啤酒發(fā)酵自動(dòng)控制解決方案

啤酒發(fā)酵自動(dòng)控制解決方案一、概述：近年來(lái)，我國(guó)的啤酒需求量日趨增長(zhǎng)，為適應(yīng)這一市場(chǎng)需求，國(guó)內(nèi)各啤酒生產(chǎn)廠家均在努力擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。而現(xiàn)在國(guó)內(nèi)一些中小企業(yè)的啤酒生產(chǎn)狀況仍較落后，自動(dòng)化程度低，甚至大部或全部仍處于手工操作。在全部生產(chǎn)過(guò)程中，糖化、發(fā)酵過(guò)程是個(gè)非常復(fù)雜的生化過(guò)程，其中時(shí)間、溫度、壓力、流量等參數(shù)控制得是否恰當(dāng)直接關(guān)系到啤酒的產(chǎn)量、質(zhì)量和消耗。因此，提高該工藝過(guò)程的控制水平，無(wú)疑是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。我們浙江浙大中自集成公司根據(jù)對(duì)啤酒生產(chǎn)工藝的深入了解，在廠、校專家、教授、工程技術(shù)人員的通力合作下，成功地開(kāi)發(fā)了啤酒糖化、發(fā)酵自動(dòng)化控制系統(tǒng)。該系列控制系統(tǒng)是浙江浙大中自集成公司自行開(kāi)發(fā)的高新技術(shù)產(chǎn)品，它集自動(dòng)化儀表技術(shù)、自動(dòng)控制理論、微機(jī)控制技術(shù)、微機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、集散系統(tǒng)技術(shù)于一體，具有自動(dòng)化程度化高、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)單方便、可靠性高等特點(diǎn)。本系統(tǒng)的使用大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，由于發(fā)酵溫度可以嚴(yán)格按工藝設(shè)定曲線運(yùn)行，消除了操作工人為因素的影響，提高了控制精度，確保了發(fā)酵工藝的正確執(zhí)行，保證產(chǎn)品質(zhì)量的長(zhǎng)期穩(wěn)定，由于系統(tǒng)可以長(zhǎng)期保持運(yùn)行數(shù)據(jù)，大大提高了管理水平。二、啤酒工藝過(guò)程：啤酒生產(chǎn)過(guò)程主要分為：制麥、糖化、發(fā)酵、罐裝四個(gè)部分。一般講啤酒自動(dòng)化，主要是指糖化和發(fā)酵過(guò)程的自動(dòng)化。三、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介：浙江浙大中自集成控制股份有限公司在廣泛的用戶調(diào)查、專家訪談、市場(chǎng)調(diào)研與行業(yè)分析的基礎(chǔ)上，吸收浙江大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化國(guó)家工程研究中心、浙江大學(xué)工業(yè)控制技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、浙江大學(xué)工業(yè)控制技術(shù)研究所數(shù)十年的科研成果，基于浙大中自長(zhǎng)期的科技攻關(guān)與技術(shù)創(chuàng)新實(shí)力，并結(jié)合其豐富的系統(tǒng)集成與工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)不斷分析總結(jié)、開(kāi)發(fā)創(chuàng)新、測(cè)試改進(jìn)與考核完善，成功推出了新一代Suny系列集散控制系統(tǒng)。Suny系列集散控制系統(tǒng)采用尖端的電子技術(shù)、儀表控制技術(shù)、現(xiàn)代控制理論，吸取迄今為止的各種控制系統(tǒng)的長(zhǎng)處，是集成綜合了智能儀表、多功能回路控制器、順序控制器、可編程控制器功能的集散控制系統(tǒng)。具有先進(jìn)控制策略、圖形操作界面和在線實(shí)時(shí)組態(tài)工具；實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)視、記錄、操作、管理，及其連續(xù)控制、邏輯控制、順序控制的綜合；是一種實(shí)現(xiàn)各行各業(yè)復(fù)雜多樣工業(yè)自動(dòng)化構(gòu)想的新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。特別適合于國(guó)內(nèi)企業(yè)組建控制系統(tǒng)和對(duì)現(xiàn)有控制設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，如工業(yè)窯、環(huán)保設(shè)備、反應(yīng)器、精鎦塔、加熱爐、發(fā)酵罐、食品機(jī)械、干燥器、蒸發(fā)器、造紙機(jī)、以及中小型鍋爐等類似控制要求的工業(yè)設(shè)備或工業(yè)過(guò)程。四、糖化過(guò)程的自動(dòng)化4、1工藝簡(jiǎn)介：原料(大米、麥芽)經(jīng)除塵、粉碎、調(diào)漿后送入糊化、糖化鍋內(nèi)，并嚴(yán)格按照一定的工藝曲線進(jìn)行升溫、保溫，在酶的作用下，使麥芽(包括輔料)充分溶解出來(lái)，然后，將麥汁與麥糟過(guò)濾分離。過(guò)濾后的麥汁經(jīng)煮沸、蒸發(fā)、濃縮以達(dá)到要求的濃度，同時(shí)在此過(guò)程添加酒花，煮沸后的麥汁送入旋流沉清槽旋流沉清后，經(jīng)薄板冷卻器冷卻至8℃4、2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件選型：糖化過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)是由CRT操作站、控制站、現(xiàn)場(chǎng)儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，如圖(一)所示，系統(tǒng)容量為：AI：48AO：16DI：288DO：192CRT操作站是由一臺(tái)操作員站、一臺(tái)工程師站、兩臺(tái)大屏彩顯、一臺(tái)打印機(jī)、通訊卡及相應(yīng)軟件組成。操作員及工程師站選用我們DLL公司的計(jì)算機(jī)?？刂普臼怯蒘unyPLC300可編程控制器構(gòu)成，分布式I/O結(jié)構(gòu)，SunyPLC300與CPU以以太網(wǎng)方式通訊，遵從IEEE802。3協(xié)議，通訊速率為10Mbps。I/O擴(kuò)展用RS485，有四種速率可選?，F(xiàn)場(chǎng)儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型主要考慮快速、準(zhǔn)確、可靠、衛(wèi)生及無(wú)泄漏。測(cè)溫元件選用鎧裝鉑電阻，反應(yīng)速度快；液位、變送器選用高性能的變送器，齊平膜片結(jié)構(gòu)防堵、衛(wèi)生；物位儀表、流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥等儀表要求其調(diào)節(jié)性能好，無(wú)泄漏。4、3系統(tǒng)功能及特點(diǎn)分布式I/O結(jié)構(gòu)，通訊速度快。計(jì)算機(jī)及SunyPLC300功能強(qiáng)大，速度快，信息存儲(chǔ)量大，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。擴(kuò)容方便。除系統(tǒng)設(shè)置畫面外，實(shí)際使用時(shí)，有流程圖、數(shù)據(jù)總表、工藝曲線、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表、系統(tǒng)報(bào)警、打印管理等畫面。4、4控制關(guān)鍵：為了能夠提高啤酒產(chǎn)量及質(zhì)量，降低能耗，必須實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)順序控制，包括從原料粉碎至麥汁冷卻、CIP自動(dòng)清洗等。關(guān)鍵工藝參數(shù)必須控制得當(dāng)，否則難以保證啤酒質(zhì)量，關(guān)鍵控制點(diǎn)及控制方案如下：4、4、1投料水及洗糟水溫度控制此為簡(jiǎn)單的單回路調(diào)節(jié)，一次元件選用鎧裝鉑熱電阻能迅速反應(yīng)冷熱水混合后的溫度，通過(guò)PLC控制合流三通閥調(diào)節(jié)冷熱水比例，可較好的完成溫度控制。4、4、2糊化、糖化鍋溫度控制由于兩鍋體積較大、溫度滯后大、很難獲得理想的溫度控制曲線。采用增量型PID算式進(jìn)行處理，獲得較好的效果，其算式如下：U(k)=A×E(k)-B×E(k-1)+C×E(k-2)式中A=K(1+T0/T1+Td/T0)B=Kc(1+2Td/T0)C=Kc(Td/T0)E(k)=Qr(k)-Q(k)式中Qr(k)——第K個(gè)采樣周期給定溫度值Q(k)——第K個(gè)采樣周期實(shí)測(cè)溫度值其控制框圖如下：根據(jù)被控制對(duì)象的特點(diǎn)，在PID算式上進(jìn)行特殊處理：A．系統(tǒng)在保溫階段Qr(k)不變，采用PI控制方式；B．升溫時(shí)采用PID算式；C．折點(diǎn)提前關(guān)閥門：D．對(duì)U(k)和閥位輸出進(jìn)行限幅處理。4、4、3過(guò)濾麥汁流量調(diào)節(jié)過(guò)濾速度的快慢直接影響糖化批次，所以過(guò)濾麥汁流量的控制就顯得異常重要，過(guò)濾麥汁流量的大小主要是根據(jù)麥汁濁度來(lái)確定的，但目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的濁度計(jì)質(zhì)量不理想而國(guó)外同類產(chǎn)品價(jià)格太昂貴，在控制中我們放棄了濁度這一參數(shù)，根據(jù)過(guò)濾麥汁流量的經(jīng)驗(yàn)曲線和糟層阻力的大小建立一專家控制系統(tǒng)，保證麥汁快速過(guò)濾。五、發(fā)酵罐的自動(dòng)化：麥芽汁被送到發(fā)酵罐群，隨后，酵母加入到麥芽汁。根據(jù)啤酒的類型和體積，計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)定的配方，自動(dòng)添加多少酵母。溫度也是關(guān)鍵的。這時(shí)，計(jì)算機(jī)將根據(jù)特定的溫度控制曲線，自動(dòng)控制發(fā)酵容器的介質(zhì)溫度，（兩周）。然后在一個(gè)溫控室中的容器里貯藏。（四周），最后進(jìn)行瓶裝和罐裝。5、1發(fā)酵罐的生產(chǎn)技術(shù)要求：a、罐頂壓力顯示；b、多個(gè)溫區(qū)溫度的顯示與控制；控制精度0.2c、每溫度區(qū)可預(yù)置24個(gè)程序段；d、系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)二種控制方式；e、各參數(shù)上、下限超限報(bào)警；f．可根據(jù)需要擴(kuò)展監(jiān)控罐群的容量。5、2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖：5、3控制難點(diǎn)及要求：發(fā)酵罐的溫度控制是關(guān)鍵，溫度高，有可能導(dǎo)致酵母死亡；溫度過(guò)低，會(huì)使酒齡增長(zhǎng)，增加了成本。它是由升溫段、保持段、降溫段控制構(gòu)成；控制系統(tǒng)嚴(yán)格按溫度控制曲線，控制冷、熱媒質(zhì)進(jìn)出量，以保證生產(chǎn)介質(zhì)轉(zhuǎn)化成合格產(chǎn)品的外部條件。操作過(guò)程要素及模擬的控制曲線如下：動(dòng)作過(guò)程如下：可以通過(guò)控制系統(tǒng)的支持功能，來(lái)進(jìn)行溫度曲線的靈活控制,斜坡功能塊最多可產(chǎn)生多達(dá)24個(gè)斜坡輸出，算法的輸出作為副回路的設(shè)定值。副回路掛接一個(gè)PID算法控制回路，使PID回路的設(shè)定值可以按照設(shè)定的斜坡曲線隨時(shí)間變化改變。斜坡算法有下列主要參數(shù)是：時(shí)間單位TimUnit（秒、分鐘、小時(shí)）、時(shí)間范圍TimSpan（小時(shí)數(shù)）、24條斜坡線段（TIM0~TIM24和OUT0~OUT24）、回路方式Mode（手動(dòng)方式、自動(dòng)方式）、斜坡時(shí)間Time、斜坡控制結(jié)束后的操作EndMode、手動(dòng)輸出MOUT等。六、系統(tǒng)效