西门子PLC与组态王在葡萄酒发酵过程控制系统中的应用.pdf

1 匐 似 西门子P L C 与组态王在葡萄酒发酵 过程控制系统中的应用 The appl i ca t i on of si em en s PLC an d Ki ngVi ew i n t he cont r ol sy s t em o f w i ne f er m ent a t i on pr oces s 方 赞，虎恩典 ，李 帅，李晓婷 F ANG Yu n ， HU En d i a n ， L I Sh u a i ， L I Xi a o t i n g 宁夏大学 机械 工程 学院 ，银 川 7 5 0 0 2 1 摘要 按照银川某葡萄酒厂发酵过程控制系统的要求，提出了基于西门子P L C 和组态王的P R OF I N E T 现场总线的控制系统设计方案。该控制系统采用西门子7 - 4 O 0 系9 U c Pu 与E T2 0 O S 组成下位 机 ，上位机采用工控机和组态王软件 ，对采集的数据进行集中管理和实时监控。实践表明， 葡萄酒发酵过程控制系统的控制精度和可靠性都符合控制要求。 关键词 P L C；组态王；葡萄酒发酵；现场总线；控制系统 中图分类号T P 2 7 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 6 1 1 2 上 -0 0 3 9 0 4 Doi 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． is s n． 1 0 0 9 -0 1 3 4． 2 0 1 1 ． 2 E ． 1 5 0 引言 近 几年，中国葡萄酒产业得到不断发展 ，中 国已成为一个葡萄酒的生产大国。怎样提高葡萄 酒 的 质量 ， 已经 成 为 制 约 葡 萄 酒 产业 发展 的核 心 问题 。在葡萄酒发酵过 程中，酵母菌把葡萄汁 中 的还原糖发酵成酒精和二氧化碳 ，这是葡萄酒发 酵 的主 要 过 程 。在 酒 精 发 酵过 程 中 ， 由于 酵 母 菌 的作用及其它微生物的活动 ，还形成挥发酸、高 级醇 、脂肪酸 、酯类等副产物 ，这类成分是葡萄 酒二类香气的主要构成物⋯。控制葡萄酒 的发酵过 程 平 稳 地 进 行 ，就 能 保 证 构 成 二 类 香 气 的 成 份在 葡 萄 酒 中处 于 最佳 的协 调 和 平 衡 状 态 ，从 而提 高 葡萄酒的质量 。因此，本文所论述的葡萄酒发酵 过程 控 制系统具 有很 大 的应用 价值 。 根 据 生 产 要 求 和 葡 萄酒 发 酵 的特 点 ，结 合 计 算机软硬 件技 术、新仪器仪表等，决定采用基于 西门子P L C 和组态王的P R O F I N E T 现场总线的控制 系统 。 1 葡萄酒发酵过程 干 红 葡萄酒 的工艺 流程 如 下 J 葡 萄原 料 一分 选一除梗 、破碎一加二氧化硫 、酒精发酵一分离 或延长浸渍 一过滤、压榨一换桶、后发酵一 低温贮藏一分离一下胶一分离一过滤一装瓶。 分选最好在 田间采收时进行，进厂 以后应注 意 分批 破碎 。除 梗 、破碎 与入料 在破 碎站 中完 成 ，酒精发酵在发酵罐 中进行 。本系统 只研究干 红 葡萄 酒从分 选到 发酵过 程 的控制 。 2 葡萄酒发酵控制系统硬件构成设计 该葡萄酒发酵控制 系统采用西 门子s 7 ． 4 l 4 中 央处理器 C P U型号为CP U 4 1 4 3 P N／ D P做主控 单元，E T 一 2 0 0 S 系 U I ／ O数据采集和控制单元遍布 整个厂区，通过一条P ROF I NE T 现场总线把主控 单元和各I ／ O单元链接到一起 。通过组态王6 ． 5 3 和 P R OF I N E T网络 ，配 以无缝连接的控制程序 ，确 保 该 系统 在 整 个 葡 萄 酒 生产 过 程 中达 到 安全 、高 质、高效、节能的 目的。 2 ． 1控制系统的组成 本 系统需要控制的对象如下破碎站被控量 有 1 2 条 分 拣 输 送机 、4 台破 碎 机 、4 台 螺 旋 机 、4 台螺杆泵 、4 台吸梗机和4 个验糖 辨别按钮 ；4 台 螺杆泵送出葡萄汁 的流量 、糖度；输料管压力 ； 辅 料 添 加 ；2 6 个 主 管 线 分 支 阀 ；4 个 主 管 线 单 向 收稿 日期2 0 1 0 - 0 9 -1 7 作青简介方赞 1 9 8 5一 ，男，湖南邵阳人，硕士研 究生，研 究方向为机 电系统智能控制 ；虎恩典 1 9 5 6一 ，男，宁夏 银川人，教授 ，主要从事智能仪 器仪表和智能控制等研究工作 。 第3 3 卷第2 期2 0 1 1 2 上 【 3 9 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 篷 甸 似 调度室 P G／ PC 远程监控 r b／ L 一 _各尸 鞴 1 J ▲ P G ／ PC 客户 端 2 r TC P ／ I P 网络 服务器 P G ／ P C 电源 C P U4 1 4 3 P h ／ DP 7 -4 0 0 C P U的型号 P R O F I N E T ． 1 ⋯ ⋯ ⋯ 模 拟 量 输 入 l 数 字 量 输 入 l 数 字 量 输 出 l l ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ． ．L ， ．．L 主 主 主 皇 罐 果 输 冷 压 循 冷 破 搅 冷 急 人 循 冷 搅 辅 的 浆 料 冻 缩 环 阀 碎 龙 冻 停 料 环 阀 龙 料 液 流 管 进 泵 和 站 反 机 反 阀 泵 和 反 添 位 量 压 水 气 和 热 机 馈 和 馈 控 和 热 馈 加 和 和 力 和 压 刮 阀 器 和 制 刮 阀 和 液 糖 回 力 渣 反 反 联 压 渣 控 联 位 度 水 反 馈 馈 锁 机 控 制 锁 温 馈 反 制 度 馈 图1控制系统组成 阀；2 3 0 个发酵罐入料阀门；1 1 5 个发酵罐 ，被控 量有温度、液位、循环泵、刮渣 ；搅龙 的启停控 制；2 N冷冻机 ，被控量有冷冻机进水温度、回水 温度、冷冻机工作状态的反馈 ；空压机工作状态 的反馈 。所有的被控量都通过上位机进行实时监 控 ，其中，根据厂家需要和葡萄酒发酵的特点 ， 对发酵罐的温度用P I D 进行控制，入料采用 自动选 线控制，循环泵采用手动和 自动两种控制方式 。 其 余 被控 量 通过 上 位机 实 时 控 制 ，用 手 动达 到 相 应的控制 目的。整套系统需要模拟量输入2 4 7 点， 数字量输入5 5 5 点，数字量输 出6 4 3 点 。控制系统 的组 成如 图l f i 示 。 1 由于该控 制系统需要管理和监控 的数据 较 多 ，所 以将 配 置有 组 态王Ki n g Vi e w软件 无 限 点 的P G／ P C作 为 服务 器 ；另 外为 了实 现 对重 要 数据的同步实时监控，将两个客户端P G／ P C 客户 端1 和客户端2 都配置有6 4 点的组态王Ki n g Vi e w软 件 通 过T C P ／ I P 网络 协议 连 接 到局域 网 ，使二 者 可以与服务器进行通讯，从而起到实时监控一部 分重要数据的作用，减轻服务器的负担。 2 将调 度室 的P G ／ P C 通 过T C P ／ I P 网络 协议 连 1 4 0 1 第3 3 卷第2 期2 0 1 1 - 9 上 接 到该 局域 网 ，即 可 实 现 对 数 据 的 远 程 监 控【3 J o 2 ． 2控制系统选型及配置 西 门 子 S 7 4 0 0 型 P L C的CP U模块 的选 择 主 要 考 虑 存 储 容 量 、运行 速 度 、有无 DP口 、 I ／ O模 块 扩 展 能 力 以 及 计 时 器 和 计 数 器 的数 量 等指标 。 综 合分 析 所要 控制 的 对 象及 其要 求 ，选 用 CP U4 1 4 3 P N／ DP。电 源 模 块 主 要 是 为 CP U 及接 口模块 供 电，所 以I ／ O模块 、接 口模块 和 CP U模 块 所 需 电 流 之 和 应 小 于 电 源 模 块 的额定电流 。I ／ O模块 的选择 主 要根 据控 制 对 象 ， 同 时 还 要 留 有 1 0 ％～ 1 5 ％的余 量 。西 门子S 7 4 0 0 P L C与E T 2 0 0 S I ／ O 模块的配置如表1 所示。 表1西门子 7 - 4 0 0 P L C与E T 2 0 0 S I ／ O模块的配置 序号 名称 订货号 数量 1 S 7 ． 4 0 0底板 6 E S 7 4 O 1 1 D A0 1 O AA O 1 2 CP U 41 4 ． 3 P N／ DP 6 ES 7 4 1 4 3 E M 0 5 O AB0 1 3 电源 6 E 7 4 0 7 0 D A0 2 O AA O 1 4 电池 6 E S 7 9 7 1 0 B A0 0 1 5 存储 卡 6 E 7 9 5 2 l K KO 0 O AA 0 l 6 E T 2 0 0 S接 口模块 6 E 7 1 5 1 3 A A2 O 0 AB 0 1 1 6 7 存储卡 6 E S 7 9 5 3 8 L F 2 0 0 A A0 1 1 6 8 电源模块 6 E S 7 l 3 8 4 C A0 1 0 A A0 l 1 6 9 端子模块 6 E S 7 l 9 3 4 2 C 2 0 0 从 0 l l 6 1 0 数字量输入 2 D I 6 E S 7 l 3 1 4 B B 0 0 O AA 0 5 1 1 数字量输入 4 DI 6 E S 7 1 3 1 4 B D0 0 0 AA0 2 5 1 2 数字量输 出 2 D O 6 E S 7 l 3 2 4 B B 0 1 0 AA O 2 5 l 3 数字量输 出 4 D O 6 E S 7 1 3 2 4 B D0 2 0 AA0 2 6 1 4 模拟量输入 2 AI 6 E S 7 1 3 4 4 G B 0 1 0 A B 0 1 2 1 上 位机 的配置如 表2 所示 。 另外，根据实际要求 ，采用R P ma g 6 0 系列智 能型电磁流量计来测量螺杆泵送 出葡萄汁的瞬时 流量和累计流量；螺杆泵的运行与否作为添加二 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、 l 訇 表2 上位机的配置 序号 名称 数量 备注 1 工控机 4 戴尔 2 绀态 王廷仃狗 尢 限点 1 北京亚控 公司 3 组态王开发运行狗 6 4 点 2 北京亚控 公司 4 两门予S T E P 7 编程软件 1 版本V 5 ． 4 5 组态 K i n g V i e w软件 1 版本6 ． 5 3 氧化硫运行的 自动 启停开关 ，以螺杆泵输送葡萄 汁的瞬时流 量作为二氧化硫的添加基 础，以技术 工 艺 室 的工 艺 指 令 为 添 加 依 据 ，通过 二氧 化 硫 恒 定 流 量输 出下 自动 间断 控 制 实 现 定量 添加 。采 用 意 大 U S E KO公 司专 用 泵控 制辅 料 二氧 化硫 添加 ； 采 用 S M一 2 0 0 在 线 验 糖 仪 测 定 葡 萄 含 糖 量 ；采 用 P t l 0 0 铂 电 阻检 测 发酵 罐 的温 度 ；采 用C T V一 5 系列 静压 式液 位变 送器 检测发 酵罐 的液 位 。 3 葡萄酒发酵控制系统软件设计 本 系统使用S T EP 7 的结构化编程方法进行编 程 。 系统 的控制 程 序 的程 序结 构 如 图2 所 示 ，其 中 0 B1 、OB 3 5 是组织块，0 B1 为主程序 ；F CX X的 值为1 ～1 7 、1 9 2 2 、2 5 2 7 、3 2 3 4 是功能程序 块；F B 5 9 是S T E P 7 软件 “ 标准库P I D控制”中的温度 控制器 ，D B 1 1 D B 5 2 是F B 5 9 的背景数 据块 。 F C1 F C I O 、F C1 7 、F C 3 2 、F C 3 3 、F C 3 4 为 入 料 自动选 线 控 制 ；F C1 2 和F C1 1 将 采 集 的生 产现场 循 环 F c l ～ F C 1 0 l 厂 开 始 L F C 1 7 、F C3 2、 FC33、 FC3 4 [ F C 12 二 F C I1 ] r ] 。广 1．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． __J 1．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． [ 二 二 F C 1 6 l 操 [ F C 1 9 l 作 [ 二 二 F C 2 0 、 F C 2 1 l 系 二 二 F C 2 2 I 统 [ 二 二 F C 2 5 、 F C 2 6 、 F C 2 7 l ．1 0二 [■二] { 竺 l D B l l ～ D B 5 2 l 3 { r 二 F C 1 3 J ．． 二[ F C I 4 、 F C 1 5 l 图2程序结构 的数 据 模 拟 量 “ 规范 化 ”为 0 ～ 1 5 0 ℃ 温 度 ， 0 ～ 1 5 m 液位 ，O ～ 1 MP a 压 力 ，0 5 0 m3 ／ h 流 量 ，0 ～3 0 。 含糖 量 ，1 。 1 0 g ／ L， 以 上数 值全 为 浮 点数 ；F C1 6 为 软手 动 控制 ；F C1 9 为 通过螺杆泵反馈进行主 阀控制 ；F C 2 0 、F C2 1 分别 为打 开 和 关 闭循 环 电机 控 制 ；F C 2 2 为搅 龙 控制 ； F C 2 5 、F C 2 6 、F C 2 7 分 别为 冷媒 回路 错程 序 、热媒 回路错程序和循环回路错程序 ；OB 3 5 调用功能块 F B 5 9 进行P I D 控制算法，其输出控制每个罐的冷阀 和热阀；F C1 3 为流量对应到罐的子程序；F C1 4 为 将测得的糖信号对应到罐上 的程序；F C1 5 为糖量 转换程序。P I D 控制算法的采样时间为1 0 秒。 3 ． 1入料 自动选线控制 在葡萄酒发酵之前，必须先将破碎完毕的葡萄 送 入发 酵罐 中 即入 料 ，根据 入料特 点 ，设计 了 葡萄酒发酵入料 自动选线控制系统，如图3 所示。 图3葡萄酒发酵入料 自动选线控制画面 首先对发酵罐进行编号 1 ～ 1 1 5 ，具体 控 制思 路如 下 第一 种控 制 方 法 将 l 1 5 个罐 按排 分 组 ， 当需 要对 某一 排发 酵 罐 入 料 时 ， 只需 用 鼠标 将 控制 该 组 的泵和组别点亮 见图3 左侧画面，相关的泵 和 阀全 部打 开 ，即入料 开 始 ； 第二种控制方法 如需对罐进行单个控制 ， 用 鼠 标 直 接 点击 该 罐 的 标 号 即 可 如 图 3 右 侧 画 面 。 3 _ 2 发酵罐温度控制 红 葡萄酒 的发酵温度直接影响葡萄酒 的感官 质量 。温度过低，红葡萄皮 中的丹宁、色素不能 充 分 浸 渍 到 酒 里 ，影 响成 品酒 的 颜 色 和 口味 ；温 度过高 ，使葡萄的果 香遭受损失 ，影响成品酒香 气 。因此 ，应严格的将发酵温度控制在需要的范 第3 3 卷第2 期2 0 1 1 2 上 【 4 1 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 造 訇 矽 似 围内。 发酵结束或认为干预，其控制过程如图5 所示。 发酵罐温 度控 制包括冷水 阀门控 制、热水 阀门 控制、手自动工作模式切换、温度报警等功能。 发 酵 罐 温 度控 制 采 用带 死 区 的 回差 控 制 ，设r一 定一个 上 限S P 1 和一 个下 限S P 2 。当温 度测量值 P V l 竺兰 大于上限S P 1 ，并且与上限的差值大于死区的值的 时候，打开冷媒模式。同理，当温度测量值P Vd x 于下限S P 2 ，且 与下限的差值大于死区的值 的时 候，打开热媒模式。控制过程如图4 所示。 ／、 兰 竺 竺 兰 二 竺 竺 竺 判断P V是否大于上限 S P I I {判断 P V是否小于下限 S P 2 否I． 是l I是 _ J 一一 否 P I D 运算 I软手动 I P I D运算 手 自动开关 自动 手 动 按 钮 冷 阀 】 【 热 阀 按钮 图4 发酵罐温度控制的程序流程 工作站或工程师站登陆后 ，使用 鼠标在手动 和 自动之间切换实现软手动 。软手动切换后可通 过组态王人机界面的控制按钮控制阀门。现场控 制箱上带有硬件手 自动转换 ，切换后可用现场按 钮直接操作冷热媒阀门的开关。 报警 功 能 的 启用 是 在 预 定 的控 制 功 能和 相 关 操作没有按预期实现时予 以启动 。有 以下两种报 警 方式 1 罐体边的声光报警，通过现场控制箱上的 智能控制仪表，驱动报警器实现温度的报警。 2 统一的语音报警，由中央处理器运算后得 出的报警驱动信息，驱动提前录制的报警语音文 件，在语音播放喇叭中循环播放。 3 ． 3循环泵控制 根据原酒发酵工艺 ，在发酵过程 中，需要不 定时的将发酵罐中的发酵液进行循环控制，以使 其达到工艺要求。原酒循环泵控制通过系统中的 比较变量计数器来选通计时器，通过计时器比较 选通 控 制 循环 泵 回路 。按 照预 先 设 定 好 的运 行 、 静 置 的时 间 自动 循 环运 行 ，直到 达 到 预定 时 间或 “4 2 1 第3 3 卷第2 期2 0 1 1 - 2 上 开 泵 手 自动 切换 发酵启停按钮 ；预设时间 开泵计时器计时 累计值“ - T k 泵启动 L - _ ． J 累计值T k 循环时间t k 停 泵计 时器计 时 累 计值 T t 1 ． _ -一 泵 停止 累计值 Tt 停 止时 间 t k 图5循环泵控制的程序流程 3 ． 4 上位机的组态 上 位 机 管理 及 监 控 系统 用 组 态 王 Ki n g Vi e w 软 件编程 实现 。监控对 象有 破碎站 压力 、 流量、报警 、进料 系统等 ；发酵罐 温度、液 位 、流量、容量、冷 阀、热阀、气囊阀、循环工 艺 、手 自动 等 。 图形画面的建立依照监控系统开发步骤 ， 在确定了I ／ O点以及相关I ／ O 设备的基本情况之后， 就可以新建一个工程，然后根据实际现场 的情况 制作 图形画面。这里建立的画面主要有车 间总 览画面 、破碎站画面图、系统控制画面、人料 自 动选线控制画面、数据总表、循环设定画面、循 环画面、含糖量界面 、运行参数设定界面、历史 查询 画面 等 。图6 为 系统控 制 画面 。 图6 系统控制画面 4 结束语 该 控 制 系统 在现 场 运 行近 一 年 时 间 ，实 践 证 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、 l 甸 明 ，该 系 统 设 计 合 理 ， 运 行 可 靠 ， 抗 干 扰 能 力 强 ，很 好 的 满 足 了工 艺 要 求 。该 系统 的 成 功使 用 不仅使操作简单方便 ，同时保证 了葡萄酒生产过 程 的清 洁 卫 生 ，优化 了生 产 工 艺 ，提 高 了生 产效 率 ，给企 业带 来 了 良好 的经 济效 益 。 参考文献 【 1 】李永锋 ． 葡萄酒 厂发酵控制 系统 [ J 】 ． 中外 葡萄与葡萄 酒， 2 0 0 6 ， 2 4 5 4 7 ． 【 2 】司合芸． 干红葡萄酒关键工艺研究【 J J ． 江苏 江南大学， 2 0 0 6 ． 【 3 】北京亚控公 司组 态王6 ． 5 2 使用手册【 z 】 ． 2 0 0 6 ， 9 9 9 1 0 4 4 ． 【 4 】廖 常初． s 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用 技术【 M】 ． 北京 机 械工业 出 版社， 2 0 0 8 ． 【 5 ]王 少华． 葡萄酒酿 造的工艺控 制． 葡 萄栽培与酿酒 ， 1 9 9 4 ， 3 2 6 3 2 ． 【 6 】 袁秀英． 组态控制技术【 M】 ． 北京 电子工业 出版社， 2 0 0 4 ． 盎‘ { { {出I { { _ 眚 缸{ {兜‘ 盘‘ { {缸{ 毒 { { {盎‘{ {＆‘ 专 { { 【 上接第2 5 页】 施 数 据 处 理 调 节 。从 最 后 的 结 果 显 示 如 表 1 所 3 6 o 示 ，T P MS 使用数据帧周期性刷新之后，其频率 轮 变得更加准确 ，未 出现远程帧与错误 帧，这些说 3 4 o 明 T P M s 节 点 在 网 络 里 可 以 保 证 信 息 的 正 确 传 输 。 辈3 20 3 ． 2 无线传输测试 轮 胎 内 部 气 压 KPa 轮 胎 内 部 气 压 KPa t ／mi n a 左前轮胎气压数据 t ／ mi n ． b 右前轮胎气压数据 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 t ／mi n C 左后轮胎气压数据 轮 胎 内 音 B 温 度 ‘℃ 轮 胎 内 部 温 度 ℃ 轮 胎 内 部 温 度 ℃ 0 5 0 1 O 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 t ／ m 轮 胎 内 部 温 度 ℃ d右 后 轮 胎 气 压 数 据 图3 T P MS 的车载路测数据 曲线 无线 传感 器通 常设 置 于轮毂 上 ， TP MS 接 入 C A N网络之后与T P MS 专用数据测试系统在对轿车 性 能检 测 。如 图3 a 、 b 、 C 、 d 所 示 ，其 主 要 是左 前、右前 、左后、右后等各个位置的轮胎 ， 图标 显 示 的为4 h 里 轮 胎气 压 、温 度 等数 据 的变 化 情况。图3 中观察，被检测轿车的气压和温度均达到 了4 6 帧以上，信号的接收程度超过9 5 ％，轮胎气压 和温度变化情况显著，进而显示出轮胎内部信息。 4 结论 若 轿 车 总线 通 信 网络 接 入TP MS 系统 后 ， T P MS 节点未发生异常情 况，使用帧刷新时间间 隔 标 准 ， 整个 系统 的运 行 状 态 较 为稳 定 ，且 实 际 性能可达到具体要求 。将此系统运用在轿车行驶 时 ，可以对气压 、温度等情况做 出反应 ，以保证 信 息数据 的准 确性 。 参考文献 [ 1 ]臧怀 泉， 田超 ，赵 保军． 嵌入式汽车轮胎气压监 测系统设计 [ J ] ． 北京理工大学学报， 2 0 0 8 ， 1 0． 【 2 】郭辉萍， 蔡文锋， 刘学观 ， 等． 一种新型组 合式 多频带 天线 的设计 与实现 【 J 】 ． 电波科学学报， 2 0 0 8 ， 0 2． 【 3 ]秦拯 ， 胡建国， 姚丽娜 ， 等． 胎压监 测系统研 究与应用 【 J 】 ． 微 处理 机 ， 2 0 0 9 ，0 2 ． 第3 3 卷第2 期2 0 1 1 - 2 上 [ 4 3 1 加 ∞ 如 ∞ 如 如 加 ∞ 如 加 如 加 加 ∞ 如 如 加 加 ∞ ∞ ∞ 如如 ∞ 加 ∞ 踟 3 3 3 3 2 轮胎内部气压 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m