啤酒发酵工业中的信号检测与温度控制.docx

1、江苏大学本科毕业论文啤酒发酵工业中的信号检测与温度控制专业班级：电气 0802 学生姓名： 指导教师： 职称： 摘要 啤酒生产是我国的一个传统产业，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的发展。本文针对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、时变、多变量的特点，一方面提出了发酵罐中的信号检测，包括 pH，温度，压力，溶解氧等等 ,通过对这些量的检测控制来达到发酵过程的稳定进行；另一方面提出了以 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，然后将

2、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 PID 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系统控制精度不高的问题，提高了啤酒生产的综合自动化水平。关键词：啤酒发酵 信号检测 温度控制江苏大学本科毕业论文Signal Detection and Temperature Control In The Beer Fermentation IndustryAbstract Beer production is one of traditional industry in our countr

3、y. With the development of civil economy and the improvement of demotic living condition，beer industry has also been rapidly improved. The thesis aims at outdated beer ferment equipment, low automation, instable product quality and the wheat-liquor temperature in a ferment that has inherence charact

4、eristics of multivariable, uncertain, time-variant and large delay. On one hand, the article put forward the signal detection in the ferment, including pH, temperature, pressure, dissolved oxygen and so on, by the way of controlling of these quantities to achieve the stability of the fermentation pr

5、ocess; on the other hand the thesis puts forward the numeric temperature control system that depends on the principle of single chip AT89S52. There are three measure temperature points in a ferment，the temperature signals of the ferment that can be detected circularly by the control system will be s

6、ent to the single chip, and then the single chip will deal with the three signals by some specific programs and the opening of the control valves in the three layers is decided by some designed special control arithmetic. The three layer temperature of the ferment will be controlled precisely, conse

7、quently the low control precision of the beer ferment internal temperature system has been improved and the comprehensive automation level of beer production will be improved. At the same time, the communication strategy between a beer ferment equipment temperature control system and a computer has

8、been studied in the thesis, and the hardware and software of the system have been introduced in detail. System simulation has been done in the thesis about a laboratory ferment arithmetic model that based on the experiment status, and the control effect is better, so the system feasibility is valida

9、ted theoretically. The disquisition has some reference value to the temperature control system development of a small scale ferment equipment in a laboratory. Key words beer ferment signal detection temperature control江苏大学本科毕业论文目录第一章 绪论.1 1.1 啤酒发酵概述 .11.1.1 啤酒生产简介 .11.1.2 国内啤酒发酵生产技术现状 .11.1.3 国内啤酒发酵

10、技术的控制水平 .11.2 啤酒发酵过程自动控制的作用，意义与不足 .21.2.1 自动控制在啤酒生产中的作用 .21.2.2 发酵生产过程自动控制的意义 .21.2.3 国内啤酒生产自动控制存在的问题 .31.3 本课题研究的背景及主要内容 .31.3.1 本课题研究的背景 .31.3.2 本课题研究的主要内容 .31.4 本章小结 .4第二章 啤酒发酵工艺概述. . 52.1 啤酒发酵工艺流程简介 .52.2 啤酒发酵的主要过程 .52.3 啤酒发酵工艺 .62.3.1 啤酒发酵的设备 .62.3.2 啤酒发酵的工艺曲线 .72.4 本章小结 .8第三章 啤酒发酵工业中的信号检测.93.1

11、 啤酒发酵过程中主要工艺参数的研究 .93.1.1 啤酒发酵的主要环境参数 .93.1.2 主要环境参数对啤酒发酵过程的影响 .93.2 啤酒发酵过程中各工艺参数的信号检测及控制 .113.2.1 pH 检测与控制 .113.2.2 温度检测与控制 .123.2.3 压力检测与控制 .123.2.4 溶解氧检测与控制 .133.3 本章小结 .14第四章 控制系统的硬件设计.154.1 啤酒发酵罐温度控制系统结构 .154.2 微处理系统 .164.2.1 单片机 AT89S52 .164.2.2 键盘电路设计 .174.2.3 显示电路设计 .184.2.4 与 PC 机的通信 .194.3

12、 数 据 采 集 电 路 工 作 原 理 .21江苏大学本科毕业论文4.3.1 温度传感器 LM35.214.3.2 放大电路 .224.3.3 AD 转换器 ADC0809.224.4 蜂 鸣 器 报 警 电 路 .234.5 驱动电路 .244.5.1 D/A 转换器 DAC0832.244.5.2 V/I 转换 .254.6 本章小结 .26第五章 控制系统的软件设计. 275.1 主程序 .275.2 PID 数据处理模块 .285.2.1 常规 PID 控制算法 .285.2.2 本温度控制系统 PID 控制算法 .305.3 控制系统的防干扰措施 .325.3.1 干扰的来源分析

13、.325.3.2 系统硬件防干扰措施 .325.3.3 系统软件防干扰措施 .325.3.4 其他防干扰措施 .335.4 本章小结 .33结论.34致 谢. 35参考文献.36江苏大学本科毕业论文1第一章 绪论1.1 啤酒发酵概述1.1.1 啤酒生产简介啤酒生产是一个传统产业，根据啤酒生产的特点和要求，通常把一个完整的生产工艺划分为糖化、发酵和灌装三大过程。糖化过程包括粉碎、糖化、糊化、过滤、煮沸以及 CIP 等生产工序；发酵过程包括麦汁充氧、酵母添加、酵母回收、啤酒发酵、修饰、清酒、硅藻土过滤以及 CIP、冷/热脱氧水的制备等工序，整个生产工艺的自动化关键在于生产工序中各参数的自动控制以及

14、各工序之间严格的联动控制。其中发酵过程中的温度控制是影响产品质量最重要的测控参数之一，也是最难控制的回路之一，究其原因是对象特性包含了大时滞、时变及其它一些不确定的因素。1.1.2 国内啤酒发酵生产技术 1为适应现代生产的要求,提高产品质量,提高劳动生产率,使企业的生产管理水平和竞争能力更上一个台阶,啤酒发酵控制采用了自动控制技术,这种技术在啤酒发酵中起着重要的作用。自动系统代替人工控制,不需要人直接参与,直接控制温度、压力、液位等物理量按指定的曲线规律变化。在啤酒发酵自动控制系统中结合先进的控制算法,可以更加精确地控制物理参数,并且对啤酒发酵过程中所具有的大时滞、时变、大时间常数的特点,有针

15、对性的解决。1.1.3 国内啤酒发酵技术的控制水平 2目前国内的发酵水平可以分为 3 个档次：（1）完全手动操作方式。其主要特点是阀门为手动。对温度、压力、流量等生产过程中的模拟量信号采用常规分散仪表进行采集，然后集中或现场显示，操作人员在现场或集中操作盘上控制主要设备的启停，阀门由工人到现场操作。（2）半自动控制方式。主要特点为阀门多采用气动或电动自动阀门。采用数据采集器采集各种过程量进入控制室，控制室设有模拟屏，在模拟屏上显示各种温度、流量、压力等过程参数和电机、阀门的开启状态，对生产过程进行监控，操作人员根据显示的参数与工艺参数对比，在模拟屏或操作台上遥控阀门开启和电机启停，从而满足工艺

16、要求，江苏大学本科毕业论文2生产中的关键数据由人工记录。（3）分布式控制方式。采用先进的计算机控制技术与多层网络结构及先进控制算法对生产工序进行自动控制，主要特点为多采用 PLC 控制。例如 DCS(分布式控制系统)控制系统，在该控制系统中，下位机网络中控制单元采用 PLC，其可靠性非常高，性能稳定，上位机网络可兼容多种通讯协议，便于下一步与管理网络的联结，完全有效克服了 PC 机+数据采集卡控制方式的缺点。1.2 啤酒发酵过程自动控制的作用，意义与不足1.2.1 自动控制在啤酒生产中的作用 3随着 20 世纪 70 年代微处理器芯片的出现，自动控制技术在西方发达国家的工业生产领域得到了广泛的

17、应用，同时积累了很多宝贵的经验。我国在引进西方工业生产设备的同时，也消化吸收了部分自动化控制技术，并认识到采用自动控制技术的必要性。同时随着硬件（微处理芯片）成本的进一步降低与部分软件国产化的实现，使得大部分厂家在生产中使用自动控制系统成为可能。为适应现代化生产的要求，提高、稳定产品质量与口味，提高劳动生产率，降低成本，同时使企业的生产管理水平和竞争能力更上一层楼，在发酵的生产过程中进行自动化控制可以很好的提高竞争能力。它可以：（1）提高工艺水平，稳定产品质量，提高原材料利用率，节约能源，降低生产成本，减轻操作人员的劳动强度，使工人有更多的时间关注工艺参数。（2）强化产品的质量管理。先进的算法

18、程序与硬件的高可靠性保证生产过程严格按照设定的工艺参数执行。一致性很高，同时可记录下真实的生产过程数据，并可随时调用查阅这些数据，作为改进生产工艺的可靠依据。（3）辅助生产管理。减轻工人操作强度的同时可增强工人的工作责任心。并且水、电、气(汽)的消耗计量更准确，方便生产成本的控制和管理。1.2.2 发酵生产过程自动控制的意义啤酒发酵的自动控制具有很大的意义：（1）对发酵工段进行自动化控制、扩大生产规模是国内企业发展的主流，中国已经加入 WTO，完全靠手动控制的企业将难以维持生计。（2）随着技术的提高，在线检测设备将会增多，生产自动化程度会进一步提高。江苏大学本科毕业论文3（3）不同设备、不同工

19、段自控系统间的衔接问题将会得到更多的重视，只有解决好这一问题，生产过程自动化才有可能。1.2.3 国内啤酒生产自动控制存在的问题尽管目前我国啤酒发酵技术已处于世界领先地位，但是目前我国的啤酒发酵技术还存在如下的不足：（1）控制方法问题。例如，在发酵罐控制中，目前所用的控制系统大多采用简单 PID 控制，无法解决发酵罐上、中、下 3 个冷却带的耦合问题，也难以解决发酵罐大惯性，系统超调、控制精度等问题。（2）糖化、发酵工段的自控衔接问题。例如，从糖化工段向发酵罐输入麦汁等工作，目前需要两个车间操作人员相互协调，难以自动完成。（3）与进口设备自控系统的衔接问题。不少企业的酵母自动添加装置、麦芽粉碎

20、装置、脱氧水装置、过滤装置等采用国外进口设备，这些设备自身带有控制系统，接口标准随厂家而变，若不能与总自控系统很好衔接，则需要人工干预生产过程，降低生产自动化程度。1.3 本课题研究的背景及主要内容1.3.1 本课题研究的背景国内在发酵过程的测控方面，还处于较为落后的状况。仅凭经验或实验测得数据是远远不能适应研究和生产控制的需要，这与迅速发展的计算机控制技术是不相适应的。因此，对发酵过程计算机控制技术的研制、实现、推广和国产化，会大大提高我国发酵生产行业的自动化水平，提高生产率，降低成本，具有显著的经济效益和社会效益。1.3.2 本课题研究的主要内容（1）发酵过程是啤酒生产中一个非常重要的环节

21、，这个过程可以理解为把麦汁转化为啤酒的过程，整个发酵过程同样也包含若干道生产工序。本文主要介绍了啤酒发酵的主要工艺流程，前发酵与后发酵。 （2）啤酒发酵过程是一系列物理，化学量的变化，发酵过程中通过一系列模拟量的变化来检验是否正常进行，因此啤酒发酵过程中的信号检测是非常有必要的与有意义的。（3）温度是啤酒发酵过程中最重要的过程变量，也直接影响啤酒的好坏，由于在啤酒的发酵过程中，发酵罐 4内部麦汁温度的升高来自于内部反应所放出的热量，所以发酵过程江苏大学本科毕业论文4的升温速度是不可以通过人为控制的。所能控制的只有降温的速度。啤酒发酵过程中内部麦汁温度的降低是通过绕在啤酒发酵罐内壁蛇形管中的冷却

22、液来完成的，可以通过控制冷却液的流量来控制发酵罐内部麦汁的温度进而满足发酵过程各阶段对麦汁温度的要求。本课题以单片机为核心，对现场数据进行采集与控制，并以温度为例，采用 PID 数字控制算法设计了一个温度控制器来控制发酵的工作温度。1.4 本章小结近十年来，虽然我国的啤酒产销量都处于世界领先水平，我国的啤酒装备配套水平也有了很大的提高，但是和国外相比，由于我国的啤酒产业起步较晚，尤其是成套设备差距较大，自动化程度比较低，因而产品生产效率较低，生产质量也不高，啤酒能耗较大，这都是我国啤酒工业亟待解决的问题。如今正确看待我国发酵控制技术的现状，提高我国在发酵领域的控制水平，进而提高啤酒的产量与质量

23、具有非凡的意义。江苏大学本科毕业论文5第二章 啤酒发酵工艺概述2.1 啤酒发酵工艺流程简介啤酒发酵是一放热的复杂生化系统，其特点是冷却麦汁进入开口发酵槽中，加入啤酒酵母，一般酵母控制发酵液温度为 9-10左右; 发酵 7-10 天左右，麦汁发酵成嫩啤酒，酵母增殖到添加量的 2 至 4 倍。后发酵又称贮酒，嫩啤酒输到贮酒室内的贮酒罐中，一般在 0-3下贮酒 42-90 天，达到啤酒成熟、二氧化碳饱和与啤酒澄清的目的。贮酒期结束并过滤得清酒，即完成了整个酿造过程。简单来说啤酒发酵的工艺流程如下：麦汁过滤 麦汁煮沸麦汁冲氧冷却前发酵除菌灌装 过滤 后发酵图 2-1 发酵的工艺流程图2.2 啤酒发酵的

24、主要过程发酵过程 5是啤酒生产中一个非常重要的环节，这个过程可以理解为把麦汁转化为啤酒的过程，整个发酵过程虽然包含若干道生产工序。但是主要过程可以分为前发酵和后发酵两个阶段：（a）前发酵。麦汁接种酵母进入发酵罐几小时以后逐渐开始主发酵，麦汁糖度下降，产生 CO2，反应热的释放使整个罐内的温度逐渐上升。经过 23 天后进入发酵最为旺盛的高泡期，再过 23 天，降糖速度变慢，糖度很低，酵母开始沉淀，进行封罐发酵。此时，前发酵基本结束，进行降温转入后发酵阶段。从前发酵进入后发酵的降温过程，其降温速度一般控制在 0.3/h。（b）后发酵。当罐内温度从前发酵的 12降到 5左右时，后发酵阶段开始了，这一

25、阶段最主要的目的是进行双乙酰还原。此外，后发酵阶段还完成残糖发酵，充分沉淀蛋白质、降低氧含量。一旦双乙酰指标合格，发酵罐进入第二个降温过程，约以 0.15/h 的速率把罐内发酵温度从 5降到 01左右进行贮酒，整个发酵环节基本结束。通常，发酵液温度要求控制在给定温度的0.3范围之内，以期达到理想的发酵状况。 江苏大学本科毕业论文6在发酵过程中，各种物质的转化速度受一系列因素的影响。例如：麦汁特性、酵母特性、酵母数量、运动情况、发酵压力和发酵温度，其中发酵压力和发酵温度是可以通过外部控制的两个极其关键的因素。压力不断上升会使溶解在啤酒中的 CO2 不断增加，同时使酵母增殖和发酵副产物的形成逐渐停

26、止。发酵温度的上升会使发酵速度明显加快。相比之下，发酵压力的控制并不存在太多技术难度。因此，如何掌握好发酵过程中的发酵温度，控制好温度的升降速率是发酵生产质量的核心内容之一。2.3 啤酒发酵工艺2.3.1 啤酒发酵的设备 6 近 20 年来啤酒发酵罐有很大的变革，大容量露天锥形发酵罐逐渐为各国啤酒厂所乐意采用，并推广锥形罐发酵工艺。发酵罐的形状一般为圆锥状，容积较大，大部分在 100 立方米左右，目前国内大多数企业采用的是露天发酵罐，材质一般为碳钢或不锈钢。蛇形管蛇形管蛇形管压力传感器上部测温点中部测温点下部测温点液位传感器冷却水冷却水冷却水图 2-2 露天锥形发酵罐结构发酵罐的结构如上图所示。为了有利于热量的散发，在发酵罐上、中、下部有 3 个冷却带，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。罐体冷却带一般选用容易加工的半圆管盘绕在罐体上作为冷却带，常采用三段冷却。在冷媒的选用上，一般是采用乙醇或 25%的乙二醇间接冷却，也有用液氨直接冷却的。