，工藝又經(jīng)常變化，人工調(diào)節(jié)難以滿足工藝要求。因此，實(shí)現(xiàn)糖化過程的規(guī)范化，自動化，可減輕操作人員的勞動強(qiáng)度，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，節(jié)約能源，提高生產(chǎn)管理水平，使企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益都得到大幅度提高。文中介紹了S7—200系列PLC控制系統(tǒng)在某啤酒有限公司糖化工藝改造項(xiàng)目中的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1．1 糖化工藝生產(chǎn)裝置結(jié)構(gòu)
    整套工序包括：原料進(jìn)倉階段、醪液形成階段、煮醪與并醪工序、過濾工序、蒸發(fā)工序、冷卻工序、供水系統(tǒng)、CIP自動清洗系統(tǒng)和安全連鎖控制。
    糖化系統(tǒng)一般由糊化鍋、過濾槽、暫存鍋、煮沸、澄清槽組成，這是糖化工藝的主要組成部分，它們由鍋、槽、打料泵、各種閥門以及工藝管路組成。生產(chǎn)管路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)控制功能概述
    對于控制整個(gè)糖化工藝生產(chǎn)過程來說，其所用設(shè)備較大，工藝管線復(fù)雜，需要各種檢測，調(diào)節(jié)及控制的閥門數(shù)量繁多。根據(jù)這些條件，測控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)采用分層式集散系統(tǒng)，以適應(yīng)不同的生產(chǎn)需要和操作要求。應(yīng)用PLC不僅能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，還能完成各種閉環(huán)控制，其可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，維護(hù)量小，能方便地與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)通訊。該系統(tǒng)在設(shè)定狀態(tài)下無需人工值守，一鍵控制即可實(shí)現(xiàn)糖化工藝自動生產(chǎn)過程，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
    按下系統(tǒng)啟動按鈕SB1，系統(tǒng)啟動，接通10．0，輸出繼電器Q0．7和Q1．0(糊化鍋進(jìn)料閥A1、A2打開)，攪拌電機(jī)D1和D2啟動(Q0．0和Q0．1得電)且攪拌電機(jī)指示燈亮(Q3．0和Q3．1)；進(jìn)料的同時(shí)關(guān)閉排污管道的閥門(Q0．6、Q2．0和Q2．3)。同時(shí)啟動攪拌機(jī)過流及過壓保護(hù)信號，待到糊化鍋內(nèi)的料加到指定液位時(shí)，關(guān)閉進(jìn)料閥門，開始加熱糊化鍋內(nèi)的料液，經(jīng)過三次加熱及三次保溫(分別是50℃、85％和101 ℃)。然后并醪工藝開始，并醪閥F5及F8打開(Q0．6與Q2．2得電)，并醪泵B1啟動且指示燈打開(Q0．2得電)，糖化鍋蒸汽閥F12打開(Q2．6得電)。糖化鍋進(jìn)行加熱，加熱到63℃，充分混合醪液，停止攪拌機(jī)(當(dāng)攪拌機(jī)發(fā)生故障時(shí)，通過其故障信號使繼電器斷開，攪拌機(jī)停止運(yùn)行)，將醪液傳送至過濾槽。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 硬件電路設(shè)計(jì)
    在該系統(tǒng)控制過程中，需要控制的信號包括14個(gè)開關(guān)閥門的控制信號，2個(gè)蒸汽調(diào)節(jié)閥的控制輸出，2個(gè)攪拌電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)檢測，糊化鍋高、低液位控制，糊化鍋蒸汽管道壓力值和糊化鍋內(nèi)醪液的溫度的控制，糖化鍋高、低液位控制，糖化鍋蒸汽管道壓力值和糖化鍋內(nèi)醪液的溫度的控制。另外對2個(gè)攪拌電機(jī)，一個(gè)并醪泵進(jìn)行過熱，過流保護(hù)的控制，并加人工作指示燈。下表是部分I／O端口分配表。

    由于該系統(tǒng)的控制量較多，限于篇幅原因，文中僅介紹具有代表性的主控制器CPU224的輸入輸出接口電路圖(圖2所示是CPU224的輸入接口電路圖，圖3所示是CPU224的輸出接口電路圖)和溫度測量模塊接口電路圖(圖4所示)。

    1)CPU輸入輸出模塊
    本系統(tǒng)選用S7—200系列CPU224作為主控制器，集成14輸入／10輸出共24個(gè)數(shù)字量I／O點(diǎn)。與CPU224兼容的數(shù)字量擴(kuò)展模塊，選用8輸入／8輸出的的EM223模塊，以補(bǔ)充CPU224的數(shù)字量輸入與輸出的不足。

    2)EM231熱電偶模塊
    本系統(tǒng)對糊化鍋和糖化鍋的溫度進(jìn)行檢測和控制，采用EM231熱電偶模塊對鍋內(nèi)醪液溫度進(jìn)行檢測和讀取，EM231熱電偶模塊將檢測到溫度模擬量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字量，通過CPU發(fā)出數(shù)字量控制信號，再通過模擬量輸出模塊將數(shù)字量裝換成模擬量控制信號輸出到調(diào)節(jié)閥上，從而達(dá)到模擬量檢測和控制的目的。
    EM231熱電偶模塊是專門用于對熱電偶輸出信號進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換的智能模塊。它可以連接7種類型的熱電偶(J，K，E，N，S，T和R)，可用于測量0～+／-80 mV范圍的低電平模擬信號?？蛇B接4種類型的熱電阻(Pt，Cu，Ni和普通電阻)。
2．2 軟件設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是控制醪液的溫度，通過3次加溫、3次保溫，對醪液進(jìn)行處理，根據(jù)糊化鍋溫度控制曲線對糊化鍋內(nèi)的醪液進(jìn)行加熱控制，從而達(dá)到要求。系統(tǒng)程序大部分使用梯形圖編制，梯形圖直觀易懂，較多的采用時(shí)間繼電器，在編寫程序中，對每個(gè)PLC輸出只需分析找到其開關(guān)條件，則可以順序編寫，從而使程序簡明。

    下面的一段程序是50 ℃時(shí)糊化鍋溫度控制程序，通過對溫度控制曲線的分析，用STEP7中的PID指令向?qū)K對溫度達(dá)到控制要求。

3 結(jié)論
    本系統(tǒng)通過可編程邏輯控制器完成了啤酒糖化工藝的控制過程，附以上位機(jī)完成人機(jī)對話及數(shù)據(jù)處理工作，提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性的同時(shí)也降低了系統(tǒng)成本。該控制系統(tǒng)已用于國內(nèi)某啤酒制造有限公司的糖化工藝自動控制生產(chǎn)線，實(shí)際應(yīng)用表明該控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、生產(chǎn)效率高及節(jié)能等特點(diǎn)，達(dá)到了改造的要求，為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的效益。