糖化工藝自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳少東，李 宏

（西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065）

糖化工藝過(guò)程控制是整個(gè)啤酒生產(chǎn)過(guò)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(guò)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(mén)數(shù)量繁多，在人工手動(dòng)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(guò)程的溫升過(guò)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(guò)程的規(guī)范化，自動(dòng)化，可減輕操作人員的勞動(dòng)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(huì)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[1-2]。

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(cāng)階段、醪液形成階段、煮醪與并醪工序、過(guò)濾工序、蒸發(fā)工序、冷卻工序、供水系統(tǒng)、CIP自動(dòng)清洗系統(tǒng)和安全連鎖控制。

糖化系統(tǒng)一般由糊化鍋、過(guò)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、各種閥們以及工藝管路組成[3]。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(duì)于控制整個(gè)糖化工藝生產(chǎn)過(guò)程來(lái)說(shuō)，其所用設(shè)備較大，工藝管線復(fù)雜，需要各種檢測(cè)，調(diào)節(jié)及控制的閥門(mén)數(shù)量繁多。根據(jù)這些條件，測(cè)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(wú)需人工值守，一鍵控制即可實(shí)現(xiàn)糖化工藝自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

按下系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕SB1，系統(tǒng)啟動(dòng)，接通I0.0，輸出繼電器Q0.7和Q1.0（糊化鍋進(jìn)料閥A1、A2打開(kāi)），攪拌電機(jī)D1和D2啟動(dòng)（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(mén) （Q0.6、Q2.0和Q2.3）。同時(shí)啟動(dòng)攪拌機(jī)過(guò)流及過(guò)壓保護(hù)信號(hào)，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(mén)，開(kāi)始加熱糊化鍋內(nèi)的料液，經(jīng)過(guò)三次加熱及三次保溫 （分別是 50℃、85℃和101℃）。然后并醪工藝開(kāi)始，并醪閥F5及F8打開(kāi)（Q0.6與Q2.2得電），并醪泵B1啟動(dòng)且指示燈打開(kāi)（Q0.2得電），糖化鍋蒸汽閥F12打開(kāi) （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(guò)其故障信號(hào)使繼電器斷開(kāi)，攪拌機(jī)停止運(yùn)行），將醪液傳送至過(guò)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(guò)程中，需要控制的信號(hào)包括14個(gè)開(kāi)關(guān)閥門(mén)的控制信號(hào)，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(cè)，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(duì)2個(gè)攪拌電機(jī)，一個(gè)并醪泵進(jìn)行過(guò)熱，過(guò)流保護(hù)的控制，并加入工作指示燈。下表是部分I/O端口分配表。

表1 部分I/O端口分配表Tab.1 Table of partial I/O port allocation

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(cè)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[5]。

圖2 系統(tǒng)接口電路圖（CPU224輸入端）Fig.2 Circuit diagram of system interface（the input of CPU224）

2）EM231熱電偶模塊

本系統(tǒng)對(duì)糊化鍋和糖化鍋的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制，采用EM231熱電偶模塊對(duì)鍋內(nèi)醪液溫度進(jìn)行檢測(cè)和讀取，EM231熱電偶模塊將檢測(cè)到溫度模擬量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字量，通過(guò)CPU發(fā)出數(shù)字量控制信號(hào)，再通過(guò)模擬量輸出模塊將數(shù)字量裝換成模擬量控制信號(hào)輸出到調(diào)節(jié)閥上，從而達(dá)到模擬量檢測(cè)和控制的目的。

EM231熱電偶模塊是專(zhuān)門(mén)用于對(duì)熱電偶輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的智能模塊。它可以連接7種類(lèi)型的熱電偶（J，K，E，N，S，T 和 R），可用于測(cè)量 0～+/－80 mV 范圍的低電平模擬信號(hào)。 可連接4種類(lèi)型的熱電阻（Pt，Cu，Ni和普通電阻）[6]。

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(guò)3次加溫、3次保溫，對(duì)醪液進(jìn)行處理，根據(jù)糊化鍋溫度控制曲線對(duì)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(xiě)程序中，對(duì)每個(gè)PLC輸出只需分析找到其開(kāi)關(guān)條件，則可以順序編寫(xiě)，從而使程序簡(jiǎn)明。

圖3 系統(tǒng)接口電路圖（CPU224輸出端）Fig.3 Circuit diagram of system interface（the output of CPU224）

圖4 EM231熱電偶模塊電路圖Fig.4 Circuit diagram of thermocouple module（EM231）

圖5 系統(tǒng)控制流程圖及糊化鍋溫度控制流程圖Fig.5 Flow chart of the software design&flow chart the temperature control of mash copper

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

圖6 控制系統(tǒng)梯形圖（50℃時(shí)糊化鍋溫度控制程序）Fig.6 The ladder diagram of control system（the program of temperature control at 50℃）

3 結(jié) 論

本系統(tǒng)通過(guò)可編程邏輯控制器完成了啤酒糖化工藝的控制過(guò)程，附以上位機(jī)完成人機(jī)對(duì)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(guó)內(nèi)某啤酒制造有限公司的糖化工藝自動(dòng)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。

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