啤酒發(fā)酵過程溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、控制系統(tǒng)課程設(shè)計課題：啤酒發(fā)酵過程溫度控制系統(tǒng)設(shè)計系 別： 專 業(yè)： 姓 名： 學 號： 指導教師： 河南城建學院2013年 月 日一、學生成績優(yōu)秀良好中等及格不及格二、指導教師評語（根據(jù)學生設(shè)計報告質(zhì)量、答辯情況及平時表現(xiàn)綜合評定） 指導教師： 日 期：10目錄一、設(shè)計目的.1二、設(shè)計要求.1三、啤酒生產(chǎn)工藝簡介.1四、總體設(shè)計.3 1.啤酒發(fā)酵過程溫控對象的特點.3 2.軟件設(shè)計.4 2.1主程序.4 2.2數(shù)據(jù)處理模塊.5 3.抗干擾措施.6五、各部分電路設(shè)計.7 1.微處理器系統(tǒng).72.數(shù)據(jù)采集電路的工作原理.73.蜂鳴器報警電路.74.驅(qū)動電路.8六、整體電路圖.8七、設(shè)計總結(jié).8

2、1.設(shè)計過程中遇到的問題及解決方法.8 2.設(shè)計體會.9 3.對設(shè)計的建議.9參考文獻.10一、設(shè)計目的通過本次課程設(shè)計，掌握課程設(shè)計相關(guān)步驟。考查學生動手能力和對所學知識的掌握程度，以及學生的查閱和收集信息能力。使設(shè)計者熟悉本設(shè)計的相關(guān)知識及培養(yǎng)解決設(shè)計過程中可能遇到問題的能力。二、設(shè)計要求設(shè)計一個計算機控制系統(tǒng)，根據(jù)啤酒發(fā)酵各階段的溫度要求進行控制，畫出系統(tǒng)硬件組成的框圖，寫出控制算法。三、啤酒生產(chǎn)工藝簡介 啤酒生產(chǎn)過程主要包括糖化、發(fā)酵以及過濾分裝三個環(huán)節(jié)。1.糖化 糖化過程是把生產(chǎn)啤酒的主要原料與溫水混合，利用麥芽的水解酶把淀粉、蛋白質(zhì)等分解成可溶性低分子糖類、氨基酸、脈、膚等物質(zhì)，形

3、成啤酒發(fā)酵原液麥汁。 2.發(fā)酵溫度/ 發(fā)酵時間/天 圖1 發(fā)酵溫度工藝設(shè)定曲線啤酒發(fā)酵是一個微生物代謝過程，簡單的說是把糖化麥汁經(jīng)酵母發(fā)酵分解成C2H5OH， CO2， H2O的過程，同時還會產(chǎn)生種類繁多的中間代謝物雙乙酞、脂肪酸、高級醇、酮等，這些代謝產(chǎn)物的含量雖然極少，但它們對啤酒的質(zhì)量和口味的影響很大，它們的產(chǎn)生主要取決于發(fā)酵溫度。一般認為，低溫發(fā)酵可以降低雙乙酞、脂類等代謝物的含量，提高啤酒的色澤和口味；高溫發(fā)酵可以加快發(fā)酵速度，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。總之，如何掌握好啤酒發(fā)酵過程中的發(fā)酵溫度，控制好溫度的升降速率是決定啤酒生產(chǎn)質(zhì)量的核心內(nèi)容。啤酒發(fā)酵是個放熱過程，如不加以控制，罐內(nèi)的

4、溫度會隨著發(fā)酵生產(chǎn)熱的產(chǎn)生而逐漸上升，目前大多數(shù)對象是采用往冷卻夾套內(nèi)通入制冷酒精水混合物或液氨來吸收發(fā)酵過程中不斷放出的熱量，從而維持適宜的發(fā)酵溫度。整個發(fā)酵過程分前酵和后酵兩個階段，發(fā)酵溫度的工藝設(shè)定典型曲線如圖1所示。不同品種、不同工藝所要求的溫度控制曲線會有所不同。（1）前酵這個階段又稱為主發(fā)酵。麥汁接種酵母進入前酵，接種酵母幾小時以后開始發(fā)酵，麥汁糖度下降，產(chǎn)生CO2并釋放生化反應熱，使整個罐內(nèi)的溫度逐漸上升。經(jīng)過23天后進入發(fā)酵最為旺盛的高泡期再經(jīng)過23天，糖度進一步降低，降糖速度變慢，酵母開始沉淀，當罐內(nèi)發(fā)酵糖度達標后進行降溫轉(zhuǎn)入后酵階段。普通啤酒在前酵階段，一般要求控制在12左

5、右，降溫速率要求控制在0.3 0C /h。（2）后酵當罐內(nèi)溫度從前酵的12降到5左右時后酵階段開始，這一階段最重要的是進行雙乙酞還原，此外，后酵階段還完成了殘?zhí)前l(fā)酵，充分沉淀蛋白質(zhì)，降低氧含量，提高啤酒穩(wěn)定性。一旦雙乙酞指標合格，發(fā)酵罐進入第二個降溫過程，以0.150C/h的降溫速率把罐內(nèi)發(fā)酵溫度從5降到0-1左右進行貯酒，以提高啤酒的風味和質(zhì)量。經(jīng)過一段時間的貯酒，整個發(fā)酵環(huán)節(jié)基本結(jié)束。通常發(fā)酵液溫度在不同的發(fā)酵階段，對罐內(nèi)發(fā)酵液的溫度場要有相應的要求：在前酵階段希望發(fā)酵罐內(nèi)從罐頂?shù)焦薜子幸徽臏囟忍荻?，即從控制上層溫度為主，以利于發(fā)酵液對流和酵母在罐內(nèi)的均勻混合；在后酵階段，則要求發(fā)酵液由

6、卜到下有一定的負溫度梯度，即控制以下層溫度為主，便于酵母的沉淀和排除。3.啤酒的過濾和灌裝前、后酵結(jié)束以后，啤酒將通過過濾機和高溫瞬時殺菌進行生物以及膠體穩(wěn)定處理然后灌裝。啤酒過濾是一種分離過程，其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母細胞和其它混濁物從啤酒中分離出去，否則這些物質(zhì)會在以后的時間里從啤酒中析出，導致啤酒混濁，目前多采用硅藻土過濾方式。如果啤酒中仍含有微生物(雜菌)，則微生物可以在啤酒中迅速繁殖，導致啤酒混濁，其排泄的代謝產(chǎn)物甚至使啤酒不能飲用。殺菌就是啤酒在灌裝之前對其進行生物穩(wěn)定性處理的最后一個環(huán)節(jié)。至此，一個啤酒和生產(chǎn)周期結(jié)束。四、總體設(shè)計啤酒發(fā)酵溫度采用傳統(tǒng)的手動操作控制，啤酒

7、質(zhì)量差，生產(chǎn)效率低，勞動強度大，酒損嚴重，不能靈活地修改工藝參數(shù)。為此我們以AT89S52單片機芯片為核心，研究和設(shè)計了數(shù)字化的啤酒發(fā)酵過程計算機控制系統(tǒng)，很好地解決上述問題。1.啤酒發(fā)酵過程溫控對象的特點發(fā)酵罐是啤酒生產(chǎn)的主要設(shè)備，圖2為圓筒錐底發(fā)酵罐示意圖，酵母在罐內(nèi)發(fā)生反應而產(chǎn)生熱量，使麥汁溫度升高，因此在罐壁設(shè)置有上、中、下三段冷卻套，相應的設(shè)立上、中、下三個測溫點和三個調(diào)節(jié)閥，通過閥門調(diào)節(jié)冷卻套內(nèi)冷卻液的流量來實現(xiàn)對酒體溫度的控制。以閥門開度為控制量，酒體溫度為被控量。該廣義對象是一個三輸入、三輸出的多變量系統(tǒng)，機理分析和實驗表明啤酒發(fā)酵罐的溫控對象不同于一般的工業(yè)對象，主要有以下幾

8、個方面的特點：(1)時滯很大壓力傳感器冷媒體上部測溫點中部測溫點下部測溫點冷卻套圖1-2 發(fā)酵罐工藝示意圖在整個發(fā)酵過程中，由于生化反作用產(chǎn)生的生化反應熱導致罐內(nèi)發(fā)酵溫度的升高，為了維持適宜的發(fā)酵溫度，通常是往發(fā)酵罐冷卻夾套內(nèi)通入酒精水或液態(tài)氨，來帶走多余的反應熱。由于罐內(nèi)沒有攪拌裝置和加熱裝置，冷媒發(fā)酵液間主要依靠熱傳導進行熱量交換，發(fā)酵液內(nèi)部存在一定的對流，影響到測溫點，這就使得控制量的變化后，要經(jīng)過一段時間，被控量才發(fā)生變化，因此這類系統(tǒng)會表現(xiàn)出很大的時滯效應。例如一個120m3啤酒發(fā)酵罐溫度響應的滯后時間一般在530min之內(nèi)變化。(2)時變性 發(fā)酵罐的溫控特性主要取決于發(fā)酵液內(nèi)生化反

9、應的劇烈程度。而啤酒發(fā)酵是從起酵、旺盛、衰減到停止不斷變化的間歇生產(chǎn)過程，在不同的發(fā)酵階段，酵母活力不同，造成酒體溫度特性變化，因此對象特性具有明顯的時變性。(3)大時間常數(shù) 發(fā)酵罐體積大，發(fā)酵液體通過罐壁與冷卻水進行熱交換的過程比較慢。(4)強關(guān)聯(lián) 因為罐內(nèi)酒體的對流，所以在任一控制量的變化均會引起三個被控量的變化。在分析對象特性的時候，由于受到認識上的限制，往往也不能確切掌握工業(yè)過程中各種物理、化學變化的本質(zhì)特征，這也必然會導致獲取的對象特性與實際特性存在難以確定的偏差。例如啤酒生產(chǎn)過程酵母特性、原料特性等許多因素的變化都會引起被控系統(tǒng)特性參數(shù)的變化和攝動，而這些因素在實際系統(tǒng)中都是很難在

10、線或?qū)崟r獲取的。2.軟件設(shè)計本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計方法，便于功能擴展，程序可采用匯編語言進行編程。程序模塊主要包括：主程序、PID數(shù)據(jù)處理、按鍵處理、溫度采樣與A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、越限報警等子程序。本文重點介紹主程序流程圖和數(shù)據(jù)處理模塊。2.1主程序控制系統(tǒng)主程序的流程圖如圖3所示。本系統(tǒng)利用定時循環(huán)輪流對8個溫度進行實時采樣，為了能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的巡回測量，必須有相應的程序來選擇溫度輸入通道。用戶可以通過鍵盤設(shè)定溫度的上限值和下限值、偏差e(k)絕對值的設(shè)定值M、PID控制的系數(shù)kp、ki和kd等參數(shù)。開始系統(tǒng)初始化溫度信號通道選擇有鍵按下？溫度采樣A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字濾波溫度顯示溫度

11、超出？數(shù)據(jù)處理調(diào)用PID程序控制量輸出鍵處理參數(shù)設(shè)定調(diào)用報警程序YYNN圖3 控制系統(tǒng)主程序的流程圖2.2數(shù)據(jù)處理模塊本溫控系統(tǒng)采用的數(shù)字PID算法由軟件實現(xiàn)，增量PID控制算法的優(yōu)點是編程簡單，數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲空間少，運算快。但是對于溫度這種響應緩慢、滯后性大的過程，不能用標準的PID算法進行控制。當擾動較大或者給定的溫度值大幅度變化時，由于產(chǎn)生較大的偏差，加上溫控本身的慣性及滯后，在積分作用下，系統(tǒng)往往產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時間的振蕩。因此，為克服這種不良的影響，采用積分分離法對增量PID算法進行改進。當偏差e(k)絕對值較大時，暫時取消積分作用；當偏差e(k)絕對值小于某一設(shè)定值M

12、時，才將積分作用投入。1）當|e(k)|M時，用PID控制。偏差小，說明系統(tǒng)溫度已經(jīng)接近設(shè)定值，此時加入積分作用，可消除系統(tǒng)靜差，保證系統(tǒng)的控制精度。根據(jù)遞增原理可得U(k)kp(k)+kiki0!(i)+kde(k)-e(k-1) （）式中：e(k)=r(k)-y(k)為第時刻所得偏差信號，rk是給定值，yk是實際輸出值；kp為比例增益，ki為積分系數(shù)，kd為微分系數(shù)。則增量式控制算法為u(k)kpe(k)-e(k-1)+kie(k)+kde(k)-2e(k-1)+e(k-2) （）2）當|e(k)|M時，用PD控制。由于偏差大，說明系統(tǒng)溫度遠離設(shè)定值，應快速降溫，采用PD控制，可以提高系統(tǒng)

13、的動態(tài)響應速度，避免產(chǎn)生過大的超調(diào)，減小動態(tài)誤差。數(shù)據(jù)處理程序流程圖如圖4所示。子程序入口計算e(k)=r(k)-y(k)計算kie(k)計算kpe(k)-e(k-1)計算kde(k)-2e(k-1)+e(k-2)|e(k)|m?求取PID控制的u(k)子程序返回求取PD控制的u(k)圖4 數(shù)據(jù)處理程序路程圖3.抗干擾措施在硬件方面的抗干擾措施有：在電源輸入端設(shè)置低通濾波器，濾去高次諧波成份。在溫度傳感器兩端，以及其它地方使用壓敏電阻器，吸收不同極性的過電壓。在運行現(xiàn)場進行電磁干擾試驗，對試驗結(jié)果進行概率統(tǒng)計分析，并通過精心選擇元器件、采用抗干擾技術(shù)使干擾源產(chǎn)生的電磁干擾降至最小。采用了AT8

14、9S52中的看門狗定時器，提高系統(tǒng)硬件抗干擾的能力。在軟件方面的抗干擾措施有：在程序設(shè)計時，將各程序模塊分區(qū)存放，彼此之間空出一些存儲單元，在這些單元中填充FF（RST指令）。同時對程序中重要的跳轉(zhuǎn)和調(diào)用子程序指令前均加入三個NOP指令，以保證程序流向的正確性。利用平均濾波法求取平均值。將最近6次采樣得到的溫度值，去除最大值和最小值，求算術(shù)平均值。五、各部分電路設(shè)計1.微處理器系統(tǒng)AT89S52單片機為主控制器件。AT89S52是ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗、高性能CMOS8位單片機，它除正常工作外還可工作于低功耗的閑置和掉電模式，進一步減少了芯片的功耗。單片機首先根據(jù)已經(jīng)測量的數(shù)值計算出溫度偏

15、差，然后進行PID控制并計算出相應的控制數(shù)據(jù)量，將控制數(shù)據(jù)量輸出到D/A轉(zhuǎn)換器。AT89S52還負責按鍵處理、液晶顯示以及與上位機進行通信等工作。本系統(tǒng)采用8155A芯片來擴展鍵盤和液晶顯示，用MAX232實現(xiàn)RS-232C標準接口通信電路。鍵盤主要負責溫度控制范圍和PID控制參數(shù)的輸入；液晶顯示器采用LMC128X64液晶顯示模塊，把溫度控制結(jié)果顯示在液晶屏上。2.數(shù)據(jù)采集電路的工作原理溫度傳感器使用集成溫度傳感器LM35，它的靈敏度為10MV/，即溫度為10時，輸出電壓為100mV。常溫下測溫精度為+/-0.5以內(nèi)，消耗電流最大也只有70A。本文采用5V雙電源供電方式，電路簡單，不需要對L

16、M35的輸出進行調(diào)整。將LM35的輸出電壓放大5倍（注：根據(jù)發(fā)酵溫度的變化范圍和溫度傳感器的靈敏度，將電壓放大器的電壓放大倍數(shù)整定為5倍），使放大器輸出電壓限制在不大于5V的范圍（給定溫度對應值要在5V范圍之內(nèi)），以便與單片機的電平相匹配。放大電路采用集成運放組成，如TLC2272等。由于溫度信號為緩慢變化的信號，對A/D轉(zhuǎn)換速度要求不高，可選用價廉的集成A/D芯片ADC0809。ADC0809將經(jīng)過5倍電壓放大的電壓模擬量轉(zhuǎn)化成與其大小成正比的數(shù)字量，并送給單片機。3.蜂鳴器報警電路系統(tǒng)時刻檢測發(fā)酵溫度值，出現(xiàn)異常時啟動蜂鳴器報警。蜂鳴器報警電路由晶體管和蜂鳴器組成。由單片機I/O口輸出信號

17、控制晶體管的導通或截止，晶體管導通，則蜂鳴器報警。4.驅(qū)動電路DAC0832輸出的0-5V的電壓經(jīng)過放大器放大為0-10V的電壓。由于DDZ-III型電動角形閥的控制信號是4-20mA直流電流信號，因此需要將電壓信號轉(zhuǎn)換成相應的電流信號。V/I轉(zhuǎn)換電路使用集成電路AD694。DDZ-III型電動角形閥以單相交流220V電源為動力，接受4-20mA直流信號，自動地控制閥門的開度，從而達到對冷卻酒精水流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)發(fā)酵罐內(nèi)溫度的控制，使實際溫度向著給定溫度變化并最終達到給定溫度。六、整體電路圖本系統(tǒng)主要由AT89S52單片機、溫度采集與A/D轉(zhuǎn)換電路、8155擴展電路、液晶顯示接口、鍵盤接口

18、、蜂鳴器報警電路、串口通信電路、DAC0832、電壓放大和V/I轉(zhuǎn)換等單元組成?？刂葡到y(tǒng)硬件組成框圖如圖5所示。溫度傳感器信號和5倍電壓放大器ADC0809AT89S51 單 片 機8155擴展電路液晶顯示電路 鍵盤控制冷卻酒精水調(diào)節(jié)閥 電壓放大和V/I轉(zhuǎn)換 DAC0832蜂鳴器報警電路 出口通信電路 PC上位機 圖5 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖七、設(shè)計總結(jié)1.設(shè)計過程中遇到的問題及解決方法啤酒發(fā)酵過程中由于發(fā)酵液自身的生化反應、罐內(nèi)的自然對流以及發(fā)酵液與冷帶以及外界環(huán)境之間的熱交換，使得被控對象具有時滯性和時變性特征，而且發(fā)酵罐內(nèi)的溫度場分布難以精確建模。通過對PID算法中各控制參數(shù)的整定和采用積分分離方法，消除了系統(tǒng)的振蕩和