毕业设计142基于单片机的啤酒发酵工艺及控制系统设计

毕业设计142基于单片机的啤酒发酵工艺及控制系统设计内容摘要：

................................. 33 致谢 .................................................................................................................... 34 参考文献 ............................................................................................................ 35 附录 A 主电路图 ............................................................................................ 36 附录 B 显示与按键电路 ................................................................................ 37 附录 C 控制电路 ............................................................................................ 38 附录 D 文献及翻译 ........................................................................................ 39 哈尔滨理工大学学士学位论文 1 第 1章 绪论 课题背景 我国的啤酒市场非常巨大，国内生产啤酒的企业数以百计，但与国外的主要啤酒生产厂家相比大部分企业技术落后，大部分处于手动控制阶段，只有极少数企业实现半自动化。 由于自动化程度低，导致产品生产效率低，质量也不高，能耗较大。 啤酒生产是一个利用微 生物生长进行生产的过程，生产周期长，过程参数分散性大，传统操作方式难以保证产品的质量。 近年来，国外的各大啤酒生产厂家纷纷进军中国市场，凭借技术优势与国内的啤酒生产厂家争夺市场份额。 国内的啤酒行业迫切要求技术改造，提高生产率，保证产品质量，以确保在激烈的市场竞争中立于不败之地。 啤酒发酵是啤酒生产过程中最重要的一道工序，是决定啤酒质量的关键的一步。 按现在的生产工艺，生产周期在十五天左右，要求发酵液的温度严格按照一定的工作曲线变化。 温度控制精度在177。 ℃范围内，这样的控制精度单凭传统的热工仪表加上手工操作方 式是完全不能满足要求的，但目前国内的不少生产厂家都是采用这种生产方式。 这就要求生产工人 24 小时中监视啤酒发酵的温度变化，根据偏差去调节冷媒的流量阀。 这种方法，工人的劳动强度大，而且质量难以控制。 国外的著名啤酒生产厂家大部分都实现了自动化控制，在保证产品质量的同时缩短了生产周期。 为此，在国内啤酒行业中实现自动化生产是十分迫切的。 啤酒的发酵过程实现自动化后，工人的劳动强度将大大地减小，同时啤酒的质量与生产有望升上一个新的台阶，企业通过技术改造增加了市场竞争能力。 哈尔滨理工大学学士学位论文 2 第 2章 啤酒发酵工艺及控制要求 啤酒发酵工艺简介 啤酒发酵是一个复杂的生物化学过程，通常在锥形发酵罐中进行。 在 20 多天的发酵期间，根据酵母的活动能力和生长繁殖的快慢，确定发酵给定温度曲线，如图 21 所示。 要使酵母的繁殖和衰减、麦汁中糖度的消耗和双乙酵等杂质含量等方面达到最佳状态，必须严格控制发酵各阶段的温度，使其在给定温度的177。 ℃范围内。 图 21 发酵过程温度工艺曲线 某啤酒厂要求控制 10 个 200m3 的锥形啤酒发酵罐，这种发酵罐的内层是用不锈钢板焊接而成的，外层用白铁皮包制而成的，内层与外层中间是保温材料和上中下三段冷却带，罐体由上下两部分 组成，上部分是圆柱体，下部分是圆锥体，故称为锥形发酵罐。 啤酒发酵期间，当罐内温度低于给定温度时，则要求关闭冷却带的阀门，使之自然发酵升温；当罐内温度高于给定温度时，则要求接通冷却带的阀门，自动的将冷酒精打入冷却带循环使之降温，直至满足工艺要求为止。 另外，在发酵过程中，还需在各段工艺中实行保压，即要求发酵罐顶部气体压力恒定，以保证发酵过程的正确进行。 系统的控制要求 1. 系统共有 10 个发酵罐，每个罐测量 5 个参数，即发酵罐的上中下三段温度、罐内上部气体的压力和管内发酵液（麦汁）的高度，共有 30 个温度测量点、 10 个压 力测量点、 10 个液位测量点。 因此共需检测 50 个参数。 2. 自动控制各个发酵罐中的上中下三段温度使其按图 21 所示的工艺曲线运行，温度控制误差不大于177。 ℃。 共有 30 个控制点。 3. 系统具有自动控制、现场手动控制、控制室遥控三种工作方式。 哈尔滨理工大学学士学位论文 3 4. 系统具有掉电保护、报警、参数设置和工艺曲线修改设置功能。 5. 系统具有表格、图形、曲线等现实和打印功能。 本章小结 本章主要介绍了啤酒发酵工艺及控制要求，作为标尺对本次设计起指导作用。 哈尔滨理工大学学士学位论文 4 第 3章 系统总体方案的设计 发酵罐测控点的分布及管线结构 本系统有 10 个发酵罐，每个发酵罐上有 5 各检测 点和 3 个控制点，其中保空上段温度 TTa、中段温度 TTb、下段温度 TTc、罐内上部气体压力 PT、液位LT、上段冷带调节阀 TVa、中段冷带调节阀 TVb、下段冷带调节阀 TVc。 检测点与分布点的分布如图 31 所示。 图 31 发酵罐的测控点分布及管线图 检测装置和执行机构 检测装置中，温度检测采用 精密温度传感器 AD590；压力检测采用 TYPB扩散硅压力变送器，输入量程 0～ 1MPa，输出 4～ 20mA；液位检测采用 TYPB扩散硅液位变送器，输入量程（差压）为 0～ 1MPa，输出为 4～ 2mA。 1. TYPB 扩散硅 压力变送器 选用进口扩散硅压力芯片，经过精密的补偿技术、信号处理技术。 转换成标准的电流信号输出，可直接与二次仪表以及计算机控制系统连接，实现生产过程的自动检测和控制。 可广泛应用于各种工业领域中的气体、液体的压力检测。 2. TYPB 扩散硅液位变送器 选用进口扩散硅压力芯片制成，当外界液位发生变化时，压力作用在不锈钢隔离膜片上，通过隔离硅油传递到扩散硅压力敏感元件上引起电桥输出电压变 哈尔滨理工大学学士学位论文 5 化，经过精密的补偿技术、信号处理技术、转换成标准的电流信号。 该电流信号的变化正比于液位的变化。 3. 执行机构的选择 电磁阀选用 强制先导式 操作电磁阀 主要应用于 电力工业 、 石化工业 、 蒸汽锅炉装置 、 贮罐系统 、 液化汽设备 、 环保行业 、 热水控制系统 、 水处理装置 、 共暖系统 、 管道和管线设计 、 饮水净化设备和给水设备 、 仪表和机械工程 、 燃气工程等。 它 操作安全性能好，更多选项、功能强大，强制先导式电磁阀的辅助提升机构直接连接于执行机构上，这 是它 控制方法的优点。 阀门的操作 0bar 到最大操作压力，这种阀门可全部用于直动式阀门所应用的领域。 由于辅助提升作用，相对于直动阀所用电磁线圈小而且功率低。 气动执行阀选用 2V 系列气动执行阀 中的 2VB14000 型常开 气动执行阀 ， 结构紧凑 ,是一种组合两通球阀。 其极小的制动器（执行器）容积、较短的阀门冲程结合快速发送以及积极工作（动作）使得这种阀门在推动膜片执行器的响应时间以及当作锁入和锁出装置成为了理想选择。 控制规律 啤酒发酵过程中，输入量为冷却液流量，输出量为发酵液温度，由离线辨识可知，被控对象具有大惯性和纯滞后特性，而且在不同发酵阶段特性参数变化不大，这是确定控制规律的依据。 为适应温度给定值为折线的情况，在恒温段采用增值型 PI 控制算法，在升温、降温段采用 PID 控制算法，考虑到被控对象大惯性和纯滞后的特点， 在软件设计中提供了施密斯（ Smith）预估控制算法。 PID 算式加特殊处理 采用增量型 PID 控制算法： ( ) ( ) ( 1 ) ( 2 )u k A e k B e k C e k     （ 3－ 1） 其中 (1 / / )(1 2 / )/( ) ( ) ( )( 1 ) ( 1 ) ( 1 )( 2) ( 2) ( 2)P O I D OP D OP D OrrrA K T T T TB K T TC K T Te k k ke k k ke k k k           KP， TI， TD， TO 分别为 PID 调节器的比例增益、积分时间、微分时间和采样周期。 θr(k)、 θr(k1)、 θr(k2)分别为第 k 个、第 k1 个、第 k2 个采样周期的给定温度。 θ(k)、 θ(k1)、 θ(k2)分别为第 k 个、第 k1 个、第 k2 个采样周期的实测温 哈尔滨理工大学学士学位论文 6 度。 其控制系统的方框图如图 3－ 2 所示。 P I D H 0 ( S )G ( S ) e τ sθr( k )e ( k )T 0Δ u ( k )T 0uθ ( k ) 图 3－ 2 PID 温度控制系统方框图 Smith 补偿控制算法 史密斯 (Smith)预估补偿方法是预先估计出过程的基本扰动下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使大延迟系统被延迟 τ的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而明显地减少超调量和加速调节过程。 其控制系统原理图见图 3－ 3。 P I D H 0 ( S )G ( S ) e τ sS m i t h 补 偿 器G ( S ) ( 1 e τ s)θr( s )e ( z )T 0U ( s )U ( z )T 0uθ ( s )++Y s( s )θ 39。 ( s ) 图 3－ 3 Smith 补偿控制系统 图中 G(s)是对象除去纯滞后环节 eτs 以后的传递函数， G s (s)是 Smith 补偿器的传递函数。 若系统中无 此补偿器，则由调节器输出 U(s)到被调量 θ(s)之间的传递函数为： ( ) / ( ) ( ) ss U s G s e   （ 3－ 2） 上式表明，受到调节器作用之后的被调量要经过纯延迟 τ滞后才能返回调节器。 若采用了补偿器，则调节量 U(s)与反馈到调节器的信号 θ′ (s)之间的传递函数是两个并联通道之和，即 39。 ( ) / ( ) ( ) ( )s ss U s G s e G s  （ 3－ 3） 为使调节器采集的信号 θ′ (s)不至延迟 τ，则要求上式可表示为： 39。 ( ) / ( ) ( ) ( ) ( )s ss U s G s e G s G s    （ 3－ 4） 从而被控对象视为带纯延迟的一阶惯性 环节， Smith 补偿的传递函数为： ( ) (1 )1 ss KG s eTS  （ 3－ 5） 式中 K 为对象的增益； T 为对象的时间常数； τ为纯延迟时间。 其相应的差分方程为： 哈尔滨理工大学学士学位论文 7 ( ) ( 1 ) [ ( 1 ) ( 1 ) ]sy k F y k H u k u k h       （ 3－ 6） 式中 /Oi T TFe； /(1 )Oi T TH K e ；Oh T称为延迟周期数。 如果控制部分采用式 (31)的 PID 算式，那么从图 3－ 2 可知 ( ) [ ( ) ( )]k se k k y k   （ 3－ 7） 也就是说， Smith 补偿控制算式只不过是把给定温度减去采样温度与补偿器输出ys(k)之和，作为 e(k)代入 PID 算式计算增量输出。 啤酒发酵过程控制的数学模型分析 啤酒发酵过程中 ,忽略次要因素 ,罐内热平衡方程为 : （ 3－ 8） 式中 :Q1发酵过程产生的热量 ,J/s Q2散失的热量 , J/s M麦汁的总质量 ,kg C发酵罐内麦汁的比热容 ,J/(kg, C )  发酵罐内的温度 , C 发酵罐内 反应热使麦汁温度逐渐上升 ,发酵过程也可看成是麦汁温度。