啤酒發(fā)酵溫度過程控制

1、-作者xxxx-日期xxxx啤酒發(fā)酵溫度過程控制【精品文檔】PLC在啤酒發(fā)酵溫度控制中的應(yīng)用概 述啤酒的發(fā)酵過程是在啤酒酵母的參與下，對麥汁的某些組成進(jìn)行一系列代謝，從而將麥汁風(fēng)味轉(zhuǎn)變?yōu)槠【骑L(fēng)味的過程。啤酒發(fā)酵是啤酒生產(chǎn)工藝流程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，也是一個極其復(fù)雜的在發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)生并釋放大量熱量的生化放熱反應(yīng)過程。由于這一過程中不僅麥汁中的可酵糖和氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)被酵母細(xì)胞酶分解為乙醇（C2H5OH）和二氧化碳（CO2），同時還產(chǎn)生一系列的發(fā)酵副產(chǎn)物，如：雙乙酰，高級醇、醛、酸、酯等。這些代謝產(chǎn)物的含量雖然極少，但它們對啤酒質(zhì)量和口味的影響很大，而這些中間代謝產(chǎn)物的生成取決于發(fā)酵溫度。因此發(fā)酵過程是

2、否正常和順利，將直接影響到最終啤酒成品的質(zhì)量。比如，發(fā)酵過程的溫度若發(fā)生劇烈變化，不僅會使酵母早期沉淀、衰老、死亡、自溶，造成發(fā)酵異常，還直接影響到酵母代謝副產(chǎn)物組成，從而對啤酒酒體與風(fēng)味，及啤酒膠體穩(wěn)定性造成危害。所以發(fā)酵過程工藝條件的控制歷來都受到釀酒工作者的高度重視。 過去啤酒發(fā)酵過程中各種工藝參數(shù)的控制，多用常規(guī)表顯示，人工現(xiàn)場操作調(diào)節(jié)，手工記錄來實現(xiàn)。然而隨著啤酒產(chǎn)量的不斷增大，發(fā)酵罐數(shù)量逐步增多（有的廠已達(dá)3040個），倘若仍然沿用常規(guī)辦法，不僅會因儀表眾多，給工人的生產(chǎn)操作造成極大的不便，而且還會因疏忽、錯漏等人為原因，造成生產(chǎn)質(zhì)量的不穩(wěn)定，甚至發(fā)生生產(chǎn)事故。因此，設(shè)計用可編程控

3、制器（PLC）自動控制啤酒的發(fā)酵溫度。一 啤酒發(fā)酵過程控制 1 被控對象 啤酒發(fā)酵是在發(fā)酵罐中靜態(tài)進(jìn)行的，它是由罐體、冷卻帶、保溫層等部件組成。發(fā)酵罐的形狀一般為圓錐狀，容積較大，大部分在100m3（我國的啤酒發(fā)酵罐容積在120m3500m3）以上。啤酒發(fā)酵要嚴(yán)格的按著工藝曲線進(jìn)行，否則就會影響啤酒質(zhì)量。為了有利于熱量的散發(fā)，在發(fā)酵罐的外壁設(shè)置了上、中、下三段冷卻套，相應(yīng)設(shè)立上、中、下三個測溫點和三個偏心氣動閥，通過閥門開度調(diào)節(jié)冷卻套內(nèi)的冰水流量以實現(xiàn)對酒體溫度的控制。以閥門開度為控制量，酒體溫度為被控量，相應(yīng)有3個冷媒閥門，通過控制流過冷卻帶的冷媒流量，控制發(fā)酵罐的溫度。在發(fā)酵的過程中，溫度

4、在不斷的升高，當(dāng)達(dá)到上限溫度時，要打開制冷設(shè)備，通過酒精在冷卻管內(nèi)循環(huán)使罐內(nèi)的溫度降下來。當(dāng)發(fā)酵溫度低于工藝要求的溫度時，關(guān)閉冷媒，則啤酒按工藝要求繼續(xù)發(fā)酵，整個發(fā)酵過程大約20多天完成。因此，控制好啤酒發(fā)酵過程中溫度及其升降速率是決定啤酒質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。2 啤酒發(fā)酵溫度曲線 啤酒發(fā)酵工藝曲線如圖1所示，包括自然升溫、高溫恒溫控制、降溫及低溫恒溫控制等三個階段。在前期的自然升溫階段基本上不需要加以控制，這是由于啤酒罐發(fā)酵過程中，升溫是靠發(fā)酵本身產(chǎn)生的熱量進(jìn)行的，任其自然升溫；在恒溫階段，通過控制冷媒開關(guān)閥，保持發(fā)酵罐內(nèi)溫度恒定；在降溫階段，通過控制冷媒開關(guān)閥，以指定速率降溫。圖1 典型啤

5、酒發(fā)酵曲線 根據(jù)以上要求，設(shè)計以PLC為核心的啤酒發(fā)酵控制器。每個控制器控制一個發(fā)酵罐。具體的溫度控制采用PID 算法實現(xiàn)。PID控制以其簡單可靠、容易實現(xiàn)、靜態(tài)性能好等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于實際工業(yè)過程中。3控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn) 發(fā)酵過程PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由SIEMENS S7系列PLC（控制站）和若干臺IPC（操作站）組成。該系統(tǒng)采用3級總線結(jié)構(gòu)：底層鏈路為PROFIBUS-DP總線，連接遠(yuǎn)程I/O機架，負(fù)責(zé)PLC、CPU與分布式I/O站點的連接，現(xiàn)場設(shè)備就近連接到分布式I/O機架上。圖2 發(fā)酵罐群PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 （1）控制站（下位機） 下位機系統(tǒng)只需配置一套S7-200或者S7

6、-300PLC系統(tǒng)（根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模而定），主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、自動控制、遙控和聯(lián)鎖等功能。下位機系統(tǒng)具有可靠性高、擴展方便的特點。（2）操作站（上位機） 上位機系統(tǒng)由兩套以上的工業(yè)控制計算機結(jié)合相應(yīng)的通信接口設(shè)備構(gòu)成。4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1 控制系統(tǒng)組成 溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要的被控參數(shù)之一。溫度控制系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。圖中的控制器即為PLC，它按PID控制規(guī)律來設(shè)計控制程序。PID調(diào)節(jié)器的輸出量變換成PWM脈寬調(diào)制量，用于控制PLC的輸出繼電器，從而控制啤酒發(fā)酵罐的冷媒開關(guān)閥。圖3 溫度控制系統(tǒng)組成框圖 溫度測量元件采用線性度好且時間常數(shù)小集成溫度傳感器TMP17(或LM35或LM135

7、目前應(yīng)用最廣泛之一)來測量發(fā)酵罐溫度，經(jīng)溫度變送器把溫度轉(zhuǎn)換成與其成比例的電壓。V/F轉(zhuǎn)換器的作用是將溫度轉(zhuǎn)換器輸出的電壓轉(zhuǎn)換成與其成比例的頻率，該頻率代表發(fā)酵罐內(nèi)的實際溫度。用PLC內(nèi)的高速計數(shù)器記錄此頻率，以便和溫度的給定值相比較產(chǎn)生誤差信號。 啤酒的發(fā)酵工藝過程共有十多天時間，最重要的環(huán)節(jié)是控制每個時間段發(fā)酵罐內(nèi)不同的發(fā)酵溫度，我們根據(jù)發(fā)酵工藝的要求，設(shè)計出發(fā)酵溫度-時間曲線，輸入可編程序控制器，使系統(tǒng)自動根據(jù)不同時間段的溫度給定值進(jìn)行調(diào)節(jié)。整個系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。圖4 控制主程序主程序開始先計算出實際該罐啤酒的發(fā)酵時間，然后取出該段時間對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)溫度值，將標(biāo)準(zhǔn)溫度值與實際溫度值

8、比較，若相等則再次回到主程序入口進(jìn)行下一輪的標(biāo)準(zhǔn)值查找，若不相等則系統(tǒng)由CPU計算出相應(yīng)的PID系數(shù)，輸出信號去控制電磁閥，用電磁閥控制的氣路打開或關(guān)閉冷媒閥，進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。 該系統(tǒng)可用S7軟件編程。應(yīng)用這些軟件，對整個系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)，隨時可顯示出整個發(fā)酵罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，各個閥門的實時狀態(tài)，可讀出每個發(fā)酵罐各點的實際溫度值，液位置等參數(shù)，對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，并有各種報警實時顯示和溫度控制情況曲線記錄等，以便操作者及時掌握系統(tǒng)工作狀況。4.2 PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)中PID控制器的實現(xiàn) 本系統(tǒng)采用德國SIMENS公司的S7-300PLC為控制核心，可實現(xiàn)溫度的采集與自動調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)要求實現(xiàn)12路溫度控制

9、，每一回路均為設(shè)定固定值控制。根據(jù)實際要求選用相應(yīng)的功能模塊。其中CPU模塊選用CPU-314IFM，其帶有一個MPI接口，集成有20個數(shù)字輸入端、16個數(shù)字輸出端、4個模擬輸入端、1個模擬輸出端，內(nèi)部集成PID控制功能塊，可以方便的實現(xiàn)PID控制。 PID控制器是比例積分微分控（Proportional-Integral-Derivative）的簡稱，之所以得到廣泛應(yīng)用是因為它具有以下優(yōu)點： （1）不需要精確的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。由于非線性和時變性，很多工業(yè)控制對象難以得到其準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此不能使用控制理論中的設(shè)計方法。對于這一類系統(tǒng)，使用PID控制可以得到比較滿意的效果。 （2）有較強的

10、靈活性和適應(yīng)性。積分控制可以消除系統(tǒng)的靜差，微分控制可以改善系統(tǒng)得動態(tài)響應(yīng)速度，比例、積分和微分控制三者有效的結(jié)合就可以滿足不同的控制要求。根據(jù)被控對象的具體情況，還可以采用各種PID控制的改進(jìn)的控制方式，如PI、PD、帶死區(qū)的PID、積分分離PID、變速積分PID等。 （3）PID控制器的結(jié)構(gòu)模型，程序設(shè)計簡單，工程上易于實現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整方便。3.3 PLC實現(xiàn)PID控制的方式用PLC對模擬量進(jìn)行PID控制時，可以采用以下幾種方法： 1）使用PID過程控制模塊。這種模塊的PID控制程序是PLC生產(chǎn)廠家設(shè)計的，并存放在模塊中，用戶在使用時只需設(shè)置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚

11、至幾十路閉環(huán)回路。但是這種模塊的價格較高，一般在大型控制系統(tǒng)中使用。 （2）使用PID功能指令?，F(xiàn)在很多的PLC都有供PID控制用的功能指令，如S7-200的PID指令。他們實際上是用于PID控制的子程序，與模擬量輸入/輸出模塊一起使用，可以得到類似于使用PID過程控制模塊的效果，但是價格便宜。 （3）用自編的程序?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)控制。有的PLC沒有PID過程控制模塊和PID控制用的功能指令，有的雖然可以使用PID 控制指令，但是希望采用某種改進(jìn)的PID控制算法。在上述情況下，都需要用戶自己編制PID控制程序。4.4 PID控制參數(shù)的調(diào)整 1. 采樣周期TS的確定 根據(jù)采樣定理可知，采樣頻率應(yīng)該

12、大于或等于被采樣信號所含最高頻率的兩倍，才能還原出原信號，即fs2fmax，式中fs為采樣頻率， fmax為被采樣信號中最高頻率。 2. 參數(shù)Kp、Ki、Kd的確定 PID控制回路的參數(shù)整定是模擬量閉環(huán)控制中的一個難點，如果初始參數(shù)選擇不當(dāng)，可能會出現(xiàn)很大的超調(diào)量，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。西門子公司的新一代小型S7-200PLC具有PID參數(shù)自整定功能，V4.0版的編程軟件STEP7-Micro/WIN增加了PID整定控制面板。這兩項功能相結(jié)合，使用戶能輕松地實現(xiàn)PID 的參數(shù)自整定。自整定能提供一組近似最優(yōu)的整定參數(shù)。S7-200的V4.0 版編程軟件STEP7-Micro/WIN中的PID整定控制面板用圖形方式監(jiān)視PID回路。該面板還可用來起動或取消自整定過程，設(shè)置自整定的參數(shù)，并將推薦的整定值或用戶設(shè)置的整定值應(yīng)用到實際控制中。結(jié) 論 本文介紹的發(fā)酵罐自動控制系統(tǒng)經(jīng)實踐檢驗，系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計要求，運行效果良好，發(fā)酵溫度符合工藝要求。當(dāng)實際溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)溫度時，自控系統(tǒng)及時響應(yīng)，通過電磁閥去控制冷媒閥開啟或關(guān)閉，發(fā)酵溫度很快穩(wěn)定在溫度給定值上，且發(fā)酵溫度變化曲線平緩，系統(tǒng)調(diào)節(jié)偏差僅為士0.1，與傳統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)儀系統(tǒng)的調(diào)節(jié)偏差士1相比，控制質(zhì)量大大提高。本文創(chuàng)新點： 1. 以計算機為主站，以PLC為控制器，實現(xiàn)了對啤酒的發(fā)