啤酒发酵罐温度控制系统设计.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论文题 目：啤酒发酵罐温度控制系统设计学生姓名：赵万里学 号：1067112320专 业：测控技术与仪器班 级：2010-3指导教师：李忠虎 教授 2013年 9 月 3日 摘要本文介绍了啤酒的酿造工艺，分析了啤酒发酵过程中发酵罐内酒体的温度变化特性，并结合锥形发酵罐的组成及原理，根据生产工艺要求，从而设计了啤酒发酵过程中发酵罐温度控制系统。该设计是采用串级控制系统，通过控制流入发酵罐冷却套内液氨的流量，来达到控制发酵罐内酒体温度的目的。设计过程中充分利用了过程控制理论和过程参数检测技术及仪表知识，完成了控制方案的选择、被控参数的选取，以及仪表的选型等内容。关键词：啤酒发酵；温度控制；串级系统目录第一章 绪论11.1 啤酒概述11.2 啤酒的发酵12.1 啤酒酿造工艺概述22.2 发酵工艺22.2.1锥形发酵罐基本结构22.2.2 发酵过程中酒体的温度变化特性3第三章 检测控制系统设计53.1 被控对象分析53.2 控制方案的选择53.3 主、副被控参数的选取63.4 主、副调节器调节规律的选择73.5主、副调节器正、反作用方式的选择73.6 仪表选型8第四章 总结9参考文献10 II第一章 绪论1.1 啤酒概述啤酒是以大麦芽、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。啤酒是人类最古老的酒精饮料，是世界上产量最大、酒精含量最低、营养非常丰富的酒种。它于二十世纪初传入中国，属外来酒种。据国家统计局公布的数据显示:我国啤酒产量在2002年之前的九年内连续位居世界第二，2002年的啤酒产量是2386.83万吨，超过了美国的2200多万吨，位居世界第一。此后的五年内，中国啤酒产销量连续_5年全球第一。2003年国内啤酒消费量达到2500万吨，成为世界上最大的啤酒消费市场。2006年全球啤酒生产量比2005年增长了6个百分点，达到1700亿升，增长量为100亿升，其中近一半(45亿升)是在中国实现的。近十年来，我国啤酒产销量都位于世界领先水平，随着我国啤酒产业的发展，在啤酒生产过程中的自动化控制越来越重要，其中对于啤酒发酵过程中发酵罐温度的控制是自动化控制的一个重要方面。1.2 啤酒的发酵啤酒发酵过程是啤酒酵母在一定的条件下，利用麦汁中的可发酵性物质而进行的正常生命活动，其代谢的产物就是所要的产品-啤酒。由于酵母类型的不同，发酵的条件和产品要求、风味不同，发酵的方式也不相同。一般可以把啤酒发酵技术分为传统发酵技术和现代发酵技术。（1）传统发酵传统发酵工艺采用两段发酵，前发酵采用开放式的池，发酵时间为7-8天，温度为8摄氏度左右，前酵结束后，将上层酒输入密闭的储槽内，保持低温，贮藏60-90天左右，称为后酵。这种生产方式设备周转慢，要使用庞大的冷库，耗能很大。（2）现代发酵现代发酵的整个发酵过程在一个大的锥形发酵罐内完成，前后酵集中在一个罐内进行，罐壁设有换热管，以便控制发酵过程中各阶段的温度，既取消了庞大的冷库建筑，降低了能耗，又便于控制不同阶段罐内发酵液所需的温度，所以酒龄缩短，设备利用率提高，而酒质与传统发酵相似。第二章 啤酒酿造工艺流程2.1 啤酒酿造工艺概述 啤酒酿造工艺主要分为四步：（1）制麦工序 （2）糖化工序 （3）发酵工序 （4）包装工序。啤酒酿造工艺流程如图2.1所示。图 2.1 啤酒酿造工艺流程图2.2 发酵工艺啤酒发酵是啤酒生产工艺流程中关键环节之一, 也是一个极其复杂的生化放热反应过程。啤酒的发酵是在一个大的锥形发酵罐中进行的，在发酵过程中, 把糖化麦汁中的糖类水解成单糖, 然后经酵母发酵生成乙醇( C2H5OH) 、二氧化碳( CO2) , 同时还会产生种类繁多的中间代谢产物, 如双乙酰、脂肪酸、高级醇、酮等, 这些代谢产物的含量虽然极少, 但它们对酒质量和口味的影响很大, 中间代谢产物的生成取决于发酵温度。啤酒发酵的温度控制就是利用冷媒介质对罐内温度进行按工艺要求的分段控制。根据啤酒发酵的工艺要求, 当啤酒的发酵温度高于工艺要求的温度时, 打开冷媒, 通过啤酒罐罐壁的冷带给啤酒降温，当发酵温度低于工艺要求的温度时, 关闭冷媒, 则啤酒按工艺要求继续发酵,整个发酵过程大约20 多天完成。因此, 控制好啤酒发酵过程中温度及其升降速率是决定啤酒质量和生产效率的关键。2.2.1锥形发酵罐基本结构（1）罐顶部分：罐顶为一圆拱形结构，中央开孔用于放置可拆卸的大直径法兰，罐顶还安装防真空阀和压力传感器等，罐内侧装有洗涤装置，也安装有供罐顶操作的平台和通道。 （2）罐体部分：罐体为圆柱体，是罐的主体部分。发酵罐的高度取决于圆柱体的直径与高度。由于罐直径大耐压低，一般锥形罐的直径不超过6m。罐体的加工比罐顶要容易，罐体外部用于安装冷却装置和保温层，并留一定的位置安装测温、测压元件。（3）圆锥底部分：圆锥底的夹角一般为6080，发酵罐的圆锥底高度与夹角有关，夹角越小锥底部分越高。一般罐的锥底高度占总高度的1/4左右。罐内设有上、中、下三个测温点，罐的外壁设置有上、中、下三段冷却套和三个独立阀门。通过改变阀门开度来调节冷却套内的冷媒体流量以实现对罐内酒体温度的控制。2.2.2 发酵过程中酒体的温度变化特性 整个发酵过程分前酵和后酵两个阶段，发酵过程中酒体的温度变化特性曲线如图2.2所示。图2.2 发酵过程中酒体的温度变化特性曲线在上图中，oa段为自然升温段，不需外部控制;ab段为主发酵阶段，控制温度一般在12 左右;be段为降温阶段，是主发酵阶段和后酵阶段的过渡时期，经过此阶段后发酵进入后酵阶段，在此阶段降温速度一般为0.3 /h ; cd段为后酵阶段，温度一般控制在5左右;de段为进入贮酒阶段的过程，降温速度比较慢，一般为0.15 /h; ef段为贮酒阶段，也就麦汁发酵完毕之后啤酒长期贮存的温度，这个时期啤酒温度一般控制在-1 左右。 (1)前酵 这个阶段又称为主发酵。在这个过程中麦汁糖度下降，产生CO,并释放生化反应热，从而使整个罐内温度逐渐上升。经过4-6天后进入发酵，糖度进一步降低。当罐内发酵糖度达到工艺要求之后，便可以降低温度转入整个发酵过程的后酵阶段。此阶段由于酒温与冷却液的温差较大，发酵罐容量又大，因此温度的变化有较大的滞后现象。 (2)后酵 当发酵罐内部麦汁温度从前酵的12 降到5 左右时后酵阶段就开始了。在这一阶段最重要的是进行双乙酞的还原。一旦双乙酞含量指标合格之后，发酵罐便可以进入第二个降温过程，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。第三章 检测控制系统设计3.1 被控对象分析 本设计的被控对象是啤酒发酵罐内部麦汁的温度。图3.1为锥形发酵罐示意图，当把麦汁输送到发酵罐中之后的，酵母在罐内发生反应而产生热量，使汁的温度升高。在图3.1中设置有上、中和下三个冷却套，相应设置上、中和下3个测温点和三个调节阀，通过阀门可以调节冷却液的流量，从而可以实现对酒体温度的控制。冷媒体上部测温点中部测温点下部测温点冷却套图 3.1 锥形发酵罐示意图通过分析，啤酒发酵罐温控对象主要有以下几方面特点：(1)时滞大 由于发酵罐内没有搅拌装置，酒精水和麦汁主要依靠热传导进行热量交换，这就使得被控量的变化大大滞后于控制量的变换，从而产生时滞特性。(2)时变性 啤酒发酵过程中，在不同的发酵阶段，酵母的活力是不相同的，从而造成了酒体温度特性的变化，因此麦汁温度具有明显的时变性。(3)大时间常数 由于发酵罐体积非常大，冷却液通过冷却套壁与麦汁进行热交换的过程将会非常缓慢。3.2 控制方案的选择在啤酒的发酵过程中，发酵罐内部麦汁温度的升高主要原因是内部反应所放出的热量，根据发酵罐结构，以及温控对象的特点，可以采用串级控制系统，通过控制流入发酵罐冷却套的冷却液流量来达到控制发酵罐内酒体的温度目的。由于发酵罐内酒体可能较浅，所以发酵罐上温不宜作为被测量；而发酵罐内酵母易沉积在罐底，所以发酵罐下温也不宜作为被测量。可选择发酵罐中温作为被测量，控制发酵罐上部冷却套的调节阀为主，组成串级控制系统如图3.2所示。图 3.2 锥形发酵罐中温度串级控制系统图3.3 主、副被控参数的选取设计控制系统时，选取的参数要能有效的反映工艺状况，根据啤酒发酵特性，选取发酵罐内酒体的温度为主被控参数，而副参数的选取是串级控制系统的关键所在，副回路设计的合理与否决定了串级控制的特点能否发挥。根据副回路的设计原则，副被控参数的选择应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏，因此，选取冷却液（液氨）的流量作为副被控参数，构成如图3.3所示的串级温度控制系统框图。 液氨流量罐内麦汁温度温度 调节器温度变送器流量变送器流量调节器调节阀锥形发酵罐冷却套图3.3 串级温度控制系统框图3.4 主、副调节器调节规律的选择（1）主调节器调节规律的选择在串级控制系统中，主被控参数是生产工艺的主要指标，直接关系着产品质量，工艺要求比较严格。一般来说，主被控参数不允许有静差，另外，从串级控制系统的结构来看，主调节器起着定值控制的作用，为了使主被控参数稳定，主调节器必须具有积分作用，又因为主被控参数为发酵罐的温度，对象控制通道容量滞后较大，为了克服容量滞后，所以就要选用PID调节规律。（2）副调节器调节规律的选择串级控制系统设置副参数的目的在于保证和提高主参数的控制质量，副回路是一个随动系统，它的给定值随主调节器输出的变化而变化。在选择流量为副被控参数时，由于比例调节规律对噪声敏感，为保持系统稳定，比例度必须选得较大，比例控制作用较弱，为此引入积分作用，采用PI调节规律。3.5主、副调节器正、反作用方式的选择为保证串级控制系统的正常运行，串级系统中主、副调节器的正、反作用必须正确选择。根据工艺安全和经济性的角度考虑，应保证在系统发生故障时，调节阀处于闭合状态，调节阀选择气关式，其放大系数为“+”，当阀门开度增大时，进入冷却套的流量增加，则副对象的放大系数为“+”，副变送器的放大系数为“+”，根据副环放大系数符号为“+”的原则，副调节器放大系数为“+”，所以选择反作用方式。主调节器的正反作用只取决于主对象放大系数符号。主对象的输入信号是液氨的供给流量，输出信号是发酵罐内部区域的温度。当液氨流量增大时，罐体对应区域温度下降，因此主对像放大系数为“-”,主调节器的放大系数为“-”。所以主调节器选择正作用方式。3.6 仪表选型(1) 温度变送器 可选用DDZ-系列温度变送器中的DBW-1240型四线传输热电阻温度变送器，测温元件分度号为Pt100。它由测温探头和固体电子单元组成，从而形成一体化的变送器。DDZ-型温度变送器的基本误差为（-0.5% +0.5%），输出DC 15V 级 DC 420mA信号。变送器由 DC 24V 统一供电。图3.4 DDZ-型温度变送器（2）节流是流量计节流是流量计又称差压式流量计，它是利用管路内的节流装置，将管道中的流体的瞬时流量转换成节流装置前后的压力差来实现流量的测量。节流式流量计测量系统主要有节流装置、引压导管和差压变送器等组成。节流装置的作用是把被测流体的流量转换成差压信号。节流装置前后的差压与流量成平方关系，引压导管将节流装置前后产生的差压传送给差压变送器，差压变送器把差压信号转换为与流量对应的标准电流信号，供显示、记录或控制。 图3.5节流式流量计第四章 总结本设计结合啤酒锥形发酵罐的组成及原理，根据生产工艺要求，分析了发酵罐内酒体的温度变化特性，从而设计了啤酒发酵过程中发酵罐内温度控制系统。采用串级控制系统，通过控制流入发酵罐冷却套内液氨的流量，来达到控制发酵罐内酒体温度的目的。设计过程中充分利用了过程控制理论和过程参数检测技术及仪表知识，完成了控制方案的选择、被控参数的选取，以及仪表的选型等内容。通过本次设计，加深了对理论知识的理解，学会了分析问题、解决问题的方法，让我们受益匪浅。参考文献1 李忠虎.过程参数检测技术及仪表M.北京：中国计量出版社,2009.2 李文涛.过程控制M.北京：科学出版社， 2012.3 陆会明.控制装置与仪表M.机械工业出版社，2011.4 徐科军.传感器与检测技术M.北京：电子工业出版社，2001.5储炬，李友荣.现代工艺发酵调控学M.北京:化学工业出版社，2002.6俞金寿.工业过程先进控制M.北京:中国石化出版社，2002.7牛超，徐定伟，王军，吕冰.发酵罐温度控制系统的设计J.自动化与仪器仪表， 2008 ，（5）：10-12.8李天利,于大元,张洲平.啤酒发酵罐温度智能控制J.陕西科技大学学报，2001，（1）：67-70.9曾燕飞. 基于PLC的啤酒发酵监控系统设计J. 酿酒科技，2012，（1）：58-60.10杨德，畅福善，沈俊霞.基于PLC的发酵罐温度控制系统J.自动化与仪表，2012（5）：33-35.11陈乔，葛铭，郑松，薛安克.发酵罐温度对象的抗干扰预测控制J.化工学报，2010（8）：2116-2120. 12程超. 啤酒发酵PLC控制系统设计J.中小企业管理与科技(上旬刊)，2012(3):294-295.13徐尧润. 啤酒锥形发酵罐冷却问题J.啤酒科技，2009（12）：18-21.14吴方星，姜