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1、内蒙古科技大学课程设计论文- 1 -过程控制课程设计论文题 目：啤酒糊化锅的温度控制系统设计学生姓名： 学 号：1067112303专 业：测控技术与仪器班 级：2010 级 3班指导教师： 2013 年 9 月 5 日内蒙古科技大学课程设计论文- 2 -目录摘要 .- 3 -1 工艺过程概述 .- 4 -11 啤酒生产工艺过程 .- 4 -1.1.1 制麦工序 .- 4 -1.1.2 糖化过程 .- 4 -1.1.3 发酵过程 .- 5 -1.1.4 包装工序 .- 5 -1.2 被控对象 啤酒糊化锅简介 .- 5 -1.2.1 啤酒糊化锅的结构 .- 5 -1.2.2 糊化的工艺要求 .-
2、 6 -2 糊化锅温度控制系统 .- 8 -2.1 啤酒糊化温度控制系统设计 .- 8 -2.1.1 糊化温控系统主、副被控参数的选取 .- 8 -2.1.2 主、副调节器调节规律的选择 .- 9 -2.1.3 主、副调节正、反作用方式的选择 .- 9 -2.2 串级系统的整定 .- 10 -2.3 控制算法 .- 10 -2.3.1 控制算法的特性分析 .- 10 -2.3.2 常规 PID 控制器 .- 11 -2.3.3 PID 算式加特殊处理 .- 11 -3 仪表选型 .- 14 -总 结 .- 16 -参考文献 .- 17 -摘要啤酒生产是一个利用生物加工进行生产的过程，生产周期长
3、，过程参数内蒙古科技大学课程设计论文- 3 -分散性大，传统操作方式难以保证产品的质量。近年来，国外的各大啤酒生产厂家纷纷进军中国市场，凭借技术优势与国内的啤酒生产厂家争夺市场份额。国内的啤酒行业迫切要求进行技术改造，提高生产率，保证产品质量，以确保在激烈的市场竞争中立于不败之地。完整的啤酒生产过程通常划分为糖化、发酵和灌装三个工段，其中糖化工段主要包含粉碎、糊化、糖化、过滤、煮沸、沉清、冷却以及 CIP 等生产工序。麦芽经过轻压粉碎制成酿造用麦芽。糊化处理即将粉碎的麦芽与水在糊化锅中混合。糊化锅是一个巨大的回旋金属容器，装有热水与蒸汽入口，搅拌装置如搅拌棒、搅拌桨或螺旋桨，以及大量的温度与控
4、制装置。在糊化锅中，麦芽和水经加热后沸腾，这是天然酸将难溶性的淀粉和蛋白质转变成为可溶性的麦芽提取物，称作麦芽汁。然后麦芽汁被送至称作分离塔的滤过容器。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。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
5、第 1 个环节 ,其温度控制要点和方法的讨论具有普遍意义。内蒙古科技大学课程设计论文- 4 -1 工艺过程概述11 啤酒生产工艺过程啤酒生产过程主要包括制麦、糖化、发酵以及灌装四个环节。图 1.1 啤酒生产工艺流程图1.1.1 制麦工序大麦必须通过发芽过程将内含的难溶性淀料转变为用于酿造工序的可溶性糖类。大麦在收获后先贮存 2-3 月，才能进入麦芽车间开始制造麦芽。为了得到干净、一致的优良麦芽，制麦前，大麦需先经风选或筛选除杂，永磁筒去铁，比重去石机除石，精选机分级。1.1.2 糖化过程麦芽、大米等原料由投料口或立仓经斗式提升机、螺旋输送机等输送到糖化楼顶部，经过去石、除铁、定量、粉碎后，进入
6、糊化锅、糖化锅糖化分解成醪液，经过压滤机过滤，然后加入酒花煮沸，去热凝固物，冷却分离。麦芽在送入酿造车间之前，先被送到粉碎塔。在这里，麦芽经过轻压粉碎制成酿造用麦芽。糊化处理即将粉碎的麦芽与水在糊化锅中混合。糊化锅是一个巨大的回旋金属容器，装有热水与蒸汽入口，搅拌装置如搅拌棒、搅拌桨或螺旋桨，以及大量的温度与控制装置。在糊化锅中，麦芽和水经加热后沸腾，内蒙古科技大学课程设计论文- 5 -这是天然酸将难溶性的淀粉和蛋白质转变成为可溶性的麦芽提取物，称作麦芽汁。然后麦芽汁被送至称作分离塔的滤过容器。麦芽汁在被泵入煮沸锅之前需先在过滤槽中去除其中的麦芽皮壳，并加入酒花和糖。煮沸：在煮沸锅中，混合物被
7、煮沸以吸取酒花的味道，并起色和消毒。在煮沸后，加入酒花的麦芽汁被泵入回旋沉淀槽以去处不需要的酒花剩余物和不溶性的蛋白质。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。1.1.3 发酵过程啤酒发酵整个过程分为 7 个阶段，如图 1：自然升温阶段；主发酵及双乙酞还原阶段；降温保温阶段；由双乙酞还原温度冷却至 3；3保温过程；3以下深冷过程；贮酒阶段。贮酒阶段温度控制应以上、中、下三段均衡控温为主，缩小罐内发酵液温差。在贮酒过程中
8、同时存在自下而上和自上而下的对流，状态紊乱，缓慢而不规则，使用调节阀控制冷媒可采用长时间小流量的操作方法，对于开关阀则可采用高频短时间开启控制，避免长时间深度冷却，温控精度要求在士 0.2，严禁出现温度回升。1.1.4 包装工序玻璃瓶作为啤酒的包装在绝大多数人心目中占有传统习惯性优势。据统计，到目前为止，玻璃瓶包装仍占我国啤酒包装的九成以上。然而，纵观国际啤酒包装市场，啤酒成品包装的多样化。系列化已成为不争的事实。除了国内常见的玻璃瓶包装之外，还有国人难得一见的槽车装啤酒和 PET 材料多型瓶啤酒。在国际化啤酒包装趋势下，国内的啤酒包装业将改变玻璃瓶啤酒“一枝独秀”的局面，向多样化、系列化、安
9、全、经济型转化。包装工艺主要包括供瓶、洗瓶、空瓶检测（废瓶剔除） 、灌装、压盖、杀菌、贴标、喷码、成品检测（废品剔除） 、装箱。内蒙古科技大学课程设计论文- 6 -1.2 被控对象啤酒糊化锅简介1.2.1 啤酒糊化锅的结构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。 图 1.2 是糊化锅结构示意图, 在锅的外壁焊有上、下两个加热体 ( 夹层) , 以蒸汽( 压力约为 0.6 MPa) 作热源对锅内的辅料进行加热。下部加热体经调
10、节阀接蒸汽源, 可通过调节该阀的开度大小调整蒸汽流量, 改变加热速率; 上部加热体经开关阀接通或切断蒸汽源, 用于辅料升温段的热能补偿, 两个阀门的协调动作可实现糊化温度的 PID 控制。为使糊化温度均匀、提高糊化效果, 糊化锅的底部装有搅拌器, 搅拌器由双极双速异步电机经减速后拖动; 锅的下部和上部各装有一只铂热电阻温度传感器, 下部的用于检测糊化温度, 上部的用于检测辅料沸腾时是否溢锅; 锅的顶部装有喷淋器, 溢锅时开启喷淋, 喷入少量冷水制止溢锅, 喷淋器经电磁阀与冷水管道连接。V - 2V - 3V - 4冷水喷淋电磁阀喷淋头上部测温点上部加热体下部测温点下部加热体双速搅拌电机蒸汽调节
11、阀蒸汽蒸汽蒸汽开关阀图 1.2 糊化锅结构示意图1.2.2 糊化的工艺要求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，不同的糊化时内蒙古科技大学课程设计论文- 7 -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。将指定量的大米粉与水在糊化锅混合后，就按图 1.3 所示的糊化工艺曲线进行糊化（常压糊化） 。对糊化曲线各阶段的说明如下：（1）50保温。这一阶段温度由糊化混水器控制，在此阶段，完成糊化进水（控温）与糊化进粉工作，在进粉阶段，应将搅拌电机从低速开到高速运行，蒸汽开关阀与调
12、节阀不开启；（2）第一升温段。温度从 50以 1/min 的升温速率升温至 85，搅拌电机运行于高速；（3）85保温。保温时间为 20min，蒸汽开关阀关闭，用调节阀保温，搅拌电机运行于低速；（4）第二升温段。温度从 85以 1/min 的升温速率升温至 101，在温度小于 97前，搅拌电机运行于高速，97后，搅拌电机运行于低速，以防溢锅，同时通过安装在糊化锅上部的测温点，判断是否有溢锅现象，在发生溢锅的情况下，将所有蒸汽阀关闭，并适时重新开阀继续糊化过程；（5）101保温。保温时间为 20min，蒸汽开关阀关闭，用调节阀保温，搅拌电机运行于低速，在此阶段，应防止产生溢锅，处理方法与上一阶段相
13、同；（6）降温阶段。通过检测糖化锅内物料温度与物料重量，启动冷水阀将糊化锅内物料温度降至一指定温度使糊化锅内物料达到糖化锅内后（称为并醪），糖化锅内混合后的物料温度为 63。内蒙古科技大学课程设计论文- 8 -温度/时间 / 分钟1 02 03 04 06 05 07 08 09 01 0 02 04 06 0 8 01 0 0 1 2 01 4 0保温 2 0 分钟保温 2 0 分钟8 5 降温至与糖化锅物料混合后 ， 糖化锅温度为 6 3 1 0 1 保温 1 0 分钟图 1.3 一种典型的糊化工艺曲线2 糊化锅温度控制系统2.1 啤酒糊化温度控制系统设计根据糊化锅的结构以及糊化工艺特点，采用串级控制系统，充分发挥它的优点，合理准确的测量并控制糊化锅温度。糊化锅中温度串级控制系统图如下所示：内蒙古科技大学课程设计论文- 9 -V - 2V - 3V - 4冷水喷淋电磁阀喷淋头上部测温点上部加热体下部测温点下部加热体双速搅拌电机蒸汽调节阀蒸汽蒸汽开关阀T CT TF TF C蒸汽图 2.1 糊化锅中温度串级控制系统图在系统设计时，必须明白主、副被控参数的选择；副回路的设计；主、副回路的
