1、 . . . 學院本科畢業(yè)設計（論文）啤酒生產自動控制系統(tǒng)設計學生： 鄧 輝 學生學號： 2 院（系）： 電氣信息工程學院 年級專業(yè)： 09自動化 指導教師： 周榮富 副教授 助理指導教師：二一三年六月21 / 25摘 要在啤酒發(fā)酵過程中, 溫度是決定啤酒口感和風味的一個重要指標, 但存在現(xiàn)場溫度控制較困難的客觀因素。為滿足啤酒生產向著連續(xù)化, 自動化方向發(fā)展, 對啤酒發(fā)酵過程中的溫度實行計算機自動控制是具有重要意義的。對功能要求不多,工程成本要求低廉的分散控制系統(tǒng),大型DCS系統(tǒng)并不是最佳選擇。本論文的主要工作就是設計采用SunyPCC800小型集散控制系統(tǒng)來控制啤酒發(fā)酵過程的溫度。Suny

2、PCC800能很好地控制啤酒發(fā)酵各階段的溫度，使得發(fā)酵過程能按照正常的工藝要求進行，達到預期的生產效果。本系統(tǒng)不僅具有控制可靠安全,控制算法靈活,用戶操作界面方便、豐富,而且設計靈活多變,成本低廉,在啤酒生產自動化中具有廣泛的應用前景。關鍵詞：集散控制系統(tǒng)，發(fā)酵溫度，溫度控制ABSTRACTIn the process of beer fermentation, the temperature of beer taste and flavor is an important index, but the objective factors of the temperature control

3、more difficult. To satisfy beer production towards continuous, automatic direction development, to implement the computer automatic control in the process of beer fermentation temperature is significant. Not to function requirement, low engineering cost requirements of distributed control system, la

4、rge DCS system is not the best choice. The main work of this paper is to design using SunyPCC800 small distributed control system to control the temperature of beer fermentation process. SunyPCC800 can well control in different stages of the beer fermentation temperature, fermentation process can be

5、 carried out in accordance with the normal process requirement, achieve the desired effect in production. This system not only has control and reliable safety, flexible control algorithm, user interface and convenient operation, rich, and flexible in design, low cost, has extensive application prosp

6、ect in the beer production automation.Keywords: distributed control system，temperature， temperature control目 錄摘 要IABSTRACTII目 錄III1概 述11.1 緒論11.2啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)方案綜述12 啤酒發(fā)酵工藝概述42.1啤酒發(fā)酵42.1.1 啤酒發(fā)酵歷史42.1.2 啤酒發(fā)酵過程42.2 發(fā)酵各階段溫度控制機理52.3 啤酒發(fā)酵設備概述72.4 啤酒發(fā)酵溫控基本要求72.5 啤酒發(fā)酵工藝流程83 控制系統(tǒng)設計113.1 被控對象113.2 發(fā)酵過程控制回路113.3控制系

7、統(tǒng)設計123.3.1 DCS在啤酒發(fā)酵中應用123.3.2 系統(tǒng)設計124 系統(tǒng)硬件和軟件配置144.1系統(tǒng)硬件144.1.1控制系統(tǒng)的構成144.1.2系統(tǒng)硬件結構與工作原理144.1.3控制站功能144.2系統(tǒng)軟件154.2.1組態(tài)軟件164.2.1監(jiān)控軟件164.2.1控制軟件175 本系統(tǒng)的優(yōu)點和特色18結 論19參考文獻20致 211概 述1.1 緒論啤酒是目前世界上產量以與消費最大的一種酒，特別是北美地區(qū)和歐洲國家的總產量以與人均消費量都在世界前列，我國隨著改革的開放以與現(xiàn)代化建設，人民生活水平不斷斷提高，啤酒己成為人們的時尚飲品，市場的寵兒，產量直線上升，進入九十年代后產量逐年增

8、加，目前已成為僅次于美國的世界第二大啤酒產銷國，令世界啤酒界人士刮目相看。但是我國人均啤酒消費水平只有8升，僅相當于世界水平的1/3差距很大；近年來，雖然我國的啤酒裝備配套水平有很大提高，但與國外的主要啤酒生產廠家相比大部分企業(yè)技術落后，國的啤酒行業(yè)迫切要求進行技術改造，提高生產率，保證產品質量，以確保在激烈的市場競爭中立于不敗之地。由于啤酒生產的工藝復雜，目前我國大多數(shù)啤酒生產企業(yè)技術裝備落后，自動化程度低，產品質量不穩(wěn)定。如何提高啤酒生產的綜合自動化水平，增強我國啤酒產業(yè)的綜合實力是一個很好的研究課題。啤酒發(fā)酵是啤酒生產過程非常重要的環(huán)節(jié)，是決定啤酒質量的最關鍵的一步，特別是對發(fā)酵過程中溫

9、度、壓力的控制尤其重要，控制指標的好壞將直接影響啤酒的質量。早期，由于人們對發(fā)酵機理認識不深，再加上采用控制器的限制，對發(fā)酵采取自動控制未能成功。隨著人們對發(fā)酵機理的逐步認識，并隨著可靠性高、能經受惡劣環(huán)境器件的引用，對發(fā)酵采用自動控制逐漸取得成功。啤酒發(fā)酵具有非線性、時間滯后和大慣性等特征，發(fā)酵過程的精密控制一直是自動控制領域較難解決的問題之一。啤酒的發(fā)酵工藝，生產周期一般在十五天，并且要求發(fā)酵液溫度嚴格地按照工藝曲線變化。溫度控制的精度一般在0.5圍，這樣的控制精度光憑傳統(tǒng)的熱工儀表和手工操作方式是完全不夠滿足要求的，但是目前國的許多生產廠家都是采用這種方式進行生產。隨著控制領域新技術、新

10、方法的不斷發(fā)展，這些問題也在不斷地得到解決。改良啤酒發(fā)酵生產過程自動化控制是釀造業(yè)技術進步的有效手段，它能在一樣的原材料和動力消耗下增加啤酒質量和啤酒口感，還可以減少勞動量、改善工作條件、提高啤酒的發(fā)酵工藝水平與生產管理水平。所以，改良啤酒發(fā)酵控制應用具有比較樂觀的前景，能產生較大的經濟效益，具有很大的實用價值。1.2啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)方案綜述目前，國啤酒生產（糖化、發(fā)酵工段）的控制水平基本上可以分為四個檔次。1完全手動操作方式操作人員在現(xiàn)場或集中操作盤上控制主要設備的啟停。閥門則需要操作員到現(xiàn)場進行操作。在這種生產方式下的啤酒生產控制全部由人工操作。生產工藝參數(shù)不能得到可靠執(zhí)行，導致一致性比較

11、差，所以啤酒的質量受人工因素影響較大。這也導致啤酒口味穩(wěn)定性較差。而且操作員的勞動強度非常大，主要的生產設備和裝置不能夠在最佳狀態(tài)進行工作。而且這種操作方式對原材料利用率比較低，產品消耗巨大的能量。2集中手動控制方式集中手動控制方式又稱半自動控制方式，采取數(shù)據采集器等手段采集各種過程量然后送入控制室，控制室安裝有上位機或模擬屏，在上位機或模擬屏上顯示各種流量、溫度、液位和壓力等許多過程參數(shù)和閥門、電機的開啟狀態(tài)，實行對生產過程進行監(jiān)控。3常規(guī)單變量PID控制在啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)中，常規(guī)單變量PID是以發(fā)酵罐中部的溫度為被控量，中部冷卻閥門的開度為控制量，閥門開度在發(fā)酵的不同階段具有不同的比例

12、系數(shù)，比例系數(shù)則主要靠操作員的經驗，是非常典型的單變量控制策略。但是，痛過分析，啤酒的發(fā)酵過程是一種多變量控制的過程，因此，單變量控制不能解決發(fā)酵罐上、中和下3個冷卻帶耦合問題，所以比例系數(shù)依賴于操作員的經驗，導致控制精度受到嚴重影響。4模糊控制策略模糊控制策略雖然不需要建立被控對象并且能利用其非線性結構的精確數(shù)學模型，在某些程度上提高了系統(tǒng)的準確性，也能滿足實際生產的需要，但是離線建立的模糊控制規(guī)則表不能在線修改是其比較大的缺陷。啤酒工業(yè)目前的技術特點是向自動化、大型化、生產期短和經濟效益高的方向來發(fā)展。最近十年，我國的啤酒工業(yè)得到了快速發(fā)展，但由于起步時間較晚，生產設備落后，自動化程度較低

13、，導致產品效率低，產品質量也不佳，釀酒能耗較大，這些都是我國啤酒工業(yè)急需解決的問題。啤酒發(fā)酵對象的時變性、時滯性與其不確定性，決定了發(fā)酵罐控制必須采用特殊的控制算法。由于每個發(fā)酵罐都存在個體的差異，而且在不同的工藝條件下，不同的發(fā)酵菌種下，對象特性也不盡一樣。因此很難找到或建立某一確切的數(shù)學模型來進行模擬和預測控制我國大部分啤酒生產廠家目前仍然采用常規(guī)儀表進行控制，人工監(jiān)控各種參數(shù)，人為因素較多。這種人工控制方式很難保證生產工藝的正確執(zhí)行，導致啤酒質量不穩(wěn)定，波動性大且不利于擴大再生產規(guī)模。5多變量控制對已有的單變量控制器進行改進，使其能達到某些生產要求的一個有效措施就是對罐體實行多變量控制的

14、策略，薛福珍等人對系統(tǒng)進行Smith多變量解耦和預補償之后，對控制變量進行了優(yōu)化調節(jié)，并成功用于發(fā)酵發(fā)酵過程的溫度控制，并且取得了令人滿意的控制效果。綜上所述，每一種控制策略都有優(yōu)有劣。從長遠發(fā)展的角度上來看，現(xiàn)代控制和智能控制都具有良好的發(fā)展前景，具有很高的研究價值和實用價值。2 啤酒發(fā)酵工藝概述2.1啤酒發(fā)酵2.1.1 啤酒發(fā)酵歷史最初的純種啤酒發(fā)酵所采用的酵母和發(fā)酵技術都是屬于上面發(fā)酵，知道19世紀中葉，德國的哭學家才分離出了下面啤酒酵母，并研究出了下面發(fā)酵技術。到目前為止，除英國、澳大利亞、加拿大、美國、德國等少數(shù)幾個國家還保留上面發(fā)酵法以外，世界上的大多數(shù)啤酒廠都采用下面發(fā)酵法，下面

15、發(fā)酵法生產的啤酒已占世界總產量的90%以上。但在一些國家上面發(fā)酵小麥啤酒普遍受到歡迎，產量也在逐年上升。我國幾乎全部的啤酒廠都采用下面發(fā)酵方法。雖然上面發(fā)酵和下面發(fā)酵所采用的酵母都屬于同一個種啤酒酵母，但是兩者在發(fā)酵工藝上有很大的不同：下面發(fā)酵的發(fā)酵溫度較低，發(fā)酵周期較長，而上面發(fā)酵的發(fā)酵溫度相對較高，發(fā)酵周期較下面發(fā)酵短；下面發(fā)酵過程可明顯的劃分為主發(fā)酵和后發(fā)酵兩個階段，而上面發(fā)酵大都只有一個階段主發(fā)酵；線面發(fā)酵酵母回收比較容易，而上面發(fā)酵則比較困難。兩者的組要工藝區(qū)別如表2-1所示。本課題研究的主要是下面發(fā)酵過程的自動控制系統(tǒng)設計。表2-1上面發(fā)酵與下面發(fā)酵主要工藝區(qū)別上面發(fā)酵下面發(fā)酵接種

16、溫度/14 165 7主發(fā)酵最高溫度/18 228 12發(fā)酵時間短長罐壓高低2.1.2 啤酒發(fā)酵過程啤酒采用的主要原料麥芽和水，加上酒花，經啤酒酵母發(fā)酵釀制成的一種低酒精度飲料。啤酒生產的工藝主要是由糖化（即麥汁的制備）、啤酒發(fā)酵、啤酒裝罐等流程組成。發(fā)酵過程是啤酒生產中非常重要的一個環(huán)節(jié)，啤酒發(fā)酵是一個很復雜的生化過程，這個過程就是通過一系列生化反應而把麥汁轉化成啤酒的過程，整個發(fā)酵過程同樣也包含若干個生產工序，如：麥汁充氧、酵母添加、發(fā)酵、過濾、修飾以與酵母擴培等等。生產周期都在十幾天以上，要求發(fā)酵液的溫度嚴格按照既定的工藝曲線變化，而且對于的溫度控制精度要在0.5圍，如果溫度偏低，就會使

17、得發(fā)酵過程緩慢，從而影響生產進度；如果溫度偏高，又會造成發(fā)酵副產物超出標準，影響啤酒的質量。啤酒發(fā)酵整個過程分為：主發(fā)酵階段、后發(fā)酵階段。從原麥汁入發(fā)酵罐起，就開始進行主發(fā)酵，這個階段溫度要控制在12（不同工藝數(shù)值不同）左右。發(fā)酵液則直接從糖化車間經過管道注入，起始的溫度在8攝氏度左右，糖度要保持在10度左右，每個罐的發(fā)酵液需要分成幾批入罐，每次入罐之后都必須經過化驗員檢測一次糖度后把信息反饋給糖化車間，保證發(fā)酵液的初始糖度符合發(fā)酵標準。同時溫度控制開始，保證發(fā)酵液的溫度在規(guī)定的圍之。發(fā)酵液注滿發(fā)酵罐后1小時操作員開始檢測發(fā)酵液的糖度，并且每隔八小時就要檢測一次。當糖度下降到低于6.5度時，則

18、每兩小時檢測一次，一直到達糖度變?yōu)?.0度。糖度降到6.0度時主發(fā)酵階段就結束了，主發(fā)酵階段大約需要4天。發(fā)酵進入后發(fā)酵階段，這個階段要求溫度控制在1218 （不同工藝數(shù)值不同）。進入第二階段后，要求化驗員每隔2小時檢測一次雙乙酰的濃度以與糖度，當糖度降到3.0度時則變?yōu)槊堪诵r檢測一次。糖度下降到3.0度時再通過16個小時的糖度檢測工作就結束。雙乙酰濃度下降至標準濃度（0.08mg/L）時，并且糖度降到極限的4248個小時后，如果此時離裝罐時間已經超過6天，發(fā)酵則可以進入降溫的階段，降溫階段需要分成兩個階段切按照不同的速率進行降溫，此時需要把所有的冷媒閥打開，使發(fā)酵液能夠快速降溫。當溫度到達

19、1以下時發(fā)酵階段就開始進入低溫儲酒階段，在儲酒階段溫度比較低，一般控制在0.510。這個階段主要是回收酵母和一些固態(tài)物質能夠充分沉淀。正常情況，整個過程需要14天以上才能完成。2.2 發(fā)酵各階段溫度控制機理（1）自然升溫階段麥汁注滿發(fā)酵罐后的溫度高低將會直接影響發(fā)酵工藝是否能準確執(zhí)行，發(fā)酵過程周期的長短，酵母還原雙乙酰的能力，酵母的增值速度以與副產物的形成、泡沫、啤酒的口味等，過高或者過低的發(fā)酵罐溫度都不利于酵母和成品啤酒的質量。發(fā)酵罐滿罐溫度的確定需要考慮麥汁分批進入罐中后酵母繁殖以與代作用使溫度上升等諸多因素的影響，滿罐后的自然升溫階段不要因各種失誤導致出現(xiàn)的控溫，應該通過此過程，使啤酒酵

20、母能盡快地發(fā)酵增殖適應新的麥汁環(huán)境，從而形成很好的酒液對流。（2）主發(fā)酵與后發(fā)酵階段主發(fā)酵階段由于啤酒酵母的大量繁殖而產生比較多的熱量，隨著發(fā)酵液中氧氣的快速消耗，啤酒酵母在無氧呼吸的作用下轉化成大量的酒精，使的罐中下帶啤酒中酒精含量遠遠超過上帶，啤酒的密度發(fā)生改變，在酒精的釋放和密度改變的共同作用下，死的發(fā)酵液發(fā)生從下到上的劇烈對抗，此過程溫度控制應促進對流作用能充分進行，保持比較旺盛發(fā)酵狀態(tài)并切均衡發(fā)酵罐酒液的狀態(tài)，要求以控制上段的溫度為主要部分，中段為輔，形成溫度的梯度，切保證三帶的溫差在0.5左右。后發(fā)酵階段控溫的原理與主酵階段比較類似，但此過程中的發(fā)酵速度比較緩慢，熱量產生比較少，對

21、流速度相對較慢，對上段的溫度控制應當緩慢且慎重，不可快速冷卻，防止發(fā)酵罐的溫度出現(xiàn)大幅度的下降，酵母大量沉積會使其還原雙乙酰的能力下降。在此過程中主要以保持發(fā)酵液對流度和數(shù)目一定的懸浮酵母，溫度情況為T上T中T下，三帶之間的溫差在0.20.3。（3）降溫以與保溫階段發(fā)酵液還原雙乙酰達到標準之后就開始進入降溫階段，這個階段應按照工藝設定好的速度把啤酒均勻地冷卻到貯酒的溫度，此時酒液發(fā)酵已經基本上結束，并且二氧化碳的生成和放熱幾乎停止，原二氧化碳上升形成的拖拉力等造成的從下到上的對流大大減弱，啤酒在不同的溫度下密度差所形成對流的作用逐漸占據主導地位，根據啤酒最大密度時的溫度計算公式可知，啤酒最大密

22、度時溫度約為3，3上下的啤酒對流方向是相反的，控制溫度時應跟據這個特點來區(qū)別對待。（4）雙乙酰還原溫度冷卻至3啤酒在這個階段降溫中密度見見增大，對流方向仍為從下到上，啤酒沿發(fā)酵罐壁向下流動，由于此時的冷媒與啤酒溫差比較大，降溫與罐的平衡過程不好控制，所以應以上帶和中帶的溫度控制為主，而且必須防止冷卻過于劇烈而造成貼近罐壁部分的啤酒結冰，從而影響降溫效果和啤酒的質量。（5）3保溫過程在整體降溫過程中，3以前的降溫速度非?？欤禍貞T性比較大，在接近3對流方向改變過程中，容易發(fā)生發(fā)酵罐各點啤酒溫度的混亂，或者溫度發(fā)生驟升驟降，或者溫度持續(xù)改變，無法按工序執(zhí)行控制，而且難以總結出變化的規(guī)律。針對這種情

23、況，在生產過程中采用了3保溫的工藝，目的是為了穩(wěn)定啤酒流動狀態(tài)，以與減緩或者停頓對流的過程，發(fā)酵罐溫度能準確地均衡下來，并且在保溫過程中徹底排放掉剩余的廢棄的啤酒酵母以與沉積物，3保溫過程結束以后就可以開始進行新一輪的對流降溫過程，通過實踐，這種工藝手段能有效的保證降溫速率和啤酒的澄清。（6）3以下深冷過程啤酒降溫到3時密度最高，這時將形成溫度不同密度卻一樣的啤酒，區(qū)域性對流的自動進行狀態(tài)混亂，啤酒溫度形成了一定的梯度，套冷量傳達和冷卻的要求不能夠達到，冷卻速度和啤酒溫度下降很慢，此時主要控制下部溫溫度，加大錐罐底部啤酒溫度控制的強度，降低啤酒的密度，使對流方向由從下到上變成為自上而下，改變形

24、成的溫度梯度，可以滿足溫度控制的效果，這個過程中下段溫度應比中、上段溫度低12。（7）貯酒階段貯酒階段的溫度控制對于發(fā)酵液的成熟和啤酒的澄清等都有很大影響，溫度控制不當就可能使得發(fā)酵液結冰。這個階段溫度控制主要控制上、中、下三段溫度的均衡，縮小罐發(fā)酵液的溫差。貯酒過程中罐中下段二氧化碳的密度要高于中段和上段，但是下段發(fā)酵液的密度要高于中段和上段，同時存在從下到上和從上到下的對流，狀態(tài)比較混亂，緩慢而且很不規(guī)則，使用調節(jié)閥的控制冷媒可采用時間長、流量小的操作方法，對于開關閥就可以采去頻率高、時間短開啟控制，避免長時間的深度冷卻，溫度控制精度要求在0.2，不能出現(xiàn)溫度回升。2.3 啤酒發(fā)酵設備概述

25、發(fā)酵罐是啤酒生產的主要設備，目前，我國絕大部分啤酒廠均采用園柱錐底式發(fā)酵罐簡稱錐形罐，般在圓柱部分焊有兩到三段冷卻夾套，錐底還有一冷卻夾套。整個罐體除罐頂裝置和罐底的進出口以外，全部用絕熱材料包裹起來，用其來阻隔與外界的熱交換。這樣使得罐發(fā)酵液與外界的熱交換量和發(fā)酵液產生的生化熱相比較可忽略不計，控溫過冷卻夾套由冷卻介質帶走的熱量主要是生化熱。錐形發(fā)酵罐直徑和高度的比值一般是1: 1.54。錐形罐的底角，不銹鋼罐錐角一般情況是60，部涂有涂料的鋼罐錐角一般是75，這樣可以使的在排污時酵母能強制滑出。錐形罐的有效容量必須是每批麥汁注入量的整數(shù)倍，并且應當在1624小時填充滿一個錐形罐，錐形罐的容

26、量系數(shù)一般取80%85%。發(fā)酵是一個放熱的過程，如果讓啤酒自然發(fā)酵，發(fā)酵液的溫度會逐漸上升，因此在發(fā)酵罐外部罐壁設置有上、中、下三段冷卻套，相應的設立上、中、下三個測溫點和三個調節(jié)閥，通過閥門調節(jié)冷卻套冷卻液的流量來實現(xiàn)對酒體溫度的控制。2.4 啤酒發(fā)酵溫控基本要求由于啤酒酵母的作用，麥汁在發(fā)酵罐發(fā)酵，在發(fā)酵過程中釋放出的生化反應熱和CO2熱量釋放導致發(fā)酵溫度上升，同時CO2的產生使罐壓力升高。在整個發(fā)酵過程中，根據發(fā)酵過程的規(guī)律來控制發(fā)酵過程的時間和溫度是保證發(fā)酵能夠正常地、安全地進行，提高啤酒的質量以與口味，減輕操作人員的勞動強度，較少能耗的關鍵。罐類容器的主要工藝參數(shù)有氣體壓力、溫度、液

27、位。氣壓的大小能反應出發(fā)酵罐CO2的多少，壓力到了一定的程度就需從發(fā)酵罐頂部排出一定量的CO2來減小罐的壓力，防止出現(xiàn)爆炸。發(fā)酵罐溫度的高低是提醒罐物料加熱的時間長短，方便操作人員進行物料的儲存以與物料的反應。液位能間接地反應物料的多少，方便控制物料的儲存量，實時調控和進行物料的反應等。所以需要對發(fā)酵罐液溫的變化進行實時控制，同時發(fā)酵罐的壓力狀況也是安全生產過程中的必要的控制量。圖2-1 啤酒發(fā)酵罐控制系統(tǒng)流程圖啤酒的發(fā)酵工藝對控制的要：發(fā)酵罐上帶、中帶、下帶酒液溫度的實時檢測，并且控制發(fā)酵罐的溫度在特定階段要與標準的工藝生產曲線相符合；控制發(fā)酵罐部氣體的排放，使得發(fā)酵罐的壓力狀況符合不同階段

28、的控制需要。啤酒發(fā)酵的溫度控制系統(tǒng)流程圖如圖2-1所示。2.5 啤酒發(fā)酵工藝流程根據錐形發(fā)酵大罐的特性將發(fā)酵的全過程分為多個階段，在各個階段，對象的特性相對較穩(wěn)定，壓力和溫度的控制方面具有一定的規(guī)律性。在發(fā)酵開始前，根據工藝要求先設定好工藝控制的壓力曲線、溫度；在發(fā)酵的過程中，根據發(fā)酵進行的程度，發(fā)酵罐上段、中段以與下段溫度的差異，以與3段溫度各自的變化情況，自動選擇各個階段相應的控制策略，從而達到預期的控制效果。主要分為以下階段：（l）酵母添加麥汁中需要加入適量的酵母，才能注入發(fā)酵罐。整個發(fā)酵過程可以理解為酵母把麥汁中的糖類分解成乙醇、水與其它產物的過程?？梢杂没瘜W總反應方程式如下：葡萄糖

29、乙醇這個階段麥汁原料經由連接管道由糖化罐進入發(fā)酵罐中。（2）發(fā)酵啤酒發(fā)酵是一個復雜的微生物代過程，這是啤酒生產過程中耗時最長的一個環(huán)節(jié)。在發(fā)酵期間，一般是往附著于罐壁上的冷卻夾套通入致冷酒精水或液氨來吸收生化反應熱，以維持適宜的發(fā)酵溫度，致冷量通過調節(jié)冷媒流量來控制。整個發(fā)酵過程可以分為主酵和后酵兩個階段： 主酵酵母接種到麥汁中，然后進入發(fā)酵罐幾小時就逐步開始主發(fā)酵，麥汁的糖度逐漸下降，產生一定量CO2，反應釋放的熱量使的整個罐的溫度逐步增加。經過23天后就開始進入發(fā)酵最旺盛的高泡期，再過23天，糖的下降速度變慢，糖度降到很低，啤酒酵母開始沉淀，這時需要進行封罐發(fā)酵。此時，主發(fā)酵基本就結束了，

30、開始進行降溫轉入后酵階段。一般的啤酒在主酵時的工藝要求大約控制在12。 后酵當發(fā)酵罐的溫度從主酵的12降到大約3時，后酵階段開始進行，這一階段是進行雙乙酰還原為主。此外，后酵階段還完成了剩余糖的發(fā)酵工作，蛋白質得到充分沉淀，氧含量得到降低，提高啤酒質量的穩(wěn)定性。一旦雙乙酰指標合格，發(fā)酵罐就需要進入第二個降溫過程，把發(fā)酵罐的溫度從3降到01，這時候就可以進行貯酒，這樣能提高啤酒的風味和質量。經過一段時間的貯酒，整個發(fā)酵環(huán)節(jié)基本結束。（3）啤酒過濾和殺菌主酵、后酵結束以后，啤酒需要經過高溫瞬時殺菌和過濾機進行生物和膠體穩(wěn)定處理在進行裝罐。啤酒過濾就是把啤酒中殘余的酵母細胞和其它物質從啤酒中分離出去

31、，如果不進行分離，這些物質就會慢慢從啤酒中析出，使得啤酒變混濁。目前采用最多的是硅藻土過濾方式。如果啤酒中仍含有雜菌，則雜菌可能在啤酒中迅速繁殖，導致啤酒變混濁，其排泄的代產物甚至使啤酒變質，從而不能飲用。所以啤酒在灌裝之前必須進行殺菌處理，這是最后一個，也是最重要的一個環(huán)節(jié)。啤酒發(fā)酵工藝曲線如圖2-2所示。圖2-2 啤酒發(fā)酵工藝曲線圖中，0a段為自然升溫段，不須外部控制；ab 段為主發(fā)酵階段；主酵階段，典型的控制溫度為12；bc段為降溫逐漸進入后酵，典型降溫速度為0.3/h；cd 段為后酵階段，典型控制點3；de 段為降溫進入貯酒階段，典型降溫速度為0.15/h；e f 段為貯酒階段。啤酒口

32、味和實際要求的不同，啤酒的發(fā)酵工藝曲線也就不同，但是對于確定好的啤酒發(fā)酵工藝，就應嚴格按照工藝曲線去控制溫度和壓力等，這樣才能保證啤酒的質量。3 控制系統(tǒng)設計3.1 被控對象啤酒發(fā)酵是在發(fā)酵罐中靜態(tài)進行的，它是由罐體、冷卻帶、保溫層等部件組成。發(fā)酵罐的形狀一般為圓錐狀，容積較大，大部分在100m3（我國的啤酒發(fā)酵罐容積在120m3500m3）以上。啤酒發(fā)酵要嚴格的按著工藝曲線進行，否則就會影響啤酒質量。為了有利于熱量的散發(fā)，在發(fā)酵罐的外壁設置了上、中、下三段冷卻套，相應設立上、中、下三個測溫點和三個偏心氣動閥，通過閥門開度調節(jié)冷卻套的冰水流量以實現(xiàn)對酒體溫度的控制。以閥門開度為控制量，酒體溫度

33、為被控量，相應有3個冷媒閥門，通過控制流過冷卻帶的冷媒流量，控制發(fā)酵罐的溫度。在發(fā)酵的過程中，溫度在不斷的升高，當達到上限溫度時，要打開制冷設備，通過酒精在冷卻管循環(huán)使罐的溫度降下來。當發(fā)酵溫度低于工藝要求的溫度時，關閉冷媒，則啤酒按工藝要求繼續(xù)發(fā)酵，整個發(fā)酵過程大約20多天完成。因此，控制好啤酒發(fā)酵過程中溫度與其升降速率是決定啤酒質量和生產效率的關鍵。3.2 發(fā)酵過程控制回路啤酒發(fā)酵過程的溫度控制是利用冷媒介質對發(fā)酵罐的溫度按工藝要求進行的分段控制，如圖3-1。根據啤酒發(fā)酵的工藝要求，當儀表檢測到啤酒的發(fā)酵溫度高于工藝要求的溫度時，調節(jié)器輸出信號，打開氣動閥輸送冷媒，通過啤酒罐罐壁的冷帶給啤

34、酒降溫；當發(fā)酵溫度低于工藝要求的溫度時，關閉冷媒，則啤酒按工藝要求繼續(xù)發(fā)酵，整個發(fā)酵過程大約20多天完成。圖3-1 發(fā)酵過程控制回路3.3控制系統(tǒng)設計3.3.1 DCS在啤酒發(fā)酵中應用啤酒發(fā)酵過程是啤酒生產過程的一個非常重要工藝環(huán)節(jié)，發(fā)酵過程控制將會直接影響到整罐啤酒的質量。老式的啤酒發(fā)酵過程控制是利用多個單回路的溫度控制儀表來控制各個發(fā)酵罐上的不同點溫度，然后根據溫度變化情況來控制冷媒閥的開度，從而達到溫度調節(jié)的目的。但是該過程控制線路復雜繁多，控制參數(shù)比較單一，所以導致維護工作量大，而且調節(jié)效果比較差，特別是在發(fā)酵罐的數(shù)目較多，體積比較大，系統(tǒng)滯后較大的情況下。隨著計算機控制技術的廣泛應用

35、，啤酒發(fā)酵過程也逐步開始應用計算機控制系統(tǒng)。DCS是一種具有很高可靠性的控制裝置，它與可編程調節(jié)器、PLC系統(tǒng)同被列為“不損壞儀表”。因為DCS系統(tǒng)具有很高的可靠性，其系統(tǒng)采用容錯設計，所以某一臺計算機出現(xiàn)的故障不會導致系統(tǒng)其它功能喪失。其次，DCS還具有開放、靈活、協(xié)調、易于維護、控制功能齊全等優(yōu)點，所以集散控制系統(tǒng)可完成啤酒發(fā)酵過程控制功能，完成與上位機的通訊，實現(xiàn)啤酒發(fā)酵過程的遠程監(jiān)控。3.3.2 系統(tǒng)設計針對發(fā)酵的過程控制回路采用DCS控制系統(tǒng)來控制啤酒發(fā)酵過程的溫度。DCS的基本組成如圖3.2所示。圖3.2 DCS的基本組成根據DCS的系統(tǒng)構成設計的啤酒發(fā)酵溫度控制原理如圖3.3圖3

36、.3發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)原理圖溫度控制過程的基本步驟如下：I/O功能模塊采集發(fā)酵罐上、中、下三段的溫度，并傳輸給控制站?？刂聘鶕【瓢l(fā)酵工藝的標準溫度來確定發(fā)酵罐現(xiàn)在的溫度是否偏高，然后執(zhí)行溫度控制命令?？刂普据敵龅拿钔ㄟ^O/I模塊反饋給現(xiàn)場執(zhí)行器。現(xiàn)場執(zhí)行器執(zhí)行控制站輸出的控制要求，調節(jié)冷媒閥的開度。冷媒閥通過開度的大小來控制冷媒流量的大小。冷媒通過冷媒入口輸送到發(fā)酵罐各個冷媒通道，達到控制溫度的目的。4 系統(tǒng)硬件和軟件配置4.1系統(tǒng)硬件4.1.1控制系統(tǒng)的構成根據生產實際需要,本系統(tǒng)采用自動和手動兩種工作方式。自動和手動相互有應答信號,以確定各自的工作狀態(tài)利用PT100雙支熱電阻采集溫度信號

37、,該信號分別送入控制站,根據溫度的變化,調節(jié)相應的冷媒閥,實現(xiàn)溫度的控制。4.1.2系統(tǒng)硬件結構與工作原理SunyPCC800小型集散控制系統(tǒng)控制站硬件結構圖如圖4.1。控制站的硬件包括公共部件、功能模塊、調理模塊等幾大部分。公共部件包括機柜、機籠、控制模塊、電源組件、散熱組件、總線底板、集線器、光端機、轉接端子板等；功能模板包括：I/O模板、通信模板等；調理模塊包括：模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、脈沖量輸入、脈沖量輸出、特殊定制模塊等。I/O模板基于SmartBus連接調理模板，并通過冗余現(xiàn)場總線相互連接?？刂普静捎霉I(yè)以太網連接操作站/工程師站，工業(yè)以太網可冗余配置。4.

38、1.3控制站功能SunyPCC800小型集散控制系統(tǒng)控制站由功能模板構成，功能模板是控制站部完成特定任務的硬件板卡、運算處理單元、應用軟件的組合。功能模板智能化，具有獨立性、自主性，與時有效地完成所分擔的局部任務。顯示記錄模板實現(xiàn)數(shù)據動態(tài)顯示、實時操作、歷史數(shù)據存儲與瀏覽、報表處理與打印，是控制系統(tǒng)的本地人機界面：控制模板集成了高速處理器和智能雙冗余控制網絡（CNet）驅動，根據控制組態(tài)所生成的目標文件，解釋運行，實現(xiàn)所設計的控制策略，并支持數(shù)據同步與冗余切換；啤酒的發(fā)酵工藝是當搪化后的麥汁進入發(fā)酵雄后,先進行自然升溫,升到一個特定溫度后,在這個溫度上進行恒溫發(fā)酵。當糖度降到一定程度后,進行一

39、定順序的降溫和恒溫,最后發(fā)酵結束。送清酒罐,在清酒罐中進行恒溫控制。為滿足發(fā)酵工藝,發(fā)酵嫩中溫度分布不均勻,因此在上帶、中帶和下帶要分別進行溫度檢測和控制。如采用常規(guī)PID算法,當實際溫度高于發(fā)酵溫度0.2,打開相應的上帶中帶或下帶的冷卻閥。當實際溫度低于發(fā)酵溫度0.1 ,就關閉相應的上帶、中帶或下帶冷卻閥。但由于該系統(tǒng)滯后較大,雖然測溫點溫度仍在正常值, 但啤酒出口已結冰。因此該系統(tǒng)不能采用PID 算法,而采用專家控制系統(tǒng)。利用專家控制經驗對啤酒溫度進行補償,從而達到對啤酒實際溫度控制。解決啤酒嫩出口結冰難題。另外由于發(fā)酵過程中產生CO,所以,必須進行頂壓監(jiān)視和報警。為了讀出液位值, 還必須

40、進行液位檢測。4.2系統(tǒng)軟件Sunytech工業(yè)控制應用軟件平臺是SunyPCC800小型集散控制系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件包，它基于WindowsNT/2000和SROS多任務實時操作系統(tǒng)，基于組件結構設計，采用32位多任務、多線程等最新技術，集現(xiàn)場數(shù)據采集、算法執(zhí)行、實時數(shù)據和歷史數(shù)據處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以與監(jiān)控網絡等功能于一體。SunyPCC800系統(tǒng)的軟件體系如圖4.2，分為工程師站組態(tài)軟件、操作員站實時監(jiān)控軟件與現(xiàn)場控制站實時控制軟件三大部分，三部分軟件分別運行在不同層次的硬件平臺上，并通過控制網絡、系統(tǒng)網絡進行通信，彼此互為配合、互為協(xié)調，交換各種數(shù)據集

41、管理、控制信息，完成整個集散控制系統(tǒng)的各種功能。SunyTech工業(yè)控制應用軟件平臺由實時控制組件（SunyRTM）、系統(tǒng)配置組件（SunyCFG）、人機界面組件（SunyHMI）三大類組件構成，如表4-1所示。表4-1 SunyPCC800系統(tǒng)的軟件體Suny Tech工業(yè)控制應用軟件平臺實時控制組件系統(tǒng)配置組件人家界面組件SuayIEC算法編輯器SunyCFG硬件配置軟件SunyMaker系統(tǒng)組態(tài)軟件SunyRIM實時運行系統(tǒng)SunyRDB實時數(shù)據庫SunyView畫面運行系統(tǒng)SROS多任務實時操作系統(tǒng)SunySOESOE分析軟件4.2.1組態(tài)軟件SunyTech工業(yè)控制應用軟件平臺功能全

42、面、易于使用，它由人機界面軟件、系統(tǒng)配置組件、實時控制組件等與其所含的軟件模塊組成，實現(xiàn)工程管理組態(tài)、實時數(shù)據庫組態(tài)、控制算法組態(tài)、系統(tǒng)硬件組態(tài)、圖形組態(tài)、歷史記錄組態(tài)、報表組態(tài)、報警組態(tài)、在線組態(tài)在線下裝、安全性組態(tài)等功能。4.2.1監(jiān)控軟件SunyTech工業(yè)控制應用軟件平臺集成了功能強大、運算穩(wěn)定的實時監(jiān)控軟件，運行于Windows NT/2000操作系統(tǒng)下由實時控制組件、人機界面組件、系統(tǒng)配置組件等組成。主要有高速的實時數(shù)據庫、畫面與流程顯示、控制調節(jié)、系統(tǒng)硬件診斷、報警、報表、趨勢顯示、DDE、OPC、ODBC、ActiveX借口、WEB服務、SOE分析等功能。4.2.1控制軟件現(xiàn)場

43、控制站是SunyPCC800小型集散控制系統(tǒng)的核心部分，現(xiàn)場信息的采集，各種控制算法的實現(xiàn)都在控制站上完成。為保證現(xiàn)場控制的高可靠運行，在控制模板的軟件上采取了一系列的可靠性保護措施，如控制模板與控制網絡的故障診斷、網絡冗余、主從切換、故障恢復、數(shù)據掉電保持等?，F(xiàn)場控制站控制軟件運行在一套高效的實時多任務操作系統(tǒng)功能的輕重緩急被賦予不同的優(yōu)先級，在鋪以對突發(fā)中斷事件的實時處理，因而能有效的利用CPU資源，是各功能模塊協(xié)調地工作?，F(xiàn)場控制軟件主要完成以下功能：數(shù)據采集、數(shù)據轉換、算法運行、控制輸出、與其他站點通信與實時廣播數(shù)據、控制站自診斷與故障恢復、冗余切換、在線組態(tài)在線下裝、工程在線升級與數(shù)

44、據保持。5 本系統(tǒng)的優(yōu)點和特色（1）可靠性高：系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)結構,加強了基本單元功能的完整性, 避免了“危險集中”，消除了導致全局性故障的節(jié)點。同時，系統(tǒng)采用了網絡工作站冗余備份令牌控制方式,進一步提高了系統(tǒng)的可靠性。（2）抗干擾能力強：系統(tǒng)中使用具有較強抗干擾能力和連續(xù)運行工作能力的研華工業(yè)控制計算機作為操作員站和工程師站,測控單元具有自校正、自診斷、自恢復功能,測量精度高、穩(wěn)定性好、可選性與抗電磁、抗工頻能力強,特別適合于惡劣的工業(yè)環(huán)境。（3）組網靈活,可擴充性強：網絡架構系統(tǒng)具有較大的伸縮性,根據發(fā)酵罐數(shù)量和工藝要求的工藝參數(shù)數(shù)量,可選擇多個測控單元,并根據工程進展逐步擴充完善。

45、該系統(tǒng)網絡可掛結50個測控單元。系統(tǒng)網中，可根據資金情況或需求量接入一臺或多臺工業(yè)控制機作為操作員站和工程師站。一般工程師站只需一臺,而操作員站需要多臺,通過網絡總線分布在全廠各有關部門。若需要還可接入一些備份機,以提高系統(tǒng)的可靠性。網絡傳輸速率200kBPS,傳輸距離有線達1.2km,無限達100km。（4）良好的用戶界面：漢字提示下的界面設計可使操作員與時獲取整個發(fā)酵過程的信息。其中包括發(fā)酵過程的溫度、壓力、流量實時測量數(shù)據、各個發(fā)酵罐的運行狀態(tài)、罐溫度趨勢曲線圖、冷媒閥門開度和報警出錯提示等。同時,操作人員還可以通過功能鍵在線改變工藝參數(shù),干涉發(fā)酵過程,改變運行狀態(tài),隨時打印工藝參數(shù)數(shù)據和發(fā)酵過程總曲線等。結 論在啤酒發(fā)酵過程中,溫度是決定啤酒口感、風味等的一個重要指標, 但存在現(xiàn)場溫度控制較困難的客觀因素。為滿足啤酒生產向著連續(xù)化,自動化方向發(fā)展, 對啤酒發(fā)酵過程中實行計算機自動控制是具有重要意義