过程控制课程设计——啤酒发酵罐温度控制系统

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1、内蒙古科技大学信息工程学院过程控制课程设计报告题 目：啤酒发酵罐的温度控制系统设计 学生姓名：赵晓红学 号： 0967112235 专 业：测控技术及仪器 班 级： 09 测控 2 班 指导教师：左鸿飞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， 凭借技术优势和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。啤酒的发酵过程是一个微生物代谢过程。它通过多种酵母的多种酶解作用，将可发酵

2、的糖类转化为酒精和 C02,以及其他一些影响质量和口味的代谢物。在 发酵期间，工艺上主要控制的变量是温度、糖度和时间。啤酒发酵对象的时变性、 时滞性及其不确定性， 决定了发酵罐控制必须采用 特殊的控制算法。由于每个发酵罐都存在个体的差异， 而且在不同的工艺条件下， 不同的发酵菌种下， 对象特性也不尽相同。 因此很难找到或建立某一确切的数学 模型来进行模拟和预测控制我国大部分啤酒生产厂家目前仍然采用常规仪表进 行控制，人工监控各种参数， 人为因素较多。 这种人工控制方式很难保证生产工 艺的正确执行，导致啤酒质量不稳定，波动性大且不利于扩大再生产规模。在啤酒生产过程中， 糖度的控制是由控制发酵的温

3、度来完成的， 而在一定麦 芽汁浓度、酵母数量和活性的条件下时间的控制也取决于发酵的温度。 因此控制 好啤酒发酵过程的温度及其升降速率是解决啤酒质量和生产效率的关键。 在本次啤酒发酵温度控制系统设计过程中各种工艺参数的控制采用串级控 制系统实现， 主要控制锥形发酵罐的中部温度， 采用常规自动化仪表及装置来实 现温度及其他参数的检测和控制、显示。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糖化、发酵以及过滤分装三个环节。1.1.1糖化 糖化过程是把生产啤酒的主要原料和温水混合，利用麦芽的水解酶把淀粉、 蛋白质等分解成可溶性低分子糖类、氨基酸、脉、肤等物质，形成啤酒发酵原液 - 麦汁

4、。1.1.2发酵啤酒发酵时候， 会产生热量， 温度一直在升高。 当发酵液温度升到最适合酵 母生长的10C时候就要开始控不让它继续升温，主要是采用将发酵罐外壁周围 的通过冷媒来降温。 一般冷媒是用氨液或者酒精水， 冷媒易挥发气化吸热。 主酵 结束要进行双乙酰还原自然升温到 12C。还原结束，降温到-1.5C进行冷储。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

5、， 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。(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CO并释放生化反应热，使整个罐

6、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 通啤酒在前酵阶段，一般要求控制在 12C左右，降温速率要求控制在0.3 C /h。后酵当罐内温度从前酵的12C降到5C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0.15 C/h的降温速率把罐内发酵温度从 5C降到0-C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

7、本结束。发酵温度的工艺设定典型曲线如图1-1所示。发酵时间/天图1-1发酵工艺温度设定曲线1.1.3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。1.2被控对象一一啤酒发酵罐简介1.

8、2.1啤酒发酵过程温控对象特性时滞很大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。(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

9、。(3) 大时间常数发酵罐体积大，发酵液体通过罐壁和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。1.2.2锥形发酵罐工艺要求 有效的控制原料质量和糖化效果，每批次麦汁组成应均匀，如果各批麦汁 组成相差太大，将会影响到酵母的繁殖和发酵。 罐的容量应和每次糖化的冷麦汁量以及每天的糖化次数相适应，要求在 16h内装满一罐，最多不超过24h,进罐冷麦汁对热凝固物要尽量去除，如能尽 量分离冷凝固物则更好。 冷麦汁的温度控制要考虑每次麦汁进罐的时间间隔和满罐的次数， 如果间 隔时间长次数多，可以考虑逐批提高麦汁的温度， 也可以考虑前一、

10、二批不加酵 母，之后的几批将全量酵母按一定比例加入， 添加比例由小到大，但应注意避免 麦汁染菌。也有采用前几批麦汁添加酵母，最后一批麦汁不加酵母的办法。 冷麦汁溶解氧的控制可以根据酵母添加量和酵母繁殖情况而定，一般要求每批冷麦汁应按要求充氧，混合冷麦汁溶解氧不低于8mg/L。 控制发酵温度应保持相对稳定，避免忽高忽低。温度控制以采用自动控制 为好 应尽量进行CO回收，以便于进行CO洗涤、补充酒中CO和以CO背压等。 发酵罐最好采用不锈钢材料制作，以便于清洗和杀菌，当使用碳钢制作发 酵罐时，应保持涂料层的均匀和牢固，不能出现表面凹凸不平的现象，使用过程 中涂料不能脱落。发酵罐要装有高压喷洗装置，

11、喷洗压力应控制在0.390.49MPa 或更高。1.2.3发酵罐温度控制工艺简介发酵罐是啤酒生产的主要设备之一， 罐内灌有百吨以上的麦汁，冷媒酵母在 罐内发生化学反应产生热量，使罐内麦汁温度上升。罐内设有三个测温点，传感 器采用Ptl00热电阻（RTD）,其铂电阻探头插入灌内0.5米左右。罐的外壁设置有 上、中、下三段冷却套和三台两位式电动阀。 通过电动阀调节冷却套内的冷媒体 流量以实现对罐内麦汁温度的控制。某厂的冷媒体采用液氨来降温。上、中、下 三台电动阀都可独立开关的，该厂情况较为特殊，上阀开关主要影响的是中部温 度，中阀开关主要影响下部温度，下阀安装在出口处附近，也就是说三个测温点 和三

12、套冷却套不是一一对应的。上部测温点由于安装过高，酒体（把主要由麦汁和酵母组成的发酵罐内的液体称之为酒体 ）较浅的话，测量的温度为气液混和物 的温度，因此一般不作为被控量，同样由于酵母沉积在发酵罐的锥底部，故下温也不宜作为被控量。所以以控制中温为主，兼顾上温和下温，以通过上阀控制为 主，以中阀为辅，如图1-2所示。在发酵的过程中，温度在不断的升高，当达到 上限温度时，要打开制冷设备，通过酒精在冷却管内循环使罐内的温度降下来。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

13、键。图1-2发酵罐工艺示意图2锥形发酵罐温度控制系统2.1啤酒发酵温控系统设计根据发酵罐的结构以及发酵工艺特点， 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发酵罐温度。发酵罐中温度串级控制系统图如下所示：图2-1锥形发酵罐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 路的关系以及主副调节器控制规律的选择及其正反作用方式的确定等问题。2.1.1发酵温控系统主、副被控参数的选取设计被控系统时，选取的参数要能有效的反映工艺状况。根据工艺主参数为 发酵罐中麦汁的温度。而副参数的选取是串级控制系统的关键所在， 副回路设计的合理和否决定了 串级控制

14、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，副回路包含被控对象所受的主要干扰， 当对象具有较长纯滞后时间时，应尽量将纯滞后部分包含在主对象中。 因此，选 取冷却液的流量作为副被控参数，构成如图所示的串级温度控制系统框图。图3-2发酵罐中温度控制系统方框图2.1.2主、副调节器调节规律的选择串级控制系统中主副调节器的类型是根据控制要求进行选择的。（1）主调节器调节规律的选择在串级控制系统中，主参数是生产工艺的主要指标，直接关系着产品质量， 工艺要求比较严格。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

15、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。2.1.3主、副调节正、反作用方式的选择为保证串级控制系统的正常运行，串级系统中主、副调节器的正、反作用 必须正确选择。副调节器的正反作用只和副回路有关，和主回路无关。根据工艺 要求，为保证产品质量，调节阀选择关闭形式，其放大系数为“-”，当阀门开度 增大时，进入冷却套的

16、流量增加，则副对象的放大系数为“+”根据副环放大系数符号为“ +”的原则，副调节器为“-”，所以选择正作用方式。主调节器的正反作用只取决于主对象放大系数符号。主对象的输入信号是 液氨的供给流量，输出信号是发酵罐内部区域的温度。 当液氨流量增大时，罐体 对应区域温度下降，因此主对像放大系数为“-”，主调节器的放大系数为“-”。 所以主调节器选择正作用方式。2.2 串级系统的整定串级系统的整定方法比较多， 逐步逼近法、 两步整定法和一步整定法等。 整 定的顺序都是先整副环后整主环。在这里采用一步整定法， 所谓一步整定法就是根据经验先将副调节器参数设 置好，不再变动，然后按一般单回路系统的整定方法直接整定主调节器参数。具体步骤：