啤酒生产线杀菌冷却区温度控制系统

1、PAGE 内蒙古科技大学过程控制课程设计说明书题 目：啤酒生产线杀菌冷却区温度控制系统学生姓名：学 号：专 业：班 级：指导教师：2015年9月10日内蒙古科技大学过程控制课程设计说明书0目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc398117630 引 言 PAGEREF _Toc398117630 h 1 HYPERLINK l _Toc398117631 第一章 啤酒生产工艺概述 PAGEREF _Toc398117631 h 2 HYPERLINK l _Toc398117632 1.1制麦工序 PAGEREF _Toc398117632 h 2 HYPERL

2、INK l _Toc398117633 1.2糖化工序 PAGEREF _Toc398117633 h 2 HYPERLINK l _Toc398117634 1.3发酵工序 PAGEREF _Toc398117634 h 2 HYPERLINK l _Toc398117635 1.4过滤工序 PAGEREF _Toc398117635 h 2 HYPERLINK l _Toc398117636 1.5杀菌工艺 PAGEREF _Toc398117636 h 3 HYPERLINK l _Toc398117637 1.6瓶、罐装工序 PAGEREF _Toc398117637 h 4 HYPE

3、RLINK l _Toc398117639 第二章 杀菌冷却区温度控制系统设计4 HYPERLINK l _Toc398117640 2.1温度控制系统重要性4 HYPERLINK l _Toc398117641 2.2 温度控制系统简述4 HYPERLINK l _Toc398117642 2.3控制系统设计 PAGEREF _Toc398117642 h 62.3.1控制系统方案的选择 PAGEREF _Toc398117642 h 62.3.2系统控制过程分析72.3.3系统动态平衡阶段分析7 HYPERLINK l _Toc398117642 2.3.4单回路与串级控制系统的比较7 H

4、YPERLINK l _Toc398117644 第三章 仪表选型9 HYPERLINK l _Toc398117645 3.1 变送器的选型9 HYPERLINK l _Toc398117646 3.2 调节阀的选型9 HYPERLINK l _Toc398117646 3.2.1调节阀气开、气关形式的选择10 HYPERLINK l _Toc398117647 3.3 控制规律的选择10 HYPERLINK l _Toc398117649 3.4 PID参数整定 PAGEREF _Toc398117649 h 11 HYPERLINK l _Toc398117650 总结 PAGEREF

5、_Toc398117650 h 12 HYPERLINK l _Toc398117651 参考文献 PAGEREF _Toc398117651 h 13内蒙古科技大学过程控制课程设计说明书 PAGE 1引 言过去的20年是我国啤酒产销量高速增长的时期，从2002年起我国成为第一大啤酒生产和销售国。随之而来的是消费者对啤酒口感的要求愈来愈高,啤酒的口感是啤酒质量的一个重要标志性指标，其影响因素很多，除原料、酿酒工艺、罐装工艺以及各生产环节的卫生处理状况外，杀菌工艺也是一个非常重要的因素。杀菌工艺不仅影响到啤酒的口味，同时也影响到啤酒的保质期。因此杀菌工艺是啤酒生产过程中一道非常重要的工序。目前普

6、遍采用的是巴氏杀菌法，它是一种利用较低的温度既可杀死病菌又能保持物品中营养物质风味不变的消毒法。巴氏消毒法是法国微生物学家巴斯德为葡萄酒消毒时发明，并以他的名字来命名的一种消毒方法。指在规定时间内以不太高的温度处理液体食品的一种加热灭菌方法。巴氏消毒的原理是在一定温度范围内，温度越低，细菌繁殖越慢；温度越高，繁殖越快。但温度太高，细菌就会死亡。不同的细菌有不同的最适生长温度和耐热、耐冷能力。巴氏消毒其实就是利用病原体不是很耐热的特点，用适当的温度和保温时间处理，将其全部杀灭。但经巴氏消毒后，仍保存小部分无害或有益、较耐热的细菌或细菌芽孢。根据杀菌温度，处理时间及玻璃瓶受热冲击和压力变化的能力，

7、瓶装啤酒杀菌过程由三个温区组成：预热区，过热及保温区，冷却区。加热手段为热蒸汽。本次课程设计主要对冷却区温度控制系统进行设计，以满足生产工艺要求。内蒙古科技大学过程控制课程设计说明书 PAGE 13第一章 啤酒生产工艺概述1.1制麦工艺分选麦工序、浸麦工序、发芽工序、干燥工序、除根工序，通过水和空气使大麦发芽之后再将其烘干，控制其生长，然后去根，制成麦芽。制麦工序的主要生产设备为：筛（风）选机、分级机、永磁筒、去石机等除杂、分级设备；浸麦槽、发芽箱/翻麦机、空调机、干燥塔（炉）、除根机等制麦设备；斗式提升机、螺旋/刮板/皮带输送机、除尘器/风机、立仓等输储存设备。1.2糖化工艺首先将一部分麦芽

8、、大米、玉米及淀粉等辅料放入糊化锅中煮沸。糖化槽：往剩余的麦芽中加入适当的温水，并加入在糊化锅中煮沸过的辅料。此时，液体中的淀粉将转变成麦芽糖。麦汁过滤槽：将糖化槽中的原浆过滤后，即得到透明的麦汁（糖浆）。煮沸锅：向麦汁中加入啤酒花并煮沸，散发出啤酒特有的芳香与苦味。麦汁过滤槽：将糖化槽中的原浆过滤后，即得到透明的麦汁（糖浆）。煮沸锅：向麦汁中加入啤酒花并煮沸，散发出啤酒特有的芳香与苦味。1.3发酵工艺发酵罐成熟罐：在冷却的麦汁中加入啤酒酵母使其发酵。麦汁中的糖分分解为酒精和二氧化碳，大约一星期后，即可生成嫩啤酒，然后再经过几十天使其成熟。1.4过滤工艺啤酒过滤机将成熟的啤酒过滤后，即得到琥珀

9、色的生啤酒。1.5杀菌工艺隧道式巴氏杀菌设备是保证啤酒保质期、提高啤酒生物稳定性的可靠和简便的方法，但在实际应用中就存在一些认识上的误区而造成产品的风险。在此就杀菌机的使用问题谈一谈心得体会。巴氏杀菌机的工作原理是温度控制仪将设定的PU值转化为各温区水槽的实际控制温度曲线，通过对温度的检测精确控制各温区的温度变化，主传动电机带动上下两层输瓶链网将瓶装啤酒依次经过三个温区的逐级升温预热、两个温区的杀菌和三个温区的逐级降温冷却过程，达到将啤酒杀菌又冷却至室温以保持风味特性的目的。其工艺流程与设备示意简图如下：图 1.1 啤酒巴氏杀菌工艺流程图 图1.2 杀菌机结构流程示意图1.6瓶、罐装工序装瓶、

10、装罐机：酿造好的啤酒先被装到啤酒瓶或啤酒罐里。然后经过目测和液体检验机等严格的检查后，再被装到啤酒箱里出厂。 第二章 杀菌冷却区温度控制系统设计2.1温度控制系统重要性温度控制系统是以温度作为被控制量的反馈控制系统。在化工、石油、冶金等生产过程的物理过程和化学反应中，温度往往是一个很重要的参量，需要准确地加以控制。除了这些部门之外，温度控制系统还广泛应用于其他领域，例如啤酒的加工生产。它是用途很广的一类工业控制系统。温度控制系统常用来保持温度恒定或者使温度按照某种规定的程序变化。下图2-1为啤酒冷却区温度控制系统原理图： 图2.1 冷却区温度控制系统原理图2.2 温度控制系统简述如下图2-2所

11、示，温度控制系统由被控对象、测量装置、调节器和执行机构等部分构成。被控对象是一个装置或一个过程，它的温度是被控制量。测量装置对被控温度进行测量，并将测量值与给定值比较，若存在偏差便由调节器对偏差信号进行处理，再输送给执行机构来增加或减少供给被控对象的热量，使被控温度调节到整定值。测量装置是温度控制系统的重要部件，包括温度传感器和相应的辅助部分，如放大、变换电路等。测量装置的精度直接影响温度控制系统的精度，因此在高精度温度控制系统中必须采用高精度的温度测量装置。温度控制系统的执行机构大多采用可控热交换器。根据调节器送来的校正后的偏差信号，调节流入热交换器的热载体（液体或气体）的流量，来改变供给（

12、或吸收）被控对想的热量，以达到调节温度的目的。在一些简单的温度控制系统中，也常采用电加热器作为执行机构，对被控对象直接加热。通过调节电压（或电流）的大小可改变供出的热量。不同的应用部门对温度控制系统品质有不同的要求，并选用不同类型的调节器。如果精度要求不高，可采用两位调节器,一般情况下多采用PID调节器。高精度温度控制系统则常采用串级控制。串级控制系统由主回路和副回路两个回路构成，具有控制精度高、抗干扰能力强、响应快、动态偏差小等优点，常用于干扰强,且温度要求精确的生产过程,如化工生产中反应器的温度控制。 图2-2 温度控制系统结构图多数温度控制系统中被控对象在进行热交换时的温度变化过程，它既

13、是一个时间过程，也是沿空间的一个传播过程，需要用偏微分方程来描述各点温度变化的规律。因此温度控制系统本质上是一个分布参数系统。分布参数系统的分析和设计理论还很不成熟，而且往往过于复杂而难于在工程实际问题中应用。解决的途径有二：一是把温度控制系统作为时滞系统来考虑。时滞较大时采用时滞补偿调节，以保证系统的稳定性。具有时滞是多数温度控制系统的特点之一。另一途径是采用分散控制方式，把分布参数的被控过程在空间上分段化，每一段过程可作为集中参数系统来控制，构成空间上分布的多站控制系统。采用分散控制常可获得较好的控制精度。2.3 控制系统的设计2.3.1 控制系统方案的选择设计和应用好一个过程控制系统，首

14、先应全面了解被控制过程，其次根据工艺要求对系统进行研究，确定最佳的控制方案，最后，对过程控制系统进行设计，整定和投运。对于过程控制系统而言，控制方案的选择和调节器参数整定是其两个重要的内容，如果控制方案设计不合理，仅凭调节器参数的整定无法获得良好的控制质量；相反控制方案很好，但是调节器参数整定的不合适，也不能使系统运行在最佳状态。过程控制系统从结构形式可分为单回路系统和多回路系统。单回路控制系统包含一个测量变送器，一个调节器，一个执行器和对象，对对象的某一个被控制参数进行闭环负反馈控制。在系统分析设计和整定中，单回路系统设计方法是最基本的方法，适用于其他各类复杂控制系统的分析，设计，整定和投运

15、。本次温度控制系统设计中啤酒温度被作为被控量，为了使系统变得简单无需设置副被控量，因此采用单回路控制系统即可实现冷却区温度的控制。采用单回路控制方式来实现啤酒生产线杀菌冷却区温度控制的系统结构如下图：图3-1单回路控制系统结构图调节器PID调节器执行器气动薄膜式执行器被控对象换能器被控量啤酒温度检测变送器DDZ型热电阻温度变送器2.3.2 系统控制过程分析温度控制系统的控制阶段主要分为：平衡阶段和抗干扰调节阶段。下面我将分别对这两个阶段进行分析。下图3-2为系统控制图：图3-2 系统控制图2.3.3 系统动态平衡阶段分析系统由蒸汽给未经杀菌的啤酒传递热量使其保持冷却温度。当蒸汽的量和品质不变，

16、未杀菌的啤酒的量和品质也保持不便，则控制系统处于平衡状态，并保持此动态平衡状态，直至有新干扰发生，或人们对被冷却区的出口温度T有新的要求。2.3.4 单回路与串级控制系统的比较系统的比较单回路反馈控制系统，又称简单控制系统，是指由一个被控过程、一个检测变送器、一个调节器和一个执行器所组成的对一个被控变量进行控制的单回路反馈闭环控制系统。简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。串级控制系统的采用了两个控制

17、器，我们将温度控制器称为主控制器，把流量控制器称为副控制器。主控制器的输出作为副控制器的设定，然后由副控制器的输出去操纵调节阀。在串级控制系统中出现了两个被控对象，即主对象（温度对象）和副对象（流量对象），所以有两个被控参数，主被控参数（温度）和副被控参数（流量）。主被控参数的信号送往主控制器，而副被控参数的信号被送往副控制器作为测量，这样就构成了两个闭合回路，即主回路（外环）和副回路（内环）。串级控制系统的特点，改善了对象特征，起了超前控制的作用；改善了对象动态特性，提高了工作频率；提高了控制器总放大倍数，增强了抗干扰能力；具有一定的自适应能力，适应负荷和操作条件的变化。串级控制系统的设计原

18、则，在选择副参数时，必须把主要干扰包含在副回路中，并力求把更多的干扰包含在副回路中；选择副参数，进行副回路的设计时，应使主、副对象的时间常数适当匹配；方案应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性。串级控制系统的应用场合，被控对象的控制通道纯滞后时间较长，用单回路控制系统不能满足质量指标时，可采用串级控制系统；对象容量滞后比较大，用单回路控制系统不能满足质量指标时，可采用串级控制系统；控制系统内存在变化激烈且幅值很大的干扰；被控对象具有较大的非线性，而负荷变化又较大。串级控制系统应用中的问题，主、副控制器控制规律的选择，串级控制系统中主、副控制器的控制规律选择都应按照工艺要求来进行，主控制器一般选用

19、PID控制规律，副控制器一般可选P控制规律；主、副控制器正、反作用方式的确定，主控制器的作用方向只与工艺条件有关。由于本次温度控制系统设计中啤酒温度被作为被控量，故无需设置副被控量，因此无须采用串级控制回路，采用单回路控制系统即可实现冷却区温度的控制。第三章 仪表选型3.1 变送器的选型被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况，为系统设计提供准确的控制依据。测量和变送环节的描述： （3-1）即： （3-2）由于本次设计中冷却区温度为被控量，因此检测元件应选择温度变送器。温度变送器有DDZIII型温度变送器、一体化温度变送器和智能式温度变送器。常见的温度检测仪表有热电偶温度变换器、热

20、电阻温度变换器和辐射式温度计，热电偶温度变换器主要适用于测量500-1800范围的中高温度，热电阻温度变换器主要适用于测量500以下范围的中低温度，辐射式温度计主要适用于测量2000以上的高温。而本次设计中冷却区温度要求为401 ，即要求精度为0.2，为节约成本以及达到较高的精度要求，在本次设计中选用DDZIII型温度变送器中的热电阻温度变送器。 图3.1 DDZIII型温度变送器3.2调节阀的选型（1）调节阀类型的选择：气动执行器和电动执行器（2）调节阀口径（Dg、dg）大小的选择：主要依据是阀的流通能力。正常工况下要求调节阀开度处于1585之间。3.2.1调节阀气开、气关形式的选择调节阀气

21、开、气关形式的选择：主要以安全方面考虑。调节阀流量特性的选择：系统总的放大倍数尽可能保持不变，通常被控过程的特性是非线性的(一阶以上特性)，而变送器、调节器(若比例作用时)和执行机构的放大系数是常数。因此往往通过选择调节阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性，从而达到系统总放大倍数不变的目的。控制阀是自动控制系统中的一个重要组成部分，其作用是根据调节器的输出命令，直接控制能量或物料等介质的输送量达到控制工艺参数的目的。由于控制阀安装在生产现场，长年与生产介质直接接触。且往往工作在高温，高压，深冷，强腐蚀，易堵塞等恶劣条件下。因此，如果对控制阀选择不当或者维护不善。就会使整个控制系统不能可靠工作

22、或严重影响系统的控制质量，根据能源的种类控制阀分为气动，电动和液动三种，其中气动控制阀具有结构简单，工作可靠，价格便宜防火防爆等优点。在自动控制中用得很多。在本次设计当中，我选用气动式。气动执行器以压缩空气为能源，结构简单，输出推力大，动作可靠，性能稳定，价格便宜，本质安全防爆，气动执行器中的气动薄膜式执行器在实际应用中最为广泛，本设计中要求对啤酒温度进行控制，加热手段为热蒸汽，因此可选择气动薄膜式执行器为执行元件。其原理是：当信号压力通入气室时，推杆产生位移，弹簧受压，直到弹簧产生的反作用力与薄膜上的推力相平衡为止。推杆的位移范围就是执行机构的行程，推杆从零到全行程，阀门就从全开（全关）到全

23、关（全开）。3.3控制规律的选择根据被控过程特性与生产工艺要求，了解调节器控制规律对控制质量的影响，合理选择调节器的控制规律，是过程控制方案设计的重要内容之一。选择调节器的控制规律就是为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求。P控制规律：适用于控制通道滞后较小，时间常数不太大，扰动幅度较小，负荷变化不大，控制质量要求不高，允许有余差的场合。如贮罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽压力的控制等。PI控制规律：引入积分作用能消除余差。适用于控制通道滞后小，负荷变化不太大，工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的控制。PD控制规律：引入了微分，会有超前控制作用，能使系统的稳定性增加，最大