最新发酵罐的温度控制系统

发酵罐的温度控制系
统
内蒙古科技大学信息工程学院
测控专业生产实习报告
引言
啤酒的原料是大麦。

大麦是世界上种植最早的谷物之一，它的产量在谷物排名上，位于小麦、玉米、稻谷之下，位居第四，并且大麦不是人类的主食，习惯上用作饲料。

啤酒是酒类中酒精含量最低的饮料，而且营养丰富，人们适量饮用时对身体是影响相对较小。

在1972年世界第九次营养食品会议
上，曾推荐啤酒为营养食品，也有人把啤酒称作营养食品、可口食品、卫生食品、方便食品等。

而本次去雪鹿啤酒厂,了解了啤酒的生产过程。

而啤酒发酵，是放热放应的过程，随着反应的进行，罐内的温度会逐渐升高，随着二氧化碳等的产物不断升高，密闭罐内的压力也会随着升高，然而为了使啤酒有更好的品质，需要让发酵罐的温度根据工艺温度曲线变化。

随着微处理器等的发展，PLC已经在工业领域得到广泛应用，根据PLC技术，利用PID控制算法设计了发酵罐温度自动控制系统……
一、总论
1、企业背景
雪鹿啤酒厂：燕京啤酒(包头雪鹿)股份有限公司作为中西部地区第一大啤酒生产企业, 占地面积14.15万平方米，是内蒙古自治区首家通过质量管理体系，环境管理体系及食品安全管理体系，“三标一体”化认证的啤酒生产企业，产品取得了国家绿色食品和QS认证标志，是自治区高新技术企业。

在2010年中
国酒类流通协会、中华品牌战略研究院共同主办的，“华樽杯” 中国酒类品牌价值评议中，其品牌价值为17.39亿，在国内啤酒类行业位于第15位。

在内蒙古酒类行业里品牌价值名列第二。

"华樽杯"酒类品牌价值评议是酒类行业里最有最权威，最专业的无形资产评估。

2、酿造啤酒的原料
酿造啤酒的主要原料是大麦，水，酵母，酒花。

3、工艺流程
啤酒生产工艺流程可分为制麦、糖化、发酵、包装四个工序。

现阶段常用生产工艺流程如下：
1）制麦过程：大麦必须通发芽过程将内含的难溶性淀料转变为用于酿造工序的可溶性糖类。

大麦收获后储存2至3个月，经风选或筛选除杂，永磁筒去铁，比重去石机除石，精选机分级，才能进麦芽车间进行麦芽制造。

而它的主要过程为：洗麦吸水、发芽箱发芽（成为绿麦芽）、干燥塔/炉（烘干）、除根机（去根）最后制成麦芽成品。

而这个过程需要10天左右……
2）糖化过程：麦芽、大米等原料输送到糖化楼顶部，经过去石、除铁、定量、粉碎后，进入糊化锅、糖化锅糖化分解成醪液，经过滤槽过滤，然后检验麦汁，合格后进入麦汁暂存槽储存，加入酒花，然后进入煮沸锅煮沸，煮沸后再进入沉淀槽沉淀之后冷却…..
3) 发酵过程：是啤酒酵母在一定的条件下，利用麦汁中的可发酵性物质而进行的正常生命活动，其代谢的产物就是所要的产品--啤酒。

由于酵母类型的不同，发酵的条件和产品要求、风味不同，发酵的方式也不相同。

根据酵母发酵类型不同可把啤酒分成上面发酵啤酒和下面发酵啤酒。

一般可以把啤酒发酵技术分为传统发酵技术和现代发酵技术。

现代发酵主要有圆柱露天锥形发酵罐发酵、连续发酵和高浓稀释发酵等方式，目前主要采用圆柱露天锥形发酵罐发酵。

酵母恢复阶段，有氧呼吸阶段，无氧呼吸阶段。

酵母接种后，开始在麦汁充氧的条件下，恢复其生理活性，以麦汁中的氨基酸为主要的氮源，可发酵糖为主要的碳源，进行呼吸作用，并从中获取能量而发生繁殖，同时产生一系列的代谢副产物，此后便在无氧的条件下进行酒精发酵……
4）包装过程：
1、装瓶、装罐机：酿造好的啤酒先被装到啤酒瓶或啤酒罐里。

然后经过目测和液体检验机等严格的检查后，再被装到啤酒箱里出厂。

2、洗瓶机：洗净回收的啤酒瓶。

3、空瓶检验机：极其细小的伤痕也不会放过。

4、感官检查：在啤酒公司，每天新酿制的啤酒，都由专门的负责人员进行实际品尝。

二、发酵罐的温度控制系统
1、总体设计
它的温度控制选择了检测发酵罐的上、中、下段温度的方法，通过上、中、下3段液氨进口的两位式电磁阀来实现发酵罐温度控制，图如下
在这次设计中，采用闭环控制系统，采集电路从发酵罐中采集温度，通过模拟量控制模块，把采集的模拟信号转换成对应的数值信号送入PLC中，与给定的温度信号比较，经过PID运算，通过输出差值信号来调节电磁阀的开关状态，从而控制进入发酵罐冷却夹套中液氨的多少来调节发酵罐的温度。

1）被控对象中：啤酒发酵是在发酵罐中静态进行的，是由罐体、冷却带、保温层等部件组成。

啤酒发酵要严格的按着工艺曲线进行，否则就会影响啤酒质量。

为了有利于热量的散发，在发酵罐的外壁设置了上、中、下三段冷却套，
相应设立上、中、下三个测温点和三个偏心气动阀，通过阀门开度调节冷却套内的冰水流量以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，相应有3个冷媒阀门，通过控制流过冷却带的冷媒流量，控制发酵罐的温度。

在发酵的过程中，温度在不断的升高，当达到上限温度时，要打开制冷设备，通过酒精在冷却管内循环使罐内的温度降下来。

当发酵温度低于工艺要求的温度时，关闭冷媒，则啤酒按工艺要求继续发酵，整个发酵过程大约20多天完成。

因此，控制好啤酒发酵过程中温度及其升降速率是决定啤酒质量和生产效率的关键。

2）啤酒发酵温度曲线
它有自然升温、高温恒温控制、降温及低温恒温控制等三个阶段，设计以PLC为核心的啤酒发酵控制器。

每个控制器控制一个发酵罐。

具体的温度控制采用PID 算法实现。

PID控制以其简单可靠、容易实现、静态性能好等优点而广泛应用于实际工业过程中。

2、控制系统的硬件
系统中，采用PLC组成控制系统，由SIEMENS S7系列PLC（控制站）和若干台IPC（操作站）组成。

该系统采用3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。

控制站（下位机）下位机系统只需配置一套S7-200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、遥控和联锁等功能。

下位机系统具有可靠性高、扩展方便的特点。

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通信接口设备构成。

温度采集电路：输出标准电压+10V，RP1用于调零，RP2用于调满刻度。

AD590输出电流在R1和RP1上产生压降，该电压经过运算放大（R2+RP2）/（R1+RP1）倍后输出。

调整过程分别在0℃（冰水混合物中）和100℃（沸水中）两点温度进行，通过运算放大器A放大使输出灵敏度为100mV/℃，即在0℃时，调整RP1时输出0V，在100℃时，调整RP2使输出为10V。

3、控制系统的软件
发酵罐过程控制的程序框图
长定时程序
其中各阶段温度控制分为：
（1）进料阶段，温度保持在8℃。

（2）还原双乙酰阶段，温度保持在12℃。

（3）停留观察，温度保持在6℃。

（4）储酒阶段，将温度控制到-1℃，直到发酵周期结束。

对于工艺的要求，要符合流程的控制，其中包括温度采集、控制保护、控制过程保护。

4、总结
经过这次的两个星期的实习，我在迷茫中逐渐变得清晰，而上学期在啤酒厂实习的时候，发酵过程有许多要注意的东西，要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。

而啤酒的发酵过程则是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。

要是在平时，我们绝对不会去想这些是什么，是要干什么，结果是什么，目的是什么，更要注意什么等等许多的问题，而这次实习，让我们动脑，动手，看书，查资料，对于我们这样眼高手低的大学生，是个不错的经历，我只是希望老师们能够对我们在多一点耐心，这样我们会有更好的发挥。

参考文献：
[1]李忠虎：过程参数检测技术及仪表[M]. 北京：中国计量出版2009
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[3] 吴思方.发酵工厂设计概论[J].北京：中国轻工业出版社，2006，1
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[4] 刁玉伟，王立业.化工设备机械基础[J].大连：大连理工大学出版社，2003.1（第五版）。