啤酒发酵温度控制

1、攀枝花学院本科毕业设计（论文）啤酒生产自动控制系统设计学生姓名： 邓 辉 学生学号： 200910503012 院（系）： 电气信息工程学院 年级专业： 09自动化 指导教师： 周荣富 副教授 助理指导教师： 二一三年六月攀枝花学院本科毕业设计（论文） 摘 要摘 要在啤酒发酵过程中, 温度是决定啤酒口感和风味的一个重要指标, 但存在现场温度控制较困难的客观因素。为满足啤酒生产向着连续化, 自动化方向发展, 对啤酒发酵过程中的温度实行计算机自动控制是具有重要意义的。对功能要求不多,工程成本要求低廉的分散控制系统,大型DCS系统并不是最佳选择。本论文的主要工作就是设计采用SunyPCC800小型集

2、散控制系统来控制啤酒发酵过程的温度。SunyPCC800能很好地控制啤酒发酵各阶段的温度，使得发酵过程能按照正常的工艺要求进行，达到预期的生产效果。本系统不仅具有控制可靠安全,控制算法灵活,用户操作界面方便、丰富,而且设计灵活多变,成本低廉,在啤酒生产自动化中具有广泛的应用前景。关键词：集散控制系统，发酵温度，温度控制I攀枝花学院本科毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTIn the process of beer fermentation, the temperature of beer taste and flavor is an important index, but th

3、e objective factors of the temperature control more difficult. To satisfy beer production towards continuous, automatic direction development, to implement the computer automatic control in the process of beer fermentation temperature is significant. Not to function requirement, low engineering cost

4、 requirements of distributed control system, large DCS system is not the best choice. The main work of this paper is to design using SunyPCC800 small distributed control system to control the temperature of beer fermentation process. SunyPCC800 can well control in different stages of the beer fermen

5、tation temperature, fermentation process can be carried out in accordance with the normal process requirement, achieve the desired effect in production. This system not only has control and reliable safety, flexible control algorithm, user interface and convenient operation, rich, and flexible in de

6、sign, low cost, has extensive application prospect in the beer production automation.Keywords: distributed control system，temperature， temperature control攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 概 述目 录摘 要IABSTRACTII目 录III1 概 述11.1 绪论11.2 啤酒发酵控制系统方案综述12 啤酒发酵工艺概述42.1 啤酒发酵42.1.1 啤酒发酵历史42.1.2 啤酒发酵过程42.2 发酵各阶段温度控制机理52.3 啤酒发酵设备

7、概述72.4 啤酒发酵温控基本要求72.5 啤酒发酵工艺流程83 控制系统设计113.1 被控对象113.2 发酵过程控制回路113.3控制系统设计123.3.1 DCS在啤酒发酵中应用123.3.2 系统设计124 系统硬件和软件配置144.1系统硬件144.1.1控制系统的构成144.1.2系统硬件结构及工作原理144.1.3控制站功能144.2系统软件154.2.1组态软件164.2.1监控软件164.2.1控制软件175 本系统的优点和特色18结 论19参 考 文 献20致 谢21II1 概 述1.1 绪论啤酒是目前世界上产量以及消费最大的一种酒，特别是北美地区和欧洲国家的总产量以及人

8、均消费量都在世界前列，我国随着改革的开放以及现代化建设，人民生活水平不断断提高，啤酒己成为人们的时尚饮品，市场的宠儿，产量直线上升，进入九十年代后产量逐年增加，目前已成为仅次于美国的世界第二大啤酒产销国，令世界啤酒界人士刮目相看。但是我国人均啤酒消费水平只有8升，仅相当于世界水平的1/3差距很大；近年来，虽然我国的啤酒装备配套水平有很大提高，但与国外的主要啤酒生产厂家相比大部分企业技术落后，国内的啤酒行业迫切要求进行技术改造，提高生产率，保证产品质量，以确保在激烈的市场竞争中立于不败之地。由于啤酒生产的工艺复杂，目前我国大多数啤酒生产企业技术装备落后，自动化程度低，产品质量不稳定。如何提高啤酒

9、生产的综合自动化水平，增强我国啤酒产业的综合实力是一个很好的研究课题。啤酒发酵是啤酒生产过程非常重要的环节，是决定啤酒质量的最关键的一步，特别是对发酵过程中温度、压力的控制尤其重要，控制指标的好坏将直接影响啤酒的质量。早期，由于人们对发酵机理认识不深，再加上采用控制器的限制，对发酵采取自动控制未能成功。随着人们对发酵机理的逐步认识，并随着可靠性高、能经受恶劣环境器件的引用，对发酵采用自动控制逐渐取得成功。啤酒发酵具有非线性、时间滞后和大惯性等特征，发酵过程的精密控制一直是自动控制领域较难解决的问题之一。啤酒的发酵工艺，生产周期一般在十五天，并且要求发酵液温度严格地按照工艺曲线变化。温度控制的精

10、度一般在±0.5范围内，这样的控制精度光凭传统的热工仪表和手工操作方式是完全不够满足要求的，但是目前国内的许多生产厂家都是采用这种方式进行生产。随着控制领域新技术、新方法的不断发展，这些问题也在不断地得到解决。改良啤酒发酵生产过程自动化控制是酿造业技术进步的有效手段，它能在相同的原材料和动力消耗下增加啤酒质量和啤酒口感，还可以减少劳动量、改善工作条件、提高啤酒的发酵工艺水平及生产管理水平。所以，改良啤酒发酵控制应用具有比较乐观的前景，能产生较大的经济效益，具有很大的实用价值。1.2 啤酒发酵控制系统方案综述目前，国内啤酒生产（糖化、发酵工段）的控制水平基本上可以分为四个档次。1完全手

11、动操作方式操作人员在现场或集中操作盘上控制主要设备的启停。阀门则需要操作员到现场进行操作。在这种生产方式下的啤酒生产控制全部由人工操作。生产工艺参数不能得到可靠执行，导致一致性比较差，所以啤酒的质量受人工因素影响较大。这也导致啤酒口味稳定性较差。而且操作员的劳动强度非常大，主要的生产设备和装置不能够在最佳状态进行工作。而且这种操作方式对原材料利用率比较低，产品消耗巨大的能量。2集中手动控制方式集中手动控制方式又称半自动控制方式，采取数据采集器等手段采集各种过程量然后送入控制室，控制室安装有上位机或模拟屏，在上位机或模拟屏上显示各种流量、温度、液位和压力等许多过程参数和阀门、电机的开启状态，实行

12、对生产过程进行监控。3常规单变量PID控制在啤酒发酵温度控制系统中，常规单变量PID是以发酵罐中部的温度为被控量，中部冷却阀门的开度为控制量，阀门开度在发酵的不同阶段具有不同的比例系数，比例系数则主要靠操作员的经验，是非常典型的单变量控制策略。但是，痛过分析，啤酒的发酵过程是一种多变量控制的过程，因此，单变量控制不能解决发酵罐上、中和下3个冷却带耦合问题，所以比例系数依赖于操作员的经验，导致控制精度受到严重影响。4模糊控制策略模糊控制策略虽然不需要建立被控对象并且能利用其非线性结构的精确数学模型，在某些程度上提高了系统的准确性，也能满足实际生产的需要，但是离线建立的模糊控制规则表不能在线修改是

13、其比较大的缺陷。啤酒工业目前的技术特点是向自动化、大型化、生产期短和经济效益高的方向来发展。最近十年，我国的啤酒工业得到了快速发展，但由于起步时间较晚，生产设备落后，自动化程度较低，导致产品效率低，产品质量也不佳，酿酒能耗较大，这些都是我国啤酒工业急需解决的问题。啤酒发酵对象的时变性、时滞性及其不确定性，决定了发酵罐控制必须采用特殊的控制算法。由于每个发酵罐都存在个体的差异，而且在不同的工艺条件下，不同的发酵菌种下，对象特性也不尽相同。因此很难找到或建立某一确切的数学模型来进行模拟和预测控制我国大部分啤酒生产厂家目前仍然采用常规仪表进行控制，人工监控各种参数，人为因素较多。这种人工控制方式很难

14、保证生产工艺的正确执行，导致啤酒质量不稳定，波动性大且不利于扩大再生产规模。5多变量控制对已有的单变量控制器进行改进，使其能达到某些生产要求的一个有效措施就是对罐体实行多变量控制的策略，薛福珍等人对系统进行Smith多变量解耦和预补偿之后，对控制变量进行了优化调节，并成功用于发酵发酵过程的温度控制，并且取得了令人满意的控制效果。综上所述，每一种控制策略都有优有劣。从长远发展的角度上来看，现代控制和智能控制都具有良好的发展前景，具有很高的研究价值和实用价值。21攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 啤酒发酵工艺概述2 啤酒发酵工艺概述2.1 啤酒发酵2.1.1 啤酒发酵历史最初的纯种啤酒发酵所采用

15、的酵母和发酵技术都是属于上面发酵，知道19世纪中叶，德国的哭学家才分离出了下面啤酒酵母，并研究出了下面发酵技术。到目前为止，除英国、澳大利亚、加拿大、美国、德国等少数几个国家还保留上面发酵法以外，世界上的大多数啤酒厂都采用下面发酵法，下面发酵法生产的啤酒已占世界总产量的90%以上。但在一些国家上面发酵小麦啤酒普遍受到欢迎，产量也在逐年上升。我国几乎全部的啤酒厂都采用下面发酵方法。虽然上面发酵和下面发酵所采用的酵母都属于同一个种啤酒酵母，但是两者在发酵工艺上有很大的不同：下面发酵的发酵温度较低，发酵周期较长，而上面发酵的发酵温度相对较高，发酵周期较下面发酵短；下面发酵过程可明显的划分为主发酵和后

16、发酵两个阶段，而上面发酵大都只有一个阶段主发酵；线面发酵酵母回收比较容易，而上面发酵则比较困难。两者的组要工艺区别如表2-1所示。本课题研究的主要是下面发酵过程的自动控制系统设计。表2-1上面发酵与下面发酵主要工艺区别上面发酵下面发酵接种温度/14 165 7主发酵最高温度/18 228 12发酵时间短长罐压高低2.1.2 啤酒发酵过程啤酒采用的主要原料麦芽和水，加上酒花，经啤酒酵母发酵酿制成的一种低酒精度饮料。啤酒生产的工艺主要是由糖化（即麦汁的制备）、啤酒发酵、啤酒装罐等流程组成。发酵过程是啤酒生产中非常重要的一个环节，啤酒发酵是一个很复杂的生化过程，这个过程就是通过一系列生化反应而把麦汁

17、转化成啤酒的过程，整个发酵过程同样也包含若干个生产工序，如：麦汁充氧、酵母添加、发酵、过滤、修饰以及酵母扩培等等。生产周期都在十几天以上，要求发酵液的温度严格按照既定的工艺曲线变化，而且对于的温度控制精度要在±0.5范围内，如果温度偏低，就会使得发酵过程缓慢，从而影响生产进度；如果温度偏高，又会造成发酵副产物超出标准，影响啤酒的质量。啤酒发酵整个过程分为：主发酵阶段、后发酵阶段。从原麦汁入发酵罐起，就开始进行主发酵，这个阶段温度要控制在12（不同工艺数值不同）左右。发酵液则直接从糖化车间经过管道注入，起始的温度在8摄氏度左右，糖度要保持在10度左右，每个罐的发酵液需要分成几批入罐，每

18、次入罐之后都必须经过化验员检测一次糖度后把信息反馈给糖化车间，保证发酵液的初始糖度符合发酵标准。同时温度控制开始，保证发酵液的温度在规定的范围之内。发酵液注满发酵罐后1小时操作员开始检测发酵液的糖度，并且每隔八小时就要检测一次。当糖度下降到低于6.5度时，则每两小时检测一次，一直到达糖度变为6.0度。糖度降到6.0度时主发酵阶段就结束了，主发酵阶段大约需要4天。发酵进入后发酵阶段，这个阶段要求温度控制在1218 （不同工艺数值不同）。进入第二阶段后，要求化验员每隔2小时检测一次双乙酰的浓度以及糖度，当糖度降到3.0度时则变为每八小时检测一次。糖度下降到3.0度时再通过16个小时的糖度检测工作就

19、结束。双乙酰浓度下降至标准浓度（0.08mg/L）时，并且糖度降到极限的4248个小时后，如果此时离装罐时间已经超过6天，发酵则可以进入降温的阶段，降温阶段需要分成两个阶段切按照不同的速率进行降温，此时需要把所有的冷媒阀打开，使发酵液能够快速降温。当温度到达1以下时发酵阶段就开始进入低温储酒阶段，在储酒阶段温度比较低，一般控制在0.510。这个阶段主要是回收酵母和一些固态物质能够充分沉淀。正常情况，整个过程需要14天以上才能完成。2.2 发酵各阶段温度控制机理（1）自然升温阶段麦汁注满发酵罐后的温度高低将会直接影响发酵工艺是否能准确执行，发酵过程周期的长短，酵母还原双乙酰的能力，酵母的增值速度

20、以及副产物的形成、泡沫、啤酒的口味等，过高或者过低的发酵罐温度都不利于酵母和成品啤酒的质量。发酵罐满罐温度的确定需要考虑麦汁分批进入罐中后酵母繁殖以及代谢作用使温度上升等诸多因素的影响，满罐后的自然升温阶段不要因各种失误导致出现的控温，应该通过此过程，使啤酒酵母能尽快地发酵增殖适应新的麦汁环境，从而形成很好的酒液对流。（2）主发酵及后发酵阶段主发酵阶段由于啤酒酵母的大量繁殖而产生比较多的热量，随着发酵液中氧气的快速消耗，啤酒酵母在无氧呼吸的作用下转化成大量的酒精，使的罐内中下带啤酒中酒精含量远远超过上带，啤酒的密度发生改变，在酒精的释放和密度改变的共同作用下，死的发酵液发生从下到上的剧烈对抗，

21、此过程温度控制应促进对流作用能充分进行，保持比较旺盛发酵状态并切均衡发酵罐内酒液的状态，要求以控制上段的温度为主要部分，中段为辅，形成温度的梯度，切保证三带的温差在0.5左右。后发酵阶段控温的原理与主酵阶段比较类似，但此过程中的发酵速度比较缓慢，热量产生比较少，对流速度相对较慢，对上段的温度控制应当缓慢且慎重，不可快速冷却，防止发酵罐内的温度出现大幅度的下降，酵母大量沉积会使其还原双乙酰的能力下降。在此过程中主要以保持发酵液对流度和数目一定的悬浮酵母，温度情况为T上<T中<T下，三带之间的温差在0.20.3。（3）降温以及保温阶段发酵液还原双乙酰达到标准之后就开始进入降温阶段，这个

22、阶段应按照工艺设定好的速度把啤酒均匀地冷却到贮酒的温度，此时酒液发酵已经基本上结束，并且二氧化碳的生成和放热几乎停止，原二氧化碳上升形成的拖拉力等造成的从下到上的对流大大减弱，啤酒在不同的温度下密度差所形成对流的作用逐渐占据主导地位，根据啤酒最大密度时的温度计算公式可知，啤酒最大密度时温度约为3，3上下的啤酒对流方向是相反的，控制温度时应跟据这个特点来区别对待。（4）双乙酰还原温度冷却至3啤酒在这个阶段降温中密度见见增大，对流方向仍为从下到上，啤酒沿发酵罐壁向下流动，由于此时的冷媒与啤酒温差比较大，降温及罐内的平衡过程不好控制，所以应以上带和中带的温度控制为主，而且必须防止冷却过于剧烈而造成贴

23、近罐壁部分的啤酒结冰，从而影响降温效果和啤酒的质量。（5）3保温过程在整体降温过程中，3以前的降温速度非常快，降温惯性比较大，在接近3对流方向改变过程中，容易发生发酵罐内各点啤酒温度的混乱，或者温度发生骤升骤降，或者温度持续改变，无法按工序执行控制，而且难以总结出变化的规律。针对这种情况，在生产过程中采用了3保温的工艺，目的是为了稳定啤酒流动状态，以及减缓或者停顿对流的过程，发酵罐内温度能准确地均衡下来，并且在保温过程中彻底排放掉剩余的废弃的啤酒酵母以及沉积物，3保温过程结束以后就可以开始进行新一轮的对流降温过程，通过实践，这种工艺手段能有效的保证降温速率和啤酒的澄清。（6）3以下深冷过程啤酒

24、降温到3时密度最高，这时将形成温度不同密度却相同的啤酒，区域性对流的自动进行状态混乱，啤酒温度形成了一定的梯度，套冷量传达和冷却的要求不能够达到，冷却速度和啤酒温度下降很慢，此时主要控制下部温温度，加大锥罐底部啤酒温度控制的强度，降低啤酒的密度，使对流方向由从下到上变成为自上而下，改变形成的温度梯度，可以满足温度控制的效果，这个过程中下段温度应比中、上段温度低12。（7）贮酒阶段贮酒阶段的温度控制对于发酵液的成熟和啤酒的澄清等都有很大影响，温度控制不当就可能使得发酵液结冰。这个阶段温度控制主要控制上、中、下三段温度的均衡，缩小罐内发酵液的温差。贮酒过程中罐中下段二氧化碳的密度要高于中段和上段，

25、但是下段发酵液的密度要高于中段和上段，同时存在从下到上和从上到下的对流，状态比较混乱，缓慢而且很不规则，使用调节阀的控制冷媒可采用时间长、流量小的操作方法，对于开关阀就可以采去频率高、时间短开启控制，避免长时间的深度冷却，温度控制精度要求在±0.2，不能出现温度回升。2.3 啤酒发酵设备概述发酵罐是啤酒生产的主要设备，目前，我国绝大部分啤酒厂均采用园柱锥底式发酵罐简称锥形罐，般在圆柱部分焊有两到三段冷却夹套，锥底还有一冷却夹套。整个罐体除罐顶装置和罐底的進出口以外，全部用绝热材料包裹起来，用其来阻隔与外界的热交换。这样使得罐内发酵液与外界的热交换量和发酵液产生的生化热相比较可忽略不计

26、，控温中通过冷却夹套由冷却介质带走的热量主要是生化热。锥形发酵罐直径和高度的比值一般是1: 1.54。锥形罐的底内角，不锈钢罐锥角一般情况是60°，内部涂有涂料的钢罐锥角一般是75°，这样可以使的在排污时酵母能强制滑出。锥形罐的有效容量必须是每批麦汁注入量的整数倍，并且应当在1624小时内填充满一个锥形罐，锥形罐的容量系数一般取80%85%。发酵是一个放热的过程，如果让啤酒自然发酵，发酵液的温度会逐渐上升，因此在发酵罐外部罐壁设置有上、中、下三段冷却套，相应的设立上、中、下三个测温点和三个调节阀，通过阀门调节冷却套内冷却液的流量来实现对酒体温度的控制。2.4 啤酒发酵温控基

27、本要求由于啤酒酵母的作用，麦汁在发酵罐内发酵，在发酵过程中释放出的生化反应热和CO2热量释放导致发酵温度上升，同时CO2的产生使罐内压力升高。在整个发酵过程中，根据发酵过程的规律来控制发酵过程的时间和温度是保证发酵能够正常地、安全地进行，提高啤酒的质量以及口味，减轻操作人员的劳动强度，较少能耗的关键。罐类容器的主要工艺参数有气体压力、温度、液位。气压的大小能反应出发酵罐内CO2的多少，压力到了一定的程度就需从发酵罐顶部排出一定量的CO2来减小罐内的压力，防止出现爆炸。发酵罐内温度的高低是提醒罐内物料加热的时间长短，方便操作人员进行物料的储存以及物料的反应。液位能间接地反应物料的多少，方便控制物

28、料的储存量，实时调控和进行物料的反应等。所以需要对发酵罐内液温的变化进行实时控制，同时发酵罐内的压力状况也是安全生产过程中的必要的控制量。图2-1 啤酒发酵罐控制系统流程图啤酒的发酵工艺对控制的要求是：发酵罐上带、中带、下带酒液温度的实时检测，并且控制发酵罐的温度在特定阶段要与标准的工艺生产曲线相符合；控制发酵罐内部气体的排放，使得发酵罐内的压力状况符合不同阶段的控制需要。啤酒发酵的温度控制系统流程图如图2-1所示。2.5 啤酒发酵工艺流程根据锥形发酵大罐的特性将发酵的全过程分为多个阶段，在各个阶段，对象的特性相对较稳定，压力和温度的控制方面具有一定的规律性。在发酵开始前，根据工艺要求先设定好

29、工艺控制的压力曲线、温度；在发酵的过程中，根据发酵进行的程度，发酵罐上段、中段以及下段温度的差异，以及3段温度各自的变化情况，自动选择各个阶段相应的控制策略，从而达到预期的控制效果。主要分为以下阶段：（l）酵母添加麦汁中需要加入适量的酵母，才能注入发酵罐内。整个发酵过程可以理解为酵母把麦汁中的糖类分解成乙醇、水及其它产物的过程。可以用化学总反应方程式如下：葡萄糖 乙醇这个阶段麦汁原料经由连接管道由糖化罐进入发酵罐中。（2）发酵啤酒发酵是一个复杂的微生物代谢过程，这是啤酒生产过程中耗时最长的一个环节。在发酵期间，一般是往附着于罐壁上的冷却夹套内通入致冷酒精水或液氨来吸收生化反应热，以维持适宜的发

30、酵温度，致冷量通过调节冷媒流量来控制。整个发酵过程可以分为主酵和后酵两个阶段： 主酵酵母接种到麦汁中，然后进入发酵罐几小时就逐步开始主发酵，麦汁的糖度逐渐下降，产生一定量CO2，反应释放的热量使的整个罐内的温度逐步增加。经过23天后就开始进入发酵最旺盛的高泡期，再过23天，糖的下降速度变慢，糖度降到很低，啤酒酵母开始沉淀，这时需要进行封罐发酵。此时，主发酵基本就结束了，开始进行降温转入后酵阶段。一般的啤酒在主酵时的工艺要求大约控制在12。 后酵当发酵罐内的温度从主酵的12降到大约3时，后酵阶段开始进行，这一阶段是进行双乙酰还原为主。此外，后酵阶段还完成了剩余糖的发酵工作，蛋白质得到充分沉淀，氧

31、含量得到降低，提高啤酒质量的稳定性。一旦双乙酰指标合格，发酵罐就需要进入第二个降温过程，把发酵罐内的温度从3降到01，这时候就可以进行贮酒，这样能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。（3）啤酒过滤和杀菌主酵、后酵结束以后，啤酒需要经过高温瞬时杀菌和过滤机进行生物和胶体稳定处理在进行装罐。啤酒过滤就是把啤酒中残余的酵母细胞和其它物质从啤酒中分离出去，如果不进行分离，这些物质就会慢慢从啤酒中析出，使得啤酒变混浊。目前采用最多的是硅藻土过滤方式。如果啤酒中仍含有杂菌，则杂菌可能在啤酒中迅速繁殖，导致啤酒变混浊，其排泄的代谢产物甚至使啤酒变质，从而不能饮用。所以啤酒在灌装之

32、前必须进行杀菌处理，这是最后一个，也是最重要的一个环节。啤酒发酵工艺曲线如图2-2所示。图2-2 啤酒发酵工艺曲线图中，0a段为自然升温段，不须外部控制；ab 段为主发酵阶段；主酵阶段，典型的控制温度为12；bc段为降温逐渐进入后酵，典型降温速度为0.3/h；cd 段为后酵阶段，典型控制点3；de 段为降温进入贮酒阶段，典型降温速度为0.15/h；e f 段为贮酒阶段。啤酒口味和实际要求的不同，啤酒的发酵工艺曲线也就不同，但是对于确定好的啤酒发酵工艺，就应严格按照工艺曲线去控制温度和压力等，这样才能保证啤酒的质量。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 控制系统设计3 控制系统设计3.1 被控对象

33、啤酒发酵是在发酵罐中静态进行的，它是由罐体、冷却带、保温层等部件组成。发酵罐的形状一般为圆锥状，容积较大，大部分在100m3（我国的啤酒发酵罐容积在120m3500m3）以上。啤酒发酵要严格的按着工艺曲线进行，否则就会影响啤酒质量。为了有利于热量的散发，在发酵罐的外壁设置了上、中、下三段冷却套，相应设立上、中、下三个测温点和三个偏心气动阀，通过阀门开度调节冷却套内的冰水流量以实现对酒体温度的控制。以阀门开度为控制量，酒体温度为被控量，相应有3个冷媒阀门，通过控制流过冷却带的冷媒流量，控制发酵罐的温度。在发酵的过程中，温度在不断的升高，当达到上限温度时，要打开制冷设备，通过酒精在冷却管内循环使罐

34、内的温度降下来。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。3.2 发酵过程控制回路啤酒发酵过程的温度控制是利用冷媒介质对发酵罐内的温度按工艺要求进行的分段控制，如图3-1。根据啤酒发酵的工艺要求，当仪表检测到啤酒的发酵温度高于工艺要求的温度时，调节器输出信号，打开气动阀输送冷媒，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。图3-1 发酵过程控制回路3.3控制系统设计3.3.1 DC

35、S在啤酒发酵中应用啤酒发酵过程是啤酒生产过程的一个非常重要工艺环节，发酵过程控制将会直接影响到整罐啤酒的质量。老式的啤酒发酵过程控制是利用多个单回路的温度控制仪表来控制各个发酵罐上的不同点温度，然后根据温度变化情况来控制冷媒阀的开度，从而达到温度调节的目的。但是该过程控制线路复杂繁多，控制参数比较单一，所以导致维护工作量大，而且调节效果比较差，特别是在发酵罐的数目较多，体积比较大，系统滞后较大的情况下。随着计算机控制技术的广泛应用，啤酒发酵过程也逐步开始应用计算机控制系统。DCS是一种具有很高可靠性的控制装置，它与可编程调节器、PLC系统同被列为“不损坏仪表”。因为DCS系统具有很高的可靠性，

36、其系统采用容错设计，所以某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能丧失。其次，DCS还具有开放、灵活、协调、易于维护、控制功能齐全等优点，所以集散控制系统可完成啤酒发酵过程控制功能，完成与上位机的通讯，实现啤酒发酵过程的远程监控。3.3.2 系统设计针对发酵的过程控制回路采用DCS控制系统来控制啤酒发酵过程的温度。DCS的基本组成如图3.2所示。图3.2 DCS的基本组成根据DCS的系统构成设计的啤酒发酵温度控制原理如图3.3图3.3发酵温度控制系统原理图温度控制过程的基本步骤如下：I/O功能模块采集发酵罐上、中、下三段的温度，并传输给控制站。控制根据啤酒发酵工艺的标准温度来确定发酵罐现在的温

37、度是否偏高，然后执行温度控制命令。控制站输出的命令通过O/I模块反馈给现场执行器。现场执行器执行控制站输出的控制要求，调节冷媒阀的开度。冷媒阀通过开度的大小来控制冷媒流量的大小。冷媒通过冷媒入口输送到发酵罐各个冷媒通道，达到控制温度的目的。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 4 系统硬件和软件4 系统硬件和软件配置4.1系统硬件4.1.1控制系统的构成根据生产实际需要,本系统采用自动和手动两种工作方式。自动和手动相互有应答信号,以确定各自的工作状态利用PT100双支热电阻采集温度信号,该信号分别送入控制站,根据温度的变化,调节相应的冷媒阀,实现温度的控制。4.1.2系统硬件结构及工作原理SunyP

38、CC800小型集散控制系统控制站硬件结构图如图4.1。控制站的硬件包括公共部件、功能模块、调理模块等几大部分。公共部件包括机柜、机笼、控制模块、电源组件、散热组件、总线底板、集线器、光端机、转接端子板等；功能模板包括：I/O模板、通信模板等；调理模块包括：模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出、脉冲量输入、脉冲量输出、特殊定制模块等。I/O模板基于SmartBus连接调理模板，并通过冗余现场总线相互连接。控制站采用工业以太网连接操作站/工程师站，工业以太网可冗余配置。4.1.3控制站功能SunyPCC800小型集散控制系统控制站由功能模板构成，功能模板是控制站内部完成特定任务的硬件板卡

39、、运算处理单元、应用软件的组合。功能模板智能化，具有独立性、自主性，及时有效地完成所分担的局部任务。显示记录模板实现数据动态显示、实时操作、历史数据存储与浏览、报表处理与打印，是控制系统的本地人机界面：控制模板集成了高速处理器和智能双冗余控制网络（CNet）驱动，根据控制组态所生成的目标文件，解释运行，实现所设计的控制策略，并支持数据同步与冗余切换；啤酒的发酵工艺是当搪化后的麦汁进入发酵雄后,先进行自然升温,升到一个特定温度后,在这个温度上进行恒温发酵。当糖度降到一定程度后,进行一定顺序的降温和恒温,最后发酵结束。送清酒罐,在清酒罐中进行恒温控制。为满足发酵工艺,发酵嫩中温度分布不均匀,因此在

40、上带、中带和下带要分别进行温度检测和控制。如采用常规PID算法,当实际温度高于发酵温度0.2,打开相应的上带中带或下带的冷却阀。当实际温度低于发酵温度0.1 ,就关闭相应的上带、中带或下带冷却阀。但由于该系统滞后较大,虽然测温点温度仍在正常值, 但啤酒出口已结冰。因此该系统不能采用PID 算法,而采用专家控制系统。利用专家控制经验对啤酒温度进行补偿,从而达到对啤酒实际温度控制。解决啤酒嫩出口结冰难题。另外由于发酵过程中产生CO,所以,必须进行顶压监视和报警。为了读出液位值, 还必须进行液位检测。4.2系统软件Sunytech工业控制应用软件平台是SunyPCC800小型集散控制系统的系统软件包

41、，它基于WindowsNT/2000和SROS多任务实时操作系统，基于组件结构设计，采用32位多任务、多线程等最新技术，集现场数据采集、算法执行、实时数据和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及监控网络等功能于一体。SunyPCC800系统的软件体系如图4.2，分为工程师站组态软件、操作员站实时监控软件及现场控制站实时控制软件三大部分，三部分软件分别运行在不同层次的硬件平台上，并通过控制网络、系统网络进行通信，彼此互为配合、互为协调，交换各种数据集管理、控制信息，完成整个集散控制系统的各种功能。SunyTech工业控制应用软件平台由实时控制组件（SunyRTM

42、）、系统配置组件（SunyCFG）、人机界面组件（SunyHMI）三大类组件构成，如表4-1所示。表4-1 SunyPCC800系统的软件体Suny Tech工业控制应用软件平台实时控制组件系统配置组件人家界面组件SuayIEC算法编辑器SunyCFG硬件配置软件SunyMaker系统组态软件SunyRIM实时运行系统SunyRDB实时数据库SunyView画面运行系统SROS多任务实时操作系统SunySOESOE分析软件4.2.1组态软件SunyTech工业控制应用软件平台功能全面、易于使用，它由人机界面软件、系统配置组件、实时控制组件等及其所含的软件模块组成，实现工程管理组态、实时数据库组

43、态、控制算法组态、系统硬件组态、图形组态、历史记录组态、报表组态、报警组态、在线组态在线下装、安全性组态等功能。4.2.1监控软件SunyTech工业控制应用软件平台集成了功能强大、运算稳定的实时监控软件，运行于Windows NT/2000操作系统下由实时控制组件、人机界面组件、系统配置组件等组成。主要有高速的实时数据库、画面及流程显示、控制调节、系统硬件诊断、报警、报表、趋势显示、DDE、OPC、ODBC、ActiveX借口、WEB服务、SOE分析等功能。4.2.1控制软件现场控制站是SunyPCC800小型集散控制系统的核心部分，现场信息的采集，各种控制算法的实现都在控制站上完成。为保证

44、现场控制的高可靠运行，在控制模板的软件上采取了一系列的可靠性保护措施，如控制模板与控制网络的故障诊断、网络冗余、主从切换、故障恢复、数据掉电保持等。现场控制站控制软件运行在一套高效的实时多任务操作系统功能的轻重缓急被赋予不同的优先级，在铺以对突发中断事件的实时处理，因而能有效的利用CPU资源，是各功能模块协调地工作。现场控制软件主要完成以下功能：数据采集、数据转换、算法运行、控制输出、与其他站点通信及实时广播数据、控制站自诊断及故障恢复、冗余切换、在线组态在线下装、工程在线升级与数据保持。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 5 本系统的优点和特色5 本系统的优点和特色（1）可靠性高：系统采用分布式

45、控制系统结构,加强了基本单元功能的完整性, 避免了“危险集中”，消除了导致全局性故障的节点。同时，系统采用了网络工作站冗余备份令牌控制方式,进一步提高了系统的可靠性。（2）抗干扰能力强：系统中使用具有较强抗干扰能力和连续运行工作能力的研华工业控制计算机作为操作员站和工程师站,测控单元具有自校正、自诊断、自恢复功能,测量精度高、稳定性好、可选性及抗电磁、抗工频能力强,特别适合于恶劣的工业环境。（3）组网灵活,可扩充性强：网络架构系统具有较大的伸缩性,根据发酵罐数量和工艺要求的工艺参数数量,可选择多个测控单元,并根据工程进展逐步扩充完善。该系统网络可挂结50个测控单元。系统网中，可根据资金情况或需

46、求量接入一台或多台工业控制机作为操作员站和工程师站。一般工程师站只需一台,而操作员站需要多台,通过网络总线分布在全厂各有关部门。若需要还可接入一些备份机,以提高系统的可靠性。网络传输速率200kBPS,传输距离有线达1.2km,无限达100km。（4）良好的用户界面：汉字提示下的界面设计可使操作员及时获取整个发酵过程的信息。其中包括发酵过程的温度、压力、流量实时测量数据、各个发酵罐的运行状态、罐内温度趋势曲线图、冷媒阀门开度和报警出错提示等。同时,操作人员还可以通过功能键在线改变工艺参数,干涉发酵过程,改变运行状态,随时打印工艺参数数据和发酵过程总曲线等。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 结 论结 论在啤酒发酵过程中,温度是决定啤酒口感、风味等的一个重要指标, 但存在现场温度控制较困难的客观因素。为满足啤酒生产向着连续化,自动化方向发展, 对啤酒发酵过程中实行计算机自动控制是具有重要意义的。对功能要求不多,工程成本要求低廉的集散控制系统,大型DCS系统并不是最佳