啤酒发酵自动控制系统的设计

摘要

啤酒工业是我国食品工业中一个重要的产业部门，随着国民经济的发展和人民生活的改善，我国啤酒工业也得到了空前发展。尽管如此，我国的啤酒生产工业前存在许多不尽如人意的地方。由于啤酒生产的工艺复杂，目前我国大多数啤酒生产企业装备落后，自动化程度低，产品质量不稳定。如何提高啤酒生产的综合自动化水平，增强我国啤酒产业的综合实力是一个很好的研究课题。发酵过程是啤酒生产过程中的重要环节之一，本文针对实验室啤酒发酵装置技术装备落后、自动化程度低、产品质量不稳定以及啤酒发酵罐温度所具有的大时滞、强关联、时变、大时间常数和变量的特点，提出了AT89S52单片机为核心的数字化温度控制系统方案。在发酵罐中设置上、中和下三个测温点，控制系统对这三个测温点进行循环检测，然后检测到的温度信号送到单片机，由单片机通过具体程序对以上三个信号进行处理，通过本文设定的特殊控制算法决定每层控制阀的开度，从而实现了啤酒发酵罐内部麦汁三层温度的精确控制，进而解决了啤酒发酵罐内部温度控制精度不高的问题，提高了啤酒生产的综合自动化水平

本设计是利用毕业设计时间所学习的西门子PLC（S7-200）设计的啤酒发酵自动控制系统。本文针对啤酒发酵过程控制及其管理自动化的要求，提供了一整套的啤酒发酵过程集散控制系统的方案。文中介绍了系统的工艺流程、软件设计、PID回路设计。软件设计包括系统控制的梯形图、实现代码（指令表）及程序说明以及温度设定值的计算和PID回路计算。该设计编程容易，容易掌握。

关键词

PLC PID 啤酒发酵自动控制

目录

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第1章啤酒发酵自控系统总体设计 (1)

1.1功能分析 (1)

1.2控制原理分析 (1)

第2章啤酒发酵自控系统工艺流程 (1)

第3章啤酒发酵自控系统PLC选型和资源配置 (1)

3.1 PLC选型 (1)

3.2 S7-200主要功能及特点 (1)

3.3文本显示器TD200 (2)

3.4 TD200具有以下用途 (2)

3.5 PLC的I/O资源配置 (3)

3.6 PLC其他资源配置 (4)

第4章自控系统PLC程序设计 (1)

4.1 程序流程图设计 (2)

4.2 PLC功能模块程序设计 (3)

第5章啤酒发酵自控系统PLC程序说明 (1)

5.1 模拟量信号采集处理 (1)

5.2 发酵状态处理 (5)

5.3 温度设定值的计算 (10)

5.4 PID回路计算 (13)

5.5 电磁阀控制 (16)

第6章设计小结 (1)

致谢 (1)

参考文献 (1)

第1章啤酒发酵自控系统总体设计

1.1功能分析

目前，啤酒发酵通常采用锥形大罐“一罐法”进行发酵，即前酵，后酵以及储酒等阶段均在同一大罐中进行。前酵过程中，酵母通过有氧呼吸大量繁殖，大部分发酵糖类分解。在这一过程初期，反应放出的热量会使温度自然上升，随着反应的进行，酵母的活性变大，反应放热继续增加，双乙酵含量逐渐减少，而芳香酵含量增多。后酵是前酵的延续。进一步使残留的糖分分解成二氧化碳溶于酒内达到饱和；再降温到-1～0℃，使其低温陈酿促进酒的成熟和澄清。

啤酒发酵过程中，其对象特性是时变的，并且存在很大的滞后。正是这种时变性和大的时滞性造成了温度控制的难点，而发酵温度直接影响着啤酒的风味，品质和产量，因而控制精度要求较高。

温度，浓度和时间是发酵过程最主要的参数，三者之间相互制约，又相辅相成。发酵温度低，浓度下降慢，发酵副产物少，发酵周期长。因而必须根据产品的种类，酵母菌种，麦汁成分，控制在最短时间内达到发酵度和代谢产物的要求。

1.2控制原理分析

啤酒发酵对象的时变性，决定了发酵罐控制必须采用特殊的控制算法。由于每个发酵罐都存在个体的差异，而且在不同的工艺条件下，不同的发酵菌种下，对象特性也不尽相同。因此很难找到或建立某一确切的数字模型进行模拟和预测控制。

为节省能源，降低生产成本，并且能足够控制的要求，发酵罐的温度控制选择了检测发酵罐的上，中，下段3段的温度，通过上，中，下3段液氧进口的两位式电磁阀来实现发酵罐温度控制的方法。

对于采用外部冷媒间接换热方式来控制体积大，惯性大的发酵温度的情况，采用普通的控制方案极易引起大的起调和持续的震荡，很难取得预期的控制效果。在不同的季节，甚至在不同一季节的不同发酵罐，要求生产不同品种的啤酒，这样就要求每个罐具有各自独立的工艺控制曲线，这不仅要求高精度，高稳定性的控制，还需要控制系统有极大的灵活性。

第2章啤酒发酵自控系统工艺流程

根据锥形发酵大罐的特性将发酵的全过程分成多个阶段：麦汁进罐，自然升温，还原双乙酰，一次降温，停留观察，二次降温，低温储酒，各阶段温度的曲线图如图2-1所示。

温度

图2-1 温度的曲线图

在各阶段，对象的特征相对稳定，温度和压力的控制方面存在一定的规律性。在发酵开始前，根据工艺的要求领先设定工艺控制的温度，压力曲线；在发酵过程中，根据发酵进程的程度（发酵时间、糖度、双乙酰含量等），发酵罐上、中、下3段温度的差异，以及3段温度各自的变化趋势，自动正确选择各个阶段相应的控制策略，从而达到预期的控制效果。

下面对各个阶段进行简单地介绍：

1、麦汁进料过程：在这个过程中，由糖化阶段产生的麦汁原料经由连接管道由糖化罐进入发酵罐中。

2、自然升温过程：麦汁进料过程中，随着酵母的加入，酵母菌逐渐开始生长和繁殖。在这个过程中，麦汁在酵母菌的作用下发生化学反应，产生大量的二氧化碳和热量，这就使原料的温度逐渐上升。

3、还原双乙酰过程：在自然升温发酵过程中，化学反应产生一种学名叫双乙酰的化学物质。这种物质对人体健康不利而且会降低啤酒的可口程度，所以在这个过程杂红需要将其除去，增加啤酒的品质。

4、降温过程：在2、3过程中啤酒发酵已经完成，降温过程其实属于啤酒发酵的后续过程，其作用是将发酵过程中加入的酵母菌进行沉淀、排出。

5、低温储酒过程：降温过程完成以后，已经发酵完成的原料继续储存在发酵罐等待过滤、稀释、杀菌等过程的进行。