啤酒发酵过程计算机控制系统

啤酒发酵过程计算机控制系统1.啤酒发酵工艺及控制要求麦汁发酵过程是啤酒生产的重要环节。发酵是一个复杂的生物化学反应过程，通常在锥形发酵罐中进行。大型啤酒锥形发酵罐在发酵各工艺段对温度的要求是不同的。在20多天的发酵期间，根据酵母的活动能力和生长繁殖的快慢，确定发酵给定温度曲线，如图1-1所示。图1-1发酵过程温度工艺曲线图罐内麦汁温度分布只要各工艺段保持在工艺给定温度的±5℃范围内就能保证啤酒的质量。发酵罐装置上、中、下三个冷却带进口调节阀。在啤酒发酵期间，当罐内温度低于给定温度时，则要关闭冷却带的阀门，使之自然发酵升温；当罐内温度高于给定温度时，则要求接通冷却带的阀门，自动地将冷酒精打入冷却带循环使之降温。除温度控制外，还要对罐内压力、液位等实施控制。2.系统总体方案的设计（1）发酵罐的测控点分布及管线结构罐上有5个检测点:上段温度TTa、中段温度TTb、下段温度TTc、罐内上部气体压力PT、液位LT;3个控制点：上端冷却带调节阀TVa、中段冷却带调节阀TVb、下段冷却带调节阀TVc。检测点与控制点的分布如图2-1所示。图2-1发酵罐的测控点分布及管线图（2）检测装置和执行机构检测装置中，温度检测采用WZP-231铂热电阻（Pt100）和RTTB-EKT温度变送器，其输入量程为-20~+50℃，输出为4~20mA；压力检测采用CECY-150G电容式压力变送器，其输入量程（压差）为0~0.25MPa，输出为4~20mA；液位检测采用CECU-341G电容式液位变送器，输入量程（压差）为0~0.2MPa，输出为4~20mA。执行机构采用ZDLP-6B电动调节阀，通径为DG50，流通能力为CG32，并配有操作器DFQ-2100。（3）对象特性的描述啤酒发酵过程的数学模型是随发酵深度而变的，通常人们把它归为一类常见的工业对象模型：θ（s）/Qv(s)=Ke-τs/(Ts+1)但是，实际的啤酒发酵对象应该是开环不稳定的，为了简化对象模型的推导过程，可作以下假设：①忽略热交换过程中的热量损失；②不考虑罐壁、冷媒、麦汁的温度梯度。根据麦汁与罐壁、罐壁与冷媒以及总热量守恒方程，不难推出：S（TS＋1）θ（S）＝a0QV（S）＋b0E（S）（2）式中，E（S）为发酵热。另外，发酵罐内的发酵速度K与罐内温度θ具有密切的关系，从物理意义上理解发酵速度K与发酵温度θ呈单调上升的关系；同时，发酵热E与发酵速度K之间也满足单调对应关系。因此，发酵热E是随发酵温度θ而呈单调上升的对应关系。不难理解，对于一个间歇生产过程，对象特性首先表现为时间t的函数，事实上，发酵罐内主要依靠对流来进行热量传递（无搅拌），所以响应特性也表现为空间的函数。应该说啤酒发酵过程是一个典型的大时间常数环节，综合各种因素，可把对象模型简化为G1（s）=Ae-τ1s/S(T1S+1)G2（s）=Be-τ1s/S(T2S+1)其控制系统结构框图如2-2所示图2-2发酵温度闭环控制系统结构框图（4）过程通道模板本系统选择的是康拓IPC-548832路12位光电隔离A/D板，并配有CMB5419-1B32路I/V变换板，作为系统的模拟量输入通道。另外，选择IPC-54868路12位光电隔离D/A板，作为模拟量输出通道。（5）控制系统主机的选择控制主机选用工控机，并配有A/D和D/A模板来实现过程通道中的信号变换。（6）控制系统的软件控制系统的软件主要包括采样、滤波、标度变换、控制计算、控制输出、中断、计时、打印、显示、报警、调节参数修改、温度给定曲线设定及修改、报表、图形、曲线显示等功能。3.系统硬件和软件的设计（1）系统硬件设计根据系统总体方案的设计，可以画出控制系统的组成框图，如图3-1。另外，系统还配有直流+24V电源给变送器、操作器供电。因采用光电隔离技术，故A/D板和D/A板都采用了DC/CD电源变换模块，提供给光电隔离所需的工作电源。图3-1啤酒发酵过程计算机控制系统硬件框图（2）系统软件设计1）数据采集程序。首先将温度信号、压力信号、液位信号各采集5遍并存储，采样周期为T=2s。2）数字滤波程序。将每个信号的5个测量值排序，去掉一个最大值和一个最小值，剩余三个求平均值即为该信号的测量结果，即采用中值滤波法与平均值滤波法相结合来实现数字滤波。3）标度变换程序。变送器输出的直流4-20mA信号，经I/V变换后产生直流1-5V信号，进行12位A/D转换后，即得12位2进制x，其对应的实际物理量按下面要求方法得到（对于12位A/D转换器，0-5V（DC）时输出为000H-FFFH）。①温度的标度变换。温度的量程范围为-20~+50℃,其标度变换计算公式为y=[(50-(-20))(x-819)/(4095-819)+(-20)]℃=(0.021368x-37.5)℃②压力的标度变换。压力的量程范围为0-0.25MPa，其标度变换公式为P=[(0.25-0)(x-819)/(4095-819)+0]MPa=(7.63126*10-2x-62.5)kPa③液位的标度变换。液位的量程范围是0~0.2MPa，其标度变换计算公式为H=(0.2*10-6-0)(x-819)/Dg(4095-819)+0=(61.05x-50000)/DgD为啤酒密度（kg/m3）；g为重力加速度（m/s2）；H为液位高度（m）。4）给定工艺的实时插补计算。给定工艺曲线由多段折线组成，每一段都是直线，故采用直线插补算法来计算各个采样周期的给定值r（k），即r(k)=rn-1+(rn-rn-1)(tk-tn-1)/(tn-tn-1)式中，tn-1≤tk＜tn，（tn-1，rn-1）和（tn，rn）分别为第n段折线的两个端点坐标。5）控制算法。采用史密斯预估+增量型PID控制算式，并进行特殊处理。另外对控制量Δu(k)和阀位输出进行限幅。因采用的调节阀控制信号为直流4-20mA，且D/A转换器为12位，因此取Δumin=819，Δumax=4095。4.系统的安装调试运行及控制效果进行现场安装时，首先在现场安装温度变送器、压力变送器、液位变送器、调节阀等，然后从现场设屏蔽信号电缆到控制室，最后将这些电缆接到工业控制计算机外面的接线端子板上。调试工作主要是对变送器进行满度和零点校准、A/D板和D/A板满度和零点校准；另外就是用实验法确定PID控制器的控制参数。这是一个典型的过程计算机闭环控制系统，传统靠人工监控各种参数的啤酒生产过程的改造基本上是这种模式，可达到预定的控制效果。5.参考文献