过程控制课程设计-啤酒生产糊化锅温度控制系统设计.doc

内蒙古科技大学课程设计论文内蒙古科技大学过程控制课程设计说明书题 目：啤酒生产糊化锅温度控制系统设计学生姓名：王宇学 号：1167112320专 业：测控技术与仪器班 级：2011-3指导教师：闫俊红 2014 年 09 月 10 日 目录 前言2 一糊化锅工艺3 1.1 糊化锅简介4 1.2 糊化锅的构成.4 1.3 糊化原理及糊化过程5 1.4 控制温度要求6 二控制系统7 2.1 糊化锅温度控制系统7 2.2 分程控制系统的概念7 2.3 采用分程控制系统的原因9 三.糊化锅设计9 3.1 糊化锅分程控制系统原理图 9 3.2 分程阀特性曲线图10 四.控制规律 .10 4.1本系统选PID控制规律的理由.11 4.2 调节器控制的正反作用.11 4.3控制算法.12 4.4调节参数整定.12 五.仪表选型12 5.1 调节器的选型12 5.2 变送器选型14 5.3调节阀选型15 六.总结.17 参考文献.1818前言 啤酒是人类最古老的酒精饮料，是水和茶之后世界上消耗量排名第三的饮料。啤酒于二十世纪初传入中国，属外来酒种。啤酒是根据英语Beer译成中文“啤”，称其为“啤酒”，沿用至今。啤酒以大麦芽、酒花、水为主要原料，经酵母发酵作用酿制而成的饱含二氧化碳的低酒精度酒。早在1977年7月在墨西哥举行的第九届“国际营养食品会议”上，啤酒就被正式列为营养食品。啤酒的原料是大麦。大麦是世界上种植最早的谷物之一，它的产量在谷物排名上，位于小麦、玉米、稻谷之下，位居第四，并且大麦不是人类的主食，习惯上用作饲料。啤酒是酒类中酒精含量最低的饮料，而且营养丰富，人们适量饮用时对身体是影响相对较小。在1972年世界第九次营养食品会议上，曾推荐啤酒为营养食品，也有人把啤酒称作营养食品、可口食品、卫生食品、方便食品等。目前我国经济快速发展，成绩令世界瞩目，啤酒随着经济发展，人民生活水平的提高，逐步从城市走向农村，成为人民大众最喜爱的饮料之一。啤酒生产将有较大的发展，平均年增长率在810左右。我国的发展规划为：2000年达到年产2100万吨，人均年占有量为15L：到2010年产量达30003500万吨，人均占有量达到世界平均水平。此外我国农业处于世界先列，农作物产量位居世界第一，大麦等啤原料在国内许多地区都有种植，且产量巨大，客观上发展啤酒工业的条件比较成熟。啤酒生产主要分为原料的糊化、糖化、煮沸以及发酵过程。 上学期我们在包头燕京雪鹿啤酒厂实习了两天，大体了解了一下啤酒整个的生产工艺流程，本次过程控制的设计就是对啤酒糊化锅温度控制的设计，目的是为糖化做准备，以及为以后酿造做准备.选择合适的糊化锅能充分的利用资源节省物力，并且还可以很好的提高啤酒的产量和质量。下文是对啤酒厂糊化锅温度控制系统的整体设计。一糊化锅工艺1.1 糊化锅简介 糊化锅是一个巨大的回旋金属容器，装有热水与蒸汽入口，搅拌装置如搅拌棒、搅拌桨或螺旋桨，以及大量的温度与控制装置。在糊化锅中，麦芽和水经加热后沸腾，这是天然酸将难溶性的淀粉和蛋白质转变成为可溶性的麦芽提取物，称作麦芽汁。然后麦芽汁被送至称作分离塔的过滤容器。 图1.1 糊化锅设计1.2糊化锅的构成 锅体有上下两个加热体夹层，上层为气动开关阀控制，下部为气动调节阀控制，加热媒介为蒸汽，额定蒸汽压力为0.6MPa，搅动电机为双速电机，锅体上安装两个铂测温电阻。 图1.2 啤酒生产工艺流程1.3 糊化原理及糊化过程生淀粉在水中加热至胶束结构全部崩溃，淀粉分子形成单分子，并为水所包围而成溶液状态。由于淀粉分子是链状或分支状，彼此牵扯，结果形成具有粘性的糊状溶液，这种现象称为糊化。淀粉糊化温度必须达到一定程度，不同淀粉的糊化温度不一样，同一种淀粉，颗粒大小不一样，糊化温度也不一样，颗粒大的先糊化，颗粒小的后糊化。作为啤酒酿造辅料的大米，未经过发芽变化其淀粉存在与胚乳，以大小不等的颗粒存在于淀粉细胞中，颗粒被包裹在细胞壁（半纤维为主）中，在淀粉细胞之间还塞了蛋白质、葡萄糖等物质，淀粉颗粒中的直链淀粉中葡萄糖苷以螺旋状长链绕着重叠，并有大量氢键相互连接，直链淀粉包裹在直链淀粉外部及直链淀粉之间，在冷水中不溶解也很难被麦芽中淀粉酶分解，当淀粉颗粒经过加热迅速吸水膨胀至温度升到70左右，淀粉细胞上出现裂纹，淀粉颗粒被裂成多层淀粉进入水中，链淀粉折叠，绕卷的长链，开始舒展，氢键断裂，淀粉亲水基团充分暴露并和大量水结合，再升高温度继续吸水膨胀，形成凝状物。此淀粉受热膨胀从细胞壁中释放，破坏晶状结构并形成凝胶的过程称“糊化”。此时的淀粉遇碘液呈蓝色、紫红色，达到此程度的温度叫“糊化温度”。不同来源的植物淀粉，因为细胞的差异，淀粉颗粒的大小绕折紧密和氢键数目不同，糊化温度也不相同。影响淀粉糊化的因素有：淀粉的种类和颗粒大小，食品中的含水量，添加物：高浓度糖降低淀粉的糊化，脂类物质能与淀粉形成复合物降低糊化程度，提高糊化温度，食盐有时会使糊化温度提高，有时会使糊化温度低酸度：在pH4-7的范围内酸度对糊化的影响不明显，当pH大于10.0，降低酸度会加速糊化。1.4控制温度要求 图1.3 糊化锅温度控制曲线 （1）50（保温，这一阶段温度由糊化混水器控制，在此阶段，完成糊化进水(控温)与糊化进粉工作在进粉阶段，应将搅拌电机从低速开到高速运行，蒸汽开关阀与调节阀不开启）； （2）第1升温段 温度从50以1 min的升温速率升温至85，搅拌电机运行于高速； （3）85保温。保温时问为20min，蒸汽开关阀关闭，用调节阀保温，搅拌电机运行于低速； （4）第2升温段。温度从85以1min的升温速率升温至101，在温度小于97前，搅拌电机运行于高速，97后，搅拌电机运行于低速，以防溢锅，同时通过安装在糊化锅上部的测温点，判断是否有溢锅现象，在发生溢锅的情况下，将所有蒸汽阀关闭，并适时重新开阀继续糊化过程； （5）1O1保温。保温时间为20min，蒸汽开关阀关闭，用调节阈保温，搅拌电机运行于低速，在此阶段，应防止产生溢锅，处理方法与上一阶段相同； （6）降温阶段。通过检测糖化锅内物料温度与物料重量，启动冷水阀将糊化锅内物料温度降至一指定温度 使糊化锅内物料打到糖化锅内后(称为并醪)，糖化锅内混合后的物料温度为63。二控制系统设计2.1 糊化锅温度控制系统 采用分程控制系统来控制糊化锅的温度。2.2 分程控制系统的概念一般来说，一台调节器去操纵两只调节阀，实施（动作过程）是借助调节阀上的阀门定位器对信号的转换功能。例如图2.1中的A、B两阀，要求A阀在调节器输出信号压力为0.020.06MPa变化时，作阀得全行程动作，则要求附在A阀上的阀门定位器，对输入信号0.020.06MPa时，相应输出为0.020.1MPa，而B阀上的阀门定位器，应调整成在输入信号为0.060.1MPa时，相应输出为0.020.1MPa。按照这些条件，当调节器（包括电/气转换器）输出信号小于0.06MPa时A阀动作，B阀不动；当输出信号大于0.06MPa时，而B阀动作，A阀已动至极限；由此实现分程控制过程。 图2.1 分程控制系统基本原理图 在分程控制系统中,调节阀的开闭形式可分为同向和异向两种。 图2.2 两个调节阀同向动作 图2.3 两个调节阀异向动作2.3 采用分程控制系统的原因控制糊化锅的温度，既要使糊化锅中的温度达到设定的温度值，又要控制糊化锅中的温度不能超过设定值，超过设定值不但不能达到预定的生产效果，而且还会发生“溢锅”的现象。发生“溢锅”现象会造成生产事故。采用分程控制系统，当温度低于设定值时，使蒸汽阀打开，冷凝阀关闭，温度升高；当温度高于设定值时，使冷凝阀打开，蒸汽阀关闭，温度降低。从而达到预定的控制效果。但为了满足该系统的要求，必须用两个阀门同时控制蒸汽阀和冷水阀，而单回路系统不能同时控制两个阀门的开闭，起不到控制该系统的作用，所以不可以用单回路控制系统代替代替分程控制系统。三.糊化锅设计3.1 糊化锅分程控制系统原理图 图3.1糊化锅分程控制系统原理图 3.2 分程阀特性曲线图 图3.2 分程阀特性曲线图 四.控制规律及参数整定4.1本系统选PID控制规律的理由P控制是最基本的和应用最普遍的控制规律，它的作用是动作快，克服干扰能力强，但它是一种有差调节，I控制能消除静差，但控制过程比较缓慢，而D控制有超前作用，结合到该糊化锅的温度控制系统中，因为P控制是最基本的控制规律，必须有，而I是为了消除控制过程的静差，时系统更结果更精确，也必须要有，而本系统是对温度的控制，温度本身就有缓慢滞后的特征，所以加上D后可以使系统较快速的控制，所以也要有D的控制，故而选择PID控制规律。4.2 调节器控制的正反作用（1） 温度低于设定值 调节阀：因为温度升高，蒸汽阀打开，从安全角度考虑，应选气开式，Kv“+”；被控对象：阀门开度 温度P，K02“+”；变送器:Km“+”。所以调节器是“+”，反作用（2） 温度高于于设定值 调节阀：因为温度降低，冷水阀打开，从安全角度考虑，应选气闭式，Kv “-”； 被控对象：阀门开度 温度P，K02“-”； 变送器:Km“+”。 所以调节器是“+”，反作用 4.3控制算法 采用增量型PID控制算式 由于执行机构采用步进电机或多圈电位器进行控制，所以用增量型PID控制算式。4.4调节参数整定(1)临界比例度法(闭环整定） 首先将调节器的积分时间置于最大，微分时间置零，比例度置为较大的数值 ，等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃变化，并减小，直到出现等幅振荡曲线为止。记录下此时的临界比例度&k和等幅振荡周期T，计算出调节器的参数，k，Ti,Td.(2)现场实验整定法 现场实验整定法，实质上是一种经验试凑法，所以也称为经验法。在现场的应用中，将各类过程控制系统调节器的整定参数按先比例、后积分、最后微分的顺序置于某些经验数值后，把系统闭合起来，然后再作给定值扰动，观察系统过渡过程曲线。若曲线还不够理想，则改变调节器的、Ti和Td的数值，进行反复试凑，以寻求“最佳”的整定参数，直到控制质量符合要求为止。 五.仪表选型5.1 调节器的选型 选用ST-803S-96 智能型精密数显温度控制器 图5.1 ST-803S-96 智能型精密数显温度控制器5.1.1控制器概况 有三路温度自动控制，可同时对三个独立被测环境的温度进行实时精密监控；使环境温度指标符合工作要求。用数字显示温度的设定值或测量值；用户通过按钮自行设定温度控制值；有加热升温和风扇降温双控功能；并能对加热（降温）负载的断路故障自动报警；同时首创传感器断路报警并自动切断负载的功能，有效防止由于传感器断路造成负载失控长期运行；5.1.2技术参数供电电压:AC / DC 85264V测量控制范围：温度 -50150 显示精度 0.1 （ 100 ）检测精度：0.5参数设置：控制值：全量程0100回差：温度130传感器误差修正：温度-50150显示方式：三位LED数码管显示，1位小数加热控制：启动：温度设定温度（下限）；停止：温度设定温度（下限）温度回差；风扇控制：启动：温度设定温度（上限）；停止：温度设定温度（上限）温度回差功率消耗： 5W负载继电器输出容量：AC220V / 7A（阻性负载时）六路报警继电器触头容量：AC220V / 7A（阻性负载时）一路外形尺寸： 控制器 9696125mm 传感器 758028.5mm5.2 变送器选型 选用WZP系列隔爆型铂热电阻 图5.2 WZP系列隔爆型铂热电阻5.2.1产品描述 工业用隔爆铂电阻是一种温度传感器。在工业自控系统中应用极广，通过温度传感器，可将控制对象的温度参数变成电信号,传递给显示、记录和调节仪表,对系统实行检测、调节和控制。 在化工厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体、蒸气，如果使用普通的铂电阻非常 不安全，极易引起环境气体爆炸。因此，在这些场合必须使用隔爆热电偶作温度传感器，本厂生产的隔爆铂电阻产品适用在dIIBT4dIICT6 温度组别区间内具有爆炸性气体危险的场所内。本厂生产的隔爆热电偶采用引进元件作感温元件，其技术性能符合 ZBY301-85工业铂电技术条件和分度表。同时产品符合爆炸性环境用防爆电气设备通用要求 GB3836.1-83 、 GB3836.2-83标准。5.2.2量程规格 表5.1 量程规格表型号分度号测温范围精度等级允许偏差 t WZPWZP2WZPKWZPK2PT100-200500A 级（0.15+0.002|t|）B级（0.30+0.005|t|） 注：“ t”为感温元件实测温度绝对值，双支铂电阻只供应B级5.2.3原理和结构 隔爆热电阻和装配式热电阻的结构，原理基本相同，所区别的是，隔爆型产品的接线盒（外壳）在设计上采用防爆特殊的结构，接线盒用高强度铝合金压铸而成，并具有足够的内部空间、壁厚和机械强度，橡胶密封圈的热稳定性均符合国定防爆标准，所以，当接线盒内部的爆炸性混合气体发生爆炸时，其内压不会破坏接线盒，而由此产生的热能不能向外扩散一传爆，由于产品采用是上述防爆特殊结构，使产品完全符合使用在dIIBT4至dIICT6防爆温度级别区间范围内，只要用户严格遵守产品使用规则，产品就能达到可靠的防爆效果。5.3调节阀选型 选用Q647F/H固定式气动球阀(气动固定式球阀) 图5.3 Q647F/H固定式气动球阀(气动固定式球阀)5.3.1 产品概况 本固定式气动球阀是由角行程气动执行器与固定式球阀组成，采用上下阀杆固定阀芯(轴支式)和可动密封座设计，工作更稳定。固定式气动球阀可配阀门定位器输入控制信号(4-20mADC或1-5VDC)气源即可控制运转。亦可配行程限位开关、电磁阀、三联件及0.4-0.7MPa气源可实现开关操作，并送出二对无源触点信号指示阀门的开关。固定式气动球阀具有自动补偿功能、双向密封阀座之间无间隙回转时具有很大的剪切力及自洁功能。尤其适用于帝制纤维和有微小固体颗粒的悬浊液及粘性介质的通断。气动固定式球阀可广泛应用于造纸、石化、化工、冶金、电力、环保、石油、轻工等工业部门的自动化控制系统中。5.3.2主要特点 1、气动固定式球阀采用固定球设计，相对运动部位均采用磨擦系数极小自润滑材料，因而操作扭矩小，此外密封润滑脂的长期密封，使得操作更加灵活。2、阀门可采用高平台结构，ISO5211连接标准，能使安装电/气动执行器更为专业化。3、固定式气动球阀采用全通径或缩径设计，流通阻力小。4、金属硬密封固定式气动球阀采用双向金属可动密封结构，具有自动补偿及自洁功能，密封性能优越。5、气动固定式球阀采用固定球设计，并增加了预紧力弹簧，使得球阀具有自动泄压功能。6、每个球阀都有两个可动密封座，两个方向都能密封，因而安装时不须考虑介质的流向。7、具有防火防静电结构，在阀杆与阀体及阀杆与球体之间设置导电弹簧，避免静电打火点燃易燃介质。确保系统安全。8、耐火结构双重保护，当万一发生火灾而使密封圈烧损时，球阀的各个密封部位均能形成金属对金属的硬密封结构。9、自动泄压结构，当滞留在阀门中腔的液体介质由于温度升高而气化，从而中腔压力异常升高时，中腔介质能依靠本身的推力推动阀座而自动泄压，从而确保阀门安全。5.3.3产品执行机构 表5.2 产品执行机构执行器型号GT、SR、ST、AT、AW系列单双作用气动执行器供气压力0.40.7MPa气源接口G1/4、G1/8、G3/8、G1/2环境温度-20+90作用形式单作用执行机构：气关式(B)-失气时阀位开(FO)；气开式(K)-失气时阀位关(FC)双作用执行机构：气关式(B)-失气时阀位保持(FL)；气开式(K)- 失气时阀位保持(FL)可配附件定位器、