计算机控制技术即啤酒发酵罐温度控制系统

无锡太湖学院《计算机控制技术》大作业报告专业XXXXXXXXXX学号XXXXXXX姓名XXXXXX日期20XXXXXX1大作业内容及任务1.1问题阐述麦汁发酵过程是啤酒生产中的一个重要环节，同时也是一个复杂的生物化学过程。目前的处理方法多是在麦汁发酵期间，根据酵母的活动能力，生长繁殖快慢，确定发酵给定的温度曲线如下图所示。要使酵母的繁殖和衰减、麦汁中糖度的消耗等达到最佳状态，必须严格控制各阶段的温度、压力、pH值、溶解氧等条件。今对压力、pH值、溶解氧等条件暂不关注，只考虑温度的控制问题，使其在给定的温度曲线的±0.5℃范围内。现设某啤酒厂有一个锥形啤酒发酵罐，锥体由上下两部分组成，下部分是圆柱体，上部分是圆锥体。发酵期间当罐内温度低于给定温度时，要求关闭冷却带阀门，使之自然发酵升温；反之，则接通冷却带阀门，自动将冷却酒精打入循环带使之降温，直至满足工艺要求。发酵期间锥形发酵罐控制上、中、下三部分的温度，温度曲线见下图。图1发酵温度工艺设定曲线1.2设计目的通过本次大作业设计，掌握计算机控制技术设计相关步骤。考查学生动手能力和对所学知识的掌握程度，以及学生的查阅和收集信息能力。使学生熟悉本设计的相关知识及培养解决设计过程中可能遇到问题的能力。1.3设计要求根据啤酒发酵过程，完成作业内容及任务、对作业的认知或解读、系统方案设计——系统结构模型框图、系统硬件元器件选型、硬件设计、数字控制器的设计、系统软件设计——程序流程图、抗干扰分析、心得体会和参考文献。2对作业的认知或解读2.1啤酒生产工艺简介啤酒生产过程主要包括糖化、发酵以及过滤分装三个环节。2.1.1糖化糖化过程是把生产啤酒的主要原料与温水混合，利用麦芽的水解酶把淀粉、蛋白质等分解成可溶性低分子糖类、氨基酸、脉、肤等物质，形成啤酒发酵原液─麦汁。2.1.2发酵啤酒发酵是一个微生物代谢过程，简单的说是把糖化麦汁经酵母发酵分解成C2H5OH，CO2，H2O的过程，同时还会产生种类繁多的中间代谢物双乙酞、脂肪酸、高级醇、酮等，这些代谢产物的含量虽然极少，但它们对啤酒的质量和口味的影响很大，它们的产生主要取决于发酵温度。一般认为，低温发酵可以降低双乙酞、脂类等代谢物的含量，提高啤酒的色泽和口味；高温发酵可以加快发酵速度，提高生产效率和经济效益。总之，如何掌握好啤酒发酵过程中的发酵温度，控制好温度的升降速率是决定啤酒生产质量的核心内容。啤酒发酵是个放热过程，如不加以控制，罐内的温度会随着发酵生产热的产生而逐渐上升，目前大多数对象是采用往冷却夹套内通入制冷酒精水混合物或液氨来吸收发酵过程中不断放出的热量，从而维持适宜的发酵温度。整个发酵过程分前酵和后酵两个阶段，发酵温度的工艺设定典型曲线如图1所示。不同品种、不同工艺所要求的温度控制曲线会有所不同。（1）前酵这个阶段又称为主发酵。麦汁接种酵母进入前酵，接种酵母几小时以后开始发酵，麦汁糖度下降，产生CO2并释放生化反应热，使整个罐内的温度逐渐上升。经过2～3天后进入发酵最为旺盛的高泡期再经过2～3天，糖度进一步降低，降糖速度变慢，酵母开始沉淀，当罐内发酵糖度达标后进行降温转入后酵阶段。普通啤酒在前酵阶段，一般要求控制在12℃左右，降温速率要求控制在0.30C/h。（2）后酵当罐内温度从前酵的12℃降到5℃左右时后酵阶段开始，这一阶段最重要的是进行双乙酞还原，此外，后酵阶段还完成了残糖发酵，充分沉淀蛋白质，降低氧含量，提高啤酒稳定性。一旦双乙酞指标合格，发酵罐进入第二个降温过程，以0.150C/h的降温速率把罐内发酵温度从5℃降到0～-1℃左右进行贮酒，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。通常发酵液温度在不同的发酵阶段，对罐内发酵液的温度场要有相应的要求：在前酵阶段希望发酵罐内从罐顶到罐底有一正的温度梯度，即从控制上层温度为主，以利于发酵液对流和酵母在罐内的均匀混合；在后酵阶段，则要求发酵液由卜到下有一定的负温度梯度，即控制以下层温度为主，便于酵母的沉淀和排除。2.1.3啤酒的过滤和灌装前、后酵结束以后，啤酒将通过过滤机和高温瞬时杀菌进行生物以及胶体稳定处理然后灌装。啤酒过滤是一种分离过程，其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母细胞和其它混浊物从啤酒中分离出去，否则这些物质会在以后的时间里从啤酒中析出，导致啤酒混浊，目前多采用硅藻土过滤方式。如果啤酒中仍含有微生物(杂菌)，则微生物可以在啤酒中迅速繁殖，导致啤酒混浊，其排泄的代谢产物甚至使啤酒不能饮用。杀菌就是啤酒在灌装之前对其进行生物稳定性处理的最后一个环节。至此，一个啤酒和生产周期结束。3系统方案设计——系统结构模型框图啤酒发酵温度采用传统的手动操作控制，啤酒质量差，生产效率低，劳动强度大，酒损严重，不能灵活地修改工艺参数。为此我们以AT89S52单片机芯片为核心，研究和设计了数字化的啤酒发酵过程计算机控制系统，很好地解决上述问题。3.1啤酒发酵过程温控对象的特点发酵罐是啤酒生产的主要设备，图2为圆筒锥底发酵罐示意图，酵母在罐内发生反应而产生热量，使麦汁温度升高，因此在罐壁设置有上、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。以阀门开度为控制量，酒体温度为被控量。该广义对象是一个三输入、三输出的多变量系统，机理分析和实验表明啤酒发酵罐的温控对象不同于一般的工业对象，主要有以下几个方面的特点：图2发酵罐工艺示意图(1)时滞很大在整个发酵过程中，由于生化反作用产生的生化反应热导致罐内发酵温度的升高，为了维持适宜的发酵温度，通常是往发酵罐冷却夹套内通入酒精水或液态氨，来带走多余的反应热。由于罐内没有搅拌装置和加热装置，冷媒发酵液间主要依靠热传导进行热量交换，发酵液内部存在一定的对流，影响到测温点，这就使得控制量的变化后，要经过一段时间，被控量才发生变化，因此这类系统会表现出很大的时滞效应。例如一个120m3啤酒发酵罐温度响应的滞后时间一般在5～30min之内变化。(2)时变性发酵罐的温控特性主要取决于发酵液内生化反应的剧烈程度。而啤酒发酵是从起酵、旺盛、衰减到停止不断变化的间歇生产过程，在不同的发酵阶段，酵母活力不同，造成酒体温度特性变化，因此对象特性具有明显的时变性。(3)大时间常数发酵罐体积大，发酵液体通过罐壁与冷却水进行热交换的过程比较慢。(4)强关联因为罐内酒体的对流，所以在任一控制量的变化均会引起三个被控量的变化。在分析对象特性的时候，由于受到认识上的限制，往往也不能确切掌握工业过程中各种物理、化学变化的本质特征，这也必然会导致获取的对象特性与实际特性存在难以确定的偏差。例如啤酒生产过程酵母特性、原料特性等许多因素的变化都会引起被控系统特性参数的变化和摄动，而这些因素在实际系统中都是很难在线或实时获取的。4系统硬件元器件仪表选型4.1温度传感器工业装配式热电阻通常用来显示仪表和计算机配套，直接测量各种生产过程中-200℃～+500℃范围内液体、蒸汽和气体介质及固体表面的温度。我厂生产热电阻全部符合ICE国际标准和国家有关规定，有铂热电阻和铜热电阻两大类，铂电阻又分为云母骨架、陶瓷骨架、厚膜电阻和薄膜电阻等。铜电阻的骨架有聚碳酸酯制成。铂电阻分度号Pt100，铜电阻分度号Cu50。BA1、BA2、Pt100铂电阻和Cu100铜电阻可订做。在此，我们选择Pt100。图3温度传感器图4温度变送器4.2温度变送器HAKK-WB系列温度变送器为24V供电、二线制的一体化变送器。产品采用进口集成电路，将热电阻的信号放大，并转换成4-20mA或0-10mA的输出电流,或0～5V的输出电压。其中铠装变送器可以直接测量汽体或液体的温度特别适用于低温范围测量，克服了冷凝水对测温所带来的影响特点。Pt100温度变送器用于Pt100铂电阻信号需要远距离传送、现场有较强干扰源存在或信号需要接入DCS系统使用。铂电阻温度变送器采用独特的双层电路板结构，下层是信号调理电路，上层电路可定义传感器类型和测量范围。4.3孔板流量计HYG系列孔板流量计（又称节流装置、差压式流量计）是测量流量的差压发生装置，配合各种差压计或差压变送器可测量管道中各种流体的流量。孔板流量计节流装置包括环室孔板，喷嘴等。孔板流量计节流装置与差压变送器配套使用，可测量液体、蒸汽、气体的流量，孔板流量计广泛应用于石油、化工、冶金、电力、轻工等部门。充满管道的流体，当它们流经管道内的节流装置时，流束将在节流装置的节流件处形成局部收缩，从而使流速增加，静压力低，于是在节流件前后便产生了压力降，即压差，介质流动的流量越大，在节流件前后产生的压差就越大，所以孔板流量计可以通过测量压差来衡量流体流量的大小。这种测量方法是以能量守衡定律和流动连续性定律为基准的。图5孔板流量计图6差压变送器4.4差压变送器3051X高精度差压变送器具备EJA原装表所有功能，还扩展了一些实用功能。旋转开关可PV值清零，顺时针增大，逆时针减小,可以1μA调整，也可大范围调整。3051X高精度差压变送器主要性能和参数：（1）输出信号：4～20mA.DC,二线制。（2）供电电压：12V～45V.DC。（3）电源影响：＜0.005%/V。（4）负载影响：电源稳定时无负载影响。（5）启动时间：＜2秒，不需预热。（6）工作环境：-25℃～+70℃相对温度：0～100%。迁移后的上下限绝对值均不应超过最大量程范围的上限值。（7）负载特征：RL≤（u-12）/i，式中：u---供电电压，i---回路电流。（8）振动影响：任何方向200Hz振动±0.5%/g。（9）安装位置：膜片未垂直安装时，可能产生小于0.24Kpa的误差，但可通过调零消除。（10）防爆类型：隔爆型ExdllCT5,本安型ExiallCT6.4.5流量积算仪新虹润NHR-5610系列流量积算控制仪针对现场温度、流量等各种信号进行采集、显示、控制、远传、通讯、打印等处理，构成数字采集系统及控制系统。双屏LED数码显示，具有极宽的显示测量范围，可显示整五位的瞬时流量测量值、入口/出口温度测量值、流量（差压、频率）测量值等，及整11位的流量累积测量值，0.2％级测量精度，0.1％级累积精度。具备36种信号输入功能，可配接各种差压信号（孔板装置）、线性信号（电磁流量计）及脉冲信号（涡街流量计）。可带两路模拟量变送输出。支持RS485、RS232串行接口，采用标准MODBUSRTU通讯协议。仪表可带RS232C打印功能，具有手动、定时、报警打印功能。带DC24V馈电输出，为现场变送器配电。输入、输出、电源、通讯相互之间采用光电隔离技术。图7流量积算仪图8电动调节阀4.6电动调节阀RC系列电动调节阀包括驱动器，接受驱动器信号（0-10V或4-20mA）来控制阀门进行调节，也可根据控制需要，组成智能化网络控制系统，优化控制实现远程监控。4.7UP-550程序调节器液晶显示高性能程序调节器，UP550程序调节器1/4DIN型是高级程序控制仪表，具有30种程序模式、5种强大的调节功能。还具有便于查看的大屏数字显示，用于交互式程序模式与参数设定的LCD显示特性。标配有自动协调功能、“SUPER”抑制过冲功能以及新增加的“SUPER”hunting抑制功能。位置比例调节与加热/冷却模式适合于多种应用。图9程序调节器5硬件设计5.1微处理器系统AT89S52单片机为主控制器件。AT89S52是ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS8位单片机，它除正常工作外还可工作于低功耗的闲置和掉电模式，进一步减少了芯片的功耗。单片机首先根据已经测量的数值计算出温度偏差，然后进行PID控制并计算出相应的控制数据量，将控制数据量输出到D/A转换器。AT89S52还负责按键处理、液晶显示以及与上位机进行通信等工作。本系统采用8155A芯片来扩展键盘和液晶显示，用MAX232实现RS-232C标准接口通信电路。键盘主要负责温度控制范围和PID控制参数的输入；液晶显示器采用LMC128X64液晶显示模块，把温度控制结果显示在液晶屏上。5.2数据采集电路的