啤酒糖化生产过程糊化锅工艺控制

龙源期刊网啤酒糖化生产过程糊化锅工艺控制作者：李帆来源：《科学大众·教师版》2011年第07期摘要：糖化与糊化过程在啤酒生产中是一个重要阶段，它是一个非常复杂的生化过程。糖化与糊化过程中，温度控制对啤酒质量起着决定性作用。糊化过程是啤酒生产第1个环节，其温度控制要点和方法的讨论具有普遍意义。本文对啤酒糖化生产过程的糊化锅工艺进行了分析，并对其自动控制系统方案进行了设计。关键词：糊化锅;啤酒糖化；PID控制中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1006-3315(2011)7-175-0021.引言在啤酒生产过程中，糖化与糊化过程直接影响到成品酒的质量。在糖化与糊化过程中，原料（大米和麦芽）经过粉碎处理后分别送入糊化锅和糖化锅，按照设定的温度曲线进行温度控制，大米浆在糊化锅中加热后变成糊化醪，混入糖化锅，麦芽浆和糊化醪在麦芽中酶的作用下，使其中的高分子物质分解成低聚糊精和以麦芽糖为主的可发酵性糖。2．糊化糖化工艺控制流程图和糊化锅工艺系统简介。2.1工艺控制流程图糊化、糖化工艺控制流程图如图所示。在大米粉碎物通过水粉混合器进入糊化锅之前，一定数量的酿造水首先按照设定的温度进入糊化锅。投料时，糊化锅的搅拌器需要按照设定速度旋转，慢速旋转用于水和原料的混合，快速旋转用于加热保温时醪液的搅动，以防止原料沉积于锅底导致结底。糊化锅中下部与底部装有蒸汽加热夹套，其加热面积可使醪液温度每分钟上升2度。蒸汽管道上装有蒸汽截止阀，蒸汽压力调节阀，蒸汽压力表，蒸汽压力传感器、压力变送器。糊化锅分别装有温度传感与变送器、低液位与高液位传感器。2.2糊化锅工艺控制步骤糊化锅工艺过程要求按照工艺曲线设定的温度与时间完成，不同的糊化时间对应有不同的目标温度，因此可以将糊化锅操作与控制过程分解为若干步，控制过程按照顺序执行，只有上一步执行完毕，下一步才能执行，每一步都有一个对应控制目标。龙源期刊网分解后的糊化工艺步如下所示：(1)糊化锅进底水:本步需按照设定值控制进水量、进水流量，进水温度（50℃）。(2)糊化锅进料：本步需控制进水量、进水流速、进水温度（50℃）、进料量、搅拌电机转速（90%）。(3)糊化锅温度控制：本步主要控制温度（50℃）、时间、蒸汽压力（1BAR）、加热启停时间。(4)糊化锅静置保温：本步控制与上步相似，主要温度（50℃）、时间、蒸汽压力、加热启停时间。(5)糊化锅升温：本步升温至71.5℃，主要控制升温时间（40分钟）、蒸汽压力(2.6BAR)、加热启停时间、搅拌电机转速（90%）。(6)糊化锅静置保温：本步保温温度（72℃），具体保温温度与时间由工艺确定。(7)糊化锅升温：本步升温至75℃，主要控制升温时间（30分钟）、蒸汽压力(2.0BAR)、加热启停时间、搅拌电机转速（90%）。(8)糊化锅取样确认。(9)糊化锅升温至99℃，主要控制升温时间、蒸汽压力、加热启停时间、搅拌电机转速。(10)糊化锅煮沸，主要控制温度、时间、蒸汽压力、加热启停时间、搅拌电机转速。(11)糊化锅等待对醪，主要控制温度、蒸汽压力、加热启停时间。(12)糊化锅对醪到糖化锅。主要控制时间、搅拌电机转速。(13)糊化锅冲洗，主要控制冲水量、搅拌电机转速（50%）。(14)糊化锅第2次冲洗。(15)糊化锅结束。在以上工艺分解步骤中，1~2为入料阶段，进水温度通过冷水阀调节，进水量通过热水阀调节。3、4、6、8、10、11为保温阶段，5、7、9阶段为升温阶段。在保温阶段与升温阶段，蒸汽调节阀以及蒸汽截止阀开启，调节阀调节蒸汽压力，以达到保温或升温目标。3.控制系统总体设计控制系统是以SIEMENSS7-300PLC底层控制核心，采用WINCC工业组态软件为集中监视与操作中心，通过PROFIBUS-DP现场总线系统实现上位计算机与下位机PLC之间数据通讯与控制。上位机采用SIEMENS工业控制计算机，计算机主机装有CP5611通信网卡，通过PROFIBUS总线连接器与PROFIBUS-DP总线连接。控制计算机装有SQL2000数据库软件、WINCC组态监控软件以及开发的人机界面软件等。上位机与PLC之间通过MPI协议通讯。上位机的人机界面包括糊化、糖化控制工艺流程画面、参数设定画面等，用于糖化生产过程的监视与操作，其中包括工艺参数的设定、修改、报表打印、生产记录及故障记录等，实时的修改下位机的控制参数，对故障进行报警并作历史记录。为提高可靠性和实时监控整个生产过程，采用两台工控机互为热备份，集中对信息进行综合管理，每台工控机独立对PLC进行数据交换，向管理级PC提供实时数据和接收质量部门的工艺参数数据。下位机采用西门子S7-300PLC，对现场的数字、模拟信号进行采样，处理和存储，并根据固定的工艺流程和控制算法对执行元件发出命令。下位机组态软件使用西门子公司的标准编程龙源期刊网，采用梯形图编程。STEP7将所有用户编写的程序所需的数据放置在块中，通过一个主程序块调用其它的子程序块或块内程序来完成，程序结构简单清晰，易读性强。4.系统采用的控制算法在糊化工艺控制过程中，控制对象主要为温度，由于存在着惯性和纯滞后特性，从扰动出现到调节过程结束需要相当长的时间。啤酒糊化温度控制过程，要求糊化温度必须无超调的跟踪工艺设定温度曲线，单纯采用常规的PID很难满足系统控制要求。从工艺特点分析，保温与加热过程是通过蒸汽阀门间歇性开启完成的，即蒸汽阀打开，保持一定的压力，并保持开启状态若干秒（大约几十秒），然后蒸汽阀关闭，此时，糊化锅蒸汽加热夹套内蒸汽压力仍然为正，一部分蒸汽逐渐转变成100度冷凝水经疏水阀排出，蒸汽压力逐渐下降，值得注意的是这一阶段仍然为加热或保温过程。蒸汽阀在关闭状态保持若干秒（约一百秒，依实际情况而定），然后再开启。为了保证保温温度的精度，在保证系统间歇性加热工艺要求的同时，引入PID控制与Bang-Bang控制，即当实际温度在某一设定的温度误差控制范围内时，采用ON/OFF开关间歇性加热与PID相结合的算法，当系统出现扰动导致实际温度偏离控制温度误差时，立即采用Bang-Bang控制，Bang-Bang控制为时间最优控制，可使蒸汽阀100%打开，从而使糊化锅实际温度尽快上升到目标温度。其具体实现如下：（1）根据实际情况，设定一阈值ε0，此阈值取决于工艺要求的加热温度精度，依据不同工艺阶段而定，在0.5度至1度。（2）当｜e(k)｜ε时，也就是偏差较大时，采用Bang-Bang控制，使系统有快速的响应。（3）当｜e(k)｜引进该控制算法，既保持了积分作用，又减小了超调量，同时又保证了系统的快速响应性，使控制性能得到改善。5.系统控制效果在糊化锅工艺1~2投料阶段，进水温度采用常规PID控制，通过调节冷水阀开度实现，进水量也采用常规PID控制，通过调节热水阀开度实现。在保温阶段与升温阶段，蒸汽调节阀以及蒸汽截止阀开启，调节阀调节蒸汽压力，系统采用Bang-Bang控制、ON/OFF开关间歇性加热与常规PID相结合的算法，达到了较好的控制效果。图为在监控软件中记录的糊化锅温度曲线，可以看出，曲线的性质很好，在糊化醪保温升温各个阶段无超调，控温过程稳定，符合了糊化锅生产控制的要求。龙源期刊网结束语本文对啤酒糖化过程中糊化锅工艺控制步骤进行了分析，针对糊化锅加热和保温阶段的温度控制，采用了Bang-Bang控制、ON/OFF开关与常规PID相结合的算法，在实际啤酒生产过程中保证了温度精度，取得了良好的控制效果，满足了生产工艺的要求。参考文献：[1]管敦仪.啤酒工业手册(修订版)，北京：中国轻工业出版社,1998.9.[2]廖常初.S7-300/400PLC应用技术，北京：机械工业出版社，2005.[3]史斌.糖化过程控制系统的设计，2006.6[4]余丹,周泽魁.在糖化过程中的应用和特殊控制目标的实现,工业控制计算机,2004年第17卷第8期,53-54