过程控制课程设计——啤酒发酵罐温度控制系统

1、内蒙古科技大学信息工程学院过程控制课程设计报告题 目：啤酒发酵罐的温度控制系统设计 学生姓名：赵晓红学 号： 0967112235专 业：测控技术及仪器班级： 09 测控 2 班 指导教师：左鸿飞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。啤酒的发酵过程是一个微生物代谢过程。它通过多种酵母的多种酶解作用， 将可发酵的糖

2、类转化为酒精和 C02,以及其他一些影响质量和口味的代谢物。在 发酵期间，工艺上主要控制的变量是温度、糖度和时间。啤酒发酵对象的时变性、 时滞性及其不确定性， 决定了发酵罐控制必须采用 特殊的控制算法。由于每个发酵罐都存在个体的差异， 而且在不同的工艺条件下， 不同的发酵菌种下， 对象特性也不尽相同。 因此很难找到或建立某一确切的数学 模型来进行模拟和预测控制我国大部分啤酒生产厂家目前仍然采用常规仪表进 行控制，人工监控各种参数， 人为因素较多。 这种人工控制方式很难保证生产工 艺的正确执行，导致啤酒质量不稳定，波动性大且不利于扩大再生产规模。在啤酒生产过程中， 糖度的控制是由控制发酵的温度来

3、完成的， 而在一定麦 芽汁浓度、酵母数量和活性的条件下时间的控制也取决于发酵的温度。 因此控制 好啤酒发酵过程的温度及其升降速率是解决啤酒质量和生产效率的关键。在本次啤酒发酵温度控制系统设计过程中各种工艺参数的控制采用串级控 制系统实现， 主要控制锥形发酵罐的中部温度， 采用常规自动化仪表及装置来实 现温度及其他参数的检测与控制、显示。1 工艺过程概述11 啤酒生产工艺过程 啤酒生产过程主要包括糖化、发酵以及过滤分装三个环节。1.1.1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。1.

4、1.2发酵啤酒发酵时候， 会产生热量， 温度一直在升高。 当发酵液温度升到最适合酵 母生长的10C时候就要开始控不让它继续升温，主要是采用将发酵罐外壁周围 的通过冷媒来降温。 一般冷媒是用氨液或者酒精水， 冷媒易挥发气化吸热。 主酵 结束要进行双乙酰还原自然升温到 12C。还原结束，降温到-1.5C进行冷储。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

5、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。(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CO并释放生化反应热，使整个罐内的温

6、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。 普 通啤酒在前酵阶段，一般要求控制在 12C左右，降温速率要求控制在0.3 0C /h。后酵当罐内温度从前酵的12C降到5C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0.15 0C/h的降温速率把罐内发酵温度从 5C降到0-C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

7、基本结束。发酵温度的工艺设定典型曲线如图1-1所示。发酵时间/天图1-1发酵工艺温度设定曲线1.1.3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。1.2被控对象一一啤酒发酵罐简介

8、1.2.1啤酒发酵过程温控对象特性(1) 时滞很大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。(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

9、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。1.2.2锥形发酵罐工艺要求 有效的控制原料质量和糖化效果，每批次麦汁组成应均匀，如果各批麦汁 组成相差太大，将会影响到酵母的繁殖与发酵。 罐的容量应与每次糖化的冷麦汁量以及每天的糖化次数相适应，要求在 16h内装满一罐，最多不超过24h,进罐冷麦汁对热凝固物要尽量去除，如能尽 量分离冷凝固物则更好。 冷麦汁的温度控制要考虑每次麦汁进罐的时间间隔和满罐的次数， 如果间 隔时间长次数多，可以考虑逐批提高麦汁的温度， 也可

10、以考虑前一、二批不加酵 母，之后的几批将全量酵母按一定比例加入， 添加比例由小到大，但应注意避免 麦汁染菌。也有采用前几批麦汁添加酵母，最后一批麦汁不加酵母的办法。 冷麦汁溶解氧的控制可以根据酵母添加量和酵母繁殖情况而定，一般要求每批冷麦汁应按要求充氧，混合冷麦汁溶解氧不低于8mg/L。 控制发酵温度应保持相对稳定，避免忽高忽低。温度控制以采用自动控制 为好。 应尽量进行CO回收，以便于进行CO洗涤、补充酒中CO和以CO背压等。 发酵罐最好采用不锈钢材料制作，以便于清洗和杀菌，当使用碳钢制作发 酵罐时，应保持涂料层的均匀与牢固，不能出现表面凹凸不平的现象，使用过程 中涂料不能脱落。发酵罐要装有

11、高压喷洗装置，喷洗压力应控制在0.390.49MPa 或更高。1.2.3发酵罐温度控制工艺简介发酵罐是啤酒生产的主要设备之一， 罐内灌有百吨以上的麦汁，冷媒酵母在 罐内发生化学反应产生热量，使罐内麦汁温度上升。罐内设有三个测温点，传感 器采用Ptl00热电阻（RTD）,其铂电阻探头插入灌内0.5米左右。罐的外壁设置有 上、中、下三段冷却套和三台两位式电动阀。 通过电动阀调节冷却套内的冷媒体 流量以实现对罐内麦汁温度的控制。某厂的冷媒体采用液氨来降温。上、中、下 三台电动阀都可独立开关的，该厂情况较为特殊，上阀开关主要影响的是中部温 度，中阀开关主要影响下部温度，下阀安装在出口处附近，也就是说三

12、个测温点 与三套冷却套不是一一对应的。上部测温点由于安装过高，酒体（把主要由麦汁和酵母组成的发酵罐内的液体称之为酒体 ）较浅的话，测量的温度为气液混和物 的温度，因此一般不作为被控量，同样由于酵母沉积在发酵罐的锥底部， 故下温 也不宜作为被控量。所以以控制中温为主，兼顾上温和下温，以通过上阀控制为 主，以中阀为辅，如图1-2所示。在发酵的过程中，温度在不断的升高，当达到 上限温度时，要打开制冷设备，通过酒精在冷却管内循环使罐内的温度降下来。当发酵温度低于工艺要求的温度时， 关闭冷媒，则啤酒按工艺要求继续发酵，整 个发酵过程大约20多天完成。因此，控制好啤酒发酵过程中温度及其升降速率 是决定啤酒

13、质量和生产效率的关键。2锥形发酵罐温度控制系统2.1啤酒发酵温控系统设计根据发酵罐的结构以及发酵工艺特点， 采用串级控制系统，充分发挥它的优 点，合理准确的测量并控制发酵罐温度。发酵罐中温度串级控制系统图如下所示：在系统设计时，必须明白主、副被控参数的选择；副回路的设计；主、副回 路的关系以及主副调节器控制规律的选择及其正反作用方式的确定等问题。2.1.1发酵温控系统主、副被控参数的选取设计被控系统时，选取的参数要能有效的反映工艺状况。根据工艺主参数为 发酵罐中麦汁的温度。而副参数的选取是串级控制系统的关键所在，副回路设计的合理与否决定了 串级控制的特点能否发挥。根据副回路的设计原则，副被控参

14、数的选择应使副回 路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏，副回路包含被控对象所受的主要干扰， 当对象具有较长纯滞后时间时，应尽量将纯滞后部分包含在主对象中。 因此，选 取冷却液的流量作为副被控参数，构成如图所示的串级温度控制系统框图。罐内麦 汁温度图3-2发酵罐中温度控制系统方框图2.1.2主、副调节器调节规律的选择串级控制系统中主副调节器的类型是根据控制要求进行选择的。（1）主调节器调节规律的选择在串级控制系统中，主参数是生产工艺的主要指标，直接关系着产品质量， 工艺要求比较严格。因为主被控参数为发酵罐的温度，对象控制通道容量滞后较 大，为了克服容量滞后，所以就要选用 PID调节规律。（2）副

15、调节器调节规律的选择串级控制系统设置副参数的目的在于保证和提高主参数的控制质量， 副回路 是一个随动系统，它的给定值随主调节器输出的变化而变化。 在选择流量为副被 控参数时，由于比例调节规律对噪声敏感，为保持系统稳定，比例度必须选得较 大，比例控制作用较弱，为此引入积分作用，采用 PI调节规律。2.1.3主、副调节正、反作用方式的选择为保证串级控制系统的正常运行，串级系统中主、副调节器的正、反作用 必须正确选择。副调节器的正反作用只和副回路有关， 与主回路无关。根据工艺 要求，为保证产品质量，调节阀选择关闭形式，其放大系数为“-”，当阀门开度 增大时，进入冷却套的流量增加，则副对象的放大系数为

16、“+”根据副环放大系数符号为“ +”的原则，副调节器为“-”，所以选择正作用方式。主调节器的正反作用只取决于主对象放大系数符号。主对象的输入信号是 液氨的供给流量，输出信号是发酵罐内部区域的温度。 当液氨流量增大时，罐体 对应区域温度下降，因此主对像放大系数为“-”，主调节器的放大系数为所以主调节器选择正作用方式。2.2 串级系统的整定 串级系统的整定方法比较多， 逐步逼近法、 两步整定法和一步整定法等。 整 定的顺序都是先整副环后整主环。在这里采用一步整定法， 所谓一步整定法就是根据经验先将副调节器参数设 置好，不再变动，然后按一般单回路系统的整定方法直接整定主调节器参数。具体步骤： 1按副

17、参数类型，根据对应的经验值选择副调节器参数，并将其置于副调 节器上。当副被控参数为流量时，副调节器比例度设为 4080，副调节器比例放 大倍数设为 2.51.25。2将串级系统投运后，按照单回路系统整定方法直接整定主调节器参数。 3观察控制过程，根据 K 值匹配的原理，适当调整主调节器的参数，使主 参数的品质指标达到规定的质量要求。4如果系统出现振荡，只要加大主、副调节器的任一比例度，就可消除。 多次整定直到满意为止。2.3 控制算法2.3.1 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

18、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。2.3.2 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%以上的控制回路基本上还是采用 PID 控制算法。其原因主要有以下几个方面 :1. PID 控制不要求严格掌握被控对象的数学模型， 而

19、现代的控制算法是以 精确的数学模型为基础的2. PID控制算法结构简单、稳定性好、物理概念清晰等，容易被现场工程 师所接受。3. 在近半个世纪的PID算法发展过程中，广大工程技术人员已经积累了丰 富的经验，摸索出了一系列整定 PID参数的方法。对于PID控制尽管取得了一系列的研究成果和应用经验，但人们对PID的认识和改进还远没有完成。到目前为止对PID的机理、适用范围、鲁棒性等问题 还没有彻底的全面的分析研究。事实上，PID并非万能的控制器，在存在多变量 祸合、时变、大时滞、强干扰等复杂动态特性的系统中，PID很难获得理想的控制效果，甚至产生不稳定。因此，有必要对 PID的控制机理进行全面的分

20、析，并 对在上述场合中的应用提出改进的办法。PID控制中的一个关键问题是 PID参数整定，传统的整定方法是在获得被 控对象数学模型的基础上按照某种整定原则来进行PID参数值的整定。而实际的工业生产过程往往具有非线性，时变不确定性，难以建立精确的数学模型，应用 常规的PID控制不能达到理想的控制效果。另外，在实际生产现场中，PID参数整定与自整定的方法很多，但往往难以实施或不太理想，常规PID控制器参数常 常整定不良，性能欠佳，对运行工况的适应性差。因此，在PID参数的整定及自整定方面还有待进一步深入研究。从结构上看PID控制器最简单，但并非最优，在克服较大扰动影响，提高 系统动态品质等方面，光

21、靠调整参数难以获得满意的控制效果。因此，还有必要 在全面分析的基础上，对PID控制器进行结构上的改进。233 PID算式加特殊处理 采用增量型PID控制算式：u(K)=q°e(k)%(1) q2e(k-2)式中qi一心(12TDTqKpTdTe(k) =r(k) -y(k)其中：r（k）为第K个采样周期的实测温度值；y（k） 为第K个采样周期的实测温度值；T为采样周期（T=2s）。根据被控对象的特点，在PID算式的基础上，进行以下特殊处理：在保温段，r（k）不变，采用PI控制算式；降温段采用PID控制算式；为了 减小被控对象纯滞后的影响，在给定温度曲线转折处作特殊处理，即由保温段转

22、至降温段时提前开大调节阀，而在降温段转至保温段时提前关小调节阀， 其目的 是使温度转折时平滑过渡。另外，需对控制量：u（k）和阀位输出进行限幅。实际操作时，必须对. ：u（k）加 以限制，即满足"min ）U（k）泊max当：U（k） ： .:Umin 时，取：U（k） *Umin ；当：U（k） . Umax 时，取 U（k） »； Umax ；因采用的调节阀控制信号为420mA（DC），且D/A转换为12位，因此取Umin =819 ；Umax =4095采用增量式算法时，计算机输出的控制增量:U（k）对应得是本次执行机构位置（如阀门开度）的增量，对应阀门实际位置的控制

23、量是通过累积历次控制增量 形成的，常用的累积元件有步进电动机等。增量式PID在算法上有不少优点：1. 计算机发生故障时，影响范围小。由于它每次只输出控制增量，即对应执 行机构位置的变化量，输出变化范围不大（0土心Umax ），所以，当计算机发生故 障时，不会严重影响生产过程。2. 手动-自动切换时冲击小。由于它每次输出的最大幅度为AUmax，所以，当 控制从手动切换到自控时，可做到无扰动，即可实现无扰动切换。3. 计算工作量小。算式中不需要累加。3仪表选型（1）温度传感器工业装配式热电阻通常用来显示仪表和计 算机配套，直接测量各种生产过程中-200C +500C范围内液体、蒸汽和气体介质及固体

24、表面的温度。我厂生产热电阻全部符合ICE国际 标准和国家有关规定，有铂热电阻和铜热电阻 两大类，铂电阻又分为云母骨架、陶瓷骨架、 厚膜电阻和薄膜电阻等。铜电阻的骨架有聚碳酸酯制成。铂电阻分度号Pt100,铜电阻分度号Cu50。BA1、BA2、Pt100铂电阻和Cu100铜电阻可订做。在此，我们选择Pt100。（2）温度变送器HAKK-WB系列温度变送器为24V供电、二线制的一体化变送器。汽体或液体的温度特别适用于低温范围测量，克服了冷凝水产品采用进口集成电路，将热电阻的 信号放大，并转换成4-20mA或 0-10mA的输出电流，或05V的输出 电压。其中铠装变送器可以直接测量对测温所带来的影响

25、特点。Pt100温度变送器用于Pt100铂电阻信号需要远距离传送、现场有较强干扰源存在或信号需要接入DCS系统使用。铂电阻温度变送器采用独特的双层电路板结构，下层是信号调理电路，上层电路 可定义传感器类型和测量范围。（3）孔板流量计HYG系列孔板流量计（又 称节流装置、差压式流量计） 是测量流量的差压发生装 置，配合各种差压计或差压 变送器可测量管道中各种流 体的流量。孔板流量计节流 装置包括环室孔板，喷嘴等。孔板流量计节流装置与差压变送器配套使用，可测量液体、蒸汽、气体的流量， 孔板流量计广泛应用于石油、化工、冶金、电力、轻工等部门。充满管道的流体，当它们流经管道内的节流装置时，流束将在节流

26、装置的节 流件处形成局部收缩，从而使流速增加，静压力低，于是在节流件前后便产生了 压力降，即压差，介质流动的流量越大，在节流件前后产生的压差就越大，所以 孔板流量计可以通过测量压差来衡量流体流量的大小。这种测量方法是以能量守衡定律和流动连续性定律为基准的。（4）差压变送器3051X高精度差压变送器主要性能和参数:3051X高精度差压变送器具备EJA原装表所有功能，还扩展了一些实用功 能。旋转开关可PV值清零，顺时针增大，逆时针减小，可以1yA调整，也可大 范围调整。（1）输出信号：420mA.DC二线制。（2） 供电电压：12V45V.DC （3）电源影响：V 0.005%/V。（4）负载影响

27、：电源稳定时无负载影 响。（5）启动时间：V 2秒，不需预热。（6） 工作环境：-25C+70C 相对温度：0100% 迁移后的上下限绝对值均不应超过最大量程范围的上限值。（7）负载特征：RLW（u-12） /i，式中：u-供电电压，i-回路电流。（8）振动影响：任何方向 200Hz振动土 0.5%/g。（9）安装位置：膜片未垂直安装时，可能产生小于0.24Kpa 的误差，但可通过调零消除。（10）防爆类型：隔爆型ExdllCT5,本安型ExiallCT6.（5）流量积算仪新虹润NHR-5610系列流量积算控制仪针对现场温度、流量等各种信号进行采集 显示、控制、远传、通讯、打印等处理，构成数字

28、采集系统及控制系统。双屏LED数码显示，具有极宽的显示测量范围，可显示整五位的瞬时流量测量值、入口 /出口温度测量值、流量（差压、频率）测量值等，及整 11位的流量累积测量值，0.2 %级测量精度，0.1 %级累积精度。具备36种信号输入功能，可配接各 种差压信号（孔板装置）、线性信号（电磁流量计）及脉冲信号（涡街流量计）可带两路模拟量变送输出。支持 RS485 RS232串行接口，采用标准 MODBUS RTU®讯协议。仪表可带RS232（打印功能，具有手动、定时、报警打印功能。带DC24V馈电输出，为现场变送器配电。输入、输出、电源、通讯相互之间采用 光电隔离技术。luu uiuRC系列电动调节 阀包括驱动器，接受 驱动器信号（0-10V（6）电动调节阀或4-20mA ）来控制阀门进行调节，也可根据控制需要，组成智能化网（7） U