基于PLC技術(shù)的窖池溫控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

□曾朱 楊東盛 趙汝和/四川大學(xué)錦城學(xué)院

1 引言

酒精發(fā)酵是微生物一系列生命活動的復(fù)雜生物化學(xué)反應(yīng)的物理表現(xiàn)，而溫度又容易影響各類微生物的生命活性。在通常情況下，原酒品質(zhì)主要由窖池中微生物種類、數(shù)量的多少以及發(fā)酵條件共同決定。同時，發(fā)酵過程中窖內(nèi)溫度又不完全是外界溫度所決定的，還與微生物自身新陳代謝有關(guān)。因此，確定發(fā)酵過程各階段溫度變化情況，對控制大曲生產(chǎn)、提高酒精飲品品質(zhì)有著重要意義[1]。目前，國內(nèi)大部分酒類企業(yè)，特別是白酒企業(yè)，仍然依賴半自動生產(chǎn)模式。這種生產(chǎn)模式在釀造過程中會產(chǎn)生較大的人為讀數(shù)誤差和儀器設(shè)備誤差。為了保持白酒的生產(chǎn)質(zhì)量和傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，筆者提出了一種基于PLC的窖池智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的方法。該系統(tǒng)利用熱電阻溫度傳感器周期性休眠和喚醒方式實現(xiàn)窖內(nèi)溫度的收集，能有效減少勞動力的使用，提高溫度控制的準確性。

2 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)的控制對象是溫度，因為現(xiàn)在大部分酒窖池發(fā)酵溫度不低于0℃不高于40℃，所以將溫度可控制范圍設(shè)定為-2～42℃，上下浮動2℃的設(shè)定表示允許溫度出現(xiàn)一個較小的誤差。根據(jù)地窖內(nèi)溫度的周期性采集，通過現(xiàn)場總線與主機通信，比較主機所輸入的溫度值或指令，進而控制窖池內(nèi)的溫度（加熱或冷卻）。必要時可以手動輸入指令來控制終端設(shè)備并調(diào)節(jié)地窖內(nèi)的溫度，人-機互動功能便捷。

該系統(tǒng)主要分為三個層次：終端設(shè)備、PLC和監(jiān)控系統(tǒng)配合作用完成溫度調(diào)節(jié)。終端設(shè)備包括加熱設(shè)備、冷卻設(shè)備和溫度傳感器等。監(jiān)控系統(tǒng)通過總線和通信接口連接上下位機，完成通信。系統(tǒng)的構(gòu)成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于PLC的智能控制系統(tǒng)采用模塊化與總線結(jié)構(gòu)設(shè)計，相較于傳統(tǒng)控制設(shè)備，各部件組合方式比較靈活，并具有良好的可擴展性。

3 硬件配置

3.1 PLC配置

SIMAICS7-300主要配備CPU模塊、輸入輸出接口模塊、通訊模塊、信號模塊、負載電源模塊等。

3.1.1 CPU模塊

采用故障安全型CPU315-2DP，因該型號具有高速運算的能力，可大規(guī)模I/O配置。且CPU315-2DP具備安全I/O模塊參數(shù)化工具和基本功能模塊。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，CPU可以立即進入安全狀態(tài)，以確保設(shè)備和工作人員的安全。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成結(jié)構(gòu)框圖

3.1.2 模擬量輸入模塊

使用SM331模擬量輸入模塊，該模塊能夠?qū)囟葌鞲衅鬏敵龅闹绷麟妷盒盘栟D(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部能夠處理使用的數(shù)字信號。這里的結(jié)構(gòu)為SM331模塊連接一個二線制的AT303一體型溫度變送器，溫度變送器再與溫度傳感器相接。這樣的連接方式可使實際溫度與顯示溫度誤差小于±1℃，此方法不僅能簡化連線、節(jié)約成本，而且系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)也比較緊湊。SM331模塊連接如圖2所示。

3.1.3 模擬輸出模塊

通過SM332，可以較為方便地將CPU發(fā)送給它的數(shù)字信號D/A轉(zhuǎn)換為成比例的電壓信號，從而調(diào)節(jié)或控制執(zhí)行機構(gòu)。

3.1.4 通信模塊

選用CP342-5通信處理模塊，便于高速、強大數(shù)據(jù)交換，減輕CPU的通訊負擔，該通信模塊的最大傳輸率為12 Mbit/s。

3.1.5 電源模塊

該系統(tǒng)不使用SIMAIC配置的電源模塊，而是直接選擇獨立的SIMAICSITOP穩(wěn)壓電源，向繼電器、接觸器、PLC、信號模塊和各種控制設(shè)備提供+24V直流電源。同時，SITOP穩(wěn)壓電源也支持寬范圍輸入、升壓或過載保護功能。

3.2 上下位機配置

主機使用安裝有STEP7V5.0的PC機進行編輯、下載和調(diào)試用戶程序。在WinCC環(huán)境下，工作人員易于控制和操作系統(tǒng)；下位機采用SIMAICS7-300可編程控制器。在該系統(tǒng)中，主機和PLC通過PROFIBUS專用電纜建立通信連接。S7-300的CPU與CPU之間通過PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)、MPI多點通信接口等建立通信[2]。

3.3 傳感器配置

系統(tǒng)使用的Pt100熱電阻式溫度傳感器具有較強的適應(yīng)性和適用性，感溫元件采用陶瓷材料制成。此傳感器是通過電阻分壓的方式獲得電壓信號，并將得到的電壓信號經(jīng)AT303溫度變送器輸送給模擬輸入量模塊進行量程轉(zhuǎn)化，保證得到的數(shù)據(jù)信號更加接近真實溫度。而陶瓷感溫元件則能有效防止窖池中液體的腐蝕，提高傳感器的穩(wěn)定性。

4 溫控系統(tǒng)編程

采用梯形圖進行編程，STEP7有線性編程、結(jié)構(gòu)化編程和分布編程3種方法?；谒璧慕殉販囟瓤赡懿煌蓟驹?～40℃，所以使用結(jié)構(gòu)化編程將所有控制要求相似的窖池統(tǒng)一模塊化編程。

4.1 溫度控制模塊設(shè)計

根據(jù)各種不同種類酒液窖池發(fā)酵溫度不同，采用FB系列溫度模塊來控制溫度變化。在上位機可通訊、繼電器無故障以及PLC自檢通過等狀態(tài)下，采集到的窖內(nèi)溫度經(jīng)過系統(tǒng)比較后，當窖池溫度高于設(shè)定值時啟動冷卻設(shè)備，當窖池溫度低于設(shè)定值時啟動加熱設(shè)備。圖3簡略表述了溫控程序的流程圖（省略了部分功能實現(xiàn)）。

4.2 故障安全設(shè)計

圖2 SM331模塊連接示意圖

圖3 溫控程序流程圖

在系統(tǒng)工作之前，系統(tǒng)應(yīng)當自我檢測PLC和繼電器是否正常工作。因為S7-300PLC有自檢程序和報警程序，如邏輯錯誤檢測、超時故障檢測程序和故障報警等，所以在這里不作贅述。繼電器是否正常工作的判定方法是，通過DO輸出模塊中的冷卻設(shè)備和加熱設(shè)備當前的狀態(tài)以及DI輸入模塊中反饋的中間繼電器狀態(tài)進行異或表示[3]。1和0則分別表示繼電器的故障和正常，繼電器故障時系統(tǒng)報警并且執(zhí)行設(shè)備停止工作。

4.3 上下位機的通訊

該系統(tǒng)在實際運用中編程地址較多，可能造成M存儲區(qū)不夠使用，所以這里添加DB數(shù)據(jù)塊來實現(xiàn)該功能。使用WinCC組態(tài)軟件的計算機可直接連到PLC內(nèi)的DB數(shù)據(jù)塊，并且CP5611網(wǎng)絡(luò)接口卡提供OPC接口，可使用Visual Basic或VisualC#編程語言軟件調(diào)用相應(yīng)函數(shù)，直接操作PLC內(nèi)的DB塊。

系統(tǒng)主要設(shè)有DB1、DB2、DB3、DB4、DB5、DB6等。設(shè)計溫度信息數(shù)據(jù)塊由DB1表示，實際溫度數(shù)據(jù)塊由DB2表示，加熱設(shè)備和冷卻設(shè)備中間繼電器報警信息數(shù)據(jù)塊分別由DB3、DB4表示，加熱設(shè)備和冷卻設(shè)備熱繼電器報警信息數(shù)據(jù)塊分別由DB5、DB6表示。

4.4 報表打印設(shè)計

通過組態(tài)軟件WinCC報表編輯器實時打印歷史數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

利用PLC模擬量輸入模塊進行溫度采集，經(jīng)過有效程序處理后，給予模擬量輸出模塊一個模擬信號并將信號傳輸?shù)接嬎銠C，計算機再經(jīng)過處理比較下達指令，控制設(shè)備運轉(zhuǎn)達到控制要求。較人工生產(chǎn)，PLC技術(shù)應(yīng)用于酒業(yè)生產(chǎn)能取得更好的實際效果，使工藝參數(shù)控制更精確、效果更穩(wěn)定、安全系數(shù)更高。