【解决方案】啤酒发酵自动控制解决方案.doc

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啤酒发酵自动控制解决方案
一、概述 ：

近年来，我国的啤酒需求量日趋增长，为适应这一市场需求，国内各啤酒生产厂家均在努力扩大生产规模，降低生产成本，提高产品质量。而现在国内一些中小企业的啤酒生产状况仍较落后，自动化程度低，甚至大部或全部仍处于手工操作。在全部生产过程中，糖化、发酵过程是个非常复杂的生化过程，其中时间、温度、压力、流量等参数控制得是否恰当直接关系到啤酒的产量、质量和消耗。因此，提高该工艺过程的控制水平，无疑是解决问题的关键。 我们浙江浙大中自集成公司根据对啤酒生产工艺的深入了解，在厂、校专家、教授、工程技术人员的通力合作下，成功地开发了啤酒糖化、发酵自动化控制系统。该系列控制系统是浙江浙大中自集成公司自行开发的高新技术产品，它集自动化仪表技术、自动控制理论、微机控制技术、微机网络技术、集散系统技术于一体，具有自动化程度化高、结构紧凑、操作简单方便、可靠性高等特点。本系统的使用大大减轻了工人的劳动强度，由于发酵温度可以严格按工艺设定曲线运行，消除了操作工人为因素的影响，提高了控制精度，确保了发酵工艺的正确执行，保证产品质量的长期稳定，由于系统可以长期保持运行数据，大大提高了管理水平。

二、 啤酒工艺过程：

啤酒生产过程主要分为：制麦、糖化、发酵、罐装四个部分。

一般讲啤酒自动化，主要是指糖化和发酵过程的自动化。

三、控制系统简介：

浙江浙大中自集成控制股份有限公司在广泛的用户调查、专家访谈、市场调研与行业分析的基础上，吸收浙江大学工业自动化国家工程研究中心、浙江大学工业控制技术国家重点实验室、浙江大学工业控制技术研究所数十年的科研成果，基于浙大中自长期的科技攻关与技术创新实力，并结合其丰富的系统集成与工程应用经验，经过不断分析总结、开发创新、测试改进与考核完善，成功推出了新一代Suny系列集散控制系统。
Suny系列集散控制系统采用尖端的电子技术、仪表控制技术、现代控制理论，吸取迄今为止的各种控制系统的长处，是集成综合了智能仪表、多功能回路控制器、顺序控制器、可编程控制器功能的集散控制系统。具有先进控制策略、图形操作界面和在线实时组态工具；实现工业过程的实时监视、记录、操作、管理，及其连续控制、逻辑控制、顺序控制的综合；是一种实现各行各业复杂多样工业自动化构想的新型计算机控制系统。特别适合于国内企业组建控制系统和对现有控制设备进行技术改造，如工业窑、环保设备、反应器、精镏塔、加热炉、发酵罐、食品机械、干燥器、蒸发器、造纸机、以及中小型锅炉等类似控制要求的工业设备或工业过程。

四、糖化过程的自动化

4、1工艺简介：原料(大米、麦芽)经除尘、粉碎、调浆后送入糊化、糖化锅内，并严格按照一定的工艺曲线进行升温、保温，在酶的作用下，使麦芽(包括辅料)充分溶解出来，然后，将麦汁与麦糟过滤分离。过滤后的麦汁经煮沸、蒸发、浓缩以达到要求的浓度，同时在此过程添加酒花，煮沸后的麦汁送入旋流沉清槽旋流沉清后，经薄板冷却器冷却至8℃左右送入发酵罐。
4、2控制系统结构及硬件选型：糖化过程自动控制系统是由CRT操作站、控制站、现场仪表及执行机构组成，如图(一)所示，系统容量为：AI：48 AO：16 DI：288 DO：192

CRT操作站是由一台操作员站、一台工程师站、两台大屏彩显、一台打印机、通讯卡及相应软件组成。操作员及工程师站选用我们DLL公司的计算机。
控制站是由SunyPLC300可编程控制器构成，分布式I/O结构，SunyPLC300与CPU以以太网方式通讯，遵从IEEE802。3协议，通讯速率为10Mbps。I/O扩展用RS485，有四种速率可选。
现场仪表及执行机构的选型主要考虑快速、准确、可靠、卫生及无泄漏。测温元件选用铠装铂电阻，反应速度快；液位、变送器选用高性能的变送器，齐平膜片结构防堵、卫生；物位仪表、流量计、调节阀等仪表要求其调节性能好，无泄漏。
4、3系统功能及特点
分布式I/O结构，通讯速度快。
计算机及SunyPLC 300功能强大，速度快，信息存储量大，数据处理能力强。
扩容方便。
除系统设置画面外，实际使用时，有流程图、数据总表、工艺曲线、实时趋势曲线、历史趋势曲线、数据报表、系统报警、打印管理等画面。

4、4控制关键：
为了能够提高啤酒产量及质量，降低能耗，必须实现整个生产过程的自动顺序控制，包括从原料粉碎至麦汁冷却、CIP自动清洗等。关键工艺参数必须控制得当，否则难以保证啤酒质量，关键控制点及控制方案如下：
4、4、1投料水及洗糟水温度控制
此为简单的单回路调节，一次元件选用铠装铂热电阻能迅速反应冷热水混合后的温度，通过PLC控制合流三通阀调节冷热水比例，可较好的完成温度控制。
4、4、2糊化、糖化锅温度控制
由于两锅体积较大、温度滞后大、很难获得理想的温度控制曲线。采用增量型PID算式进行处理，获得较好的效果，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个采样周期给定温度值
Q(k)——第K个采样周期实测温度值
其控制框图如下：

根据被控制对象的特点，在PID算式上进行特殊处理：
A．系统在保温阶段Qr(k)不变，采用PI控制方式；
B．升温时采用PID算式；
C．折点提前关阀门：
D．对U(k)和阀位输出进行限幅处理。
4、4、3过滤麦汁流量调节
过滤速度的快慢直接影响糖化批次，所以过滤麦汁流量的控制就显得异常重要，过滤麦汁流量的大小主要是根据麦汁浊度来确定的，但目前国内生产的浊度计质量不理想而国外同类产品价格太昂贵，在控制中我们放弃了浊度这一参数，根据过滤麦汁流量的经验曲线和糟层阻力的大小建立一专家控制系统，保证麦汁快速过滤。

五、发酵罐的自动化：

麦芽汁被送到发酵罐群，随后，酵母加入到麦芽汁。根据啤酒的类型和体积，计算机根据预定的配方，自动添加多少酵母。温度也是关键的。这时，计算机将根据特定的温度控制曲线，自动控制发酵容器的介质温度，（两周）。然后在一个温控室中的容器里贮藏。（四周），最后进行瓶装和罐装。
5、1发酵罐的生产技术要求：
a、罐顶压力显示；
b、多个温区温度的显示与控制；控制精度0.2℃。
c、每温度区可预置24个程序段；
d、系统有手动和自动二种控制方式；
e、各参数上、下限超限报警；
f．可根据需要扩展监控罐群的容量。

5、2系统结构示意图：

5、3控制难点及要求：发酵罐的温度控制是关键，温度高，有可能导致酵母死亡；温度过低，会使酒龄增长，增加了成本。它是由升温段、保持段、降温段控制构成；控制系统严格按温度控制曲线，控制冷、热媒质进出量，以保证生产介质转化成合格产品的外部条件。操作过程要素及模拟的控制曲线如下：

动作过程如下：

可以通过控制系统的支持功能，来进行温度曲线的灵活控制,斜坡功能块最多可产生多达24个斜坡输出，算法的输出作为副回路的设定值。副回路挂接一个PID算法控制回路，使PID回路的设定值可以按照设定的斜坡曲线随时间变化改变。斜坡算法有下列主要参数是：时间单位TimUnit（秒、分钟、小时）、时间范围TimSpan（小时数）、24条斜坡线段（TIM0~TIM24和OUT0~OUT24）、回路方式Mode（手动方式、自动方式）、斜坡时间Time、斜坡控制结束后的操作EndMode、手动输出MOUT等。

六、系统效果分析：

啤酒生产的自动化带来了可喜的经济效益，废品率降低了，物耗和能耗也大幅度节约；开发新产品灵活了；以人为本，减轻了一线工人的劳动强度；提高了劳动生产率，提高了企业参与市场竞争的能力。下面是我们承担的某啤酒厂糖化车间自控工程实施的前后对比：

糖化批次
产量（t）
粮耗（t）
利税（万元）
人员（人）
自控前
5.5
68310
15180
2800
62
自控后
8
84940
17001
3564
30

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