计算机控制技术即啤酒发酵罐温度控制系统

无锡太湖学院 《计算机控制技术》 大作业报告 专业XXXXXXXXXX 学号 XXXXXXX 姓名 XXXXXX 日期20XXXXXX 1 1 大作业内容及任务大作业内容及任务 1.11.1 问题阐述问题阐述 麦汁发酵过程是啤酒生产中的一个重要环节， 同时也是一个复杂的生物化学 过程。目前的处理方法多是在麦汁发酵期间，根据酵母的活动能力，生长繁殖快 慢，确定发酵给定的温度曲线如下图所示。要使酵母的繁殖和衰减、麦汁中糖度 的消耗等达到最佳状态，必须严格控制各阶段的温度、压力、pH 值、溶解氧等 条件。今对压力、pH 值、溶解氧等条件暂不关注，只考虑温度的控制问题，使 其在给定的温度曲线的±0.5℃范围内。现设某啤酒厂有一个锥形啤酒发酵罐， 锥体由上下两部分组成，下部分是圆柱体，上部分是圆锥体。发酵期间当罐内温 度低于给定温度时，要求关闭冷却带阀门，使之自然发酵升温；反之，则接通冷 却带阀门，自动将冷却酒精打入循环带使之降温，直至满足工艺要求。发酵期间 锥形发酵罐控制上、中、下三部分的温度，温度曲线见下图。 图 1发酵温度工艺设定曲线 1.21.2 设计目的设计目的 通过本次大作业设计，掌握计算机控制技术设计相关步骤。考查学生动手能 力和对所学知识的掌握程度，以及学生的查阅和收集信息能力。使学生熟悉本设 计的相关知识及培养解决设计过程中可能遇到问题的能力。 1.31.3 设计要求设计要求 根据啤酒发酵过程，完成作业内容及任务、对作业的认知或解读、系统方案 设计——系统结构模型框图、系统硬件元器件选型、硬件设计、数字控制器的设 计、系统软件设计——程序流程图、抗干扰分析、心得体会和参考文献。 2 2 对作业的认知或解读对作业的认知或解读 2.12.1 啤酒生产工艺简介啤酒生产工艺简介 啤酒生产过程主要包括糖化、发酵以及过滤分装三个环节。 2.1.12.1.1 糖化糖化 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。 2.1.22.1.2 发酵发酵 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。 啤酒发酵是个放热过程， 如不加以控制， 罐内的温度会随着发酵生产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 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 2～3 天后进入发酵最为旺盛的高泡期再经过 2～3 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 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。 2.1.32.1.3 啤酒的过滤和灌装啤酒的过滤和灌装 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。 3 3 系统方案设计——系统结构模型框图系统方案设计——系统结构模型框图 啤酒发酵温度采用传统的手动操作控制，啤酒质量差，生产效率低，劳动强 度大，酒损严重，不能灵活地修改工艺参数。为此我们以 AT89S52 单片机芯片为 核心， 研究和设计了数字化的啤酒发酵过程计算机控制系统，很好地解决上述问 题。 3.13.1 啤酒发酵过程温控对象的特点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 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： 图 2 发酵罐工艺示意图 (1)时滞很大 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 5～30min 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