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生物工程设备结课论文
基于PLC的啤酒发酵温度控制系统
简介
AbriefintroductionofbeerfermentationtemperaturecontrolsystembasedonPLC
学院：
生物工程学院
专业：
生物工程（微生物）
指导老师：
乔长晟
学号：
1104s115
姓名：
丁娟娟
引言
啤酒发酵是一个复杂的微生物代谢过程，是啤酒生产过程中一个非常重要的环节，该环节的控制直接影响到啤酒的口味，与产品销售和酒厂效益有着密切的关系。
另外，啤酒发酵的过程,也是微生物菌体生长代谢的过程。
微生物的代谢和生长于酶的活性相关。
发酵罐的温度直接影响到酶的活性,在适宜的温度下,酶处于正常活性范围,菌体正常代谢繁殖,经过一段时间的发酵,把麦汁原味转变为啤酒原味。
发酵罐温度过高,酶的活性增强,菌体繁殖过快,代谢物分泌过多,影响发酵;发酵罐温度太低,酶失去活性,菌体不能正常的繁殖,同样影响发酵。
因此,不适宜的温度会影响啤酒的发酵,从而影响啤酒的质量和口味,导致啤酒销量降低,企业利润减少。
由此可见,温度控制,在啤酒发酵过程中,具有重要作用。
传统工艺采用人工定时观察温度计的办法，凭经验手控冷媒阀门和发酵温度，不仅劳动强度大，而且容易遗漏观测数据或产生数据误差，造成数据不完整或不准确，也难以及时了解工艺过程实时变化的情况。
本文叙述的温度控制系统,采用计算机和PLC（ProgrammableLogicController，可编辑逻辑控制器）组成上下位机相协调的控制系统,可以对发酵罐的温度进行实时监测和控制,并对有些参数进行显示,存储,打印和报警,优化发酵工艺,减低生产成本,提高生产效益。
1啤酒发酵温度控制系统简介
1.1啤酒生产工艺简介
在啤酒工业的生产过程中,主要的三个环节是:
糖化、发酵和过滤。
（1）糖化
糖化就是把制作啤酒的主要原材料与温水混合,麦芽中含有的水解酶通过分解反应把原料中的淀粉和蛋白质转化为可溶性低分子糖类、氨基酸、陈、肚等物。
质,这就是发酵原液:
麦汁。
（2）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
、
、
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成热的产生为逐渐上升。
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曲线如图1-1所示。
不同品种、不同工艺要求的温度控
制曲线会有所不同。
图1-11是一个典型的发酵温度工艺控制曲线。
图1-1发酵温度的工艺图设定曲线
如图1.1所示,发酵阶段可分为前酵阶段和后酵阶段。
1.前酵阶段
普通啤酒在前酵阶段,一般要求控制在12℃左右。
2.后酵阶段
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,
把罐内发酵温度从5℃降到0一1℃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。
3.过滤及灌装
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。
1.2啤酒发酵过程的温度控制工艺要求
对温度的控制,目前国内主要采用三段冷媒进行降温。
所用的冷媒主要有酒
精、乙二醇、丙三醇等。
根据发酵的不同进程,可将发酵过程分为主发酵期、双乙酞还原期、降温期及贮酒期四个阶段。
在这几个阶段中,对温度的控制有不同的要求:
（l）主发酵阶段和双乙酞还原阶段的控制要求
这个阶段发酵旺盛,产生大量
由于发酵罐中下部
梯度高于上部,
从而形成了
气体的对流搅拌作用,使罐内发酵液由下向上流动。
所以这个阶
段温控应以上部为主,使锥顶温度低于锥底温度,即控制上低下高,同时使上下
保持0.5~1.0℃的温度差,以加快酒液的对流,使酵母充分悬浮到酒液中参与发
酵,从而促进发酵的顺利进行。
（2）降温期的温度控制要求
双乙酞含量是啤酒是否成熟的重要指标。
当双乙酞含量奎0.13mg/Kg时,即
可对发酵液进行降温。
在降温阶段,温度的控制应以下部为主,使锥顶温度大于
锥底温度,即控制上高下低,以促进酵母的沉降及酵母的回收和酒液的稳定。
另外,温度的控制要有个提前量。
在降温开始和降温结束时,应提前打开或
关闭冷却冰水。
提前量一般为0.5℃左右,这样才能保证温度的准确控制。
（3）贮酒阶段
当酒液温度降至0℃后,即进入贮酒阶段。
贮酒的目的是为了澄清酒液,饱
和
，改善啤酒的胶体稳定性。
所以这段温控应以三段平衡为主,以便保持酒
体的稳定。
需要注意的是，在生产中,禁止使进入贮酒期的酒液温度上低下高,这会使己沉降的部分酵母又重新悬浮到酒液中,导致酵母发生自溶,不但过滤困难,而且使啤酒有很重的酵母味,对酒的质量产生严重的影响。
1.3啤酒发酵过程的温度控制系统的特点与要求
啤酒发酵过程温控对象的特点
图1-2圆筒椎体发酵罐示意图
发酵罐是啤酒生产的主要设备,图2.2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。
该主要有以下几个方面的特点:
时滞很大、时变性、大时间常数、强关联。
1.4啤酒发酵温控系统的基本控制要求
我们知道,根据麦芽发酵的反应规律来控制发酵的温度和时间是保证发酵过程正常安全地进行,提高啤酒质量和口味的关键。
对于温度控制系统来说,基本的控制要求如下:
①实现发酵罐上、中、下液体温度和罐内压力以及冷却液管道阀门工作状态的实时测控;
②按工艺曲线实现发酵罐上、中、下温度可编程调节,有恒速升温段、保温段和恒速降温段三种控温线段;
③温度测量精度保证在士05℃以内,侧量范围为20一50℃;
④可实时显示发酵罐内温度、压力、液位以及冷却管道阀门状态;
⑤具有超偏报警功能;
⑥具有人机对话的按键,完成运行、停止等操作;并完成参数修改任务;
⑦具有掉电保护功能。
2啤酒发酵过程控制
基于啤酒发酵过程中温度变化的特点及以上要求，本文将简述一种新型的计算机温度控制系统PLC（ProgrammableLogicController，可编辑逻辑控制器）温度控制系统。
随着计算机技术的发展,可编程控制器具备了计算机的系统控制功能。
较之原来的控制器,PLC具有计算能力强,控制精度高,操作简单,适应性强以及维修方便等多种优势。
PLC与其扩展模块配合适用,简化了系统的硬件结构,降低了成本。
所以本文采用基于PLC的温度控制法,实现对发酵罐温度的控制。
2.1被控制的对象
啤酒发酵是在发酵罐中静态进行的，它是由罐体、冷却套、保温层等组成。
现在的啤酒发酵罐一般为圆锥状，容积较大，大部分在体120
~500
之间。
为了有利于热量的散发，在发酵罐外壁设有上、中、下三段冷却套,分别的设立了三个温度测控点。
在冷却套上,装有三个偏心气动阀,通过控制气动阀的开度,来调节冷却液的流量,从而实现对发酵罐的温度控制。
以阀门的开度为控制量，酒体的温度为被控制量，相应有3个冷媒阀门，通过控制流过冷却带来的冷媒流量，控制发酵罐的温。
另外在发酵过程中还会产生到一定量的二氧化碳，其浓度和量的大小会影响罐内压力和发酵温度，在发酵过程中必须保证对温度和压力进
行相应控制。
通过以上两方面的配合控制使发酵罐内部温度严格按照生产工艺要求温度变化，经过大约20天左右的发酵最终形成品质稳定的产品。
根据（图1.10啤酒发酵的温度变化要求，设计以PLC为核心的啤酒发酵控制器，具体算法采用PID（ProportionalIntegralDerivative,比例积分微分）算法实现。
2.2控制系统的硬件实现
发酵过程PLC控制系统结构如图2.1所示,由SIEMENSS7系列PLC（控制站）和若干台IPC（操作站）组成。
该系统采用三级总线结构:
底层链路为PROFIBUS-DP总线,连接远程I/O,机架,负责PLC、CPU（CentralProcessingUnit中央处理器）与分布式I/O站点的连接,现场设备就近连接到分布式I/O机架上。
图2-1发酵罐群PLC控制系统结构图
（1）控制站（下位机）
下位机系统只需配置一套S7-200（小型的可编程序控制器）或者S7-300PLC系统（根据系统规模而定）。
主要实现数据采集、自动控制、遥控和连锁等功能。
下位机具有可靠性高、扩展方便的特点。
（2）操作站（上位机）
上位机系统由两套以上的工业控制计算机结合相应的接口设备构成。
3控制系统的软件简介
3.1控制系统的组成
温度是生物工业生产中主要被控制参数之一。
温度控制系统的组成框架图如图3-1所示。
图中的控制机器即为PLC，它按PID控制规律来设计控制程序，PID调节器的输出量变换成PWM脉宽调制量，用于控制PLC的输出继电器，从而控制发酵罐的冷媒开关。
图3-1温度控制系统组成框图
温度测量元件采用线性度好且时间常数小的铂电阻来测量发酵罐温度,经温度变送器把温度转换成与其成比例的电压。
V/F转换器的作用是将温度转换器输出的电压转换成与其成比例的频率,该频率代表发酵罐内的实际温度。
用PLC内的高速计数器记录此频率,以便和温度的给定值相比较生成误差信号。
根据发酵工艺的要求,设计出发酵温度-时间曲线,输人可编程序控制器,使系统自动根据不同时间段的温度给定值进行调节。
整个系统设计如图3-2所示：
图3-2啤酒发酵控制系统主程序流程图
主程序开始先计算出实际该罐啤酒的发酵时间然后取出该段时间对应的标准温度值将标准温度值与实际温度值比较若相等则再次回到主程序入口进行下一轮的标准值查找若不相等则系统由CPU计算出相应的PID系数输出信号去控制电磁阀用电磁阀控制的气路打开或关闭冷媒阀进行温度调节。
该系统可用S7软件编程。
应用这些软件对整个系统进行组态随时可显示出整个发酵罐系统的结构，各个阀门的实时状态，可读出每个发酵罐各点的实际温度值，液位置等参数，对整个系统进行监控并有各种报警实时显示和温度控制情况曲线记录等，以便操作者及时掌握系统工作状况。
3.2.PLC闭环控制系统中PID控制器的实现
现已开发的系统常采用德国SIMENS公司的S7-300PLC为控制核心，可实现温度的采集与自动调节。
本系统要求实现12路温度控制，每一回路均为设定固定值控制。
根据实际要求选用相应的功能模块。
其中CPU模块选用CPU-314IFM其带有一个MPI接口，集成有20个数字输入端、16个数字输出端、4个模拟输入端、1个模拟输出端，内部集成PID控制功能块，可以方便的实现PID控制。
PID控制器是比例—积分—微分控制ProportionalIntegralDerivative的简称，之所以得到广泛应用是因为它具有以下优点：
（1）不需要精确的控制系统数学模型。
由于非线性和时变性很多工业控制对象难以得到其准确的数学模型因此不能使用控制理论中的设计方法。
对于这一类系统使用PID控制可以得到比较满意的效果；
（2）有较强的灵活性和适应性。
积分控制可以消除系统的静差微分控制可以改善系统得动态响应速度比例、积分和微分控制三者有效的结合就可以满足不同的控制要求。
根据被控对象的具体情况还可以采用各种PID控制的改进的控制方式如PI、PD、带死区的PID、积分分离PID、变速积分PID等；
（3）PID控制器的结构模型，程序设计简单，工程上易于实现，参数调整方便。
3.3PLC实现PID控制的方式
用PLC对模拟量进行PID控制时可以采用以下几种方法
（1）使用PID过程控制模块。
这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。
但是这种模块的价格较高一般在大型控制系统中使用。
（2）使用PID功能指令。
现在很多的PLC都有供PID控制用的功能指令如S7-200的PID指令。
他们实际上是用于PID控制的子程序，与模拟量输入/输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果，但是价格便宜。
（3）用自编的程序实现PID闭环控制。
有的PLC没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令，有的虽然可以使用PID控制指令，但是希望采用某种改进的PID控制算法。
在上述情况下，都需要用户自己编制PID控制程序。
另外，我们还需进行PID控制参数的调整，包括：
1.采样周期TS的确定；2.参数Kp、Ki、Kd的确定。
4结论
本文介绍的发酵罐自动控制系统经实践检验，系统达到设计要求，运行效果良好发酵温度符合工艺要求。
当实际温度偏离标准温度时，自控系统及时响应通过电磁阀去控制冷媒阀开启或关闭，发酵温度很快稳定在温度给定值上且发酵温度变化曲线平缓，系统调节偏差仅为士0.1℃，与传统的温度调节仪系统的调节偏差士1℃相比，控制质量大大提高。
在不久的将来，会广泛的应用于啤酒发酵温度的智能控制系统上。
随着科技的进步和计算机水平的不断提高，越来越多便捷的方法将会被用在生物工程设备的设计和改造上，这将会为生物的研究与发展提供更方便的手段。
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