（检测技术与自动化装置专业论文）啤酒糖化生产过程自动化的研究.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 细卑酒工业是我国食品工业中重要的一个产业部门，特别是7 0 年 代以来发展迅猛，目前我国已成为仅次于美国的世界第二大啤酒生产 国。在影响啤酒质量的众多因素中，发酵温度占有一席之地，但进罐 前的麦汁质量才是决定性的，而麦汁质量的好坏直接跟原料的好坏和 糖化工艺相关，糖化工艺中的米粉醪液和麦芽醪液的煮醪和并醪反 应、过滤槽麦汁过滤速度、麦汁蒸发强度、p h 值大小，最终麦汁糖 度、酒花及微量物的添加、热麦汁的冷却等因素都直接影响着成品啤 酒的质量。另外，糖化过程耗费大量的水、电、汽，是全厂能源消耗 大户。对糖化过程进行合理的优化与控制，将节省能源，降低成本， 提高啤酒质量和竞争力。厂3 一 本课题综述了啤酒糖化过程自动化控盟的发展、现状，分析了糖 化过程控制的间歇批次生产、含大纯滞后控制、含难于直接测量的变 量、管道易堵塞、清洁度要求非常高等控制难点，结合浙江天台红石 梁集团新糖化控制系统，通过机理分析和实验教正的方法，研究了针 对啤酒糖化过程的温度曲线控制策略；研究了针对由可编程控制器、 工业控制计算机、模拟屏组成的控制系统的容错性和抗干扰性问题； 研究了由糖化控制系统，发酵控制系统，罐装控制系统等整个啤酒生 产过程不同车问，不同部门的信息共享，协调控制等问题。本文提出 的用开环控制+ 反馈控制校正的方法，使糖化、糊化过程温度曲线偏 差控制在03 度的偏差之内，完全满足了糖化生产工艺；本文提到 的由p l c 自控加模拟屏手控是当前国内各大啤酒厂糖化自控的流行 趋势；( 而简单易用的手自动切换电路是啤酒糖化正常生产的保证：) 啤 酒生产过程系统集成则是提高啤酒生产过程自动化程度另一重要方 法。 塑坚查兰堡主丝奎 a b s t r a c t t h eb e e r p r o d u c t i o n ， w h i c h d e v e l o pq u i c k l y s i n c e7 0i no u r c o u n t r y ，i si m p o r t a n tt o t h e d e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m y a tp r e s e n t ， c h i n ah a sb e c o m et h es e c o n dl a r g e s tp r o d u c tc o u n t r y , a f t e ru n i t e ds t a t e ， i nt h ew o r l d s a c c l a r l f i c a t i o n ，w h i c h i su s e dt o p r e p a r e t h ec u l t u r e m e d i u m ，i san e c e s s a r yp a r to fb e e rp r o d u c t i o nt h e r ea r ev a r i o u sf a c t o r s a f f e c t i n gt h eq u a l i t yo fp r o d u c t f u r t h e r m o r e ，t h es a c c l a r l f i c a t i o np r o c e s s c o n s u m e sal o to f e n e r g y , s o t h er e s e a r c ho fc o n t r o ls t r a t e g i e st oi m p r o v e t h ee c o n o m i cr a t ei se s s e n t i a l h o w e v e r , t h e r ea r es om a n yp r o b l e m si n b e e rs a c c l a r l f i c a t i o np r o c e s sc o n t r 0 1 t h i st h e s i ss u m m a r yt h ed e v e l o p m e n ta n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no f b e e rs a c c l a r l f i c a t i o np r o c e s sc o n t r o ls o m e p r o b l e m si ni t a r ea n a l y z e d t h e s t r a t e g y o fc o n t r o lc u r v eo f t e m p e r a t u r e ，w h i c h b a s e do i lt h e s a c c l a r l f i c a t i o ns y s t e mo ft h ep l a n to fr e ds h i l i a n gg r o u pc o l t d ，i s s h o w nt h ec o m p a t i b l ee r r o ra n dr e s i s tt od i s t u r b a n c ed i s c u s si n t h e s y s t e mc o m p o s e d o fs i m a t i cs 7 - 3 0 0 p l c i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r a n do p e r a t i o nv e n e e rt h ei n f o r m a t i o ns h a r ei ns a c c l a r l f i c a t i o ns y s t e m ， f e r m e n ts y s t e m ，e t c s t r a t e g yd e r i v i n gf r o mf u n d a m e n t a lm a s sa n de n e r g y b a l a n c e si s g i v e nt os o l v et h ep r o b l e mo fc o u p l i n gl e v e li ne v a p o r a t o r s t h eo p e nl o o pc o n t r o la n df e e d b a c ka d j u s ti s a p p l i e dt ot h ec o n t r o lo f c o n t r o lc u r v eo fs a c c l a r l f i c a t i o n t e m p e r a t u r e ，w h o s ew a r pi so n l y o 3 d e g r e e a n ds a t i s f yt h e r e q u e s t t h es i m p l e s w i t c hb e t w e e ns i m a t i c s 7 3 0 0p l ca n do p e r a t i o nv e n e e rm a k ep r o c e s ss a f e ra n db e c o m ea c o m m o nt r e n d i n t e g r a t e ds y s t e m s e c u r et h ea u t o m a t i z a t i o no ft h e p r o d u c t i o n 浙江大学硕士论文 致谢 在我的硕士学位文即将完成之际，作者首先要对我的导师周泽 魁教授表示衷心的感谢，本文正是在他的悉心指导和关怀下完成的。 在这两年半的求学生涯中，作者所取得的每一点进步都和导师的督 促和教导息息相关，导师渊博的知识、严谨的治学态度和孜孜不倦 的敬业精神深深地激励了我，并将影响我的一生。 作者还要对所在教研组的杨丽明老师、张光新老师的热情帮助 和鼓励表示深深的谢意，他们不仅关心论文的进展，而且还为作者 提供了许多很好的建议及诸多方便的指导，才使本文的研究工作得以顺 利进行。 同时，衷心感谢我的同学和师弟们：侯迪波硕士、丁阳硕士、 李立新硕士、张辉硕士、赵明阳博士、赵向海博士等在学习和生活 上对我的帮助。 特别感谢浙江宁波金狮啤酒厂的蒋东凯工程师、浙江天台石梁 啤酒厂的奚采圣工程师等对啤酒生产工艺的指导和实践上的帮助。 在此我还要感谢我的家人对我的支持，并祝愿他们健康幸福! 郭志良 2 0 0 01 21 于求是园 塑垩盔兰婴主兰垡堕茎 一一 第一章概述 1 1 啤酒糖化生产原理及工艺流程【1 】 啤酒是采用麦芽和水为主要原料，加酒花，经酵母发酵酿制而成的一种 含有二氧化碳、气泡的、低酒精度的饮料。啤酒生产工艺主要是由麦汁制备、 啤酒发酵、啤酒罐装等工艺流程组成，而其中麦汁制备过程俗称糖化。糖化 的目的，是通过物理和生化的措施，使麦芽( 包括辅料) 的内容物大部分溶 解出来，也就是说通过煮沸( 醪液和麦汁) 以及控制温度和p h 等，以及发挥 酶的作用来实现，且保持最大的收得率和最少的损失率。糖化的任务是在经 济合理的基础上，保证麦汁的组成分能适合酵母的繁殖并顺利地进行发酵。 整个麦汁制各过程又包括：( 1 ) 粉碎麦芽和谷物，( 2 ) 糖化制成麦芽汁，( 3 ) 过滤分离麦糟和麦芽汁，( 4 ) 麦汁添加酒花煮沸，( 5 ) 麦汁冷却，制成最终 麦汁泵入发酵工序。在3 锅( 糊化锅、糖化锅、煮沸锅) 2 槽( 过滤槽、旋涡 沉清槽) 体系结构的糖化车间中，其生产的主流程图见图1 1 。 炼枷母砸吁f h 萼娜尹岖坶斗胬十 麦芽q 塑重一伍酬坚l 徊囱 t下 蒸汽压缩气 高舀壶 i 贳查至煎j 土 卤卤卤 jc i p 系统 图1 _ l 糖化过程总流程图 壶 塑翌查兰堡主堂生笙苎 一 工艺过程简介。根据工艺要求，定量大米和定量麦芽分别粉碎并且与适 量的水混合形成米粉醪液和麦芽醪液，并分别送入糊化锅和糖化锅按一定温 度曲线进行煮醪反应。两种醪液在糖化锅内混合，并继续按一定温度曲线进 行反应，其间可能加入适量的磷酸以调整醪液的p h 值。这个过程称为并醪反 应。混合醪液反应完成后被送入过滤槽进行过滤。过滤后麦汁液经过预热送 入煮沸锅，并加入洗糟水稀释到指定的原麦汁浓度后开始进行蒸发。蒸发过 程可分为两个阶段，其一为沸腾前期为小蒸发，将麦汁从8 0 。c 左右快速升温 至沸腾温度，并可加入酒花、白糖及微量物质用于调节啤酒风味以及加入适 量的磷酸以调节p h 值，其二为麦汁沸腾期，常称为大蒸发，麦汁充分翻腾以 加大水分蒸发面积，在规定的时间和煮沸强度下，使麦汁的浓度和p h 值达到 要求。煮好的热麦汁送入沉清槽进一步沉清后，在泵入薄板冷却器冷却至规 定温度，麦汁制备即为完成 物质变化。不同的啤酒品牌，不同的啤酒工艺最大的生产区别主要在第 二步麦芽粉碎后糖化制成麦芽汁，因为主要的物质变化都集中在这里。糖化 过程的物质分解主要有：淀粉分解、蛋白质分解。大麦约含淀粉5 8 6 0 ， 辅料大米含淀粉7 5 8 2 ，辅料玉米含淀粉6 9 7 2 ，淀粉是由直链淀粉及 支链淀粉组成的，淀粉分解主要在。淀粉酶和b 淀粉酶的作用下最终生成低 聚糊精和以麦芽糖为主的糖类，在发酵过程中，麦汁中的可发酵性糖类是酵 母的营养物质，供酵母繁殖和代谢，从而形成酒精和具有各种风味的代谢产 物；而低聚糊精则形成啤酒残余浸出物的主体，给啤酒带来粘度和口味的浓 醇性。麦芽粒中的蛋白质是由多种含氮物质的混合物组成的，蛋白质的分解 是在蛋白酶的作用下进行的，最终分解成氨基酸，氨基酸是酵母合成含氮的 直接来源，如果麦汁缺乏氨基酸，酵母增殖会困难。糖化过程淀粉、蛋白质 都要求分解的比较彻底，以使发酵时酵母有足够的营养和保证糖化过程足够 的原料收得率。 酶的作用。在糖化分解过程中，各种酶是起着关键的催化和加速作用， 而酶促反应是在一定的条件下进行的。温度对酶的活性极为敏感。温度对 塑坚查兰堡主堂垡丝壅一 酶的反应速度的影响如图l _ 2 所示的呈钟形曲线，一般来说，在低于酶最适 合的温度时，酶促反应进行的缓慢，温度逐渐升高，酶反应逐渐加快。每一 种酶在一定的条件下，只有在某一温度范围内才表现出最大活力，这个温度 称为酶的最适合温度。生产中必须选好酶的最适合作用温度，糖化过程温度 控制是很重要的，又因为糖化过程中要用到各种不同的酶，每一种酶都有不 同的适合温度，所以糖化过程需要温度曲线控制。p h 值对酶的反应速度和 活力的影响如图1 3 所示，也呈钟形曲线，各种酶在一定条件下都有它的最 适合的p h 值。 图1 2 温度对酶反应速度的影响图1 3p 时j 酶反应速度的影响 糖化方法。不同原料不同糖化法，做好的啤酒，因该有好的麦芽，但是 由于大麦来源的不同和大麦品种、质量的变化，以及制麦操作不稳定、不正 确等原因，一个啤酒厂要经常使用质量很不一样的麦芽，一个啤酒厂要生产 同样的啤酒，质量差的麦芽要进行适当的补救。不管啤酒的类型、浓色、淡 色，不管原麦汁浓度的高低，不管原质量的优劣，均用一种糖化方法，虽方 便了工人操作，却不能得出合乎要求的麦汁成分，也就酿造不出好的啤酒。 糖化方法有：煮出糖化法、浸出糖化法、双醪煮出糖化法。国内大多用双醪 煮出糖化法，辅料、麦芽分别投入糊化锅、糖化锅，辅料在糊化锅内糊化、 液化和煮沸后并入糖化锅，达到所需要的糖化温度。根据糖化锅并醪的次数， 分为一次、二次、三次糖化法。二次糖化法工艺过程与工艺曲线如图l _ 4 。 浙江大学硕士学位论文 双醪煮出糖化法的特点是：辅料可以选用大米或玉米，添加量最高可达4 0 5 0 ；次或二次糖化法所制备的麦汁色泽浅、发酵度高，更适合制造淡色 贮藏啤酒。 图卜 = 次搪化法工艺过程与工艺曲线 糖化工艺要求。( 1 ) 原料中有用成分得到最大限度的萃取。主要是原料 中的淀粉转变成可溶性无色糊精和可发酵性糖的转化程度。( 2 ) 原料中无用 的或有害的成分溶解少。主要指麦芽的皮壳物质、原料的脂肪、高分子蛋白 质等。他们会影响啤酒的风味和啤酒的稳定性，在麦汁的制备过程中减少溶 解或通过麦汁处理，使他们减少是提高啤酒质量的关键之一。( 3 ) 制成的麦 汁的有机或无机组分的数量和配比符合啤酒品种、类型和酵母生长繁殖的要 求，在原料质量不稳定的情况下，依据工艺原理进行调节，尽量得到质量均 一的麦汁组成；在相似原料的情况下，通过不同工艺控制，制成不同组分的 麦汁，来酿制不同风格的啤酒。( 4 ) 保证上述三原则的前提下，缩短生产时 间，节省工时，节省能耗也是实际的需要。 浙江大学硕士学位论文 1 2 当前国内外啤酒糖化控制技术概况 由于啤酒糖化过程是一个连续批次间歇生产，各环节又相互连锁，糖化 工艺繁多，而且一般啤酒厂的规模都比较小，因此啤酒糖化过程的自动化实 现起来比较困难，这点上国内外情况相似，但国外啤酒厂的自动化水平要 高于国内，一方面是因为啤酒生产的工艺比较成熟，工艺参数比较确定；另 一方面国外的啤酒市场供需早己趋于饱和，竞争比较激烈，必然促使啤酒生 产厂家提高啤酒生产的自动化水平。而国内的啤酒生产自控起步较晚，目前， 国内啤酒糖化生产的控制水平基本上可分为三个大的档次。 第一，手动操作：即对生产工序中的各点温度、压力、液位、流量、浊 度、电导率等生产过程中的模拟量信号采用常规分散仪表进行采集，然后集 中或现场显示，操作人员在现场或集中操作盘( 柜) 上控制主要设备的启停， 阀门由工人到现场操作，这种控制方式下啤酒生产的控制完全是由工人操作， 生产工艺参数得不到可靠执行，啤酒质量人为因素影响较大，啤酒口味稳定 性较差，而且工人的操作劳动强度很大，主要生产设备与装置不能工作在较 佳状态，原材料的利用率低，产品能耗大，不可能采用较复杂的先进工艺生 产啤酒，生产成本较高。因国情需要( 第一次建设资金投入较少) 许多中、 小型啤酒厂家还在采用，但己逐步被智能仪表和自控系统所代替。 第二，遥控操作( 也称半自动控制) ：以- 5 塞克模拟屏为代表，即采取诸 如数据采集器等手段采集各种过程量进入控制室，一般控制室设有马赛克模 拟屏或上位机，在模拟屏或上位机上显示各种温度、流量、压力、液位等过 程参数和电机、阀门的开启状态，对生产过程进行监控，操作人员根据显示 的参数与工艺参数对比，在模拟屏或操作台上遥控阀门的开启和电机的启停， 从而满足工艺要求，生产中的关键数据由人工记录。但由于需要操作工人的 频繁介入，其啤酒质量与口味也有较大的波动，工人的劳动强度也较火，目 前国内中小型啤酒厂较多采用。 第三，自动控制：采用先进的工业控制计算机对生产_ 序进行自动控制。 浙江大学硕士学位论文 生产过程控制中的各种信号在外围通过相应的变送器送入数据采集卡，在p c 机画面上显示各种生产过程参数，同时控制阀门与泵、电机等设备的启停来 满足工艺生产要求，一般在p c 机上运行w i n d o w 操作系统，可在一定程度上解 决啤酒生产过程控制的要求，但存在以下缺点：系统可靠性差，这主要是由 于上位机操作系统及数据采集卡的可靠性较差造成的；由于外围器件的漂移 较大，系统控制效果不理想，容易引起啤酒质量与1 3 味的波动。 啤酒糖化控制发展趋势。采用先进的计算机控制技术与多层次的网络结 构+ 先进控制算法对生产工序进行自动控制，一般下位机采用可靠的p l c 作为 控制单元，( 一般可连续可靠工作2 0 年) ，性能稳定，上位机网络采用t c p i p 协议，和标准数据库，挂在局域以太子网上，便于信息的集成管理，和功能 拓展。该控制方式是自控技术发展的方向，国外包括我国引进、合资的许多 大型啤酒生产厂都在使用。 1 3 啤酒糖化的节能与控制 随着地球上人口的增长，资源和能源的有限，致使节约能源的问题逐渐 得到了人们的重视，特别是能源价格的不断上涨，致使各个企业均把能耗作 为一项重要的生产指标进行控制。 在啤酒生产过程中，糖化是一个重要的、能耗大的生产工序，主要体现 在糖化过程的用汽、用水、用电。用汽主要是在糖化锅、糊化锅醪液加热糊 化、糖化反应，煮沸锅麦汁煮沸蒸发，热酿造水制备；用水主要是麦芽、大 米的浸渍水，过滤麦汁洗糟水，c i p 用水；用电主要是各物料提升电机，麦 汁输送泵，搅拌电机的耗电量。1 9 9 3 年4 月联合国工业发展组织派出一个调 查团对我国4 家啤酒厂进行能源和水的节约调查结果如下： 项目水单耗( t t 啤酒)热单耗( k j t 啤酒)电单耗( k w t 啤酒) 啤酒厂1 2 453 7 0 0 13 78 啤酒厂2 2 306 3 0 01 6 57 浙江大学硕士学位论文 l啤酒厂3 1 693 5 0 01 ( ) 41l l啤酒厂4 2 284 1 4 01 0 1 9l l欧洲标准 5 81 4 0 0 2 0 0 0 1 0 0l 中国是世界啤酒第二生产大国，但人均占有啤酒量很低，不少国外啤酒 看好中国啤酒市场，大举向国内进军，造成国内啤酒市场竞争异常激烈，主 要体现在两个方面：啤酒质量、口味稳定性的竞争。采用常规仪表进行检测， 依靠人工介入控制各种工艺参数，很难保证工艺参数的正确、可靠执行与一 致性，使啤酒质量、口味不稳定，波动性很大；啤酒价格的竞争。人工控制 很难保证设备的合理工作状态，使产品能耗上升，原材料利用率低下，设备 的维修量增大，造成啤酒成本居高不下，影响市场竞争力。 为适应现代化生产的要求，迎接中国进入w t o 的挑战，提高、稳定产品 质量与口味，提高劳动生产率，降低啤酒成本价格，同时使企业的生产管理 水平和竞争能力更上一层楼，用计算机对生产工序进行自动化控制不失为一 种很好的解决方法，它可以：提高工艺水平，稳定产品质量，形成稳定啤 酒口味，提高原材料的利用率，节约能源，降低生产成本，减轻操作人员的 劳动强度，使工人有更多的时间关注工艺参数；强化产品的质量管理。先 进的算法程序与硬件的高可靠性保证生产过程严格按设定的工艺参数执行， 一致性很高，同时计算机可记录下真实的生产过程数据，并可随时调用查阅 这些数据，作为生产决策部门质量分析和改进生产工艺的可靠依据；辅助 生产管理，减轻工人的操作强度的同时可增强工人的工作责任心，水、电、 汽的消耗计量更准确，方便生产成本的控制和管理。 随着2 0 世纪7 0 年代微处理芯片的出现，自动控制技术在西方发达上业化 国家的工业生产领域得到了广泛的应用，同时积累了很多宝贵的经验，我国 在引进西方1 业生产设备的同时，也消化吸收了采用部分自动化控制技术， 进一步认识到了采用自动控制技术的必要性，同时随着硬件( 微处理芯片) 成本的迸一步降低与部分软件国产化的实现，在工业生产中实现自动控制技 术的总体费用大大下降，应用领域从化工、钢铁等国家高度重视的传统重工 塑坚查兰婴圭兰堡笙苎 一 业行业向其他轻工业行业扩展，使得大部分厂家在生产中使用自控系统的要 求成为可能。同时啤酒行业有自己独有的环境、工艺、设备装置、人员素质 特点，只有结合国内啤酒行业的实际情况与行业经验，针对啤酒行业生产的 特殊性，才能有针对性开发出适应中国特色的啤酒行业自动控制系统，通过 大量的归纳、分析、总结，啤酒行业自控的基本要求：出于啤酒行业员工的 总体素质比钢铁、化工等重工业行业的要低，同时缺乏自控系统操作的实际 经验，应要求系统有全中文操作界面，面向工艺人员设计，不需要计算机方 面的专门知识，操作极其简便；采用模块结构设计，系统硬件、软件可扩充 性强，可靠性要高，特别对糖化这种快过程的生产车间，要求下位机要采用 p l c ，同时在系统结构设计中要考虑方便用户多次投资，确保用户的投资价 值；自动化程度要高，自控设备运行的费用要低，易耗件要求有较高的通用 性，避免使用冷门产品，使生产的正常运行得到可靠的安全保证；完备的生 产数据记录功能，应提供专门的历史数据查阅程序，便于分析改正生产过程 的不足；合理的安全体系，应结合工厂日常管理的经验，对生产设备、控制 点数、操作人员进行合理的划分，给予不同的操作权限与操作等级，从制度 上保证生产的可靠的安全运行。 1 4 啤酒糖化控制技术的难点 啤酒糖化生产系统控制的难点主要集中体现在，间歇批次生产、系 统含大纯滞后控制、系统连锁控制多、强耦合等四个方面。 间歇批次生产 啤酒糖化生产采用批次生产工艺流程，彳：象石油化工厂，连续式生产， 一旦设备运行，就连续生产，啤酒糖化则不同，麦汁一锅一锅的煮，根据糖 化生产能力不同，每批次生产一定量的麦汁，等上一批次生产从这道工序做 完j ，然后清洗设各，再接着生产下一批次。批次生产给控制带来很多困难， 每批次投料开始控制时，都有一个控制点自动切入问题，这时往往有一个 很大的超调量，所以在控制上就应更多的考虑减少超调量，而不是余差i 串 塑坠奎兰堡主兰壁丝茎 级控制系统就不太容易使用，因为过程总是比较短暂，往往系统还没有稳定， 过程已经结束了，加上串级控制系统自动切入比较繁，所以一些先进控制策 略也不太适合使用。另外批次生产，给数据记录也带来很多不方便之处，首 先必须分清采样到的数据是哪一个批次的，然后再把数据添到那个表格中 去，而且要考虑不同批次同时存在的可能性，例如提升的是一个批次号的麦 芽，而糖化锅中正在糖化的又是一个批次号，过滤槽是也可能存在另外一个 批次号，煮沸、沉清也一样可能是不同批次物料。 大时滞 啤酒糖化过程有很多加热过程的温度控制，比如糖化锅、糊化锅、煮 沸锅的温度控制，首先这些锅都比较大，从加热到检测到温度升高纯滞后在 一分钟左右，要很好的跟踪工艺曲线不是件容易的事情，常规p i d 控制肯定 做不到，另外虽然糖化锅、糊化锅中装有搅拌电机，但是这些搅拌电机在并 不一直在运行，所以锅中的温度并不一定均匀，时而检测到的温度可能偏高、 也可能偏低，也给控制带来不少困难。 连锁控制 啤酒糖化生产中的物料并不全是流体，在粉碎之前是麦芽和大米颗粒， 粉碎之后，过滤之前是由水和麦芽粉、米粉组成的糊状物，在大米粉碎时， 很容易堵塞粉碎机，在锅一锅过料时，又很容易堵塞阀门，或者清洗时把排污 阀堵住，使生产时不能关紧，麦汁渗漏到排水沟中去，严重影响啤酒麦汁产 率，所以在啤酒糖化生产中有许多地方存在连锁控制，在进料之前要检查管 道是否畅通，电机是否运行正常，在进科过程中又要检查各阀门是否一直在 到位状态，( 通过接近开关来检测) ，电机是否直在正常运行，如果不是必 须马上切到安全停止状态，并且报警提示。 强耦合 啤酒糖化生产中集中用电、用汽、用水，用电可能不太会相互影响，但 是集中用汽和用水相互耦合就很严重。用汽，糖化锅糖化时在用蒸汽，同时 如果煮沸锅开始煮沸，总蒸汽压力会突然下降，给糖化锅温度控制带来一个 塑坚查兰堡主兰焦笙茎一 很大的干扰，而如果在煮沸的时候，糊化锅又突然开始糊化需要蒸汽升温， 同样会给煮沸控制带来一个干扰。用水也一样，而且情况更糟糕，麦芽粉碎 浸渍水，大米粉碎浸渍水，过滤槽洗糟水都用同一管路的脱氧水，而粉碎用 水流量控制要求比较稳定，多一点或少一点都会把粉碎电机堵死，严重影响 生产。 另外啤酒生产中，糖化工艺比较多，也给控制带来不少问题。每一种糖 化工艺可能使用不同的原料配比，不同的温度控制曲线，要求不同的记录表 格，还有啤酒糖化中，很多啤酒厂有一些在线检测仪根本没有，如麦汁清亮 度的检测，麦汁糖度的检测，这些量都要靠借助手工测量的方法检测，然后 在输入计算机进行控制，影响了控制的实时性、和控制精度。 1 5 本课题所要研究的问题 目前国内约有近干家啤酒生产厂，除少数大型厂家引进全套设备实现了 全线自动化，决大部分还处于手工操作状态，或仅对部分车间( 发酵) 设备 进行了自动化改造和设计，所以国内大多数啤酒厂的自动化水平还较为落 后，啤酒生产成本较高，为改变这一现状，如全部引进国外的自控系统，一 次性投入成本太高，一些中小厂家根本不能承受；另外国外的一些啤酒糖化 自控系统，一般都用英文操作界面，要求员工素质比较高才能操作，使用不 是太方便；如果设备出现问题，维修也不方便。然而当前国内啤酒工业发展 的特点是正在向规模大型化，设备现代化，生产自动化方向发展。为了降低 啤酒生产成本，较少啤酒生产的能耗，提高啤酒质量，本课题研究通过采用 町编程控制器和工业控制计算机组成的小型集散系统网络并应用先进的控 制策略来实现上述目的。 浙江大学硕士学位论文 1 6 本章小结 啤酒糖化过程是啤酒生产的重要工序，然而啤酒糖化过程是一个连续间 歇批次生产、含大纯滞后控制、含难于直接测量的变量、管道易堵塞、清洁 度要求非常的生产过程，要解决啤酒糖化全过程的控制问题，保证啤酒糖化 生产的平稳、安全、节能的运行决非易事。本章主要介绍了啤酒糖化过程的 原理、工艺流程以及目前国内外发展情况，并指出了研究啤酒糖化过程控制 在节省能源、提高啤酒质量、提高劳动生产率上的意义，同时提出了本课题 所要研究的问题。 塑翌查兰堡主兰垡堡兰 一一 第二章糊化温度曲线控制策略的研究 摘要：本章以啤酒糖化过程糊化温度曲线控制系统为例，通过分析啤酒糊化过程的对象 特性，并从机理分析的角度出发得出对象特性的仿真模型，比较了各种控制策 略的仿真结果，进而得到了用于糊化过程温度曲线控制的一种较好的控制策略。 关键词：糊化、对象特性、逆模型控制 2 1 糊化过程温度控制概述 问题的提出。整个啤酒糖化工艺过程需要控制的点很多，有两个粉碎机的 调浆水的温度控制、流量控制、p h 控制；糊化锅的温度控制：糖化锅的温度 控制、p h 控制；过滤时的过滤速度控制、耕刀转速控制、糟层差压控制、p h 控制：煮沸锅蒸发强度控制、p h 控制；薄板冷却器的温度控制；次品酒添加 温度控制、流量控制；水系统的温度控制、压力控制；c i p 系统的温度控制、 压力控制、浓度控制等等， 在这些控制系统中我们一 般都使用了常规的p i d 控 制算法+ 限幅控制，都取得 了较好的控制效果，但是 在糊化锅、糖化锅的温度 曲线控制中，用p i d 控制 算法效果不是很理想，控 制偏差在3 以上，远不 能达到工艺要求，所以在 固2 1 糊化锅 现场我们用了很多时间来调试这个温度曲线控制算法，最终采用了模型推理， 参照随动控制系统的设计理论，导出了适合糖化、糊化温度曲线控制的控制 浙江大学硕士学位论文 策略。 糊化锅简介。糊化锅外观如图2 1 所示，直径约4 5 米，高约5 6 米的 一个圆柱型容器，外面有上中下三个蒸汽加热夹套。锅内有一个温度检测探 头，用来检测锅内的温度；加热蒸汽总管上装有个气动调节阀，通过调节 加热蒸汽的流量来实现锅内的醪液温度控制，三个气动球阀是用来控制使用 哪一个夹套层供热，及可用来温度过调的保护。夹套层内的冷凝液通过个 手动阀门集中回收。锅内另外有一个搅拌电机可保证锅内的物料混合较均匀 2 04 06 08 0l o o1 2 0 1 4 0 ( 分钟) 围2 - 2 典型糊化工艺曲线 和温度分布均匀，并防止部分醪液升温过度而结焦。 糊化温度控制要求。糊化时不同的温度选择，是为了控制酶的活力，并 因此确定麦汁的成分。虽然酶有较大的温度范围内作用，但最适合的范围只 有2 3 的差距下波动，厂里一般要求最大偏差在0 5 之内，典型的糊化 过程温度工艺曲线如图2 - 2 所示，保温升温保温升温保温 的过程。 v 5们； 浙江大学硕士学位论文 2 2 糊化温度动态仿真模型的建立 模型假设。假设l ：糊化锅的形状为完全的圆柱体，外夹套加热，如图 2 3 所示；假设2 ：糊化锅内壁的壁厚只有1 厘米，相对对整个容器的直径来 说很小，假设糊化锅内壁厚为零，这样就不必考虑内壁的热容；假设3 ：糊化 锅外壁有隔热层，假设外壁的绝热是良好的，这样可以不必考虑外壁的热损 耗；假设4 ：糊化锅内有搅拌电机，假 设糊化锅内的温度是均匀的：假设5 ： 加热蒸汽总管有一体积较大的分汽缸 ( 图中未显示) 做蒸汽稳压作用，蒸 汽总管的压力是恒定的，加热蒸汽的 温度也是恒定的：假设6 ：水的比容相 对与水的汽化热是很小的，假设蒸汽 加热就是蒸汽冷凝使所放出的热量。 根据能量守恒的基本原理： 单位时间输入的热量= 单位时间输出的热量 ( h - h ) f _ m 鲁 式中，日加热蒸汽热焓 h 冷凝水热焓 f 加热蒸汽流量 v 醪液的体积 r 醪液的密度 c 醪液的比热 7 1 醪液的温度 圈2 - 3 夹套加热器 ( 2 - 1 ) 塑婆查兰堡主兰垡丝苎一一 经拉氏变换整理得到： g = 焉2c 等磅 弘z ， 令h - h ：k 一c 则2 - 2 式变为研s ) = k s ，表明糊化锅加热过程是一个纯积分过程。 模型纠正。在模型推导过程中，我们假设了糊化锅内壁厚度为零，蒸汽 通过调节阀后马上冷凝，把热量传给了锅内的醪液，醪液马上吸收了热量， 完成升温过程，事实上，调节阀的动作、蒸汽与锅壁的换热、锅壁与醪液的 换热都存在着不同程度的滞后，我们把从调节阀的动作，到检测到醪液温度 变化的滞后用一个纯滞后t 来表示。则式2 - 2 修改为： g ( s ) ：一kgm(2-3) 式2 - 3 就是所要求的糊化过程温度对象的近似仿真模型。 参数确定。在式2 3 中参数有待定的常参数k ，t ，用实验方法确定。首先 把调节阀关死，待一段时间，温度稳定不变后，把蒸汽调节阀突然开到1 0 0 ， 得到一条温度响应特性曲线，曲线中从阀变化到温度变化的时间为纯滞后时 间- ，温度的升温斜率为参数k 。连续做两三次后得到参数k ，t 的平均值为t = 1 分钟，k = l6 。c 分钟，当然参数k 、t 都会随着锅内醪液的组成变化而受影 响，但，e d , 的偏差不会太大，本章后面的章节将会作进一步的讨论。把参数k 、 - 的值代入式2 - 3 ，则糊化过程温度对象的近似仿真模型为 g f “：1 6 p a ( 2 - 4 ) 2 3 一般控制策略 对糊化过程的温度曲线控制，虽常规的控制算法就是p i d 算法，在己知 塑竖查兰堡主兰垡笙苎 对象模型的前提下，为克服系统滞后也常采用s m i t h 预估算法，这两种控制 算法对温度曲线的跟踪效果如何，下面我们将分别通过计算机仿真予以比较、 分析。 2 3 1p i d 控制 p i d 控制算法是我们经常用的算法，从式2 - 4 可以看出糖化过程是一个 带有大纯滞后并且是非自衡系统，如果控制要求不是非常苛刻，p i d 控制还是 可以接受的，下面我们就用仿真的方法看一下控制结果。为便于仿真，假设 测量变送器的传递函数为l ( 厂里一般都己测量显示的数据为参考数据，所以 测量变送环节实际上已经包含在前向通道之中) ，则p i d 控制方框图如图2 - 4 所示。 围2 - 4p i d 控制系统方框图 仿真。假设系统的参数l 【 一是不变的，p i d 控制参数分别设定为： k p = 08 ：t s t i = 02 ； t d 门r s = o3 ；f ( s ) 干扰设为零输入( 无干扰) ：r ( s ) 输入为设两斜坡函数的叠加结果，其仿真结果如图2 - 5 所示。 浙江大学硕士学位论文 图2 - 5r 邛控制仿真结果 结论。在p i d 控制中，为了维持系统的稳定，在保温阶段必须把控制作 用整定的很弱，对象是有一个完全的积分环节，因为若控制作用越强，则系 统超调量就越大，当温度小于设定值时，系统输出不断增大，企图使温度升 高到设定值，但是当温度到了设定值以后，即使系统输出马上为零，但是因 为系统有一分钟的滞后响应，所以系统会继续升温，控制作用越强，超调量 就越大。反之，在升温阶段，则要求控制作用整定的很强，因为如果控制作 用很小，则在升温的时候跟随性就很差了。 2 3 2s m i t h 预估算法 在过程纯滞后控制系统中，s m i t h 预估算法是最著名的方法之一。其实 质是借助于过程模型，以实现没有纯滞后的反馈控制。下面让我们看一看用 s m i t h 预估控制算法控制的仿真效果。其控制方框图见图2 - 6 。 塑坚查兰堡兰! 竺生蔓旦一 固2 一bs m it h 颈估控制系统方框图 仿真时，假设系统的参数k ，t 是不变的，并且假设预估算式中的参数与 实际过程的参数完全一致，控制器的p i d 控制参数分别设定为：k p 2 1 2 ； t s t i = 03 ；t d t s = 0 3；其仿真结果如图2 7 所示。 固2 7s m it h 预估仿真结果 结论。在用s m i t h 预估控制方法时，相对于前面的p d 算法，明显的在 平稳阶段，其控制效果要好很多，但是在升温阶段，控制曲线与设定值之间 总是存在一个滞后偏差，其效果总的来说还算比较完美。但是从资料中可以 看出，s m i t h 预估算法对模型的误差很敏感，对于严重非线性或时变增益的过 塑翌查兰堡主兰垡堡苎 一 程，若采用同样的控制作用，系统容易发散震荡。 2 4 逆模型+ 反馈控制策略的研究 在啤酒糖化过程中，对糊化过程的温度曲线控制，厂里非常重视曲线的 跟踪效果，而非定值控制，因为在保温阶段，一般是不要求控制的，只要把 输出调节阀关死即可，而在升温阶段则要求有比较好的曲线跟踪效果。一、 温度跟踪要快；二、温度的超调量要小，从上面两种算法的仿真结果可以看 出，曲线升温阶段的跟踪效果都不是非常理想，要想提高温度曲线的跟踪效 果，下面我们从随动控制理论着手，看一看控制的仿真效果如何。 2 4 1 随动控制概述 随动系统( 又称伺服系统) ，因为它在一定程度上能按照人们的要求愿 望去完成所要求的控制规律。随动系统广泛应用于国防，工农业生产的各个 部门，如仿型铣床的光电跟踪系统，自动车床的定位与进给系统，各种自动 化仪表中的一些测量与记录系统，雷达天线控制系统，高射火炮自动跟踪系 统，舰艇火炮与仪表的自动稳定系统，各种导弹的自动导引系统，卫星与宇 航工具的自动驾驶系统等。 随动控制系统分反馈控制系统和复合式控制系统两种。反馈式随动控制 系统与定值控制系统一样，没有什么区别，在这里我们主要考虑复合式随动 系统，一般的复合式随动系统控制系统结构图如图2 8 所示。一般的误差控制 系统中，具有良好的抗干扰性，当系统受到外部干扰，使输出量偏离设定值 时通过负反馈作用，通过执行元件推动被控对象回到与输入相对应的位置， 但是误差控制削弱了系统的放大倍数，降低了系统的快速性，且系统的精度 塑婆查兰堡主堂垡笙茎 需要增大系统的开环放大系数和系统积分环节的作用，这又危及了系统的稳 定性。而图2 - 8 所示的随动系统结构中，是在闭环误差控制系统的基础上并联 了一个输出信号n 阶微分的正馈通道( 相似于抗干扰的前馈控制系统) ，这样 的系统可大大提高系统的跟随性号陕速性，而又不影响系统的稳定性。 图2 - 6 随动系统结构囝 2 4 2 逆模型+ 反馈控制定义 所示。 具有图2 - 8 结构的复合式随动控制系统中，其控制系统方框图如图2 - 9 圉2 - 9 复合式随动控制系统方框图 图2 - 9 的偏差传递函数： 塑：1 - g r ( s ) g o ( s ) 月( s )1 + g c ( s ) g o ( s ) ( 2 - 5 ) 塑坚奎兰婴主兰壁垒奎一 定义：当复合式随动控制系统微分装置的结构参数满足g r ( s ) 2 1 g o ( s ) 时，这样的控制系统为逆模型+ 反馈控制系统。其中g r ( s ) 为逆模型控制器， g c ( s ) 为反馈控制器。 逆模型+ 反馈控制器的设计本意：逆模型控制器用来提高系统的跟随效 果，这是一个开环控制器，不存在系统稳定性问题；反馈控制器用来消除模 型误差和其他干扰。由逆模型+ 反馈控制器构成的控制系统见图2 1 0 。 i 墼掣警型矍i 围2 - 1 0 逆梗型+ 反馈控制系统方框图 2 4 3 逆模型+ 反馈控制特性研究 逆模型+ 反馈控制系统的前向传递函数为 ( 2 6 ) 若没有干扰，则输出完全等于输入，所以逆模型+ 反馈控制系统有很好 的跟随能力。 逆模型+ 反馈控制系统的干扰通道传递函数为： f ( s )1 十g c ( s ) g o ( s ) ( 2 - 7 ) 由式2 7 说明逆模型+ 反馈控制系统中特征函数没有变化，即逆模型+ 反馈控制系统不改变原来系统的稳定性，仍然具有反馈式控制系统抗干扰的 能力。 塑垩查兰堡主兰鱼笙奎 我们把逆模型+ 反馈控制系统应用到糖化温度曲线控制中，其控制方框 图如图2 - 1 1 所示。 图2 - 11 糊化锅逆梗型+ 反馈控制系缎 国( s ) = 丽1 = 杂16 e 5 ( 2 8 ) 、 g d f 5 1 7 在控制环节里出现了纯超前环节e 8 ，在物理上是不能实现的，但是r ( s ) 是已知的曲线，所以r ( s ) e 8 是可求的；s 环节为工艺设定曲线的斜率。图2 - 1 1 稍微做改进如图2 1 2 所示。 固2 - 1 2 糊化锅逆模型+ 反馈控制器的改进 图2 一1 2 的仿真。o c ( s ) 为p i d 控制算法，控制参数分别设定为：k p = o 4 t s y i = o1 ；t d t s = 08 ；其仿真结果如图2 一1 3 所示。 浙江大学硕士学位论文 - ：- _ ：- - 一 j 肇_ i ：- | _ ：j ： 51 0 国2 1 3 逆梗型+ 反馈控制仿真结果 结论。比较p i d 控制，s m i t h 预估控制，逆模型+ 反馈控制系统，( 即图 2 5 ，图2 7 ，和图2 1 3 ) ，明显的逆模型+ 反馈控制系统在升温阶段跟随效果 最好，偏差最小，几乎没有滞后现象。 当温度对象通道的某些特性变化之后，例如糊化锅的醪液液位发生波 动，或者每一锅的量都不一样，直接影响到传递函数的系数k ，而间接的液位 不同，传热面积也不一样，还会影响到滞后时间；还有如果总蒸汽管道的压 力发生波动，也会影响到对象的特性。所以有必要研究一下，当对象的传递 函数的参数发生摄动，系统会不会变的不稳定。 仍然用1 2 的仿真。假设g o ( s ) 参数发生摄动k = i6 变为k = l3 ，t = l 变为 t = 08 ； g c 控制参数不变为：k p = 04 ；t s t j = o1 ；t d t s = 08：并且真加 个幅度为o4 的白噪声干扰，其仿真结果如图2 1 4 所示。 浙江大学硕士学位论文 固2 - 1 4 逆梗型+ 反馈控制鲁捧性测试 结论。从图2 一1 4 仿真结果可以看出，在比较恶劣的条件下，( 对象存在 非线性，和外界白噪声干扰同时作用) 系统控制参数不变，控制效果仍然要 比单独的p d 控制效果要好的多，这说明逆模型+ 反馈控制系统有一定的鲁棒 特性和抗外界干扰的能力。 2 4 4 糖化温度控制的实施 从控制的角度来讲，当然精度越高越好，而逆模型+ 反馈控制系统的应 用首先必须推出描述其对象的数学模型，如果数学模型精度高，控制效果当 然会更加接近期望值，如果在控制过程中，随着系统特性的变化，同时改变 控制参数，则控制效果会更好。从式2 2 可以看出对象的静态增益反比与锅 内醪液的体积，而糊化时每一锅的液位都不一样，所以在控制的时候我们可 以调整g r 的控制参数( 糊化锅液位是可测的) 。 糊化温度实际控制使用的控制方框图见图2 - 1 5 所示，g r ( s ) 的控制参数 随着液位的不同而自动调整。 圈2 - 1 5 糊化温度控制方框图 用了该控制策略之后，糊化温度曲线实际控制效果见图2 1 6 所示。 1 0 0 ，、徽沸 1 傈气升 显 ，j j 渊甲 并醪 |l 厶升温 ff 0 0 ：0 0 ：0 00 0 ：5 0 ：0 0o l ：4 0 ：0 0 囝2 - 1 5 糊化温度实际控制效果 从图2 - 1 6 可以看出，在糊化过程中控制是比较理想的，在糊化进料时温 度出现比较大的波动是因为从粉碎过来的米醪的温度比较低所至，非控制原 因。 塑坚查兰堡主堂垡堡苎 2 5 本章小结 参数曲线跟踪控制在工业控制中是比较经常碰到的控制，本章就以糊化 温度曲线跟踪控制为例，比较了各种不同控制策略的控制效果，p d 控制效果 最差，逆模型+ 反馈控制效果最明显。如果