糖化工藝自動控制系統的設計

　　摘要：將計算機及可編程控制器（PLC）應用在啤酒廠糖化工藝生產工序中進行自動化控制，重點對糊化鍋與糖化鍋的加料系統進行改造，將各設備的閥門開度、開關關斷狀態、溫度和液位等信號傳送到PLC控制站。利用工控機來完成工藝參數的設定、報表打印及故障記錄等，完成監視控制設備的狀態，在線修改PLC控制參數，對故障進行報警，以達到工藝生產的集成化、穩定化、化。
　　
　　關鍵詞：糖化工藝；自動化控制；PLC；CPU224
　　
　　糖化工藝過程控制是整個啤酒生產過程中至關重要的部分，控制是否得當決定工藝指標的好壞。糖化過程所需的設備龐大，工藝管線復雜，各種需要控制及調節的閥門數量繁多，在人工手動控制時，容易出現操作失誤，造成不必要的原料損失和能源浪費。另外，糖化過程的溫升過程比較復雜，工藝又經常變化，人工調節難以滿足工藝要求。因此，實現糖化過程的規范化，自動化，可減輕操作人員的勞動強度，優化生產工藝，節約能源，提高生產管理水平，使企業的經濟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控制系統在某啤酒有限公司糖化工藝改造項目中的應用。
　　
　　1、系統結構
　　
　　1．1糖化工藝生產裝置結構
　　
　　整套工序包括：原料進倉階段、醪液形成階段、煮醪與并醪工序、過濾工序、蒸發工序、冷卻工序、供水系統、CIP自動清洗系統和安全連鎖控制。
　　
　　糖化系統一般由糊化鍋、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。生產管路結構圖如圖1所示。　　
　　1．2系統控制功能概述
　　
　　對于控制整個糖化工藝生產過程來說，其所用設備較大，工藝管線復雜，需要各種檢測，調節及控制的閥門數量繁多。根據這些條件，測控系統的總體結構采用分層式集散系統，以適應不同的生產需要和操作要求。應用PLC不僅能實現復雜的邏輯控制，還能完成各種閉環控制，其可靠性高，抗*力強，維護量小，能方便地與計算機聯網通訊。該系統在設定狀態下無需人工值守，一鍵控制即可實現糖化工藝自動生產過程，同時也可實現遠程控制。
　　
　　按下系統啟動按鈕SB1，系統啟動，接通10．0，輸出繼電器Q0．7和Q1．0（糊化鍋進料閥A1、A2打開），攪拌電機D1和D2啟動（Q0．0和Q0．1得電）且攪拌電機指示燈亮（Q3．0和Q3．1）；進料的同時關閉排污管道的閥門（Q0．6、Q2．0和Q2．3）。同時啟動攪拌機過流及過壓保護信號，待到糊化鍋內的料加到液位時，關閉進料閥門，開始加熱糊化鍋內的料液，經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）。糖化鍋進行加熱，加熱到63℃，充分混合醪液，停止攪拌機（當攪拌機發生故障時，通過其故障信號使繼電器斷開，攪拌機停止運行），將醪液傳送至過濾槽。
　　
　　2、控制系統設計
　　
　　2．1硬件電路設計
　　
　　在該系統控制過程中，需要控制的信號包括14個開關閥門的控制信號，2個蒸汽調節閥的控制輸出，2個攪拌電機運行狀態檢測，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醪液的溫度的控制。另外對2個攪拌電機，一個并醪泵進行過熱，過流保護的控制，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
　　
　　本系統選用S7—200系列CPU224作為主控制器，集成14輸入／10輸出共24個數字量I／O點。與CPU224兼容的數字量擴展模塊，選用8輸入／8輸出的的EM223模塊，以補充CPU224的數字量輸入與輸出的不足。　　
　　2）EM231熱電偶模塊
　　
　　本系統對糊化鍋和糖化鍋的溫度進行檢測和控制，采用EM231熱電偶模塊對鍋內醪液溫度進行檢測和讀取，EM231熱電偶模塊將檢測到溫度模擬量轉換成標準數字量，通過CPU發出數字量控制信號，再通過模擬量輸出模塊將數字量裝換成模擬量控制信號輸出到調節閥上，從而達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行A／D轉換的智能模塊。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～+／-80mV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軟件設計
　　
　　本設計主要任務是控制醪液的溫度，通過3次加溫、3次保溫，對醪液進行處理，根據糊化鍋溫度控制曲線對糊化鍋內的醪液進行加熱控制，從而達到要求。系統程序大部分使用梯形圖編制，梯形圖直觀易懂，較多的采用時間繼電器，在編寫程序中，對每個PLC輸出只需分析找到其開關條件，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指令向導模塊對溫度達到控制要求。　　
　　3、結論
　　
　　本系統通過可編程邏輯控制器完成了啤酒糖化工藝的控制過程，附以上位機完成人機對話及數據處理工作，提高了系統的可靠性和靈活性的同時也降低了系統成本。該控制系統已用于國內某啤酒制造有限公司的糖化工藝自動控制生產線，實際應用表明該控制系統具有穩定可靠、生產效率高及節能等特點，達到了改造的要求，為企業創造了巨大的效益。