啤酒發(fā)酵自動控制解決方案

啤酒發(fā)酵自動控制解決方案一、概述：近年來，我國的啤酒需求量日趨增長，為適應這一市場需求，國內各啤酒生產廠家均在努力擴大生產規(guī)模，降低生產成本，提高產品質量。而現在國內一些中小企業(yè)的啤酒生產狀況仍較落后，自動化程度低，甚至大部或全部仍處于手工操作。在全部生產過程中，糖化、發(fā)酵過程是個非常復雜的生化過程，其中時間、溫度、壓力、流量等參數控制得是否恰當直接關系到啤酒的產量、質量和消耗。因此，提高該工藝過程的控制水平，無疑是解決問題的關鍵。我們浙江浙大中自集成公司根據對啤酒生產工藝的深入了解，在廠、校專家、教授、工程技術人員的通力合作下，成功地開發(fā)了啤酒糖化、發(fā)酵自動化控制系統。該系列控制系統是浙江浙大中自集成公司自行開發(fā)的高新技術產品，它集自動化儀表技術、自動控制理論、微機控制技術、微機網絡技術、集散系統技術于一體，具有自動化程度化高、結構緊湊、操作簡單方便、可靠性高等特點。本系統的使用大大減輕了工人的勞動強度，由于發(fā)酵溫度可以嚴格按工藝設定曲線運行，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，保證產品質量的長期穩(wěn)定，由于系統可以長期保持運行數據，大大提高了管理水平。二、啤酒工藝過程：啤酒生產過程主要分為：制麥、糖化、發(fā)酵、罐裝四個部分。一般講啤酒自動化，主要是指糖化和發(fā)酵過程的自動化。三、控制系統簡介：浙江浙大中自集成控制股份有限公司在廣泛的用戶調查、專家訪談、市場調研與行業(yè)分析的基礎上，吸收浙江大學工業(yè)自動化國家工程研究中心、浙江大學工業(yè)控制技術國家重點實驗室、浙江大學工業(yè)控制技術研究所數十年的科研成果，基于浙大中自長期的科技攻關與技術創(chuàng)新實力，并結合其豐富的系統集成與工程應用經驗，經過不斷分析總結、開發(fā)創(chuàng)新、測試改進與考核完善，成功推出了新一代Suny系列集散控制系統。Suny系列集散控制系統采用尖端的電子技術、儀表控制技術、現代控制理論，吸取迄今為止的各種控制系統的長處，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。具有先進控制策略、圖形操作界面和在線實時組態(tài)工具；實現工業(yè)過程的實時監(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；是一種實現各行各業(yè)復雜多樣工業(yè)自動化構想的新型計算機控制系統。特別適合于國內企業(yè)組建控制系統和對現有控制設備進行技術改造，如工業(yè)窯、環(huán)保設備、反應器、精鎦塔、加熱爐、發(fā)酵罐、食品機械、干燥器、蒸發(fā)器、造紙機、以及中小型鍋爐等類似控制要求的工業(yè)設備或工業(yè)過程。四、糖化過程的自動化4、1工藝簡介：原料(大米、麥芽)經除塵、粉碎、調漿后送入糊化、糖化鍋內，并嚴格按照一定的工藝曲線進行升溫、保溫，在酶的作用下，使麥芽(包括輔料)充分溶解出來，然后，將麥汁與麥糟過濾分離。過濾后的麥汁經煮沸、蒸發(fā)、濃縮以達到要求的濃度，同時在此過程添加酒花，煮沸后的麥汁送入旋流沉清槽旋流沉清后，經薄板冷卻器冷卻至8℃4、2控制系統結構及硬件選型：糖化過程自動控制系統是由CRT操作站、控制站、現場儀表及執(zhí)行機構組成，如圖(一)所示，系統容量為：AI：48AO：16DI：288DO：192CRT操作站是由一臺操作員站、一臺工程師站、兩臺大屏彩顯、一臺打印機、通訊卡及相應軟件組成。操作員及工程師站選用我們DLL公司的計算機?？刂普臼怯蒘unyPLC300可編程控制器構成，分布式I/O結構，SunyPLC300與CPU以以太網方式通訊，遵從IEEE802。3協議，通訊速率為10Mbps。I/O擴展用RS485，有四種速率可選?，F場儀表及執(zhí)行機構的選型主要考慮快速、準確、可靠、衛(wèi)生及無泄漏。測溫元件選用鎧裝鉑電阻，反應速度快；液位、變送器選用高性能的變送器，齊平膜片結構防堵、衛(wèi)生；物位儀表、流量計、調節(jié)閥等儀表要求其調節(jié)性能好，無泄漏。4、3系統功能及特點分布式I/O結構，通訊速度快。計算機及SunyPLC300功能強大，速度快，信息存儲量大，數據處理能力強。擴容方便。除系統設置畫面外，實際使用時，有流程圖、數據總表、工藝曲線、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線、數據報表、系統報警、打印管理等畫面。4、4控制關鍵：為了能夠提高啤酒產量及質量，降低能耗，必須實現整個生產過程的自動順序控制，包括從原料粉碎至麥汁冷卻、CIP自動清洗等。關鍵工藝參數必須控制得當，否則難以保證啤酒質量，關鍵控制點及控制方案如下：4、4、1投料水及洗糟水溫度控制此為簡單的單回路調節(jié)，一次元件選用鎧裝鉑熱電阻能迅速反應冷熱水混合后的溫度，通過PLC控制合流三通閥調節(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個采樣周期給定溫度值Q(k)——第K個采樣周期實測溫度值其控制框圖如下：根據被控制對象的特點，在PID算式上進行特殊處理：A．系統在保溫階段Qr(k)不變，采用PI控制方式；B．升溫時采用PID算式；C．折點提前關閥門：D．對U(k)和閥位輸出進行限幅處理。4、4、3過濾麥汁流量調節(jié)過濾速度的快慢直接影響糖化批次，所以過濾麥汁流量的控制就顯得異常重要，過濾麥汁流量的大小主要是根據麥汁濁度來確定的，但目前國內生產的濁度計質量不理想而國外同類產品價格太昂貴，在控制中我們放棄了濁度這一參數，根據過濾麥汁流量的經驗曲線和糟層阻力的大小建立一專家控制系統，保證麥汁快速過濾。五、發(fā)酵罐的自動化：麥芽汁被送到發(fā)酵罐群，隨后，酵母加入到麥芽汁。根據啤酒的類型和體積，計算機根據預定的配方，自動添加多少酵母。溫度也是關鍵的。這時，計算機將根據特定的溫度控制曲線，自動控制發(fā)酵容器的介質溫度，（兩周）。然后在一個溫控室中的容器里貯藏。（四周），最后進行瓶裝和罐裝。5、1發(fā)酵罐的生產技術要求：a、罐頂壓力顯示；b、多個溫區(qū)溫度的顯示與控制；控制精度0.2c、每溫度區(qū)可預置24個程序段；d、系統有手動和自動二種控制方式；e、各參數上、下限超限報警；f．可根據需要擴展監(jiān)控罐群的容量。5、2系統結構示意圖：5、3控制難點及要求：發(fā)酵罐的溫度控制是關鍵，溫度高，有可能導致酵母死亡；溫度過低，會使酒齡增長，增加了成本。它是由升溫段、保持段、降溫段控制構成；控制系統嚴格按溫度控制曲線，控制冷、熱媒質進出量，以保證生產介質轉化成合格產品的外部條件。操作過程要素及模擬的控制曲線如下：動作過程如下：可以通過控制系統的支持功能，來進行溫度曲線的靈活控制,斜坡功能塊最多可產生多達24個斜坡輸出，算法的輸出作為副回路的設定值。副回路掛接一個PID算法控制回路，使PID回路的設定值可以按照設定的斜坡曲線隨時間變化改變。斜坡算法有下列主要參數是：時間單位TimUnit（秒、分鐘、小時）、時間范圍TimSpan（小時數）、24條斜坡線段（TIM0~TIM24和OUT0~OUT24）、回路方式Mode（手動方式、自動方式）、斜坡時間Time、斜坡控制結束后的操作EndMode、手動輸出MOUT等。六、系統效