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1、内蒙古科技大学过程控制课程设计论文题 目：啤酒发酵罐温度控制系统设计学生姓名：赵万里学 号：1067112320专 业：测控技术与仪器班 级：2010-3指导教师：李忠虎 教授2013 年 9 月 3 日I摘要本文介绍了啤酒的酿造工艺，分析了啤酒发酵过程中发酵罐内酒体的温度变化特性，并结合锥形发酵罐的组成及原理，根据生产工艺要求，从而设计了啤酒发酵过程中发酵罐温度控制系统。该设计是采用串级控制系统，通过控制流入发酵罐冷却套内液氨的流量，来达到控制发酵罐内酒体温度的目的。设计过程中充分利用了过程控制理论和过程参数检测技术及仪表知识，完成了控制方案的选择、被控参数的选取，以及仪表的选型等内容。关键
2、词：啤酒发酵；温度控制；串级系统内蒙古科技大学课程设计论文II目录第一章 绪论 .11.1 啤酒概述 -11.2 啤酒的发酵 -12.1 啤酒酿造工艺概述 -22.2 发酵工艺 -22.2.1 锥形发酵罐基本结构 .22.2.2 发酵过程中酒体的温度变化特性 .3第三章 检测控制系统设计 .53.1 被控对象分析 -53.2 控制方案的选择 -53.3 主、副被控参数的选取 -63.4 主、副调节器调节规律的选择 -73.5 主、副调节器正、反作用方式的选择 -73.6 仪表选型 -8第四章 总结 .9参考文献 .10内蒙古科技大学课程设计论文1第一章 绪论1.1 啤酒概述啤酒是以大麦芽、酒花
3、、水为主要原料，经酵母发酵作用酿制而成的饱含二氧化碳的低酒精度酒。啤酒是人类最古老的酒精饮料，是世界上产量最大、酒精含量最低、营养非常丰富的酒种。它于二十世纪初传入中国，属外来酒种。据国家统计局公布的数据显示:我国啤酒产量在 2002 年之前的九年内连续位居世界第二，2002 年的啤酒产量是 2386.83 万吨，超过了美国的 2200 多万吨，位居世界第一。此后的五年内，中国啤酒产销量连续_5 年全球第一。2003年国内啤酒消费量达到 2500 万吨，成为世界上最大的啤酒消费市场。2006 年全球啤酒生产量比 2005 年增长了 6 个百分点，达到 1700 亿升，增长量为 100亿升，其中
4、近一半(45 亿升)是在中国实现的。近十年来，我国啤酒产销量都位于世界领先水平，随着我国啤酒产业的发展，在啤酒生产过程中的自动化控制越来越重要，其中对于啤酒发酵过程中发酵罐温度的控制是自动化控制的一个重要方面。1.2 啤酒的发酵啤酒发酵过程是啤酒酵母在一定的条件下，利用麦汁中的可发酵性物质而进行的正常生命活动，其代谢的产物就是所要的产品-啤酒。由于酵母类型的不同，发酵的条件和产品要求、风味不同，发酵的方式也不相同。一般可以把啤酒发酵技术分为传统发酵技术和现代发酵技术。（1）传统发酵传统发酵工艺采用两段发酵，前发酵采用开放式的池，发酵时间为 7-8 天，温度为 8 摄氏度左右，前酵结束后，将上层
5、酒输入密闭的储槽内，保持低温，贮藏 60-90 天左右，称为后酵。这种生产方式设备周转慢，要使用庞大的冷库，耗能很大。（2）现代发酵现代发酵的整个发酵过程在一个大的锥形发酵罐内完成，前后酵集中在一个罐内进行，罐壁设有换热管，以便控制发酵过程中各阶段的温度，既取消了庞大的冷库建筑，降低了能耗，又便于控制不同阶段罐内发酵液所需的温度，内蒙古科技大学课程设计论文2所以酒龄缩短，设备利用率提高，而酒质与传统发酵相似。第二章 啤酒酿造工艺流程2.1 啤酒酿造工艺概述啤酒酿造工艺主要分为四步：（1）制麦工序 （2）糖化工序 （3）发酵工序 （4）包装工序。啤酒酿造工艺流程如图 2.1 所示。图 2.1 啤
6、酒酿造工艺流程图2.2 发酵工艺啤酒发酵是啤酒生产工艺流程中关键环节之一, 也是一个极其复杂的生化放热反应过程。啤酒的发酵是在一个大的锥形发酵罐中进行的，在发酵过程中, 把糖化麦汁中的糖类水解成单糖, 然后经酵母发酵生成乙醇( C2H5OH) 、二氧化碳( CO2) , 同时还会产生种类繁多的中间代谢产物, 如双乙酰、脂肪酸、高级醇、酮等, 这些代谢产物的含量虽然极少, 但它们对酒质量和口味的影响很大, 中间代谢产物的生成取决于发酵温度。啤酒发酵的温度控制就是利用冷媒介质对罐内温度进行按工艺要求的分段控制。根据啤酒发酵的工艺要求, 当啤酒的发酵温度高于工艺要求的温度时, 打开冷媒, 通过啤酒罐
7、罐壁的冷带给啤酒降温，当发酵温度低于工艺要求的温度时, 关闭冷媒, 则啤酒按工艺要求继续发酵,整个发酵过程大约20 多天完成。因此, 控制好啤酒发酵过程中温度及其升降速率是决定啤酒质量和生产效率的关键。2.2.1 锥形发酵罐基本结构内蒙古科技大学课程设计论文3（1）罐顶部分：罐顶为一圆拱形结构，中央开孔用于放置可拆卸的大直径法兰，罐顶还安装防真空阀和压力传感器等，罐内侧装有洗涤装置，也安装有供罐顶操作的平台和通道。 （2）罐体部分：罐体为圆柱体，是罐的主体部分。发酵罐的高度取决于圆柱体的直径与高度。由于罐直径大耐压低，一般锥形罐的直径不超过 6m。罐体的加工比罐顶要容易，罐体外部用于安装冷却装
8、置和保温层，并留一定的位置安装测温、测压元件。 （3）圆锥底部分：圆锥底的夹角一般为 6080，发酵罐的圆锥底高度与夹角有关，夹角越小锥底部分越高。一般罐的锥底高度占总高度的 1/4 左右。 。罐内设有上、中、下三个测温点，罐的外壁设置有上、中、下三段冷却套和三个独立阀门。通过改变阀门开度来调节冷却套内的冷媒体流量以实现对罐内酒体温度的控制。2.2.2 发酵过程中酒体的温度变化特性整个发酵过程分前酵和后酵两个阶段，发酵过程中酒体的温度变化特性曲线如图 2.2 所示。图 2.2 发酵过程中酒体的温度变化特性曲线在上图中，oa 段为自然升温段，不需外部控制;ab 段为主发酵阶段，控制温度一般在 1
9、2 左右;be 段为降温阶段，是主发酵阶段和后酵阶段的过渡时期，经过此阶段后发酵进入后酵阶段，在此阶段降温速度一般为 0.3 /h ; cd 段为后酵阶段，温度一般控制在 5 左右;de 段为进入贮酒阶段的过程，降温速度比较慢，一般为 0.15 /h; ef 段为贮酒阶段，也就麦汁发酵完毕之后啤酒长内蒙古科技大学课程设计论文4期贮存的温度，这个时期啤酒温度一般控制在-1 左右。(1)前酵这个阶段又称为主发酵。在这个过程中麦汁糖度下降，产生 CO,并释放生化反应热，从而使整个罐内温度逐渐上升。经过 4-6 天后进入发酵，糖度进一步降低。当罐内发酵糖度达到工艺要求之后，便可以降低温度转入整个发酵过
10、程的后酵阶段。此阶段由于酒温与冷却液的温差较大，发酵罐容量又大，因此温度的变化有较大的滞后现象。(2)后酵当发酵罐内部麦汁温度从前酵的 12 降到 5 左右时后酵阶段就开始了。在这一阶段最重要的是进行双乙酞的还原。一旦双乙酞含量指标合格之后，发酵罐便可以进入第二个降温过程，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。内蒙古科技大学课程设计论文5第三章 检测控制系统设计3.1 被控对象分析本设计的被控对象是啤酒发酵罐内部麦汁的温度。图 3.1 为锥形发酵罐示意图，当把麦汁输送到发酵罐中之后的，酵母在罐内发生反应而产生热量，使汁的温度升高。在图 3.1 中设置有上、中和下三个
11、冷却套，相应设置上、中和下 3 个测温点和三个调节阀，通过阀门可以调节冷却液的流量，从而可以实现对酒体温度的控制。发酵罐图 3.1 锥形发酵罐示意图通过分析，啤酒发酵罐温控对象主要有以下几方面特点：(1)时滞大由于发酵罐内没有搅拌装置，酒精水和麦汁主要依靠热传导进行热量交换，这就使得被控量的变化大大滞后于控制量的变换，从而产生时滞特性。(2)时变性啤酒发酵过程中，在不同的发酵阶段，酵母的活力是不相同的，从而造成了酒体温度特性的变化，因此麦汁温度具有明显的时变性。(3)大时间常数冷媒体冷却套中部测温点上部测温点下部测温点内蒙古科技大学课程设计论文6由于发酵罐体积非常大，冷却液通过冷却套壁与麦汁进
12、行热交换的过程将会非常缓慢。3.2 控制方案的选择在啤酒的发酵过程中，发酵罐内部麦汁温度的升高主要原因是内部反应所放出的热量，根据发酵罐结构，以及温控对象的特点，可以采用串级控制系统，通过控制流入发酵罐冷却套的冷却液流量来达到控制发酵罐内酒体的温度目的。由于发酵罐内酒体可能较浅，所以发酵罐上温不宜作为被测量；而发酵罐内酵母易沉积在罐底，所以发酵罐下温也不宜作为被测量。可选择发酵罐中温作为被测量，控制发酵罐上部冷却套的调节阀为主，组成串级控制系统如图3.2 所示。F TT CT TF C进料出料液氨液氨图 3.2 锥形发酵罐中温度串级控制系统图3.3 主、副被控参数的选取设计控制系统时，选取的参
13、数要能有效的反映工艺状况，根据啤酒发酵特性，选取发酵罐内酒体的温度为主被控参数，而副参数的选取是串级控制系统的关键所在，副回路设计的合理与否决定了串级控制的特点能否发挥。根据副回路的设计原则，副被控参数的选择应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏，因此，选取冷却液（液氨）的流量作为副被控参数，构成如图 3.3所示的串级温度控制系统框图。内蒙古科技大学课程设计论文7液氨流量 罐内麦汁温度温度 调节器温度变送器流量变送器流量调节器 调节阀锥形发酵罐冷却套图 3.3 串级温度控制系统框图3.4 主、副调节器调节规律的选择（1）主调节器调节规律的选择在串级控制系统中，主被控参数是生产工艺的主要指
14、标，直接关系着产品质量，工艺要求比较严格。一般来说，主被控参数不允许有静差，另外，从串级控制系统的结构来看，主调节器起着定值控制的作用，为了使主被控参数稳定，主调节器必须具有积分作用，又因为主被控参数为发酵罐的温度，对象控制通道容量滞后较大，为了克服容量滞后，所以就要选用 PID 调节规律。（2）副调节器调节规律的选择串级控制系统设置副参数的目的在于保证和提高主参数的控制质量，副回路是一个随动系统，它的给定值随主调节器输出的变化而变化。在选择流量为副被控参数时，由于比例调节规律对噪声敏感，为保持系统稳定，比例度必须选得较大，比例控制作用较弱，为此引入积分作用，采用 PI 调节规律。3.5 主、副调节器正、反作用方式的选
