家酿啤酒机监控系统—总体设计、下位机软件设计

2002 级本科毕业设计论文 第 0 页 共 43 页 0目 次 1 引言 . 1 1.1 啤酒发酵过程温度控制系统的特点 . 1 1.2 啤酒发酵过程温度控制系统的特点 . 2 1.3 啤酒发酵温度控制系统的工艺要求 . 3 2 啤酒发酵过程控制的现状和需要解决的问题 . 3 2.1 课题的提出和研究内容 . 4 2.2 智能控制的发展趋势 . 5 2.3 家酿啤酒机的设计方案 . 5 3 家酿啤酒机系统控制方案 . 6 3.1 系统总体方案设计 . 6 3.2 家酿啤酒机设计分工情况 . 7 3.3 控制算法 . 8 4 下位机软件程序设计 . 12 4.1 系统构成 . 12 4.2 主程序MAIN模块设计 . 13 4.3 显示模块 . 13 4.4 温度采集模块 . 13 4.5 模糊控制算法模块 . 15 4.6 定时/计数器TO中断服务模块 . 16 5 系统调试 . 17 5.1 仿真器和调试软件的使用 . 17 5.2 模块程序的调式 . 17 5.3 系统的联调 . 18 结 论 . 19 致 谢 . 20 参 考 文 献 . 21 附 录：软件代码 . 22 2002 级本科毕业设计论文 第 1 页 共 43 页 11 引言 随着社会的发展，生化工业在国民生活和国民经济生产中越来越重要。为此，对这一工业领域的操作管理、测量控制、优化生产成为很重要的课题。具有悠久历史的发酵工业己成为生物工程(Biotechnology)和生化工程(Biochemical Engineering)的基础。在近几十年中，发酵工业的发展越来越快并趋于旺盛时期。但由于生化过程的复杂性，它的工业自动化水平远远落后与其它工业生产过程。随着生物工程的迅速发展，生物工程的许多成果，都要经过生化工业转化为工业产品，所以，生化反应器及其系统在生化工业中显得越来越重要，生化反应器的体积从几立方米发展到几十立方米，而今是几百立方米，甚至上千立方米。对于这样大型的生化反应器系统，若控制不当，将会造成极大的经济损失，因此，对于生化生产过程的参数测量、操作监视、自动控制、优化操作与控制，成为生化生产优化管理与自动化的关键问题。另一方面，计算技术和计算机的飞速发展，为测量、分析、控制生化工程提供了先进的自动化工具。因此为使生化工业过程安全、平稳地运行，以达到优化生产的目的，必须对生化生产进行自动控制。自第一个微处理器问世以来，以微处理器为核心构成的控制系统以各种方式 无孔不入地渗透到人们生产生活科研等各个领域，为人类带来了渗透到各个领域的“智能” 。 1.1 啤酒发酵过程温度控制系统的特点 啤酒发酵是啤酒生产过程中的关键工序，其工艺条件的控制效果，直接决定了啤酒的质量。啤酒生产过程主要包括糖化、发酵以及过滤分装三个环节。 一、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、膝、肤等物质，形成啤酒发酵原液麦汁。 二、发酵 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2002 级本科毕业设计论文 第 2 页 共 43 页 2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同入致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，产生二氧化碳并释放生化反应热，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。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/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0.15 /h的降温速率把罐内发酵温度从5降到01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，以利于发酵液对流和酵母在罐内的均匀混合；在后酵阶段，则要求发酵液由上到下有一定的负温度梯度，便于酵母的沉淀和排除。 三、啤酒的过滤和分装 至此，一个啤酒生产周期结束。 1.2 啤酒发酵过程温度控制系统的特点 发酵罐是啤酒生产的主要设备，酵母在罐内发生反应而产生热量，使麦汁温度升高，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，主要有以下两方面的特点： （1） 时滞性很大 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，冷媒与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，2002 级本科毕业设计论文 第 3 页 共 43 页 3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，因此对象特性具有明显的时变性。 1.3 啤酒发酵温度控制系统的工艺要求 啤酒发酵生产工艺对控制的要求是：控制罐温在特定阶段与标准的工艺生产曲线相符；控制罐内气体的有效排放，使罐内压力符合不同阶段的需要；控制结果不应与工艺要求相抵触，如局部过冷、破坏酵母沉降条件等。 2 啤酒发酵过程控制的现状和需要解决的问题 啤酒发酵是整个啤酒生产过程最重要的环节，它是一个复杂的微生物代谢过程。由于发酵过程的内部机理非常复杂，影响发酵的因素也很多，对于整个过程目前还缺乏精确的定量的数学描述，但是啤酒发酵罐内的发酵温度始终是决定啤酒质量的关键所在。从啤酒生产原料(麦汁)进入发酵罐开始发酵到啤酒出罐，前后必须经过20-30天不等的时间，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度，使发酵过程满足啤酒生产的工艺设定曲线，是决定啤酒生产质量和生产效率的关键。因此，如何有效地提高生产的自动化水平，提高啤酒质量和长期稳定性，对增强企业的市场竞争力，具有十分重要的意义。 目前我国许多啤酒生产厂家在啤酒发酵过程中采用温度集中或就地显示，再根据显示结果与工艺要求的偏差情况，人工调节冷媒流量达到控制温度目的，这种操作会因操作人员的技术水平、责任心、熟练程度等外部因素影响温控的质量，难以达到理想的温度控制效果。有些啤酒厂采用模拟仪表来实现啤酒生产的自动控制，由于模拟仪表的灵活性较低、功能较少，要实现啤酒生产的自动控制具有一定的困难。而且许多的发酵温控系统的执行机构采用的是手动阀门来操作，工人的劳动强度大，温控精度低，啤酒的质量也不稳定。 近年来，各啤酒企业随着对生产控制过程的重视，控制水平愈来愈高。有些啤酒生产厂家以利用单片机控制系统实现对啤酒发酵过程中参数的检测和控制，由于单片机控制灵活性大，功能强，现今已被各级啤酒生产厂家所青睐。 从目前国内情况来看，有些科研单位对此做了一些研究工作，如北京自动化研究2002 级本科毕业设计论文 第 4 页 共 43 页 4所系统工程设计院研制的一种啤酒发酵过程的自动检测控制系统，该系统采用集散控制方式，下位机选用STD总线模块式工业控制机，上位机选用IBMPC/XT主机。方案中测点选择在发酵罐上中带之间，来表示罐内平均温度，通过调节阀门按比例动作来调节冷却液的流量以达到控制罐内温度的目的。整个下位机系统可以对6个罐进行检测控制，但是由于所测温度不能准确反映罐内因对流而形成的各部分温度的变化，所以限制了控制精度，影响生产效率。还有，黑龙江电子技术研究所所开发的啤酒发酵过程仪表集散型控制系统中，冷却液的控制器件采用由固态继电器驱动的电动调节阀，通过调节阀门开度来控制冷却液流量，但是每个电动调节阀都要有位置反馈电路，来对应阀门开度，固态继电器和智能仪表都有光隔离器件，这些无疑增加了系统的复性和不稳定性。而且由于发酵罐的罐区底部环境潮湿，容易生锈和损坏，维修量大，使用不方便。另外，山东自动化研究所研制的啤酒发酵罐微机控制系统中温度的测量精度得到提高，并且采用了“等等看看”与常规PID相结合的复合控制算法，这可以说是一种仿人工操作的非连续的控制方式，它对温度偏差的调节不是连续进行的，只有在偏差大到必须改变控制量时，才使其发生相应的变化。但是在系统的等待时间段内，不对温度进行检测、控制，由此可以看出这种算法的局限性是不能反映啤酒发酵过程的时变性。综上可以看出，目前在国内的啤酒发酵工业中存在的问题主要是：对发酵罐内的反应温度协调控制的问题、控制执行器件的选用以及采用合理的控制算法。因此需要对啤酒发酵的温度控制进行技术上的改进和优化，以满足工艺的要求。 2.1 课题的提出和研究内容 随着人们生活水平的提高，对物质的享受要求也越来越高，为了能让人们不出家门就能品尝到美味的啤酒，一台家酿啤酒机是家居生活的新的需求，针对目前市场上的空缺，特提出研制家酿啤酒机这一课题。 啤酒发酵是整个啤酒生产过程的重要环节，是一个复杂的生物化学反应过程, 发酵温度的控制是影响啤酒发酵好坏的主要因素。在发酵过程中，温度是一个非常重要的参数，在发酵的不同阶段，对温度控制也不一样。在周期为 20 多天的发酵过程中, 根据酵母的活动能力, 生长繁殖的快慢, 对发酵液有不同的温度要求。如果能将发酵温度控制在给定的温度范围内, 就能使酵母的繁殖和衰减, 麦汁中糖度的消耗和双乙酰等杂质的含量都达到最佳状况, 从而取得较好的产品质量。 因此对发酵温度进行控制便成了整个发酵过程的关键。对于啤酒发酵过程来说，由于控制作用必须经历较大的滞后才能在被控变量上得到体现，以致当被控变量的反馈反映出控制作用时，往往会2002 级本科毕业设计论文 第 5 页 共 43 页 5输入过多的控制量，导致系统的超调甚至失稳，而系统的时变性会给常规 PID 控制的鲁棒性提出更高的要求。因此在啤酒发酵过程中采用常规 PID 控制是不适宜的。曾经有人通过微机对被控过程的输入、输出量进行采集，采用离线回归辩识的方法，取得了该过程的模型。那是一个近似带纯滞后的一阶惯性环节，但值得注意的是，由于发酵的前期、中期、后期的热交换有很大的差异，在此过程中被控对象的参数有较大的变化，因此基于被控对象精确模型的经典控制法，难于取得很好的效果。因此目前研究利用模糊控制算法控制发酵的温度，并利用上位机加以监控，实现智能化的控制系统。 2.2 智能控制的发展趋势 当今时代是信息化时代，各个领域常以信息的获取与利用为中心，一些先进技术，如信息传感技术、数据处理技术及计算机控制技术正在飞速发展并不断变革。智能化是现代控制系统的主要发展趋势。所谓智能是指随外界条件的变化，具有确定正确行动的能力，也即具有人的思维能力以及推理并作出决策的能力。 从温度控制系统的智能化的措施来看，以单片机为核心构成的微型温度控制系统调节装置己被国内外许多公司和单位作为研究对象，客观存在的硬件简单，软件丰富，能方便地实现现代化控制规律和多种功能，性能优良，运行、调试都非常方便，且生产成本低，可加快生产设备的更新换代，已开始受到重视和欢迎。加之近年来，单片机的性能不断提高，而价格却逐年降低，所以单片机温度控制装置将具有广阔的发展和运用前景。 另一个智能化的措施就是控制算法的加入，目前以模糊控制为核心的控制算法被广泛的应用。模糊控制系统是基于知识或基于规则的系统。它的核心就是由所谓的IFTHEN 规则所组成的知识库。模糊系统理论的最大贡献就是它为从知识库向非线形映射的转换提供了一套系统的程序。正是由于这一转换，我们才能将基于知识的系统（模糊系统）采用同数学模型及传感器测量一样的方式，应用到工程应用中（控制、信号处理及通信系统等）。这样，最终组合而成的系统的分析和设计就会以数学这种严密方式来进行。 2.3 家酿啤酒机的设计方案 本家酿啤酒机所实现的功能为：加热、恒温、制冷、防溢、报警和温度时间显示。整个系统的工作过程为：首先将物料加热至3035（保温30分钟）用30分钟时2002 级本科毕业设计论文 第 6 页 共 43 页 间升温至 5055（保温 30 分钟）用 30 分钟时间升温至 6570进行糖化（保温90分钟）添加啤酒花煮沸（10分钟）自来水喷淋冷却至1012去除麦槽添加酵母保持 1214进行发酵（4872 小时）降温至 24沉淀酵母（1224小时）。发酵温度的工艺设定曲线如图2.1所示。 6图2.1 3 家酿啤酒机系统控制方案 在本次设计中温度控制系统如图3.1所示，控制对象为发酵罐，检测元件为温度传感器、液位传感器，执行器件为继电器与调节阀门。温度控制部分，它包括单片机电路、过程输入输出通道、键盘、显示器、通讯接口电路和稳压电源。 图 3. 1 3.1 系统总体方案设计 本系统共分两大部分，分别是控制与通讯部分和人机界面部分。控制与通讯部分温度时间2-412-1430-3550-5565-709930分钟30分钟72小时24小时90分钟5分钟2002 级本科毕业设计论文 第 7 页 共 43 页 7实现的功能是实现对发酵罐的温度控制并实时的发送数据给上位机进行数据监测；人机界面的功能是提供对啤酒机的操作途径并显示啤酒机的当前状况。 3.1.1 控制与通讯部分的设计 由于啤酒发酵过程最重要的是温度的控制，所以温度升温是通过控制电热丝的导通时间来完成的，啤酒发酵过程的降温是通过绕在啤酒发酵罐外壁上冷带中的冷却液来完成的，冷却液的流量和速度决定了降温的速度。 根据以上所述的对本系统的控制要求，为实现发酵罐的温度得到监控，设计中采用的方法是在控制周期开始时对发酵罐内的温度进行采集，并通过模糊控制算法得到控制量，并在一个控制周期内向控制通道输出需要的控制量。 温度采集选用 DS18B20 温度传感器，它集成了温度传感器、信号调整电路、A/D采样和转换电路、存储器等部件。它可以直接以数字量的形式输出被测环境的温度而不需要配加其它外围电路。另外，多个 DS1820 可以共用一条数据总线与 CPU 进行通信，与传统的温度传感器（AD590 、 LM35） 一个器件需要一条数据线相比，具有十分突出的优越性。测温范围- 55 + 125 ,在- 10 +85 时精度为0. 5， 可编程的分辨率为 912 位,对应的可编程温度分别为 0.5、0.25、0.125、0.0625， 转换时间为 750ms。 在系统的整个运行过程中还对发酵罐内的液位进行检测，防止液体溢出。当检测到液位超出最高位置就发出警报并停止啤酒机的工作。 通讯部分是通过 RS232 接口使下位机与上位机进行通信。上位机的工作任务为记录实时工作数据并绘制温度控制曲线，并对下位机实现启动和停止操作。 3.1.2 人机界面部分的设计 人机界面主要是提供对啤酒机的操作途径并反映啤酒机的状态。在下位机上用数码管显示当前时间和温度，用两个按钮启动和暂停下位机。为了反映啤酒机当前处于的工作阶段，用发光二极管指示当前工作阶段。 3.1.3 上位机设计方案 上位机采用 VB 开发工具开发界面。上位机要完成的功能是利用 VB 中的 MSCOMM控件进行通信软件的开发，与下位机进行通信，画出温度控制曲线图，表明下位机的工作状态，并对下位机进行启动和停止功能。 3.2 家酿啤酒机设计分工情况 本次课题分为硬件设计，软件设计和上位机设计三大模块。本人在此次设计中的2002 级本科毕业设计论文 第 8 页 共 43 页 主要任务是完成对啤酒机的总体设计和进行下位机的软件开发。 3.3 控制算法 啤酒厂发酵罐温度控制过程是一个大时滞，大惯性的过程，采用传统的控制工艺是不能满足温度控制要求的，因此应采用恰当的控制算法，来实现对温度的控制，以达到工艺的要求。在实际的工业控制系统中，常规的PID控制是最容易被考虑和采用的，但是对于大容量、时变、大滞后系统来说，常规的PID控制一般难以取得满意的控制效果，究其原因是PID控制忽略了这样一个事实：控制作用必须经历较大的滞后才能在被控变量上得到体现，致使当被控变量的反馈反映出控制作用时，往往会输入过多的控制量，导致系统严重超调甚至失稳，而系统的时变性会给常规的PID控制的鲁棒性提出过高的要求，因此在啤酒发酵控制中采用常规的PID控制是不适宜的。故在本系统中采用模糊控制算法。 3.3.1 模糊控制算法 模糊控制器包括：模糊化、模糊推理和解模糊三部分，其控制系统框图3.2所示。 图3.2 本系统采用查表法模糊控制，它的作法是：首先通过事先的离线计算，取得一个模糊控制表，然后将其控制表存放到单片机的程序存储器中。于是在过程控制中，只需直接根据采样和论域变换得来的以论域元素形式表现的e （x）和ec （y），通过查控制表得到对应的同样以论域元素形式表现的控制量u（z ），把其乘以比例因子，即可用于控制被控过程，以达到预期的控制目的。 本系统的模糊控制器采用双输入单输出型, 以误差及误差变化作为输入量, 经模糊化，按模糊控制规则定出输出量。模糊控制器选用实际温度Y与温度给定值R 的偏差e=Y-R及其偏差变化率ec 作为输入语言变量，把控制继电器道通的占空比变化量U 选作为输出语言变量。 温度误差的范围设定为+ e , 将区间 - e , +