1.發(fā)酵罐
發(fā)酵罐是啤酒生產(chǎn)的主要設(shè)備之一，罐內(nèi)灌有百噸以上的麥汁，冷媒酵母在罐內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量，使罐內(nèi)麥汁溫度上升。罐內(nèi)設(shè)有三個(gè)測溫點(diǎn)，傳感器采用Ptl00熱電阻(RTD)，其鉑電阻探頭插入灌內(nèi)0.5米左右。罐的外壁設(shè)置有上、中、下三段冷卻套和三臺兩位式電動(dòng)閥。通過電動(dòng)閥調(diào)節(jié)冷卻套內(nèi)的冷媒體流量以實(shí)現(xiàn)對罐內(nèi)麥汁溫度的控制。某廠的冷媒體采用液氨來降溫。上、中、下三臺電動(dòng)閥都可獨(dú)立開關(guān)的，該廠情況較為特殊，上閥開關(guān)主要影響的是中部溫度，中閥開關(guān)主要影響下部溫度，下閥安裝在出口處附近，也就是說三個(gè)測溫點(diǎn)與三套冷卻套不是一一對應(yīng)的。上部測溫點(diǎn)由于安裝過高，酒體(把主要由麥汁和酵母組成的發(fā)酵罐內(nèi)的液體稱之為酒體)較淺的話，測量的溫度為氣液混和物的溫度，因此一般不作為被控量，同樣由于酵母沉積在發(fā)酵罐的錐底部，故下溫也不宜作為被控量。所以以控制中溫為主，兼顧上溫和下溫，以通過上閥控制為主，以中閥為輔。在發(fā)酵的過程中，溫度在不斷的升高，當(dāng)達(dá)到上限溫度時(shí)，要打開制冷設(shè)備，通過酒精在冷卻管內(nèi)循環(huán)使罐內(nèi)的溫度降下來。當(dāng)發(fā)酵溫度低于工藝要求的溫度時(shí)，關(guān)閉冷媒，則啤酒按工藝要求繼續(xù)發(fā)酵，整個(gè)發(fā)酵過程大約20多天完成。因此，控制好啤酒發(fā)酵過程中溫度及其升降速率是決定啤酒質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。
2 錐形發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)
2.1啤酒發(fā)酵溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)以及發(fā)酵工藝特點(diǎn)，采用串級控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮它的優(yōu)點(diǎn)，合理準(zhǔn)確的測量并控制發(fā)酵罐溫度。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須明白主、副被控參數(shù)的選擇；副回路的設(shè)計(jì)；主、副回路的關(guān)系以及主副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇及其正反作用方式的確定等問題。
2.1.1發(fā)酵溫控系統(tǒng)主、副被控參數(shù)的選取
設(shè)計(jì)被控系統(tǒng)時(shí)，選取的參數(shù)要能有效的反映工藝狀況。根據(jù)工藝主參數(shù)為發(fā)酵罐中麥汁的溫度。而副參數(shù)的選取是串級控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，副回路設(shè)計(jì)的合理與否決定了串級控制的特點(diǎn)能否發(fā)揮。根據(jù)副回路的設(shè)計(jì)原則，副被控參數(shù)的選擇應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，控制通道短，反應(yīng)靈敏，副回路包含被控對象所受的主要干擾，當(dāng)對象具有較長純滯后時(shí)間時(shí)，應(yīng)盡量將純滯后部分包含在主對象中。
2.1.2主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇
串級控制系統(tǒng)中主副調(diào)節(jié)器的類型是根據(jù)控制要求進(jìn)行選擇的。
（1）主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇
在串級控制系統(tǒng)中，主參數(shù)是生產(chǎn)工藝的主要指標(biāo)，直接關(guān)系著產(chǎn)品質(zhì)量，工藝要求比較嚴(yán)格。因?yàn)橹鞅豢貐?shù)為發(fā)酵罐的溫度，對象控制通道容量滯后較大，為了克服容量滯后，所以就要選用PID調(diào)節(jié)規(guī)律。
（2）副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇
串級控制系統(tǒng)設(shè)置副參數(shù)的目的在于保證和提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的給定值隨主調(diào)節(jié)器輸出的變化而變化。在選擇流量為副被控參數(shù)時(shí)，由于比例調(diào)節(jié)規(guī)律對噪聲敏感，為保持系統(tǒng)穩(wěn)定，比例度必須選得較大，比例控制作用較弱，為此引入積分作用，采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律。
2.1.3主、副調(diào)節(jié)正、反作用方式的選擇
為保證串級控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，串級系統(tǒng)中主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用必須正確選擇。副調(diào)節(jié)器的正反作用只和副回路有關(guān)，與主回路無關(guān)。根據(jù)工藝要求，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，調(diào)節(jié)閥選擇關(guān)閉形式，其放大系數(shù)為“-”，當(dāng)閥門開度增大時(shí)，進(jìn)入冷卻套的流量增加，則副對象的放大系數(shù)為“+”根據(jù)副環(huán)放大系數(shù)符號為“+”的原則，副調(diào)節(jié)器為“-”，所以選擇正作用方式。
主調(diào)節(jié)器的正反作用只取決于主對象放大系數(shù)符號。主對象的輸入信號是液氨的供給流量，輸出信號是發(fā)酵罐內(nèi)部區(qū)域的溫度。當(dāng)液氨流量增大時(shí)，罐體對應(yīng)區(qū)域溫度下降，因此主對像放大系數(shù)為“-”,主調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)為“-”。所以主調(diào)節(jié)器選擇正作用方式。
2.2串級系統(tǒng)的整定
串級系統(tǒng)的整定方法比較多，逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法等。整定的順序都是先整副環(huán)后整主環(huán)。
在這里采用一步整定法，所謂一步整定法就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將副調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置好，不再變動(dòng)，然后按一般單回路系統(tǒng)的整定方法直接整定主調(diào)節(jié)器參，具體步驟：
1．按副參數(shù)類型，根據(jù)對應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)值選擇副調(diào)節(jié)器參數(shù)，并將其置于副調(diào)節(jié)器上。當(dāng)副被控參數(shù)為流量時(shí)，副調(diào)節(jié)器比例度設(shè)為40~80，副調(diào)節(jié)器比例放大倍數(shù)設(shè)為2.5~1.25。
2．將串級系統(tǒng)投運(yùn)后，按照單回路系統(tǒng)整定方法直接整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。
3．觀察控制過程，根據(jù)K值匹配的原理，適當(dāng)調(diào)整主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)的品質(zhì)指標(biāo)達(dá)到 規(guī)定的質(zhì)量要求。
4．如果系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，只要加大主、副調(diào)節(jié)器的任一比例度，就可消除。多次整定直到滿意為止。
2.3控制算法
2.3.1控制算法的特性分析
在啤酒生產(chǎn)過程中，由于發(fā)酵過程具有大慣性、時(shí)滯和非線性等特點(diǎn)。所以，采用常規(guī)的控制算法難以得到理想的效果。這也是制約啤酒生產(chǎn)質(zhì)量和效率的重要原因。因而為了滿足啤酒生產(chǎn)發(fā)酵過程控制的要求，我們爭取在不增加對過程模型要求的同時(shí)，使無辨識自適應(yīng)控制算法同樣適用于大滯后、建模困難的復(fù)雜工業(yè)過程控制。針對被控對象的特性，本系統(tǒng)采用兩種控制算式。
2.3.2 常規(guī)PID控制器
常規(guī)的PID調(diào)節(jié)方法，即比例、積分、微分控制規(guī)律。是在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用zui廣泛、研究得zui成熟的一種簡單的自適應(yīng)控制方式，即使在歐、美、日等工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，采用現(xiàn)代的控制算法的回路數(shù)也僅占很小的比例，90%以上的控制回路基本上還是采用PID控制算法。其原因主要有以下幾個(gè)方面:
1. PID控制不要求嚴(yán)格掌握被控對象的數(shù)學(xué)模型，而現(xiàn)代的控制算法是以的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的。
2. PID控制算法結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、物理概念清晰等，容易被現(xiàn)場工程師所接受。
3. 在近半個(gè)世紀(jì)的PID算法發(fā)展過程中，廣大工程技術(shù)人員已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，摸索出了一系列整定PID參數(shù)的方法。
對于PID控制盡管取得了一系列的研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但人們對PID的認(rèn)識和改進(jìn)還遠(yuǎn)沒有完成。到目前為止對PID的機(jī)理、適用范圍、魯棒性等問題還沒有*的全面的分析研究。事實(shí)上，PID并非的控制器，在存在多變量禍合、時(shí)變、大時(shí)滯、強(qiáng)干擾等復(fù)雜動(dòng)態(tài)特性的系統(tǒng)中，PID很難獲得理想的控制效果，甚至產(chǎn)生不穩(wěn)定。因此，有必要對PID的控制機(jī)理進(jìn)行全面的分析，并對在上述場合中的應(yīng)用提出改進(jìn)的辦法。
PID控制中的一個(gè)關(guān)鍵問題是PID參數(shù)整定，傳統(tǒng)的整定方法是在獲得被控對象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上按照某種整定原則來進(jìn)行PID參數(shù)值的整定。而實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性，時(shí)變不確定性，難以建立的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用常規(guī)的PID控制不能達(dá)到理想的控制效果。另外，在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場中，PID參數(shù)整定與自整定的方法很多，但往往難以實(shí)施或不太理想，常規(guī)PID控制器參數(shù)常常整定不良，性能欠佳，對運(yùn)行工況的適應(yīng)性差。因此，在PID參數(shù)的整定及自整定方面還有待進(jìn)一步深入研究。
3 儀表選型
（1）溫度傳感器
工業(yè)裝配式熱電阻通常用來顯示儀表和計(jì)算機(jī)配套，直接測量各種生產(chǎn)過程中-200℃～+500℃范圍內(nèi)液體、蒸汽和氣體介質(zhì)及固體表面的溫度。我廠生產(chǎn)熱電阻全部符合ICE標(biāo)準(zhǔn)和國家有關(guān)規(guī)定，有鉑熱電阻和銅熱電阻兩大類，鉑電阻又分為云母骨架、陶瓷骨架、厚膜電阻和薄膜電阻等。銅電阻的骨架有聚碳酸酯制成。鉑電阻分度號Pt100，銅電阻分度號Cu50。BA1、BA2、Pt100鉑電阻和Cu100銅電阻可訂做。在此，我們選擇Pt100。
（2）溫度變送器
HAKK-WB系列溫度變送器為24V供電、二線制的一體化變送器。產(chǎn)品采用進(jìn)口集成電路，將熱電阻的信號放大，并轉(zhuǎn)換成4-20mA或0-10mA的輸出電流,或0～5V的輸出電壓。其中鎧裝變送器可以直接測量汽體或液體的溫度特別適用于低溫范圍測量，克服了冷凝水對測溫所帶來的影響特點(diǎn)。 Pt100溫度變送器用于Pt100鉑電阻信號需要遠(yuǎn)距離傳送、現(xiàn)場有較強(qiáng)干擾源存在或信號需要接入DCS系統(tǒng)使用。鉑電阻溫度變送器采用*的雙層電路板結(jié)構(gòu)，下層是信號調(diào)理電路，上層電路可定義傳感器類型和測量范圍。
（3）孔板流量計(jì)
HYG系列孔板流量計(jì)（又稱節(jié)流裝置、差壓式流量計(jì)）是測量流量的差壓發(fā)生裝置，配合各種差壓計(jì)或差壓變送器可測量管道中各種流體的流量。孔板流量計(jì)節(jié)流裝置包括環(huán)室孔板，噴嘴等?？装辶髁坑?jì)節(jié)流裝置與差壓變送器配套使用，可測量液體、蒸汽、氣體的流量，孔板流量計(jì)廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、輕工等部門。
充滿管道的流體，當(dāng)它們流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流裝置時(shí)，流束將在節(jié)流裝置的節(jié)流件處形成局部收縮，從而使流速增加，靜壓力低，于是在節(jié)流件前后便產(chǎn)生了壓力降，即壓差，介質(zhì)流動(dòng)的流量越大，在節(jié)流件前后產(chǎn)生的壓差就越大，所以孔板流量計(jì)可以通過測量壓差來衡量流體流量的大小。這種測量方法是以能量守衡定律和流動(dòng)連續(xù)性定律為基準(zhǔn)的。
（4）差壓變送器
3051X高精度差壓變送器具備EJA原裝表所有功能，還擴(kuò)展了一些實(shí)用功能。旋轉(zhuǎn)開關(guān)可PV值清零，順時(shí)針增大，逆時(shí)針減小,可以1μA調(diào)整，也可大范圍調(diào)整。3051X高精度差壓變送器主要性能和參數(shù)：（1）輸出信號：4～20mA.DC,二線制。（2）供電電壓：12V～45V.DC。（3）電源影響：＜0.005%/V。（4）負(fù)載影響：電源穩(wěn)定時(shí)無負(fù)載影響。（5）啟動(dòng)時(shí)間：＜2秒，不需預(yù)熱（6）工作環(huán)境：-25℃～+70℃ 相對溫度：0～。遷移后的上下限值均不應(yīng)超過zui大量程范圍的上限值。（7）負(fù)載特征：RL≤（u-12）/i，式中：u---供電電壓，i---回路電流。（8）振動(dòng)影響：任何方向200Hz振動(dòng)±0.5%/g。（9）安裝位置：膜片未垂直安裝時(shí)，可能產(chǎn)生小于0.24Kpa的誤差，但可通過調(diào)零消除。（10）防爆類型：隔爆型ExdllCT5,本安ExiallCT6.
（5）流量積算儀
廈門宇電AI-708H流量積算控制儀針對現(xiàn)場溫度、流量等各種信號進(jìn)行采集、顯示、控制、遠(yuǎn)傳、通訊、打印等處理，構(gòu)成數(shù)字采集系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。雙屏LED數(shù)碼顯示，具有極寬的顯示測量范圍，可顯示四位的瞬時(shí)流量測量值、入口/出口溫度測量值、流量（差壓、頻率）測量值等，及整11位的流量累積測量值，0.2％級測量精度，0.1％級累積精度。具備多種信號輸入功能，可配接各種差壓信號（孔板裝置）、線性信號（電磁流量計(jì)）及脈沖信號（渦街流量計(jì)）?？蓭陕纺M量變送輸出。支持RS485、RS232串行接口，采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS RTU通訊協(xié)議。儀表可帶RS232C打印功能，具有手動(dòng)、定時(shí)、報(bào)警打印功能。帶DC24V饋電輸出，為現(xiàn)場變送器配電。輸入、輸出、電源、通訊相互之間采用光電隔離技術(shù)
。
（6）電動(dòng)調(diào)節(jié)閥
RC系列電動(dòng)調(diào)節(jié)閥包括驅(qū)動(dòng)器，接受驅(qū)動(dòng)器信號（0-10V或4-20mA）來控制閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可根據(jù)控制需要，組成智能化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
（7）廈門宇電AI-808P溫控器
LED顯示高性能程序表，具有50段程序、多種強(qiáng)大的調(diào)節(jié)功能。還具有便于查看的大屏數(shù)字顯示，用于交互式程序模式與參數(shù)設(shè)定的LCD顯示特性。標(biāo)配有自動(dòng)協(xié)調(diào)功能、“SUPER”抑制過沖功能以及新增加的“SUPER”hunting抑制功能。位置比例調(diào)節(jié)與加熱/冷卻模式適合于多種應(yīng)用。
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