1、內蒙古科技大學過程控制課程設計說明書題 目：啤酒生產線殺菌冷卻區溫度控制系統學生姓名：學 號：專 業：班 級：指導教師：2015年9月10日內蒙古科技大學過程控制課程設計說明書目錄引 言1第一章 啤酒生產工藝概述21.1制麥工序21.2糖化工序21.3發酵工序21.4過濾工序21.5殺菌工藝31.6瓶、罐裝工序4第二章 殺菌冷卻區溫度控制系統設計42.1溫度控制系統重要性42.2 溫度控制系統簡述42.3控制系統設計62.3.1控制系統方案的選擇62.3.2系統控制過程分析72.3.3系統動態平衡階段分析72.3.4單回路與串級控制系統的比較7 第三章 儀表選型93.1 變送器的選型93.2

2、調節閥的選型93.2.1調節閥氣開、氣關形式的選擇103.3 控制規律的選擇103.4 PID參數整定11總結12參考文獻130內蒙古科技大學過程控制課程設計說明書引 言過去的20年是我國啤酒產銷量高速增長的時期，從2002年起我國成為第一大啤酒生產和銷售國。隨之而來的是消費者對啤酒口感的要求愈來愈高,啤酒的口感是啤酒質量的一個重要標志性指標，其影響因素很多，除原料、釀酒工藝、罐裝工藝以及各生產環節的衛生處理狀況外，殺菌工藝也是一個非常重要的因素。殺菌工藝不僅影響到啤酒的口味，同時也影響到啤酒的保質期。因此殺菌工藝是啤酒生產過程中一道非常重要的工序。目前普遍采用的是巴氏殺菌法，它是一種利用較低

3、的溫度既可殺死病菌又能保持物品中營養物質風味不變的消毒法。巴氏消毒法是法國微生物學家巴斯德為葡萄酒消毒時發明，并以他的名字來命名的一種消毒方法。指在規定時間內以不太高的溫度處理液體食品的一種加熱滅菌方法。巴氏消毒的原理是在一定溫度范圍內，溫度越低，細菌繁殖越慢；溫度越高，繁殖越快。但溫度太高，細菌就會死亡。不同的細菌有不同的最適生長溫度和耐熱、耐冷能力。巴氏消毒其實就是利用病原體不是很耐熱的特點，用適當的溫度和保溫時間處理，將其全部殺滅。但經巴氏消毒后，仍保存小部分無害或有益、較耐熱的細菌或細菌芽孢。根據殺菌溫度，處理時間及玻璃瓶受熱沖擊和壓力變化的能力，瓶裝啤酒殺菌過程由三個溫區組成：預熱區

4、，過熱及保溫區，冷卻區。加熱手段為熱蒸汽。本次課程設計主要對冷卻區溫度控制系統進行設計，以滿足生產工藝要求。1內蒙古科技大學過程控制課程設計說明書第一章 啤酒生產工藝概述1.1制麥工藝分選麥工序、浸麥工序、發芽工序、干燥工序、除根工序，通過水和空氣使大麥發芽之后再將其烘干，控制其生長，然后去根，制成麥芽。制麥工序的主要生產設備為：篩（風）選機、分級機、永磁筒、去石機等除雜、分級設備；浸麥槽、發芽箱/翻麥機、空調機、干燥塔（爐）、除根機等制麥設備；斗式提升機、螺旋/刮板/皮帶輸送機、除塵器/風機、立倉等輸儲存設備。1.2糖化工藝首先將一部分麥芽、大米、玉米及淀粉等輔料放入糊化鍋中煮沸。糖化槽：往

5、剩余的麥芽中加入適當的溫水，并加入在糊化鍋中煮沸過的輔料。此時，液體中的淀粉將轉變成麥芽糖。麥汁過濾槽：將糖化槽中的原漿過濾后，即得到透明的麥汁（糖漿）。煮沸鍋：向麥汁中加入啤酒花并煮沸，散發出啤酒特有的芳香與苦味。麥汁過濾槽：將糖化槽中的原漿過濾后，即得到透明的麥汁（糖漿）。煮沸鍋：向麥汁中加入啤酒花并煮沸，散發出啤酒特有的芳香與苦味。1.3發酵工藝發酵罐·成熟罐：在冷卻的麥汁中加入啤酒酵母使其發酵。麥汁中的糖分分解為酒精和二氧化碳，大約一星期后，即可生成"嫩啤酒"，然后再經過幾十天使其成熟。1.4過濾工藝啤酒過濾機將成熟的啤酒過濾后，即得到琥珀色的生啤酒。1.

6、5殺菌工藝隧道式巴氏殺菌設備是保證啤酒保質期、提高啤酒生物穩定性的可靠和簡便的方法，但在實際應用中就存在一些認識上的誤區而造成產品的風險。在此就殺菌機的使用問題談一談心得體會。巴氏殺菌機的工作原理是溫度控制儀將設定的PU值轉化為各溫區水槽的實際控制溫度曲線，通過對溫度的檢測精確控制各溫區的溫度變化，主傳動電機帶動上下兩層輸瓶鏈網將瓶裝啤酒依次經過三個溫區的逐級升溫預熱、兩個溫區的殺菌和三個溫區的逐級降溫冷卻過程，達到將啤酒殺菌又冷卻至室溫以保持風味特性的目的。其工藝流程與設備示意簡圖如下：圖 1.1 啤酒巴氏殺菌工藝流程圖 圖1.2 殺菌機結構流程示意圖1.6瓶、罐裝工序裝瓶、裝罐機：釀造好的

7、啤酒先被裝到啤酒瓶或啤酒罐里。然后經過目測和液體檢驗機等嚴格的檢查后，再被裝到啤酒箱里出廠。 第二章 殺菌冷卻區溫度控制系統設計2.1溫度控制系統重要性溫度控制系統是以溫度作為被控制量的反饋控制系統。在化工、石油、冶金等生產過程的物理過程和化學反應中，溫度往往是一個很重要的參量，需要準確地加以控制。除了這些部門之外，溫度控制系統還廣泛應用于其他領域，例如啤酒的加工生產。它是用途很廣的一類工業控制系統。溫度控制系統常用來保持溫度恒定或者使溫度按照某種規定的程序變化。下圖2-1為啤酒冷卻區溫度控制系統原理圖： 圖2.1 冷卻區溫度控制系統原理圖2.2 溫度控制系統簡述如下圖2-2所示，溫度控制系統

8、由被控對象、測量裝置、調節器和執行機構等部分構成。被控對象是一個裝置或一個過程，它的溫度是被控制量。測量裝置對被控溫度進行測量，并將測量值與給定值比較，若存在偏差便由調節器對偏差信號進行處理，再輸送給執行機構來增加或減少供給被控對象的熱量，使被控溫度調節到整定值。測量裝置是溫度控制系統的重要部件，包括溫度傳感器和相應的輔助部分，如放大、變換電路等。測量裝置的精度直接影響溫度控制系統的精度，因此在高精度溫度控制系統中必須采用高精度的溫度測量裝置。溫度控制系統的執行機構大多采用可控熱交換器。根據調節器送來的校正后的偏差信號，調節流入熱交換器的熱載體（液體或氣體）的流量，來改變供給（或吸收）被控對想

9、的熱量，以達到調節溫度的目的。在一些簡單的溫度控制系統中，也常采用電加熱器作為執行機構，對被控對象直接加熱。通過調節電壓（或電流）的大小可改變供出的熱量。不同的應用部門對溫度控制系統品質有不同的要求，并選用不同類型的調節器。如果精度要求不高，可采用兩位調節器,一般情況下多采用PID調節器。高精度溫度控制系統則常采用串級控制。串級控制系統由主回路和副回路兩個回路構成，具有控制精度高、抗干擾能力強、響應快、動態偏差小等優點，常用于干擾強,且溫度要求精確的生產過程,如化工生產中反應器的溫度控制。 圖2-2 溫度控制系統結構圖多數溫度控制系統中被控對象在進行熱交換時的溫度變化過程，它既是一個時間過程，

10、也是沿空間的一個傳播過程，需要用偏微分方程來描述各點溫度變化的規律。因此溫度控制系統本質上是一個分布參數系統。分布參數系統的分析和設計理論還很不成熟，而且往往過于復雜而難于在工程實際問題中應用。解決的途徑有二：一是把溫度控制系統作為時滯系統來考慮。時滯較大時采用時滯補償調節，以保證系統的穩定性。具有時滯是多數溫度控制系統的特點之一。另一途徑是采用分散控制方式，把分布參數的被控過程在空間上分段化，每一段過程可作為集中參數系統來控制，構成空間上分布的多站控制系統。采用分散控制常可獲得較好的控制精度。2.3 控制系統的設計2.3.1 控制系統方案的選擇設計和應用好一個過程控制系統，首先應全面了解被控

11、制過程，其次根據工藝要求對系統進行研究，確定最佳的控制方案，最后，對過程控制系統進行設計，整定和投運。對于過程控制系統而言，控制方案的選擇和調節器參數整定是其兩個重要的內容，如果控制方案設計不合理，僅憑調節器參數的整定無法獲得良好的控制質量；相反控制方案很好，但是調節器參數整定的不合適，也不能使系統運行在最佳狀態。過程控制系統從結構形式可分為單回路系統和多回路系統。單回路控制系統包含一個測量變送器，一個調節器，一個執行器和對象，對對象的某一個被控制參數進行閉環負反饋控制。在系統分析設計和整定中，單回路系統設計方法是最基本的方法，適用于其他各類復雜控制系統的分析，設計，整定和投運。本次溫度控制系

12、統設計中啤酒溫度被作為被控量，為了使系統變得簡單無需設置副被控量，因此采用單回路控制系統即可實現冷卻區溫度的控制。采用單回路控制方式來實現啤酒生產線殺菌冷卻區溫度控制的系統結構如下圖：圖3-1單回路控制系統結構圖調節器PID調節器執行器氣動薄膜式執行器被控對象換能器被控量啤酒溫度檢測變送器DDZ型熱電阻溫度變送器2.3.2 系統控制過程分析溫度控制系統的控制階段主要分為：平衡階段和抗干擾調節階段。下面我將分別對這兩個階段進行分析。下圖3-2為系統控制圖：圖3-2 系統控制圖2.3.3 系統動態平衡階段分析系統由蒸汽給未經殺菌的啤酒傳遞熱量使其保持冷卻溫度。當蒸汽的量和品質不變，未殺菌的啤酒的量

13、和品質也保持不便，則控制系統處于平衡狀態，并保持此動態平衡狀態，直至有新干擾發生，或人們對被冷卻區的出口溫度T有新的要求。2.3.4 單回路與串級控制系統的比較系統的比較單回路反饋控制系統，又稱簡單控制系統，是指由一個被控過程、一個檢測變送器、一個調節器和一個執行器所組成的對一個被控變量進行控制的單回路反饋閉環控制系統。簡單控制系統是實現生產過程自動化的基本單元、其結構簡單、投資少、易于調整和投運，能滿足一般工業生產過程的控制要求、因此在工業生產小應用十分廣泛，尤其適用于被控過程的純滯后和慣性小、負荷和擾動變化比較平緩，或者控制質量要求不太高的場合。串級控制系統的采用了兩個控制器，我們將溫度控

14、制器稱為主控制器，把流量控制器稱為副控制器。主控制器的輸出作為副控制器的設定，然后由副控制器的輸出去操縱調節閥。在串級控制系統中出現了兩個被控對象，即主對象（溫度對象）和副對象（流量對象），所以有兩個被控參數，主被控參數（溫度）和副被控參數（流量）。主被控參數的信號送往主控制器，而副被控參數的信號被送往副控制器作為測量，這樣就構成了兩個閉合回路，即主回路（外環）和副回路（內環）。串級控制系統的特點，改善了對象特征，起了超前控制的作用；改善了對象動態特性，提高了工作頻率；提高了控制器總放大倍數，增強了抗干擾能力；具有一定的自適應能力，適應負荷和操作條件的變化。串級控制系統的設計原則，在選擇副參數

15、時，必須把主要干擾包含在副回路中，并力求把更多的干擾包含在副回路中；選擇副參數，進行副回路的設計時，應使主、副對象的時間常數適當匹配；方案應考慮工藝上的合理性、可能性和經濟性。串級控制系統的應用場合，被控對象的控制通道純滯后時間較長，用單回路控制系統不能滿足質量指標時，可采用串級控制系統；對象容量滯后比較大，用單回路控制系統不能滿足質量指標時，可采用串級控制系統；控制系統內存在變化激烈且幅值很大的干擾；被控對象具有較大的非線性，而負荷變化又較大。串級控制系統應用中的問題，主、副控制器控制規律的選擇，串級控制系統中主、副控制器的控制規律選擇都應按照工藝要求來進行，主控制器一般選用PID控制規律，

16、副控制器一般可選P控制規律；主、副控制器正、反作用方式的確定，主控制器的作用方向只與工藝條件有關。由于本次溫度控制系統設計中啤酒溫度被作為被控量，故無需設置副被控量，因此無須采用串級控制回路，采用單回路控制系統即可實現冷卻區溫度的控制。第三章 儀表選型3.1 變送器的選型被控參數的測量和變送必須迅速正確地反映其實際變化情況，為系統設計提供準確的控制依據。測量和變送環節的描述： （3-1）即： （3-2）由于本次設計中冷卻區溫度為被控量，因此檢測元件應選擇溫度變送器。溫度變送器有DDZIII型溫度變送器、一體化溫度變送器和智能式溫度變送器。常見的溫度檢測儀表有熱電偶溫度變換器、熱電阻溫度變換器和

17、輻射式溫度計，熱電偶溫度變換器主要適用于測量500-1800范圍的中高溫度，熱電阻溫度變換器主要適用于測量500以下范圍的中低溫度，輻射式溫度計主要適用于測量2000以上的高溫。而本次設計中冷卻區溫度要求為40±1 ，即要求精度為0.2，為節約成本以及達到較高的精度要求，在本次設計中選用DDZIII型溫度變送器中的熱電阻溫度變送器。 圖3.1 DDZIII型溫度變送器3.2調節閥的選型（1）調節閥類型的選擇：氣動執行器和電動執行器（2）調節閥口徑（Dg、dg）大小的選擇：主要依據是閥的流通能力。正常工況下要求調節閥開度處于1585之間。3.2.1調節閥氣開、氣關形式的選擇調節閥氣開、

18、氣關形式的選擇：主要以安全方面考慮。調節閥流量特性的選擇：系統總的放大倍數盡可能保持不變，通常被控過程的特性是非線性的(一階以上特性)，而變送器、調節器(若比例作用時)和執行機構的放大系數是常數。因此往往通過選擇調節閥的流量特性來補償被控過程特性的非線性，從而達到系統總放大倍數不變的目的。控制閥是自動控制系統中的一個重要組成部分，其作用是根據調節器的輸出命令，直接控制能量或物料等介質的輸送量達到控制工藝參數的目的。由于控制閥安裝在生產現場，長年與生產介質直接接觸。且往往工作在高溫，高壓，深冷，強腐蝕，易堵塞等惡劣條件下。因此，如果對控制閥選擇不當或者維護不善。就會使整個控制系統不能可靠工作或嚴

19、重影響系統的控制質量，根據能源的種類控制閥分為氣動，電動和液動三種，其中氣動控制閥具有結構簡單，工作可靠，價格便宜防火防爆等優點。在自動控制中用得很多。在本次設計當中，我選用氣動式。氣動執行器以壓縮空氣為能源，結構簡單，輸出推力大，動作可靠，性能穩定，價格便宜，本質安全防爆，氣動執行器中的氣動薄膜式執行器在實際應用中最為廣泛，本設計中要求對啤酒溫度進行控制，加熱手段為熱蒸汽，因此可選擇氣動薄膜式執行器為執行元件。其原理是：當信號壓力通入氣室時，推桿產生位移，彈簧受壓，直到彈簧產生的反作用力與薄膜上的推力相平衡為止。推桿的位移范圍就是執行機構的行程，推桿從零到全行程，閥門就從全開（全關）到全關（

20、全開）。3.3控制規律的選擇根據被控過程特性與生產工藝要求，了解調節器控制規律對控制質量的影響，合理選擇調節器的控制規律，是過程控制方案設計的重要內容之一。選擇調節器的控制規律就是為了使調節器的特性與控制過程的特性能很好配合，使所設計的系統能滿足生產工藝對控制質量指標的要求。P控制規律：適用于控制通道滯后較小，時間常數不太大，擾動幅度較小，負荷變化不大，控制質量要求不高，允許有余差的場合。如貯罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽壓力的控制等。PI控制規律：引入積分作用能消除余差。適用于控制通道滯后小，負荷變化不太大，工藝上不允許有余差的場合，如流量或壓力的控制。PD控制規律：引入了微分，會有超前控制作用，能使系統的穩定性增加，最大偏差和余差減小，加快了控制過程，改善了控制質量。適用于過程容量滯后較大的場合。對于滯后很小和擾動作用頻繁的系統，應盡可能避免使用微分作用。PID控制規律：可以使系統獲得較高的控制質量，