啤酒发酵过程温度控制系统设计.docx

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啤酒发酵过程温度控制系统设计

控制系统课程设计

课题：

啤酒发酵过程温度控制系统设计

系别：

专业：

姓名：

学号：

指导教师：

河南城建学院

2013年月日

一、学生成绩

优秀

良好

中等

及格

不及格

二、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及平时表现综合评定）

指导教师：

日期：

目录

一、设计目的…………………………………………………………...1

二、设计要求…………………………………………………………...1

三、啤酒生产工艺简介………………………………………………...1

四、总体设计…………………………………………………………...3

1.啤酒发酵过程温控对象的特点………………………………….3

2.软件设计………………………………………………………….4

2.1主程序………………………………………………………..4

2.2数据处理模块…………………………………………….….5

3.抗干扰措施……………………………………………………….6

五、各部分电路设计……………………………………………..…….7

1.微处理器系统…………………………………………………….7

2.数据采集电路的工作原理………………………………….……7

3.蜂鸣器报警电路…………………………………………….……7

4.驱动电路………………………………………………………….8

六、整体电路图……………………………………………………..….8

七、设计总结……………………………………………………..…….8

1.设计过程中遇到的问题及解决方法…………………….………8

2.设计体会………………………………………………………….9

3.对设计的建议…………………………………………………….9

参考文献…………………………………………………………….….10

一、设计目的

通过本次课程设计，掌握课程设计相关步骤。

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。

使设计者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。

二、设计要求

设计一个计算机控制系统，根据啤酒发酵各阶段的温度要求进行控制，画出系统硬件组成的框图，写出控制算法。

三、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

温度/℃

发酵时间/天

图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0.30C/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。

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。

四、总体设计

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。

1.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：

（1）时滞很大

压力传感器

图1-2发酵罐工艺示意图

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。

2.软件设计

本系统软件设计采用结构化和模块化设计方法，便于功能扩展，程序可采用汇编语言进行编程。

程序模块主要包括：

主程序、PID数据处理、按键处理、温度采样与A/D转换、数字滤波、越限报警等子程序。

本文重点介绍主程序流程图和数据处理模块。

2.1主程序

控制系统主程序的流程图如图3所示。

本系统利用定时循环轮流对8个温度进行实时采样，为了能够实现温度的巡回测量，必须有相应的程序来选择温度输入通道。

用户可以通过键盘设定温度的上限值和下限值、偏差e（k）绝对值的设定值M、PID控制的系数kp、ki和kd等参数。

图3控制系统主程序的流程图

2.2数据处理模块

本温控系统采用的数字PID算法由软件实现，增量PID控制算法的优点是编程简单，数据可以递推使用，占用存储空间少，运算快。

但是对于温度这种响应缓慢、滞后性大的过程，不能用标准的PID算法进行控制。

当扰动较大或者给定的温度值大幅度变化时，由于产生较大的偏差，加上温控本身的惯性及滞后，在积分作用下，系统往往产生较大的超调和长时间的振荡。

因此，为克服这种不良的影响，采用积分分离法对增量PID算法进行改进。

当偏差e（k）绝对值较大时，暂时取消积分作用；当偏差e（k）绝对值小于某一设定值M时，才将积分作用投入。

1）当|e（k）|

偏差小，说明系统温度已经接近设定值，此时加入积分作用，可消除系统静差，保证系统的控制精度。

根据递增原理可得

U（k）＝kpｅ（k）+kiki＝0!

ｅ（i）+kd[e（k）-e（k-1）]（１）

式中：

e（k）=r（k）-y（k）为第ｋ时刻所得偏差信号，rk是给定值，yk是实际输出值；kp为比例增益，ki为积分系数，kd为微分系数。

则增量式ＰＩＤ控制算法为

Δu（k）＝kp[e（k）-e（k-1）]+kie（k）+kd[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）]（２）

2）当|e（k）|≥M时，用PD控制。

由于偏差大，说明系统温度远离设定值，应快速降温，采用PD控制，可以提高系统的动态响应速度，避免产生过大的超调，减小动态误差。

数据处理程序流程图如图4所示。

图4数据处理程序路程图

3.抗干扰措施

在硬件方面的抗干扰措施有：

①在电源输入端设置低通滤波器，滤去高次谐波成份。

②在温度传感器两端，以及其它地方使用压敏电阻器，吸收不同极性的过电压。

③在运行现场进行电磁干扰试验，对试验结果进行概率统计分析，并通过精心选择元器件、采用抗干扰技术使干扰源产生的电磁干扰降至最小。

④采用了AT89S52中的看门狗定时器，提高系统硬件抗干扰的能力。

在软件方面的抗干扰措施有：

①在程序设计时，将各程序模块分区存放，彼此之间空出一些存储单元，在这些单元中填充FF（RST指令）。

同时对程序中重要的跳转和调用子程序指令前均加入三个NOP指令，以保证程序流向的正确性。

②利用平均滤波法求取平均值。

将最近6次采样得到的温度值，去除最大值和最小值，求算术平均值。

五、各部分电路设计

1.微处理器系统

AT89S52单片机为主控制器件。

AT89S52是ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS8位单片机，它除正常工作外还可工作于低功耗的闲置和掉电模式，进一步减少了芯片的功耗。

单片机首先根据已经测量的数值计算出温度偏差，然后进行PID控制并计算出相应的控制数据量，将控制数据量输出到D/A转换器。

AT89S52还负责按键处理、液晶显示以及与上位机进行通信等工作。

本系统采用8155A芯片来扩展键盘和液晶显示，用MAX232实现RS-232C标准接口通信电路。

键盘主要负责温度控制范围和PID控制参数的输入；液晶显示器采用LMC128X64液晶显示模块，把温度控制结果显示在液晶屏上。

2.数据采集电路的工作原理

温度传感器使用集成温度传感器LM35，它的灵敏度为10MV/℃，即温度为10℃时，输出电压为100mV。

常温下测温精度为+/-0.5℃以内，消耗电流最大也只有70μA。

本文采用±5V双电源供电方式，电路简单，不需要对LM35的输出进行调整。

将LM35的输出电压放大5倍（注：

根据发酵温度的变化范围和温度传感器的灵敏度，将电压放大器的电压放大倍数整定为5倍），使放大器输出电压限制在不大于5V的范围（给定温度对应值要在5V范围之内），以便与单片机的电平相匹配。

放大电路采用集成运放组成，如TLC2272等。

由于温度信号为缓慢变化的信号，对A/D转换速度要求不高，可选用价廉的集成A/D芯片ADC0809。

ADC0809将经过5倍电压放大的电压模拟量转化成与其大小成正比的数字量，并送给单片机。

3.蜂鸣器报警电路

系统时刻检测发酵温度值，出现异常时启动蜂鸣器报警。

蜂鸣器报警电路由晶体管和蜂鸣器组成。

由单片机I/O口输出信号控制晶体管的导通或截止，晶体管导通，则蜂鸣器报警。

4.驱动电路

DAC0832输出的0-5V的电压经过放大器放大为0-10V的电压。

由于DDZ-III型电动角形阀的控制信号是4-20mA直流电流信号，因此需要将电压信号转换成相应的电流信号。

V/I转换电路使用集成电路AD694。

DDZ-III型电动角形阀以单相交流220V电源为动力，接受4-20mA直流信号，自动地控制阀门的开度，从而达到对冷却酒精水流量的连续调节，实现发酵罐内温度的控制，使实际温度向着给定温度变化并最终达到给定温度。

六、整体电路图

本系统主要由AT89S52单片机、温度采集与A/D转换电路、8155扩展电路、液晶显示接口、键盘接口、蜂鸣器报警电路、串口通信电路、DAC0832、电压放大和V/I转换等单元组成。

控制系统硬件组成框图如图5所示。

图5控制系统硬件结构框图

七、设计总结

1.设计过程中遇到的问题及解决方法

啤酒发酵过程中由于发酵液自身的生化反应、罐内的自然对流以及发酵液与冷带以及外界环境之间的热交换，使得被控对象具有时滞性和时变性特征，而且发酵罐内的温度场分布难以精确建模。

通过对PID算法中各控制参数的整定和采用积分分离方法，消除了系统的振荡和超调现象，实现了温度的相对精确控制。

此啤酒发酵温度控制系统不但有现场的温度液晶显示和按键控制，还通过单片机串口将测得的温度值传递给上位机，实现了远程的温度显示与控制。

2.设计体会

本次设计让我深刻的理解了一些在学习中没有理解的知识。

多次的查阅资料，使我了解了啤酒发酵过程温度控制系统的相关知识。

本次设计对我影响深远，在以后的工作中，我会牢记老师的教导来服务社会。

在这次课程设计中，我们结合所学知识以及查阅的资料，将理论与实际相结合，不仅了解了生产过程的复杂，更加深刻的掌握了理论知识。

3.对设计的建议

啤洒发酵是一个复杂的生物化学反应过程。

发酵期间，根据酵母的活动能力，繁殖快慢，确定发酵给定的温度。

要使酵母的繁殖与哀减，麦汁中糖度的消耗和双乙酞等杂质含量达到最佳状态，必须严格控制发酵各个阶段的温度。

因此，啤洒发酵过程，除生产工艺水平外，生产工序控制指标的优劣，将直接影响啤洒生产的质量，必须严格加以控制。

参考文献

［１］张艳兵，王忠庆，鲜浩．计算机控制技术．北京：

国防工业出版社，2006

［２］徐凤霞，赵成安．ＡＴ８９Ｃ５１单片机温度控制系统．齐齐哈尔大学学报，2004

［３］赵丽娟，邵欣．基于单片机的温度监控系统的设计与实现．机械制造，2006

［４］何立民．ＭＣＳ－５１单片机应用系统设计．北京：

北京航空航天大学出版社，1995

[5]张毅刚，彭元喜，彭宇.单片机原理及应用.北京：

高等教育出版社，2010

［6］赖寿宏.微型计算机控制技术.北京：

机械工业出版社，2000