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1、第一章 绪论1.1 课题的来源、目的及意义 我国的啤酒市场非常巨大，国内生产啤酒的企业数以百计，但与国外的主要啤酒生产厂家相比大部分企业技术落后，大部分处于手动控制阶段，只有极少数企业实现半自动化。由于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，过程参数分散性大，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。啤酒发酵是啤酒生产中最重要的一道工序，是决定啤酒质量的最关键的一步。按现在的生产工艺，生产周期一般在
2、十五天左右，要求发酵液的温度严格按照一定的工艺曲线变化。温度控制精度在士0. 5范围内，这样的控制精度单凭传统的热工仪表加上手工操作方式是完全不能满足要求的，但目前国内的不少生产厂家都是采用这种生产方式。这就要求生产工人24小时中监视啤酒发酵的温度变化，根据偏差去调节冷媒的流量阀。这种方式，工人的劳动强度大，而且质量难以控制。国外的著名啤酒生产厂家大部分都实现了自动化控制在保证产品质量的同时缩短了生产周期。为此，在国内啤酒行业中实现自动化生产是十分迫切的。啤酒的发酵过程能实现自动化后，工人的劳动强度将大大地减小，同时啤酒的质量与生产都有望升上一个新的台阶，企业通过技术改造增加了市场竞争。另一方
3、面，不少化工生产过程都具有相似性，因此我们研制的这一套控制系统性价比高，以后还可以推广到其他很多化工厂生产的场合。应用前景乐观，能产生较大的社会经济效益。1.2 国内啤酒生产过程控制概况我国啤酒的产量已逐步发展，但产品质量必须达较高水平，花色品种也必须赶上去，才能适应日益变化的消费者的需求，这就要求国内的啤酒生产厂家改变传统的生产工艺，更新生产设备以满足市场的需求。主要有以下几方面：1. 引进国外控制技术例如：福建惠泉啤酒厂创下“十五”啤酒酿造技术新亮点无菌酿造技术，并进口德国Thiemt公司的各种先进仪器和德国著名的高德曼(Kottermann)实验室，创造了世界一流的现代化啤酒控制系统；北
4、京燕京啤酒厂引进德国施密特公司专用的先进设备；北京华尔森啤酒厂从捷克全套引进生产设备；北京华都啤酒厂从丹麦引进生产设备；上海华光啤酒厂从瑞士引进生产设备等。引进设备的最大特点是自动化水平比较高，从而能严格满足啤酒生产工艺的要求，因此产量较高，质量较稳定。但是引进设备价格昂贵，使一般小厂望尘莫及。 2. 国内科研院所、专业公司根据国情自行研究的技术由于引进设备的成本非常高，因此，尽快地研制出自动化水平较高的啤酒生产设备，以适应国内啤酒生产的需要，也成为国内一些科研部门的热点。1988年北京核工程研究院研制的“PRS-80型啤酒发酵控制系统”在伊春啤酒厂投入使用，其硬件配置分上位机和现场工作站两层
5、，控制方案采用单变量温度控制:1993年国家轻工业部自动化研究所研制的“PW-40啤酒发酵微机控制系统”在厦门华侨啤酒厂投入使用，其控制方案也是采用单变量温度控制；1994年北京科海测控工程部研制的“CMCM啤酒发酵微机测控系统”在无锡市太湖水啤酒厂投入使用，其硬件配置上位机采用80386，配合了一个小型局域网络，现场控制机采用Z80单板机，控制方案采用单变量控制，并设有液位检测；合肥廉泉啤酒(集团)公司为了增强企业的整体实力，提高产品档次，在1999年3月竣工完成糖化及发酵自控系统，从而使扩建6万吨啤酒生产系统的技改工作胜利完成。3. 厂内自行研究国内中小企业结合本厂生产实际自行研究的自动化
6、仪表加手动的生产控制技术，造价低，效果一般，符合企业目前的状况，但不能满足企业长远发展的需求。从上述情况看，我国的啤酒生产设备与发达国家相比有较大的差距，还处于起步阶段。1.3 计算机控制系统在发酵过程中的应用 发酵过程计算机上控制，特别是微机控制，己经在我国发酵工业中推广应用，我国大型的发酵罐有7000多台，若都能用微机控制，发酵效益的提高是十分可观的。发酵过程中微机控制应用，早期的有多STD总线的微机系统，最近的有工业PC机系统，这些系统比较简单，价格便宜，使用灵活方便，但是软件开发的工作量较大，用户修改控制方案较麻烦，近来，有各种不同改进型的微机系统供发酵过程控制应用。随着的小型集散控制
7、系统在工业生产过程中的应用，在发酵工业上现已采用先进的集散控制系统来控制发酵过程。例如，用YEWPAK, N-90, 11L, JX, FOCUS等中小型集散控系统控制青霉素发酵，谷氨酸发酵等。随着微机在发酵过程控制中的应用不断发展，各种测量传感器、二次仪表和执行机构的完善，发酵罐系统完全自动化操作和控制的目的就可以实现。1.4 发酵过程控制方法概述 微生物的发酵过程，机理十分复杂，影响微生物生长的因素错综复杂，很难用精确的数学模型来描述这一发酵过程。发酵试验的实验数据重复性较差，这对数学模型的建立也带来了许多困难。然而，人们借用微机这一先进的科学工具，为解决发酵过程参数的测量。数据管理与分析
8、，发酵过程优化控制开创了新局面。1.5 发酵过程直接数字控制(DDC) 使用微机可以取代各种控制仪表，实现多回路PID及各种高级控制功能。同时，也可以省去各种显示，记录，报警仪表。利用微机的功能，对发酵过程的各种后参数，状态和数据，可以进行实时在线的优化管理。如报表打印，各种参数的趋势显示图，操作工艺流程图，报警信息图等。这对于发酵过程的操作监控即直观又方便，也大大减轻了工人的工作量，提高了效率。第二章 啤酒发酵工艺概述2.1 啤酒生产工艺简介 啤酒生产过程主要包括糖化、发酵以及过滤分装三个环节。(1) 糖化 糖化过程是把生产啤酒的主要原料与温水混合，利用麦芽的水解酶把淀粉、蛋白质等分解成可溶
9、性低分子糖类、氨基酸、脉、肤等物质，形成啤酒发酵原液麦汁。 (2) 发酵 图2.1 发酵温度工艺设定曲线 啤酒发酵是一个微生物代谢过程，简单的说是把糖化麦汁经酵母发酵分解成C2H5OH， CO2， H2O的过程，同时还会产生种类繁多的中间代谢物双乙酞、脂肪酸、高级醇、酮等，这些代谢产物的含量虽然极少，但它们对啤酒的质量和口味的影响很大，它们的产生主要取决于发酵温度。一般认为，低温发酵可以降低双乙酞、脂类等代谢物的含量，提高啤酒的色泽和口味；高温发酵可以加快发酵速度，提高生产效率和经济效益。总之，如何掌握好啤酒发酵过程中的发酵温度，控制好温度的升降速率是决定啤酒生产质量的核心内容。啤酒发酵是个放
10、热过程，如不加以控制，罐内的温度会随着发酵生成热的产生而逐渐上升，目前大多数对象是采用往冷却夹套内通入制冷酒精水混合物或液氨来吸收发酵过程中不断放出的热量，从而维持适宜的发酵温度。整个发酵过程分前酵和后酵两个阶段，发酵温度的工艺设定典型曲线如图2.1所示。不同品种、不同工艺所要求的温度控制曲线会有所不同。 (1) 前酵 这个阶段又称为主发酵。麦汁接种酵母进入前酵，接种酵母几小时以后开始发酵，麦汁糖度下降，产生CO2并释放生化反应热，使整个罐内的温度逐渐上升。经过23天后进入发酵最为旺盛的高泡期再经过23天，糖度进一步降低，降糖速度变慢，酵母开始沉淀，当罐内发酵糖度达标后进行降温转入后酵阶段。普
11、通啤酒在前酵阶段，一般要求控制在12左右，降温速率要求控制在0.3 0C /h。(2) 后酵 当罐内温度从前酵的12降到5左右时后酵阶段开始，这一阶段最重要的是进行双乙酞还原，此外，后酵阶段还完成了残糖发酵，充分沉淀蛋白质，降低氧含量，提高啤酒稳定性。一旦双乙酞指标合格，发酵罐进入第二个降温过程，以0.150C/h的降温速率把罐内发酵温度从5降到0-1左右进行贮酒，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。 通常发酵液温度在不同的发酵阶段，对罐内发酵液的温度场要有相应的要求：在前酵阶段希望发酵罐内从罐顶到罐底有一正的温度梯度，即从控制上层温度为主，以利于发酵液对流和酵母
12、在罐内的均匀混合；在后酵阶段，则要求发酵液由卜到下有一定的负温度梯度，即控制以下层温度为主，便于酵母的沉淀和排除。(3) 啤酒的过滤和灌装 前、后酵结束以后，啤酒将通过过滤机和高温瞬时杀菌进行生物以及胶体稳定处理然后灌装。啤酒过滤是一种分离过程，其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母细胞和其它混浊物从啤酒中分离出去，否则这些物质会在以后的时间里从啤酒中析出，导致啤酒混浊，目前多采用硅藻土过滤方式。如果啤酒中仍含有微生物(杂菌)，则微生物可以在啤酒中迅速繁殖，导致啤酒混浊，其排泄的代谢产物甚至使啤酒不能饮用。杀菌就是啤酒在灌装之前对其进行生物稳定性处理的最后一个环节。至此，一个啤酒和生产周期结束。2
13、.2 啤酒发酵过程温控对象的特点发酵罐是啤酒生产的主要设备，图2.2为圆筒锥底发酵罐示意图，酵母在罐内发生反应而产生热量，使麦汁温度升高，因此在罐壁设置有上、中、下三段冷却套，相应的设立上、中、下三个测温点和三个调节阀，通过阀门调节冷却套内冷却液的流量来实现对酒体温度的控制。以阀门开度为控制量，酒体温度为被控量。该广义对象是一个三输入、三输出的多变量系统，机理分析和实验表明啤酒发酵罐的温控对象不同于一般的工业对象，主要有以下几个方面的特点：(1) 时滞很大 图2.2 圆筒锥底发酵罐示意图 在整个发酵过程中，由于生化反作用产生的生化反应热导致罐内发酵温度的升高，为了维持适宜的发酵温度，通常是往发
14、酵罐冷却夹套内通入酒精水或液态氨，来带走多余的反应热。由于罐内没有搅拌装置和加热装置，冷媒发酵液间主要依靠热传导进行热量交换，发酵液内部存在一定的对流，影响到测温点，这就使得控制量的变化后，要经过一段时间，被控量才发生变化，因此这类系统会表现出很大的时滞效应。例如一个120m3啤酒发酵罐温度响应的滞后时间一般在530min之内变化。(2) 时变性 发酵罐的温控特性主要取决于发酵液内生化反应的剧烈程度。而啤酒发酵是从起酵、旺盛、衰减到停止不断变化的间歇生产过程，在不同的发酵阶段，酵母活力不同，造成酒体温度特性变化，因此对象特性具有明显的时变性。(3) 大时间常数 发酵罐体积大，发酵液体通过罐壁与
15、冷却水进行热交换的过程比较慢。(4) 强关联 因为罐内酒体的对流，所以在任一控制量的变化均会引起三个被控量的变化。 在分析对象特性的时候，由于受到认识上的限制，往往也不能确切掌握工业过程中各种物理、化学变化的本质特征，这也必然会导致获取的对象特性与实际特性存在难以确定的偏差。例如啤酒生产过程酵母特性、原料特性等许多因素的变化都会引起被控系统特性参数的变化和摄动，而这些因素在实际系统中都是很难在线或实时获取的。第三章 硬件电路设计3.1 概述根据总体设计要求，控制系统得结构框图如图3-1所示。图3-1 系统结构框图 在系统总体构思时，主要遵从以下几点原则： 1. 可靠性设计原则 设计过程的首要考虑的因素是可靠性，由于啤酒发酵是一个连续生产过程，要求设备长时间运行，正常情况下一年才停机大修一次，因此，对硬件可靠性提出较高的要求。 为了达到可靠性要求，在设计时采取了以下措施：a. 尽量采用标准的元器件和电路；b. 简化设计； 此外，设计中尽量使用集成度高的元件或模块，减少元件的数量。这既符合抗干扰需要也符合
