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1、第一章 绪 论1.1 课题的来源、目的及意义 我国的啤酒市场非常巨大，国内生产啤酒的企业数以百计，但与国外的主要啤酒生产厂家相比大部分企业技术落后，大部分处于手动控制阶段，只有极少数企业实现半自动化。由于啤酒生产是一个利用生物加工进行生产的过程，生产周期长，过程参数分散性大，传统操作方式难以保证产品的质量。近年来，国外的各大啤酒生产厂家纷纷进军中国市场，凭借技术优势与国内的啤酒生产厂家争夺市场份额。国内的啤酒行业迫切要求进行技术改造，提高生产率，保证产品质量，以确保在激烈的市场竞争中立于不败之地。啤酒发酵是啤酒生产中最重要的一道工序，是决定啤酒质量的最关键的一步。按现在的生产工艺，生产周期一般
2、在十五天左右，要求发酵液的温度严格按照一定的工艺曲线变化。温度控制精度在士0. 5范围内，这样的控制精度单凭传统的热工仪表加上手工操作方式是完全不能满足要求的，但目前国内的不少生产厂家都是采用这种生产方式。这就要求生产工人24小时中监视啤酒发酵的温度变化，根据偏差去调节冷媒的流量阀。这种方式，工人的劳动强度大，而且质量难以控制。国外的著名啤酒生产厂家大部分都实现了自动化控制在保证产品质量的同时缩短了生产周期。为此，在国内啤酒行业中实现自动化生产是十分迫切的。啤酒的发酵过程能实现自动化后，工人的劳动强度将大大地减小，同时啤酒的质量与生产都有望升上一个新的台阶，企业通过技术改造增加了市场竞争。另一
3、方面，不少化工生产过程都具有相似性，因此我们研制的这一套控制系统性价比高，以后还可以推广到其他很多化工厂生产的场合。应用前景乐观，能产生较大的社会经济效益。1.2 国内啤酒生产过程控制概况我国啤酒的产量已逐步发展，但产品质量必须达较高水平，花色品种也必须赶上去，才能适应日益变化的消费者的需求，这就要求国内的啤酒生产厂家改变传统的生产工艺，更新生产设备以满足市场的需求。主要有以下几方面：1. 引进国外控制技术例如：福建惠泉啤酒厂创下“十五”啤酒酿造技术新亮点无菌酿造技术，并进口德国Thiemt公司的各种先进仪器和德国著名的高德曼(Kottermann)实验室，创造了世界一流的现代化啤酒控制系统；
4、北京燕京啤酒厂引进德国施密特公司专用的先进设备；北京华尔森啤酒厂从捷克全套引进生产设备；北京华都啤酒厂从丹麦引进生产设备；上海华光啤酒厂从瑞士引进生产设备等。引进设备的最大特点是自动化水平比较高，从而能严格满足啤酒生产工艺的要求，因此产量较高，质量较稳定。但是引进设备价格昂贵，使一般小厂望尘莫及。 2. 国内科研院所、专业公司根据国情自行研究的技术由于引进设备的成本非常高，因此，尽快地研制出自动化水平较高的啤酒生产设备，以适应国内啤酒生产的需要，也成为国内一些科研部门的热点。1988年北京核工程研究院研制的“PRS-80型啤酒发酵控制系统”在伊春啤酒厂投入使用，其硬件配置分上位机和现场工作站两
5、层，控制方案采用单变量温度控制:1993年国家轻工业部自动化研究所研制的“PW-40啤酒发酵微机控制系统”在厦门华侨啤酒厂投入使用，其控制方案也是采用单变量温度控制；1994年北京科海测控工程部研制的“CMCM啤酒发酵微机测控系统”在无锡市太湖水啤酒厂投入使用，其硬件配置上位机采用80386，配合了一个小型局域网络，现场控制机采用Z80单板机，控制方案采用单变量控制，并设有液位检测；合肥廉泉啤酒(集团)公司为了增强企业的整体实力，提高产品档次，在1999年3月竣工完成糖化及发酵自控系统，从而使扩建6万吨啤酒生产系统的技改工作胜利完成。3. 厂内自行研究国内中小企业结合本厂生产实际自行研究的自动
6、化仪表加手动的生产控制技术，造价低，效果一般，符合企业目前的状况，但不能满足企业长远发展的需求。从上述情况看，我国的啤酒生产设备与发达国家相比有较大的差距，还处于起步阶段。1.3 计算机控制系统在发酵过程中的应用 发酵过程计算机上控制，特别是微机控制，己经在我国发酵工业中推广应用，我国大型的发酵罐有7000多台，若都能用微机控制，发酵效益的提高是十分可观的。发酵过程中微机控制应用，早期的有多STD总线的微机系统，最近的有工业PC机系统，这些系统比较简单，价格便宜，使用灵活方便，但是软件开发的工作量较大，用户修改控制方案较麻烦，近来，有各种不同改进型的微机系统供发酵过程控制应用。随着的小型集散控
7、制系统在工业生产过程中的应用，在发酵工业上现已采用先进的集散控制系统来控制发酵过程。例如，用YEWPAK, N-90, 11L, JX, FOCUS等中小型集散控系统控制青霉素发酵，谷氨酸发酵等。随着微机在发酵过程控制中的应用不断发展，各种测量传感器、二次仪表和执行机构的完善，发酵罐系统完全自动化操作和控制的目的就可以实现。1.4 发酵过程控制方法概述 微生物的发酵过程，机理十分复杂，影响微生物生长的因素错综复杂，很难用精确的数学模型来描述这一发酵过程。发酵试验的实验数据重复性较差，这对数学模型的建立也带来了许多困难。然而，人们借用微机这一先进的科学工具，为解决发酵过程参数的测量。数据管理与分
8、析，发酵过程优化控制开创了新局面。1.5 发酵过程直接数字控制(DDC) 使用微机可以取代各种控制仪表，实现多回路PID及各种高级控制功能。同时，也可以省去各种显示，记录，报警仪表。利用微机的功能，对发酵过程的各种后参数，状态和数据，可以进行实时在线的优化管理。如报表打印，各种参数的趋势显示图，操作工艺流程图，报警信息图等。这对于发酵过程的操作监控即直观又方便，也大大减轻了工人的工作量，提高了效率。第二章 啤酒发酵工艺概述2.1 啤酒生产工艺简介 啤酒生产过程主要包括糖化、发酵以及过滤分装三个环节。(1) 糖化 糖化过程是把生产啤酒的主要原料与温水混合，利用麦芽的水解酶把淀粉、蛋白质等分解成可
9、溶性低分子糖类、氨基酸、脉、肤等物质，形成啤酒发酵原液麦汁。 (2) 发酵 图2.1 发酵温度工艺设定曲线 啤酒发酵是一个微生物代谢过程，简单的说是把糖化麦汁经酵母发酵分解成C2H5OH， CO2， H2O的过程，同时还会产生种类繁多的中间代谢物双乙酞、脂肪酸、高级醇、酮等，这些代谢产物的含量虽然极少，但它们对啤酒的质量和口味的影响很大，它们的产生主要取决于发酵温度。一般认为，低温发酵可以降低双乙酞、脂类等代谢物的含量，提高啤酒的色泽和口味；高温发酵可以加快发酵速度，提高生产效率和经济效益。总之，如何掌握好啤酒发酵过程中的发酵温度，控制好温度的升降速率是决定啤酒生产质量的核心内容。啤酒发酵是个
10、放热过程，如不加以控制，罐内的温度会随着发酵生成热的产生而逐渐上升，目前大多数对象是采用往冷却夹套内通入制冷酒精水混合物或液氨来吸收发酵过程中不断放出的热量，从而维持适宜的发酵温度。整个发酵过程分前酵和后酵两个阶段，发酵温度的工艺设定典型曲线如图2.1所示。不同品种、不同工艺所要求的温度控制曲线会有所不同。 (1) 前酵 这个阶段又称为主发酵。麦汁接种酵母进入前酵，接种酵母几小时以后开始发酵，麦汁糖度下降，产生CO2并释放生化反应热，使整个罐内的温度逐渐上升。经过23天后进入发酵最为旺盛的高泡期再经过23天，糖度进一步降低，降糖速度变慢，酵母开始沉淀，当罐内发酵糖度达标后进行降温转入后酵阶段。
11、普通啤酒在前酵阶段，一般要求控制在12左右，降温速率要求控制在0.3 0C /h。(2) 后酵 当罐内温度从前酵的12降到5左右时后酵阶段开始，这一阶段最重要的是进行双乙酞还原，此外，后酵阶段还完成了残糖发酵，充分沉淀蛋白质，降低氧含量，提高啤酒稳定性。一旦双乙酞指标合格，发酵罐进入第二个降温过程，以0.150C/h的降温速率把罐内发酵温度从5降到0-1左右进行贮酒，以提高啤酒的风味和质量。经过一段时间的贮酒，整个发酵环节基本结束。 通常发酵液温度在不同的发酵阶段，对罐内发酵液的温度场要有相应的要求：在前酵阶段希望发酵罐内从罐顶到罐底有一正的温度梯度，即从控制上层温度为主，以利于发酵液对流和酵
12、母在罐内的均匀混合；在后酵阶段，则要求发酵液由卜到下有一定的负温度梯度，即控制以下层温度为主，便于酵母的沉淀和排除。(3) 啤酒的过滤和灌装 前、后酵结束以后，啤酒将通过过滤机和高温瞬时杀菌进行生物以及胶体稳定处理然后灌装。啤酒过滤是一种分离过程，其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母细胞和其它混浊物从啤酒中分离出去，否则这些物质会在以后的时间里从啤酒中析出，导致啤酒混浊，目前多采用硅藻土过滤方式。如果啤酒中仍含有微生物(杂菌)，则微生物可以在啤酒中迅速繁殖，导致啤酒混浊，其排泄的代谢产物甚至使啤酒不能饮用。杀菌就是啤酒在灌装之前对其进行生物稳定性处理的最后一个环节。至此，一个啤酒和生产周期结束。
13、2.2 啤酒发酵过程温控对象的特点发酵罐是啤酒生产的主要设备，图2.2为圆筒锥底发酵罐示意图，酵母在罐内发生反应而产生热量，使麦汁温度升高，因此在罐壁设置有上、中、下三段冷却套，相应的设立上、中、下三个测温点和三个调节阀，通过阀门调节冷却套内冷却液的流量来实现对酒体温度的控制。以阀门开度为控制量，酒体温度为被控量。该广义对象是一个三输入、三输出的多变量系统，机理分析和实验表明啤酒发酵罐的温控对象不同于一般的工业对象，主要有以下几个方面的特点：(1) 时滞很大 图2.2 圆筒锥底发酵罐示意图 在整个发酵过程中，由于生化反作用产生的生化反应热导致罐内发酵温度的升高，为了维持适宜的发酵温度，通常是往
14、发酵罐冷却夹套内通入酒精水或液态氨，来带走多余的反应热。由于罐内没有搅拌装置和加热装置，冷媒发酵液间主要依靠热传导进行热量交换，发酵液内部存在一定的对流，影响到测温点，这就使得控制量的变化后，要经过一段时间，被控量才发生变化，因此这类系统会表现出很大的时滞效应。例如一个120m3啤酒发酵罐温度响应的滞后时间一般在530min之内变化。(2) 时变性 发酵罐的温控特性主要取决于发酵液内生化反应的剧烈程度。而啤酒发酵是从起酵、旺盛、衰减到停止不断变化的间歇生产过程，在不同的发酵阶段，酵母活力不同，造成酒体温度特性变化，因此对象特性具有明显的时变性。(3) 大时间常数 发酵罐体积大，发酵液体通过罐壁
15、与冷却水进行热交换的过程比较慢。(4) 强关联 因为罐内酒体的对流，所以在任一控制量的变化均会引起三个被控量的变化。 在分析对象特性的时候，由于受到认识上的限制，往往也不能确切掌握工业过程中各种物理、化学变化的本质特征，这也必然会导致获取的对象特性与实际特性存在难以确定的偏差。例如啤酒生产过程酵母特性、原料特性等许多因素的变化都会引起被控系统特性参数的变化和摄动，而这些因素在实际系统中都是很难在线或实时获取的。第三章 硬件电路设计3.1 概述根据总体设计要求，控制系统得结构框图如图3-1所示。图3-1 系统结构框图 在系统总体构思时，主要遵从以下几点原则： 1. 可靠性设计原则 设计过程的首要
16、考虑的因素是可靠性，由于啤酒发酵是一个连续生产过程，要求设备长时间运行，正常情况下一年才停机大修一次，因此，对硬件可靠性提出较高的要求。 为了达到可靠性要求，在设计时采取了以下措施：a. 尽量采用标准的元器件和电路；b. 简化设计； 此外，设计中尽量使用集成度高的元件或模块，减少元件的数量。这既符合抗干扰需要也符合可靠性原则。当然，也不能盲目地追求新奇器件，还要考虑其性能价格比、货源等问题，以便于投入生产。 2. 技术先进、生命周期长 3. 性能/价格比高3.2 模拟量输入通道3.2.1 模拟量输入通道的一般结构形式1. 单路模拟量输入通道的结构(1) 传感器其作用是把工业现场的各种非电量检测
17、出来，并转换成相应得电信号。如热电偶能把温度的高低转换成相应的热电动势、应变桥式荷重传感器能把受力的大小转换位相应得电位差。(2) 信号调理电路信号调理电路的作用是将传感器输出的信号作适当的处理，使之成为适合A/D转换得电压信号。主要包括信号的滤波、放大、隔离、变换以及线形化处理内容，其中有些环节如滤波、线形化处理等可通过软件实现。(3) 采样保持器（S/H）一般来讲，要输入的模拟信号都是变化的。计算机在对模拟信号进行离散采样时，需要得到它某一时刻的瞬时值，并能将这一瞬时值保持到A/D转换结束。采样保持器就是实现这一功能的电路。当输入的模拟量信号变化缓慢时，也可省去采样保持器。(4) A/D转
18、换器A/D转换器的作用是将输入的模拟信号的采样值转换为相应得数字信号。2. 多路模拟量输入通道的结构(1) 多通道并联输入由若干个单路模拟量输入通道组成。常用于高速系统中，可对各个模拟信号同时进行A/D转换。(2) 多通道共用A/D转换器在系统中增加一个多路开关，这种形式的A/D转换器可对各路模拟信号依次进行A/D转换，由于转换时分时进行的，故工作速度较慢。多路开关的作用事当多路输入时，能按要求切换多路模拟信号，确保要求的某一路模拟信号引入A/D转换器。3.2.2 模拟量输入通道设计中应考虑的问题模拟量输入通道是计算机控制系统的信号采集通道，在设计中必须考虑到信号的拾取方式、信号的调理、A/D
19、转换以及电源的配置等问题。1. 信号的拾取方式在模拟量输入通道中，首先要将工业现场的各种非电物理量，如压力、温度、液位、流量等转换成电量。根据这一要求，信号的拾取可以通过敏感元件、传感器及测量仪表来实现。(1) 通过敏感元件拾取被测信号。敏感元件能将被测的物理量变换成电流、电压或R、L、C参数变化。一般来讲，敏感元件体积小，可以随拥护要求及环境特点做成各种形状的探头。如果被测环境较特殊，而无现成的传感器可用，只能选择合适的敏感元件。对于R、L、C参量型敏感元件，要设计相应的电路，使这类参数变换成电流或电压量。(2) 通过传感器失去被测信号。这是计算机控制系统中使用最多的一种信号拾取方式。它将敏
20、感元件、测量电路、传输构件等配以合适的外壳做成各种外形，以满足不同的要求。一般传感器均为电量输出，可以是电压或电流，有的还直接输出频率信号，无需再通过A/D转换即可输入计算机。(3) 通过测量仪表拾取被测信号。目前有许多测量仪表，如热工、化工行业的各种调节仪表、市售的各种测量仪表，它们的测量电路配置较完善，一般都是大信号输出，有的还直接输出数字量，可大大简化模拟量输入通道的结构。但其售价远高于一个传感器的价格。2. 信号的调理在模拟量输入通道中，信号调理的任务是将传感器输出的电信号或R、L、C参数的变化转换为满足A/D转换要求的电压信号。在一般的测控系统中，信号调理的任务较复杂，除了信号放大和
21、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正、量程切换等。但在计算机控制系统中，许多环节都可以通过软件来实现。因此，模拟量输入通道中信号调理的重点为小信号放大、变换及信号的滤波等。3. A/D转换器4. 电源配置模拟量输入通道中要完成信号的拾取、调理、转换等复杂任务。在信号拾取时，要考虑对传感器的供电。在信号的调理、转换电路个可能回有一些特殊的期间要求特殊的供电。因此，在模拟量输入通道靠近被测对象，而且传感器输出的常常是小信号，因此，模拟量输入通道是干扰侵入的主要渠道，在电源配置时要充分考虑到干扰的隔离与抑制。3.2.3 A/D转换器3.2.3.1 A/D转换的基本概念A/D转换的
22、功能是把模拟量电压转换为N位数字量电压。1. A/D转换器的模拟量电压是连续的。由于A/D转换器完成依次转换需要一定的时间，A/D转换只能间断地进行，因此输出的数字量电压是不连续的，称为离散量。采样之后，A/D转换所得的结果是一个个孤立的点。每个点的纵坐标代表某个数字量，其值与采样时刻的模拟量相对应。如果在相邻两次采样时刻之间，A/D转换输出的数字量保持前一时刻的值，那么A/D转换的输出就是一条阶梯形的曲线。2. 两次采样的时隔时间称为采样周期。为了使输出量能充分反映输入量的变化情况，采样周期要根据输入量变化的快慢来决定。而一次A/D转换所需要的时间显然必须小于采样周期。3. 拟量表示为相应的
23、数字量，称为量化，数字量的最低位即最小有效位1LSB，与此相对应的模拟电压值称为1个量化单位。如果模拟电压小于此值，不能转换为相应的数字量。这表示了这个A/D转换器的分辨能力。3.2.3.2 A/D转换的主要性能指标1. 分辨率 习惯上以输出的二进制位数或BCD码位数表示。如一个输出为8位二进制的A/D转换器，称其分辨率为8位。或者用对应于1LSB的输入模拟电压来表示。分辨率也可以用百分数来表示，例如8位A/D转换器的分辨率百分数位（1/256）*100%=0.39%。2. 量化误差A/D转换是用数字量对模拟量进行量化。由于存在着最小量化单位，在转换中就会出现误差。3. 转换精度这是指一个实际
24、的A/D转换器与理想的A/D转换器相比的转换误差。绝对精度一般以LSB为单位给出。性队精度则是绝对精度与满量程的比值。不同厂家（公司）生产的A/D转换器6其转换精度指标的表达方式可能不同。有的给出综合误差指标；有的给出分项误差指标，有失调误差（零点误差）、增益误差（满量程误差）、非线性误差和微分非线性误差。(1) 失调误差 又称为零点误差，这是指当输入模拟量从0逐渐增长使输出数字量从00跳至01 时，输入模拟量实际数值与理想的模拟量数值（即1LSB的对应值）之差。这反映了A/D转换器零点的偏差。一定温度下的失调误差可以通过电路调整来消除。(2) 增益误差当输入数字量达到满量程时，所对应的输入模
25、拟量与理想的模拟量数值之差，称为增益误差或满量程误差。计算此项误差时应将失调误差除去。一定温度下的增益误差也可以通过电路调整来消除。(3) 非线性误差这是指实际转换特性与理想转换特性之间的最大偏差，它可能出现在转换曲线的某处。此项误差不包括量化误差、失调误差和增益误差。它不能通过电路调整来消除。(4) 微分非线性误差在A/D转换曲线上，实际台阶幅度与理想台阶幅度（即理论上的1LSB）之差，称为微分非线性误差。如果此误差超过1LSB，就会出现丢失某个数字码的现象。在上述几项误差中，如果失调误差和增益误差能得到完全补偿，那么只需考虑后两项非线性误差。需要指出的是精度所对应的误差指标中未包括量化误差
26、，因此实际的总误差还要把量化误差考虑在内。4. 转换时间这是指A/D转换器完成一次转换所需要的时间。其倒数为转换速率。5. 温度系数表示A/D转换器受环境温度影响的程度。一般用环境温度变化1摄氏度所产生的相对转换误差来表示，以PPm/C位单位。3.2.3.3 A/D转换器的选择A/D转换器的选择应依系统要求，从转换精度、转换速度、通道数量、价格及器件来源诸方面综合考虑。一般来讲，双积分型A/D转换器电路简单，抗干扰性能好，精度高，价格便宜但速度慢，在速度要求不高的系统中宜选用双积分型A/D转换器。逐次逼近型A/D转换器的电点是转换速度快，转换时间不随输入信号的高低变化，精度有高有低，抗干扰能力
27、差，性能不同时价格差别较大，适用于速度较高的系统中。此外，常用的还有V/F转换器，它可将电压信号转换成频率信号，其特点是分辨率高，对工频干扰有一定的抑制能力，频率信号易于传输，且容易实现隔离，但速度慢。由于其有一系列的优点，在一些非快速系统中使用较多。如何从种类繁多的A/D芯片中选择出合适的A/D芯片，是每个设计者必须认真考虑的问题。一般可按照下列原则选择A/D转换器：1. 根据前向通道的总误差，选择A/D转换器的精度及分辨率。拥护提出的数据采集精度要求是综合精度要求，它包括传感器精度、信号条理电路精度和A/D转换精度。应将综合精度在各个环节上进行分配，以确定A/D转换器的精度要求，据次确定A
28、/D转换器的位数。2. 根据嬉闹对象的变化率及转换精度要求，确定A/D转换速度，以保证系统的实时性要求。3. 根据环境条件选择A/D转换器的一些环境参考要求，如工作温度、功耗、可靠性等级等性能。4. 根据计算机借口特征，考虑如何选择A/D转换器的输出状态。例如，A/D转换器是并行输出还是串行输出；是二进制还是BCD码输出；是用外部时钟还是内部时钟；有无转换结束状态信号；与TTL、CMOS电路的兼容性；与微机借口是否易连等输出功能。5. 其他还应考虑成本、资源、是否是流行芯片等因素。3.2.4 模拟量输入通道设计 本系统检测30个温度（T1T9）、10个压力（P1P10）、10个液位（H1H10
29、）。对于温度，我们选用WZP-231铂热电阻30支和RTTB-EKT温度变送器30只进行温度测量和变送，即将-2050C变换成420mA(DC)信号，送至32路I/V变换板CMB5419-1B，把420 mA(DC)信号变换成15V（DC）信号，最后把15V（DC）信号送至32路12位光电隔离A/D板IPC5488，从而实现温度的数据采集。对于压力，选用10台电容式压力变送器CECY-150G，进行压力测量变送，即将00.25mPa压力变换成420mA(DC)信号，同样经过I/V板送至A/D板。对于液位，选用10台电容式液位变送器CECU-341G（实际上是法兰差压变送器），进行液位测量和变送
30、，即将00.2mPa的差压转换成420mA(DC)信号，同样经I/V变换送至A/D板。3.3 模拟量输出通道3.3.1 模拟量输出通道设计模拟量输出通道的一般形式：1. 单路模拟量输出通道的结构(1) 寄存器用于保存计算机输出的数字量控制信号。目前的D/A转换器芯片内一般都带有输入寄存器，因此，在模拟量输出通道中，一般不需要再安排专门的寄存器电路。(2) D/A转换器它是模拟量输出通道的核心部件。其作用是将计算机输出的数字量转换为模拟量。转换后的模拟量有电压和电流两种形式。(3) 放大/变换电路D/A转换器输出的模拟量信号往往无法直接驱动执行机构，需要进行适当的放大或变换。例如，常用的电动执行
31、器需要010mA或420mA电流信号来控制，这就需要把D/A转换器输出的电压信号变换成上述范围地信号。1. 多路模拟量输出通道的结构在计算机控制系统中，被控制的对象往往是多回路的。对于模拟量输出通道，需要考虑的问题是在每次的控制量更新之前，如何保持本次的信号不变。保持的方式有2种：数字量保持和模拟量保持。对应的电路结构有两种形式：各通道自备D/A转换器形式和通道共用D/A转换器形式。(1) 各通道自备D/A转换器形式这种形式各通道之间是相互独立的，每一通道的结构和单路模拟量输出通道相同。其优点是转换速度快、工作可靠，即使某一路D/A转换器出了故障也不会影响其它通道的工作。(2) 各通道共用D/
32、A转换器形式计算机输出的控制信息都经同一个D/A转换器转换成相应得模拟量，再经多路开关传送到相应的通道，由保持器保持当前的模拟量。其优点是节省了价格较贵的D/A转换器，但由于各通道是分时工作的，工作速度受到限制。3.3.2 模拟量输出通道设计中应考虑的问题关于模拟量输出通道的设计,像模拟量输入通道的实际一样,基于现代微电子技术的成就,其主要任务是根据通道的技术要求,合理地选择通道的结构以及按照一定的技术、经济准则，恰当地选择所需的集成电路，并把它们与微处理器正确地连接起来。设计中通常不需要进行繁杂的参数计算，而需要清楚地掌握和理解集成电路的功能和特点。在模拟量输出通道的设计中，选择合适的D/A
33、转换器至关重要，一般来讲，对于D/A转换电路，应考虑以下问题：(1) 通道技术要求所需要的分辨率、精度以及线性度。(2) 连接电平和CPU能否直接接口，数据是串行输入还是并行输入。(3) 输出是电流形式还是电压形式，满刻度值的大小，能否满足通道的技术要求等。(4) 参考电压类型。(5) 输出电压是单极性的还是双极性的。(6) 速度是够满足通道技术要求。(7) 此外，在硬件设计的同时，还必须考虑通道的驱动程序的设计。合理的软件设计可以简化硬件电路。3.3.3 D/A转换器3.3.3.1 D/A转换得基本知识D/A转换的基本原理是应用电阻解码网络，将N位数字量逐位转换为模拟量并求和，从而实现将N位
34、数字量转换为相应得模拟量。由于数字量不是连续的，其转换后的模拟量自然也不会连续，同时由于计算机每次输出数据和D/A转换器进行转换需要一定的时间，因此实际上D/A转换器输出的模拟量随时间的变化不是连续的，而是呈阶梯状。3.3.3.2 D/A转换器的主要性能指标1. 分辨率其定义是当输出数字量发生单位数码变化（即1LSB）时，所对应得输出模拟量的变化量，即等于：模拟量输出的满量程值/2N （N数字量位数）。分辨率也可以用相对值（即1/2N）百分率来表示。在实际使用中，又常用数字量的位数来作为分辨率。2. 转换精度这是指一个实际的D/A转换器与理想的D/A转换器相比较的转换误差。精度反映D/A转换的
35、总误差。其主要误差因素可分为失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差。(1) 失调误差（或零点误差）其定义是党输入数字量为全0码时，其模拟量实际输出值与理想输出值得偏差。对于单极性D/A转换器，模拟量输出的理想值是零。对于双极性D/A转换，此理想值是负的满量程值。一定温度下的失调误差可以通过外部调整措施进行补偿。(2) 增益误差（或满量程误差）当输入数字量为全1码（即满量程）时，实际输出电压值与理想值之间的偏差称为增益误差。此误差是由于D/A转换器的输出与输入传递特性曲线的斜率（称为增益）存在误差所引起的。计算增益误差时应将失误误差除去。一定温度下的增益误差也可通过外部调整措施实现补偿。
36、(3) 非线性误差其含义是实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差。一般要求此误差不大于1/2LSB。D/A转换器的失调和增益调整一般不能完全消除非线性误差，但可以使之显著减小。(4) 微分非线性误差这是指任意两个相邻数码所对应得模拟量间隔于理想值之间的偏差。3. 建立时间当D/A转换器的输入数据发生变化后，输出模拟量达到稳定数值即进入规定的精度范围内所需要的时间。4. 温度系数以上各项性能指标一般是在环境温度为250C下测定的就。环境温度的变化会对D/A转换精度产生影响，这一影响分别用失调温度系数、增益温度系数和微分非线性温度系数来表示。这些系数的含义是环境温度变换10C时该项误差的
37、相对变化率，单位是ppm/c 。3.3.3.3 D/A转换器的选择要点选择D/A转换器时，主要应考虑以下几个方面：1. 输入信号的形式输入信号有并行和串行两种形式，根据实际要求选定，在实际应用中大多数为并行输入。串行输入节省数据线，但速度较慢，适用于远距离数据传输。2. 分辨率和转换精度根据对输出模拟量的精度要求，来确定D/A转换器的分辨率和转换精度。常用的分辨率有8位、10位和12位，相应得百分率值为0.392%、0.0978%和0.0244%。在精度指标方面，零点误差和满量程误差可以通过电路调整进行补偿，因此主要看芯片的非线性误差和微分非线性误差。3. 建立时间D/A转换器的电流建立时间很
38、短，一般为50500ns。若是输出电压形式，加上运算放大器电路，电压建立时间与半为几us，一般都能满足系统要求。4. 输入锁存器的情况D/A转换器的输入部分有不带输入锁存器、带一级输入锁存器和带两级输入锁存器三种类型，后两种能分别工作于单缓冲方式和双缓冲方式。这可根据对D/A转换工作方式的要求来选择。5. 转换结果的输出形式转换结果的输出形式有电流或电压，有单极性或双极性，有不同量程，还有多通道输出方式。这可根据应用系统对模拟量形式的实际要求来确定。其中有的要求可以采用不同房时来实现，例如要发球输出为电压形式，可以选择内部带输出放大器的D/A芯片；也可以兼顾其他性能而选择输出为电流形式的，再外
39、加放大器。3.3.4 模拟量输出通道设计本系统自动控制30个温度，即使用30个电动调节阀ZDLP-6B，通过调节阀自动调节阀门开度，从而调节冷却液（淡酒精）流量，达到控制发酵温度的目的。 在模拟量输出通道中，采用8路12位光电隔离D/A 转换板IPC5486，将计算机输出的控制量转换成420mA(DC)信号，该信号送至操作器DFQ-2100，DFQ-2100具有自动和手动切换功能，DFQ-2100输出420mA(DC)信号送至电动调节阀，从而实现控制30个调节阀（TV1TV30），达到控制温度的目的。另外，系统还配有+24V（DC）电源给变送器、操作器供电。因而采用光电隔离技术，故A/D板和D
40、/A板都采用了DC/DC电源变换模块，提供光电隔离所需的工作电源。第四章 系统软件的设计4.1 计算机DDC系统的软件设计的要求1. 实时性DDC系统是实时控制系统，所以它的软件应是实时性控制软件。计算机必须对生产过程（或装置）的各种工艺参数及时采集，不能丢失有用的信息；CPU要尽快地进行逻辑判断或按规定的控制酸法进行数值运算，完成处理过程，输出控制信号，以便对生产过程（或装置）不失时机的加以控制；对突然出现的故障，要即使报警和进行事故处理。因此，实时性的概念对计算机DDC系统具有特被重要的意义。2. 可靠性软件的可靠性是指在一定时间范围内，软件执行无故障的可能性和每次遇到故障时对拥护造成的影
41、响大小。软件设计的疏忽会削弱软件的预期能力，降低控制质量，有时还会使执行机构错误动作，使生产过程（或装置）不能正常工作，所以设计正确无误的软件应该是提高软件可靠性的重要保证。可靠性高的软件还应该具有自动容错、纠错功能，在误操作时（如按错键、输入错误参数等）不会造成生产过程（或装置）的严重失调。3. 人机交往功能软件设计应该方便操作人员与计算机系统的“对话”，生产过程的状态要在控制面板上随时显示，而操作员也能在连机情况下修改程序及调节参数，变更控制方案。4. 编制软件使用的语言、一般计算机DDC系统编制软件要求使用汇编语言。汇编语言编制的软件，可以达到按“位”处理的目的，容易满足实时性的要，程序
42、结构较紧凑，以节省存储空间。在内存容量较大的情况下，软件中一些没有实时性要求的管理程序也可用高级语言编制，然后通过一点的编译程序将其生成目标程序。4.2 数据采集4.2.1 数据采集系统的控制方式1. 软件延时定时控制2. 硬件定时、软件查询3. 多中断控制方式4. 单中断控制方式5. DMA控制方式6.4.2.2 数据采集程序首先按顺序采集30个温度信号，然后再采集10个压力信号，最后采集10个液位信号，这些信号共采集5遍存储起来，采样周期T=2s。4.3 数字滤波4.3.1 常用的数字滤波方法数字滤波是计算机通过执行程序对输入的数字信号进行处理，减少干扰在信号中的比重，实质上是一种程序滤波
43、。数字滤波电路与模拟滤波电路相比，主要优点有三：1. 数字滤波用程序实现，不需要增加硬件设备，且可以多通道“共用”一个滤波程序，改变滤波方法只需改变程序而不需要改变硬件，既灵活又方便。2. 由于不添加硬件设备，因而可靠性高，稳定性好，也不存在电路阻抗匹配等问题。3. 可以对频率很低的信号（如0.01HZ）实现滤波，克服了模拟滤波器的限制。常用的数字滤波方法：1. 程序判断滤波我们可以从经验出发，定出一个最大可能的变化范围。每次采样后都和上次的有效值进行比较，如果变化幅度不超过经验值，本次采样有效，否则，本次采样值应视为干扰而放弃，以上次采样值为准。2. 中值滤波对目标参数连续进行若干次采样，然
44、后将这些采样程序进行排序，选取中间位置的采样值为有效值。本算法为取中值，采样次数应为奇数，常取3次或5次。此方法用于滤去偶然因素引起的采样值波动的脉冲干扰。3. 算术平均滤波对目标参数进行连续采样，然后求其算术平均值作为有效采样值。该算法适用于抑制随机干扰和周期干扰。4. 滑动平均滤波此算法是将本次采样值和过去的若干次采样值一起求平均，得到本次有效采样值即可投入使用。5. 低通滤波在模拟量输入通道中，常用RC低通滤波器消弱干扰。但对频率很低的干扰需要的电容数值太大而难以实现。低通滤波法则是用程序来模拟RC滤波器的作用。该方法对时间常数很大的温度系统很适用。4.3.2数字滤波程序将每个信号的5次
45、测量值排序，去掉一个最大值和一个最小值，剩余3个求平均值即为该信号的测量结果，即采用中位值滤波法与平均值滤波法相结合来实现数字滤波。4.4 标度变换程序变送器输出的420mA(DC)信号，经I/V变换后产生15V（DC）信号，进行12位A/D转换后，即得12位二进制x，其对应的实际物理量要按下面方法求得（对于12位A/D转换器，05V（DC）时输出为000FFFH）。1. 温度的标度变换温度的量程范围为-20+500C，其标度变换计算公式为 (4-1)2. 压力的标度变换压力的量程范围为00.25Mpa，其标度变换计算公式为 (4-2)3. 液位的标度变换液位的量程范围（差压）为00.2Mpa
46、，其标度变换公式为 (4-3)式中，D为啤酒（麦汁）的密度，单位为Kg/m3; g为重力加速度，单位为m/s2;H的单位为m。4.5 给定工艺曲线的实时插补计算给定工艺曲线由多段折线组成，每一段都是直线，故采用直线插补算法来计算各个采样周期的给定值r(k): (4-4)其中， 和分别是第n段折线的两个端点坐标。4.6 控制算法4.6.1 控制算法的特性分析在啤酒生产过程中，由于发酵过程具有大惯性、时滞和非线性等特点。所以，采用常规的控制算法难以得到理想的效果。这也是制约啤酒生产质量和效率的重要原因。因而为了满足啤酒生产发酵过程控制的要求，我们争取在不增加对过程模型要求的同时，使无辨识自适应控制算法同样适用于大滞后、建模困难的复杂工业过程控制。针对被控对象的特性，本系统采用两种控制算式。4.6.2 常规PID控制器常规的PID调节方法，即比例、积分、微分控制规律。是在工业生产中应用最广泛、研究得最成熟的一种简单的自适应控制方式，即使在欧、美、日等工业发达的国家，采用现代的高级控制算法的回路数也仅占很小的比例，90%以
