过程控制工程课程设计

1、内蒙古科技大学过程控制工程课程设计说明书题目：洗瓶机碱液温度控制系统设计学生姓名：XXX学号：XXXXXXXXX专业：测控技术与仪器班级：XXXXXXXX 指导教师：XXXX目录刖言 11工艺过程概述 21.1制麦工序 21.2糖化工序 21.3发酵工序 31.4包装工序 42洗瓶机碱液温度控制系统设计 62.1主、副被控参数的选取 62.2控制参数的选择 72.3主、副调节器调节规律的选择 82.4主、副调节器正、反作用方式的选择 83总结10参考文献11啤酒是以大麦芽和酿造水为主要原料，以大米、玉米等谷物为辅料，以极 少量啤酒花为香料，经过啤酒酵母糖化发酵酿制而成的一种含有丰富的二氧化 碳

2、而起泡沫的低酒精度2.5 7.5%（V/V）的健康饮料酒。啤酒含有一定量的 C02 般0.42%（ m/m，可以形成洁白细腻的泡沫，使人感到有杀口感。它 有特殊的啤酒花清香味和适口的苦味，有比较丰富的营养价值，即有较高的发 热量（181.4KJ/100g啤酒）和含有丰富的营养成物质（蛋白质、碳水化合物、 矿物质、有机酸及维生素等）。啤酒与其他酿造酒有所不同。主要不同点是： 使用的原料不同；使用的酿造方式和酵母菌种不同，啤酒有特殊或专用的酿造 方法，发酵用的酵母是经纯粹分离和专门培养的啤酒酵母菌种；生产周期不固 定，长短不一，可根据品种、工艺和设备条件而变化,短的仅14天,长的可达40天以上。啤

3、酒是一种世界性的饮料，由于它营养丰富，酒度低和具有特殊风味，深 为广大群众所喜爱，所以啤酒的产量几十年来一直稳步上升。我国发展啤酒工 业起步较晚，尽管最近几年产量已经翻了几番，但仍满足不了人民的需要，与 国外相比差距较大。但可预料，随着我国经济的迅速发展和人民生活水平的不 断提高，我国啤酒工业必将有较大的发展。啤酒包装是啤酒生产的最后一道工序，也是对啤酒质量影响最大的工艺过 程。包装质量的好坏，将直接影响到啤酒的酒体质量和外观质量。随着啤酒市 场竞争的日趋激烈，人们越来越重视啤酒的包装质量，日益追求产品的优良品 质与外在美的和谐统一。只有最大限度地满足消费者的心理需求，才能赢得市 场。一方面，

4、需要积极采用先进的生产工艺及包装设备，大力改善包装条件； 另一方面，不断加强啤酒包装过程的质量控制也是十分重要的。1工艺过程概述啤酒生产工艺流程可以分为制麦、糖化、发酵、包装四个工序，所以一般的啤酒厂都有四个车间：麦芽车间、糖化车间、发酵车间、包装车间。啤酒生产流程1.1制麦工序大麦必须通过发芽过程将内含的难溶性淀料转变为用于酿造工序的可溶性 糖类。大麦在收获后先贮存2-3月，才能进入麦芽车间开始制造麦芽。为了得到干净、一致的优良麦芽，制麦前，大麦需先经风选或筛选除杂， 永磁筒去铁，比重去石机除石，精选机分级。制麦的主要过程为：大麦进入浸麦槽洗麦、吸水后，进入发芽箱发芽，成 为绿麦芽。绿麦芽进

5、入干燥塔/炉烘干，经除根机去根，制成成品麦芽。从大麦 到制成麦芽需要10天左右时间。制麦工序的主要生产设备为：筛（风）选机、分级机、永磁筒、去石机等 除杂、分级设备；浸麦槽、发芽箱/翻麦机、空调机、干燥塔（炉）、除根机等 制麦设备；斗式提升机、螺旋/刮板/皮带输送机、除尘器/风机、立仓等输送、 储存设备。1.2糖化工序麦芽、大米等原料由投料口或立仓经斗式提升机、螺旋输送机等输送到糖 化楼顶部，经过去石、除铁、定量、粉碎后，进入糊化锅、糖化锅糖化分解成醪液，经过滤槽/压滤机过滤，然后加入酒花煮沸，去热凝固物，冷却分离。麦芽在送入酿造车间之前，先被送到粉碎塔。在这里，麦芽经过轻压粉碎 制成酿造用麦

6、芽。糊化处理即将粉碎的麦芽/谷粒与水在糊化锅中混合。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滤过容器。麦芽汁在被泵入煮沸锅之 前需先在过滤槽中去除其中的麦芽皮壳，并加入酒花和糖。煮沸：在煮沸锅 中，混合物被煮沸以吸取酒花的味道，并起色和消毒。在煮沸后，加入酒花的 麦芽汁被泵入回旋沉淀槽以去处不需要的酒花剩余物和不溶性的蛋白质。糊化锅：首先将一部分麦芽、大米、玉米及淀粉等辅

7、料放入糊化锅中煮沸。糖化槽：往剩余的麦芽中加入适当的温水，并加入在糊化锅中煮沸过的辅料。此时，液体中的淀粉将转变成麦芽糖。麦汁过滤槽：将糖化槽中的原浆过滤后，即得到透明的麦汁（糖浆）煮沸锅：向麦汁中加入啤酒花并煮沸，散发出啤酒特有的芳香与苦味麦芽淀粉等大米玉米及E-1糊化锅E-3糖化锅麦汁过滤槽煮沸锅1.3发酵工序发酵罐成熟罐：在冷却的麦汁中加入啤酒酵母使其发酵。麦汁中的糖分分解为 酒精和二氧化碳，大约一星期后，即可生成"嫩啤酒"，然后再经过几十天使其 成熟。啤酒过滤机：将成熟的啤酒过滤后，即得到琥珀色的生啤酒。冷却、发酵：洁净的麦芽汁从回旋沉淀槽中泵出后，被送入热交换器冷

8、 却。随后，麦芽汁中被加入酵母，开始进入发酵的程序。在发酵的过程中，人 工培养的酵母将麦芽汁中可发酵的糖份转化为酒精和二氧化碳，生产出啤酒。 发酵在八个小时内发生并以加快的速度进行，积聚一种被称作"皱沫"的高密度泡沫。这种泡沫在第3或第4天达到它的最高阶段。从第5天开始，发酵的速 度有所减慢，皱沫开始散布在麦芽汁表面，必须将它撇掉。酵母在发酵完麦芽 汁中所有可供发酵的物质后，就开始在容器底部形成一层稠状的沉淀物。随之 温度逐渐降低，在810天后发酵就完全结束了。整个过程中，需要对温度和压 力做严格的控制。当然啤酒的不同、生产工艺的不同，导致发酵的时间也不 同。通常，贮藏啤酒

9、的发酵过程需要大约 6天，淡色啤酒为5天左右。发酵结 束以后，绝大部分酵母沉淀于罐底。酿酒师们将这部分酵母回收起来以供下一 罐使用。除去酵母后，生成物 "嫩啤酒"被泵入后发酵罐（或者被称为熟化罐 中）。在此，剩余的酵母和不溶性蛋白质进一步沉淀下来，使啤酒的风格逐渐成 熟。成熟的时间随啤酒品种的不同而异，一般在721天。经过后发酵而成熟的啤酒在过滤机中将所有剩余的酵母和不溶性蛋白质滤去，就成为待包装的清 酒。1.4包装工序装瓶、装罐机：酿造好的啤酒先被装到啤酒瓶或啤酒罐里。然后经过目测和液 体检验机等严格的检查后，再被装到啤酒箱里出厂。洗瓶机：洗净回收的啤酒瓶。空瓶检验机：极

10、其细小的伤痕也不会放过。感官检查：每天新酿制的啤酒，由专门的负责人员进行实际品尝。只有在确保 其品质后，才将鲜美可口的啤酒呈送给您。每一批啤酒在包装前，还会通过严格的理化检验和品酒师感官评定合格后 才能送到包装流水线。成品啤酒的包装常有瓶装、听装和桶装几种包装形式。再加上瓶子形状、容量的不同，标签、颈套和瓶盖的不同以及外包装的多样 化，从而构成了市场中琳琅满目的啤酒产品。瓶装啤酒是最为大众化的包装形 式，也具有最典型的包装工艺流程，即洗瓶、灌酒、封口、杀菌、贴标和装 箱。2洗瓶机碱液温度控制系统设计啤酒隔氧快速酿造和高速灌装工艺逐步推广和实施，酒花、麦芽香气等啤 酒典型特征的强化和突出，近十年

11、来我国瓶装啤酒质量取得较大提高。国产啤 酒灌装设备的更新换代和工艺技术的进步，为包装过程中保持啤酒风味稳定提 供了强有力的保障。各生产企业的包装及配套设备水平差异很大，但整个工艺流程基本相同。现代啤酒酿造周期一般为3-6周，而包装仅约1小时就完成。加强包装过程的工艺质量控制极为重要。洗瓶过程中对碱液的温度要求很严格，所以我们需要对碱液储蓄槽进行温 度控制，使之温度恒定在生产要求的范围内。由于洗瓶质量主要取决于碱液温度（碱液出口温度），且碱液温度受环境影 响较大，而工艺要求又比较高，因此，需要采用串级控制系统实现碱液温度控 制。2.1主、副被控参数的选取为了实现串级控制，合理选取主、副被控参数是

12、十分重要的。主、副参数 选定，串级控制系统的主、副回路也就随之确定。为了充分发挥串级控制系统的优势，副回路的设计应考虑如下设计原则。1）副参数的选择应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏通常串级控制系统被用来克服对象的容量滞后和纯滞后，所以副被控参数 的选择应使副回路的时间常数小、滞后小、控制通道短，这样可使等效对象的 时间常数大大减小，从而提高系统的工作频率，加快反应速度，缩短过渡过程 时间，最终改善系统的控制品质。为了充分发挥副回路的快速，超前作用，在 扰动影响主被控参数之前就能予以克服，必须设法选择一个可测得、反应灵敏 的参数作为副被控参数。2）副回路应包含被控对象所受到的主要干扰

13、在某些情况下，系统的干扰较多而难以分出主要干扰，这时应考虑使副环 能尽量多包含一些干扰，这样可以充分发挥副环的快速抗干扰性能，以提高串 级控制系统的质量。还需注意的是，在考虑使副环包含更多干扰时，也应考虑 到副环的灵敏度。3）主、副对象具有非线性环节时，应使其处于副环中4）主、副对象时间常数要匹配，以防“共振”发生在串级控制系统中，主、副回路之间是密切相关的，副被控参数的变化会 影响到主被控参数，而主被控参数的变化通过反馈回路又会影响到副被控参 数。如果主、副对象时间常数比较接近，那么主、副回路的工作频率也就比较 接近，在一定条件下，如果系统受到某种干扰的作用，主被控参数进入副环 时，会引起副

14、环中副被控参数波动幅度的增加，而副被控参数的变化传送到主 环后，又迫使主被控参数的变化幅度增加，如此循环往复，就会使主、副被控 参数长时间大幅度地波动，这就是串级控制系统的“共振”。5）当对象具有较大纯滞后时，应尽量将纯滞后部分包含在主对象中当对象具有较大纯滞后时，应使所设计的副回路尽量少包括或不包括纯滞 后，以提高副回路的快速抗干扰能力。6）应综合考虑方案的经济性和工艺的合理性根据以上原则并结合生产实际主被控参数选定为碱液出口温度，副被控参 数选定为蒸汽压力。2.2控制参数的选择控制参数的选择一般应考虑以下几点1）选择可控性良好的参数作为控制参数。2）所选择的控制参数必须使控制通道有足够大的

15、放大系数，并应保证大于 主要扰动通道的放大系数，以对主要扰动进行有效控制并提高控制质量。3）所选择的控制参数必须使控制通道有较高的灵敏度，即时间常数适当小 04）选择控制参数应同时考虑经济性与工艺上的合理性。所以控制参数选定为蒸汽流量。2.3主、副调节器调节规律的选择1）主调节器调节规律的选择主参数直接关系到产品的质量或生产的安全，工艺上要求比较严格。一般 不允许有静差。因此，主调节器通常都选用PI调节规律。当对象控制通道容量滞后比较大时（如温度对象和成分对象等），为了克服容量滞后，应该选用 PID 调节规律。所以，主调节器调节规律应选用 PID调节规律。2）副调节器调节规律的选择一般情况下，

16、副调节器只要选择 P调节规律即可；当选流量为副参数时， 为保稳定，比例度较大，可引入积分，即采用PI，以增强控制作用；一般不引入微分，否则会使调节阀动作过大或过于频繁，对控制不利。所以，副调节器调节规律应选用 P调节规律。2.4主、副调节器正、反作用方式的选择为了保证串级控制系统的正常运行，串级控制系统中主、副调节器的正、 反作用方式必须正确选择。具体方法是：先根据工艺要求决定调节阀的开闭形 式，即当仪表气源断气时，调节阀的位置应是保证生产安全的状态；然后根据 生产工艺条件和调节阀形式确定副调节器的正、反作用方式；最后再根据主、 副参数的关系，决定主调节器的正、反作用方式。副环：为保证生产安全

17、，调节阀应选则气开式，符号为“+”；当调节阀开度增加时，蒸汽压力增大，因而副对象符号为“+ ”，根据副环放大倍数符号为“ +”的要求，副调节器符号应为“ +”，故选择反作用。主环：副被控参数压力增大时，主被控参数温度将上升，因此主对象符号 为“ +”，故主调节器应选反作用错误！嵌入对象无效。碱液出口温度与蒸汽压力串级控制系统结构框图3总结本文首先介绍了啤酒在人们日常生活中的地位：啤酒已成为人们日常生活 中不可缺少的部分。接着，大体上说明了啤酒的基本生产工艺，从啤酒的原 料，辅料到酿造过程、周期等。又具体介绍了啤酒厂的生产工艺流程，啤酒生 产大体上分为四个步骤：制麦、糖化、发酵、包装。强调了啤酒

18、生产过程中控 制系统对啤酒质量的重大影响。并具体的说明了包装过程中洗瓶阶段对碱液温 度的控制，以此为例，我们可以大致了解自动控制系统啤酒生产中乃至所有的 工业生产中的重要作用。通过这次课程设计，加深了我对自动控制系统的了解 更认识了其重要性。在这次设计中我学到很多很多的的工具，不仅强化了以前 所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程 设计使我懂得了理论与现实相联合是很重要的，只有理论知识是远远不够的， 只有把所学的理论知识与实践相联合起来，从理论中得出结论，才能真正为社 会办事，从而提高自己的现实动手能力以及独立思考的能力。在此次课程设计 的过程中，我还遇到过很多困难，从选题，至V绘图，至说明书，这里面无论 哪个过程都不是一件容易的事情，对我来说像是一个个的挑战，然而就是因为 这么多的挑战，让我在短短几天的时间内对课程设计有了非常具体的认识、学 习与提高。我期待自己下一次的设计。参考文献1 李文涛.过程控制M.北京：科学出版社,2012.2 管敦仪.啤酒工业手册M.北京：轻工业出版社，19983 程殿