啤酒发酵自动控制系统Word文档格式.docx

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前酵过程中，酵母通过有氧呼吸大量繁殖，大部分发酵糖类分解。

在这一过程初期，反应放出的热量会使温度自然上升，随着反应的进行，酵母的活性变大，反应放热继续增加，双乙酰含量逐渐减少，而芳香类醇含量增多。

后酵是前酵的继续，进一步使残留的糖分解成二氧化碳溶于酒内达到饱和；

在降到-1~0℃，使其低温陈酿促进酒的成熟和澄清。

啤酒发酵过程中，其对象特性是时变得，并且存在很大的滞后。

正是这种时变性和大的时滞性造成了温度控制的难点，而发酵温度直接影响啤酒的风味、品质和产量，因而控制精度要求较高。

温度、浓度和时间是发酵过程最主要的参数，三者之间相互制约，又相辅相成。

发酵温度低，浓度下降慢，发酵副产物少，发酵周期长。

反之，发酵温度高，浓度下降快，发酵副产物增多，发酵周期长。

因而必须根据产品的种类、酵母菌种、麦汁成分，控制在最短时间内达到发酵度和代谢产物的要求。

5.1.2控制原理分析

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摸拟和预测控制。

为节省能源，降低生产成本，并且能够满足控制的要求，发酵罐的温度控制选择了检测发酵罐的上、中、下段3段的温度，通过上、中、下3段液氨进口的两位式电磁阀来实现发酵罐温度控制的方法，原理图如图5-1所示。

图5-1啤酒发酵控制过程原理图

对于采用外部冷媒间接换热方式来控制体积大、惯性大的发酵罐温度的情况，采用普通的控制方案极易引起大的超调和持续的震荡，这样就要求每个罐具有各自独特的工艺控制曲线。

这不仅要求高精度、高稳定性的控制，还要求控制系统有极大的灵活性。

5.2啤酒发酵自控系统工艺流程

根据锥形发酵大罐的特性将发酵的全过程分成多个阶段：

麦汁进罐，自然升温，还原双乙酰，一次降温，停留观察，二次降温，低温储酒，各阶段的温度曲线图如图5-2所示。

在各个阶段，对象的特性相对稳定，温度和压力的控制方面存在一定的规律性。

在发酵开始前，根据工艺的要求预先设定工艺控制的温度、压力曲线；

在发酵过程中，根据发酵进行的程度（发酵时间、糖度、双乙酰含量等），发酵罐上、中、下3段温度的差异，以及3段温度各自的变化趋势，自动正确选择各个阶段相应的控制策略，从而达到预期的控制效果。

下面对各个阶段进行简单地介绍:

（1）麦汁进料过程:

在这个过程中，由糖化阶段产生的麦汁原料经由连接管道由糖化罐进入发酵罐中。

（2）自然升温过程:

麦汁进料过程中，随着酵母的加入，酵母菌逐渐开始生长和繁殖。

在这个过程中，麦汁在酵母菌的作用下发生化学反应，产生大量的二氧化碳和热量，这就使原料的温度逐渐上升。

（3）还原双乙酞过程:

在自然升温发酵过程中，化学反应能产生一种学名叫双乙酞的化学物质。

这种物质对人体健康不利而且会降低啤酒的可口程度，所以在这个过程中需要将其除去，增强啤酒的品质。

（4）降温过程:

在

（2）,（3）过程中啤酒发酵已经完成，降温过程其实属于啤酒发酵的后续过程，其作用是将发酵过程中加入的酵母菌进行沉淀、排出。

（5）低温储酒过程:

降温过程完成以后，已经发酵完成的原料继续储存在发酵罐等待过滤、稀释、杀菌等过程的进行。

5.3啤酒发酵自控系统PLC选型和资源配置

5.3.1PLC选型

根据啤酒发酵的工艺流程和实际需要，PLC的选型需要满足以下条件:

（1）具有模拟量的采集、处理过程及开关量的输入/输出功能;

（2）具有简单回路控制算法。

一般的PLC厂商都提供具有模拟量采集、处理过程和开关量输入/输出功能的不同型号

和规格的产品，所以选择的范围很广泛。

在实际工程应用中，为了降低工程实施的难度，使用简单的PID控制算法对啤酒发酵罐的上、中、下温度进行控制。

在实际的应用中，配合一些特殊的控制策略，PID控制算法能够保证控制精度在t0.5℃范围内。

因此，要求PLC控制算法中必须能够提供PID回路，否则就需要自行编写PID模块。

5.3.2PLC的I/O资源配里

根据第5.1.2节中提到的啤酒发醉控制原理可以得出:

每只发醉雄需要有上温、中温

温、压力4个模拟量需要测量，有些情况需要对发酵罐的液位进行测量;

上温、中温、

3个温度各需要一个二位式电磁阀进行控制，罐内压力需要一个二位式电磁阀进行控制。

所以每只发酵罐的1/O点数为5个模拟量、4个开关量。

5.3.3PLC其他资源配置

除PLC必需的1,o卡件之外，另外涉及的设备仪表有啤酒温度变送器、压力变送器、液位变送器等。

根据啤酒发酵过程的特点，啤酒发酵过程的温度范围最低可以到-1℃以下，最高到12℃以上，一般可以选择的量程为-5~45℃或者-10~90℃的温度变送器；

压力变送器可以选择量程为0~200Kpa或者0~400Kpao

5.4自控系统PLC程序设计

发酵过程中，根据发酵进行的程度（发酵时间、糖度、双乙酞含量等），发酵罐上、中、下3段温度的差异，以及3段温度各自的变化趋势，为了达到预定的控制效果，采用自动或由操作人员手动选择控制的方法。

程序中设定了手动操作和自动控制选择开关，在任意阶段都能够实现两者间的切换，实现了温度、压力的手、自动选择控制。

程序中有人工阶段选择开关，可以在任意阶段间跳转，从而避免了因操作人员操作偶尔失误而无法实现后续程序正常运行的情况。

5.4.1程序流程图设计

根据第5.2节工艺流程的介绍，可以总结出基本的程序流程如图5-3所示。

5.4.2PLC功能模块程序设计

（1）计算出啤酒发酵时间。

在程序中必须能够得到每个发酵罐的起始发酵时间，然后由当前时间计算出罐内啤酒的已经发酵时间。

这个过程中需要考虑到的问题是，每个月的天数、该年是否可能为润年等。

（2）计算当前时刻的设定温度。

处在发酵过程中的每一个发酵罐根据各自的生产需要，

都有一个工艺设定曲线。

在计算出发酵的时间之后，可以通过计算得到当前时刻的设定温度。

（3）计算当前时刻的电磁阀开度。

计算出当前时刻的设定温度之后，可以计算出温度的偏差值，使用简单的PID控制回路就可以计算出电磁阀的开度。

由于电磁阀是二位式的，所以其阀的开关动作为占空比连续变化的PWM输出。

电磁阀PWM输出波形图如图5-4所示。

图中Tt为电磁阀动作周期。

T1为电磁阀关闭时间。

T2为电磁阀打开时间。

Tt,T1,T2之间关系为Tt=T1+T2.

电磁阀的阀位值=T2/Tt×

100%

5.5啤酒发酵自控系统PLC程序说明

下面对本系统的核心程序进行分析说明。

1.模拟童信号采集处理

模拟量采集处理部分由网络1~网络3组成。

主要完成温度、压力、液位等模拟量的采集和处理。

网络1的梯形图如图5所示。

图5网络1

网络2的梯形图如图6所示。

图6网络2

网络3的梯形图如图7所示.

图7网络3

2.发酵状态处理

根据操作人员输入的当前操作状态，对每个发酵罐的状态进行相应的设置。

这个过程目网络4~网络8来实现。

网络4的梯形图如图8所示。

图8网络4

网络5的梯形图如图9所示.

图9网络5

网络6的梯形图如图10所示.

图10网络6

网络7的梯形图如图11所示.

图11网络7

网络8的梯形图如图12所示.

图12网络8

3.温度设定值的计算

下面是计算温度的设定值的程序。

温度设定值的计算由网络9~网络13组成。

对发酵罐温度使用PID控制必须具备的条件是设定的温度和实际温度。

温度的设定值很简单，就是按比例计算求值。

如图5-13所示，曲线a是温度设定曲线

一部分，t1和t2是曲线的两个端点的横坐标，T1和T2是曲线的两个端点的纵坐标，t是当前的时间，T就是当前的设定温度。

用很简单的比例关系式就可以求出当前的设定温度值T。

图15网络11~网络13

4.PID回路计算

在计算出温度的设定值之后，就可以根据以下的PID计算式计算出对应的输出值:

网络14~网络20就是根据上面公式计算回路调节输出值的一段程序。

网络14及网络15的梯形图如图16所示。

图16网络14~15

网络16~网络18的梯形图如图17所示。

图17网络16~18

网络19~网络20的梯形图如图18所示。

图18网络19~20

5.电磁阀拉制

计算出PID的回路输出值之后，就要相应的调节电磁阀的输出以控制发酵罐内的温度值由PID输出值以及发酵阶段的不同，计算出不同的电磁阀开关时间。

这段程序由网络21~24

组成。

网络21及网络22的梯形图如图19所示。

图19网络21~22

网络23及网络24的梯形图如图20所示。

图20网络23~24

5.6设计小结

啤酒发酵过程是一个比较复杂的物理、化学过程，整个工艺流程从进料、保温、发酵、降温、储酒到出料，以及后续一些工段如空罐、洗罐等。

在控制算法方面，只涉及到PID的单回路控制，使得这个控制过程显的十分简单明了，但是这里所涉及到的只是整个工艺流程中的一部分，其余大部分程序将随现场用户需求以及其控制工艺的不同而改变。