糖化工艺自动控制系统的设计

摘要：将计算机及可编程控制器(PLC)应用在啤酒厂糖化工艺生产工序中进行自动化控制，重点对糊化锅与糖化锅的加料系统进行改造，将各设备的阀门开度、开关关断状态、温度和液位等信号传送到PLC控制站。利用工控机来完成工艺参数的设定、报表打印及故障记录等，完成监视控制设备的状态，在线修改PLC控制参数，对故障进行报警，以达到工艺生产的集成化、稳定化、高效化。
关键词：糖化工艺；自动化控制；PLC；CPU224

    糖化工艺过程控制是整个啤酒生产过程中至关重要的部分，控制是否得当决定工艺指标的好坏。糖化过程所需的设备庞大，工艺管线复杂，各种需要控制及调节的阀门数量繁多，在人工手动控制时，容易出现操作失误，造成不必要的原料损失和能源浪费。另外，糖化过程的温升过程比较复杂，工艺又经常变化，人工调节难以满足工艺要求。因此，实现糖化过程的规范化，自动化，可减轻操作人员的劳动强度，优化生产工艺，节约能源，提高生产管理水平，使企业的经济效益和社会效益都得到大幅度提高。文中介绍了S7—200系列PLC控制系统在某啤酒有限公司糖化工艺改造项目中的应用。

1 系统结构
1．1 糖化工艺生产装置结构
    整套工序包括：原料进仓阶段、醪液形成阶段、煮醪与并醪工序、过滤工序、蒸发工序、冷却工序、供水系统、CIP自动清洗系统和安全连锁控制。
    糖化系统一般由糊化锅、过滤槽、暂存锅、煮沸、澄清槽组成，这是糖化工艺的主要组成部分，它们由锅、槽、打料泵、各种阀门以及工艺管路组成。生产管路结构图如图1所示。

1．2 系统控制功能概述
    对于控制整个糖化工艺生产过程来说，其所用设备较大，工艺管线复杂，需要各种检测，调节及控制的阀门数量繁多。根据这些条件，测控系统的总体结构采用分层式集散系统，以适应不同的生产需要和操作要求。应用PLC不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种闭环控制，其可靠性高，抗干扰能力强，维护量小，能方便地与计算机联网通讯。该系统在设定状态下无需人工值守，一键控制即可实现糖化工艺自动生产过程，同时也可实现远程控制。
    按下系统启动按钮SB1，系统启动，接通10．0，输出继电器Q0．7和Q1．0(糊化锅进料阀A1、A2打开)，搅拌电机D1和D2启动(Q0．0和Q0．1得电)且搅拌电机指示灯亮(Q3．0和Q3．1)；进料的同时关闭排污管道的阀门(Q0．6、Q2．0和Q2．3)。同时启动搅拌机过流及过压保护信号，待到糊化锅内的料加到指定液位时，关闭进料阀门，开始加热糊化锅内的料液，经过三次加热及三次保温(分别是50℃、85％和101 ℃)。然后并醪工艺开始，并醪阀F5及F8打开(Q0．6与Q2．2得电)，并醪泵B1启动且指示灯打开(Q0．2得电)，糖化锅蒸汽阀F12打开(Q2．6得电)。糖化锅进行加热，加热到63℃，充分混合醪液，停止搅拌机(当搅拌机发生故障时，通过其故障信号使继电器断开，搅拌机停止运行)，将醪液传送至过滤槽。

2 控制系统设计
2．1 硬件电路设计
    在该系统控制过程中，需要控制的信号包括14个开关阀门的控制信号，2个蒸汽调节阀的控制输出，2个搅拌电机运行状态检测，糊化锅高、低液位控制，糊化锅蒸汽管道压力值和糊化锅内醪液的温度的控制，糖化锅高、低液位控制，糖化锅蒸汽管道压力值和糖化锅内醪液的温度的控制。另外对2个搅拌电机，一个并醪泵进行过热，过流保护的控制，并加人工作指示灯。下表是部分I／O端口分配表。

    由于该系统的控制量较多，限于篇幅原因，文中仅介绍具有代表性的主控制器CPU224的输入输出接口电路图(图2所示是CPU224的输入接口电路图，图3所示是CPU224的输出接口电路图)和温度测量模块接口电路图(图4所示)。

    1)CPU输入输出模块
    本系统选用S7—200系列CPU224作为主控制器，集成14输入／10输出共24个数字量I／O点。与CPU224兼容的数字量扩展模块，选用8输入／8输出的的EM223模块，以补充CPU224的数字量输入与输出的不足。

    2)EM231热电偶模块
    本系统对糊化锅和糖化锅的温度进行检测和控制，采用EM231热电偶模块对锅内醪液温度进行检测和读取，EM231热电偶模块将检测到温度模拟量转换成标准数字量，通过CPU发出数字量控制信号，再通过模拟量输出模块将数字量装换成模拟量控制信号输出到调节阀上，从而达到模拟量检测和控制的目的。
    EM231热电偶模块是专门用于对热电偶输出信号进行A／D转换的智能模块。它可以连接7种类型的热电偶(J，K，E，N，S，T和R)，可用于测量0～+／-80 mV范围的低电平模拟信号。可连接4种类型的热电阻(Pt，Cu，Ni和普通电阻)。
2．2 软件设计
    本设计主要任务是控制醪液的温度，通过3次加温、3次保温，对醪液进行处理，根据糊化锅温度控制曲线对糊化锅内的醪液进行加热控制，从而达到要求。系统程序大部分使用梯形图编制，梯形图直观易懂，较多的采用时间继电器，在编写程序中，对每个PLC输出只需分析找到其开关条件，则可以顺序编写，从而使程序简明。

    下面的一段程序是50 ℃时糊化锅温度控制程序，通过对温度控制曲线的分析，用STEP7中的PID指令向导模块对温度达到控制要求。

3 结论
    本系统通过可编程逻辑控制器完成了啤酒糖化工艺的控制过程，附以上位机完成人机对话及数据处理工作，提高了系统的可靠性和灵活性的同时也降低了系统成本。该控制系统已用于国内某啤酒制造有限公司的糖化工艺自动控制生产线，实际应用表明该控制系统具有稳定可靠、生产效率高及节能等特点，达到了改造的要求，为企业创造了巨大的效益。