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计算机控制技术——啤酒生产过程计算机控制浙江大学控制系自动化仪表研究所周泽魁2一、计算机控制技术概述1、研究意义计算机控制技术是为了适应计算机在工业控制领域应用的需要而发展起来的一门专业技术,它是工业自动化技术的延伸和发展，已成为现代企业自动化技术的主体，是衡量企业现代化的标志。3计算机控制技术概述2、研究内容主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于生产过程,并设计出所需要的计算机控制系统。♣计算机控制系统构成♣应用软件编制♣系统调试维护4计算机控制系统构成●集中型计算机控制系统●集散控制系统(DCS)●现场总线控制系统5应用软件编制针对某个生产过程及其控制要求而编制相应的管理和控制程序用于操作站的应用软件：一般可以采用特定的组态软件、VB、VC、Delphi或其它一些高级语言来开发用于控制站的应用软件：多采用高效的汇编语言来开发6系统调试维护♣软件调试♣硬件调试♣解决各种现场碰到的问题7计算机控制技术概述3、涉及内容计算机控制技术综合了计算机、控制理论、仪器仪表、电子、抗干扰等多门应用技术，因此其涉及的知识范围相当广泛。84、计算机控制技术是用高新技术改造传统产业的有效途径9内容摘要用高新技术改造啤酒行业的必要性和紧迫性啤酒生产过程计算机控制系统的构成及特点啤酒生产若干关键工艺参数的控制方案10二、我国啤酒工业的现状啤酒工业发展前景广阔啤酒企业现状不容乐观装备水平和技术水平比较落后，自动化程度低经济效益不高，质量不稳定能耗和原料消耗大管理水平欠佳只有运用先进的自动化技术进行操作和管理，才能保证稳定、一致的产品质量；才能实现多品种生产；才能真正强化企业管理，降低成本，提高企业经济效益。纯生啤酒是新亮点11我国啤酒工业的发展68.82088.405001000150020002500万吨1980年1999年全国啤酒产量20年增长了30倍，已成为世界第二大啤酒生产国12但人均啤酒消费量却很低我国人均啤酒消费量比世界平均水平低得多，还不到发达国家的1/6020406080100120升发达国家我国13能耗和原料消耗大020406080100120140160国内先进国际先进水耗(吨/吨)煤耗(公斤/吨)电耗(度/吨)14三、啤酒生产过程计算机控制系统基于自动控制技术、计算机技术、网络技术和现代测量技术，我们从1993年开始啤酒生产过程计算机控制及生产管理的研究，开发成功了多种适合于不同生产规模的啤酒生产过程计算机控制系统，并在石梁酒业集团公司、浙东啤酒股份有限公司、金华金狮啤酒有限公司等十几套啤酒生产系统中得到成功应用。我们开发的第一代啤酒生产过程计算机控制系统，于1996年12月通过了浙江省科委组织的鉴定，1997年该系统获得浙江省科技进步二等奖；针对啤酒发酵温度精确测量而专门开发研制的SBWJ温度变送器1999年获得国家发明专利（专利号：97105253.0）。计算机控制系统的硬件构成……MISMISCSOSOSOSCS（远程）I/O机架（远程）I/O机架……（远程）I/O链路……①OPOP现场总线仪表EtherNet②③（远程）I/O机架（远程）I/O机架（远程）I/O链路16计算机控制系统的软件采用了先进控制技术、过程优化技术、网络技术和现代测量技术软件设计规范化、模块化，接口灵活，升级方便专用控制模块很好满足了啤酒生产过程的各种特殊要求啤酒糖化生产过程实现了全自动控制17系统软件的特点采用工艺流程图形化操作，直观简洁多种表格显示采用组态方式，可以根据需要把相关参数集中在一张表格中，便于掌握生产状况和分析,共有十个表格可供调用趋势显示也采用组态方式，可以根据需要把相关参数集中在一张趋势图中，便于比较和分析,共有十张趋势图可供调用登录操作实时记录每一个阀门、电机操作状态以及进行该项操作的人员齐备的附加功能1819202122四、若干关键工艺参数的控制方案糖化过程、糊化过程的温度控制过滤过程流量控制煮沸强度控制发酵过程的温度控制23糖化过程、糊化过程的温度控制糊化、糖化都是生化反应过程，各种分解酶都需要在各自特定的温度下才能发挥其最佳作用。糖化、糊化设备分别为糊化锅和糖化锅。糊化锅和糖化锅都采用蒸汽夹套式换热，通过蒸汽总管上的气动调节阀控制蒸汽流量，进而控制锅内醪液温度，另外锅内都有搅拌电机以保证物料和温度分布均匀，其加热过程为积分过程，并有较大的纯滞后。典型的温度工艺曲线如图2，温度阶梯式升高的目的是保证原料中不溶性高分子物质在不同酶类的最佳活力温度下进行分解，以得到合乎要求的麦汁成分以及最大的收得率和最小的损失率。这是酿造出高质量啤酒的基础。由于酶最适合温度范围只有2～3℃，一般要求温度控制最大偏差在0.5℃之内。24糖化过程、糊化过程的温度控制，若采用常规的PID控制算法，控制偏差在3℃以上，远不能达到工艺要求。为了实现精确的温度控制以及良好的跟踪效果，采用了逆模型反馈控制策略，其结构如图3。逆模型控制器为对象Go的逆函数，用来提高系统的跟随效果；反馈控制器用来消除模型误差和其他干扰。由图可见，系统的前向传递函数Y/R等于1，干扰通道传递函数Ｙ/f=1/(1+Gc×Go)，因此系统具有有良好的跟随能力并且不改变原反馈系统的稳定性和抗干扰能力。采用该控制策略，并加上一定的经验限幅，可以控制温度偏差在±0.3C以内，完全达到工艺要求。25“糊化锅”示意图26典型糊化工艺曲线27逆模型+反馈控制系统图系统的前向传递函数Y/R等于1，干扰通道传递函数Y/f=1/(1+Gc×Go)，因此系统具有有良好的跟随能力并且不改变原反馈系统的稳定性和抗干扰能力28逆模型反馈控制策略的实际控制效果29过滤过程流量控制过滤的目的是在最短时间内将糖化醪液中从原料中溶出的物质与不溶性的麦糟分离，以得到澄清的麦汁，并获得良好的浸出物收得率。过滤一般采用过滤槽法，即由麦糟在过滤槽中下沉形成过滤层。整个过滤过程包括静置、回流、过滤、洗糟、耕糟、排糟等。由于设备原因，过滤时间一般较长（2-3小时），造成过滤阶段成为整个糖化生产的瓶颈，因此，过滤过程控制是一个以时间为目标函数的最优化控制过程。30为了实现过滤过程的自动控制和最优化控制，充分利用糟层差压、麦汁浊度、平衡罐液位、洗糟水流量、过滤麦汁流量等可测参数。采取如下控制规则和方法1.先进行头号麦汁过滤，再用连续洗糟进行过滤2.麦汁开始过滤时，流量先维持一较小值3.当麦汁浊度下降后开始阶梯式提速，根据糟层压差和平衡罐液位确定最大流量并保持之4.根据麦汁浊度决定过滤回流转换，转换时减小流量5.洗糟水在头号麦汁基本过滤完而糟层尚未露出时开始加入6.洗糟水流量等于过滤流量7.当进入洗糟阶段后，控制流量维持平衡罐液位恒定31“过滤槽”示意图32煮沸强度控制煮沸锅和糖化锅结构类似，煮沸控制为多目标控制，主要被控参数有煮沸时间、煮沸强度、最终浓度等。煮沸强度是影响蛋白值凝结情况和麦汁透明度的决定因素，定义为：麦汁在煮沸时，每小时蒸发出的水分相对混合麦汁的百分比，如式1所示，其中V1、V2为煮沸前后的麦汁量，t为煮沸时间。(式1)如果忽略热量损失和非相变热，可以认为加热蒸汽液化放出的热量等于麦汁水分汽化吸收的热量，如式2所示，其中Q为蒸汽流量，λ1为水的汽化热，λ2为蒸汽液化热。(式2)因此采用串级＋采样控制，实际运行结果也证明有很好的控制精度及鲁棒性。33“煮沸锅”示意图34串级＋采样控制系统结构框图L++--Gc2Go1IGc1Go2PTkS返回35发酵过程的温度控制酒液温度是啤酒发酵过程中最重要的测控参数，目前露天啤酒发酵罐的罐体直径一般为4～6m，罐体高度约为20m，内部体积约为200～500m3，发酵周期20～30天。典型发酵温度的工艺设定曲线如图５。由于罐体内部没有任何搅拌措施，酒液完全依靠自身对流进行热量传递，所以发酵罐温度控制对象滞后大（典型的等效滞后时间约为15～30min）、时间常数大，且具有明显的时变性；此外，酒精水制冷和氨直冷的制冷机理完全不同，前者采用热交换原理，而氨直冷是氨蒸发吸收汽化潜热。因此采用常规PID控制、采样控制或预估、自适应等控制方案均难以达到满意的控制效果。为此在对被控对象特性、制冷机量、控制要求及特点等方面进行深入研究的基础上研究出了如下的多模态优化控制策略。该控制策略的使用结果，发酵罐温度实际最大控制偏差±0.3℃36啤酒发酵温度控制曲线oa段：自然升温段，不须外部控制ab段：主发酵阶段，典型控制温度12℃。bc段：降温逐渐进入后酵，典型降温速度为0.3℃/Hr。cd段：后酵阶段，典型控制温度5℃。de段：降温进入贮酒阶段，典型降温速度为0.15℃/Hr。ef段：贮酒阶段，典型控制温度－1℃。37多模态优化控制策略示意图38发酵过程的温度控制趋势图39五、结束语目前啤酒市场竞争十分激烈，啤酒行业将继续两极分化，骨干厂发展将加快，一般厂继续关、并、停、转。企业的生存，产品的竞争，主要是质量的竟争，而质量的优劣主要取决于生产产品的装备水平、技术水平和管理水平。因此，采用高新技术改造传统的啤酒行业，达到啤酒生产的高技术产业化，成为啤酒行业的当务之急，也是啤酒行业求生存求发展的必由之路。“浙江石梁酒业集团有限公司”和“浙东啤酒股份有限公司”的发展就是很好的例子。40浙江石梁酒业有限公司的发展1.56.38.710.412.20246810121419931998199920002001产量(万吨)41浙东啤酒股份有限公司的发展8.210.512.714.517789101112131415161719971998199920002001产量(万吨)4243