发酵罐温度控制系统的设计

内蒙古科技大学

过程控制工程课程设计说明书

题 目：发酵罐温度控制系统的设计学生姓名：学 号：专 业：测控技术与仪器班 级：指导教师：

2009-3

目录

前 言........................................................................................错误！未定义书签。 1工艺过程概述...........................................................................错误！未定义书签。

1．1工艺背景：..................................................................错误！未定义书签。 1．2温度对发酵的影响......................................................错误！未定义书签。

1.2.1温度影响微生物细胞生长.................................错误！未定义书签。 1.2.2温度影响产物的生成量.....................................错误！未定义书签。 1.2.3温度影响生物合成的方向.................................错误！未定义书签。 1.2.4温度影响发酵液的物理性质.............................错误！未定义书签。 1.3、影响发酵温度变化的因素：.....................................错误！未定义书签。 1.4发酵热的测定................................................................错误！未定义书签。 1.5最适温度的选择与发酵温度的控制............................错误！未定义书签。

1.5.1温度的选择........................................................................................... 4

2 发酵罐温度控制系统的设计..................................................错误！未定义书签。

2.1总体设计方案.................................................................................................. 4

2.1.1 系统总框图.......................................................................................... 5 2．2硬件设计........................................................................................................ 6

2.2.1温度采集电路....................................................................................... 6 2.2.2 PLC与计算机的通信........................................................................... 6 2.3软件部分.......................................................................................................... 7 3总结........................................................................................................................... 11 参考文献：.................................................................................................................. 12

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前 言

过程控制系统课程设计是测控技术与仪器专业的实践教学环节。其教学目的是：运用所学专业知识，结合工业生产实际，以仪表控制系统的工程设计为核心，是学生初步了解生产过程检测与控制系统的设计方法、设计规范和设计步骤，并通过实践设计、绘图等环节，培养学生的工程意识，掌握一定的工程设计技能，初步具备独立承接科研课题或工程设计的能力，受到一次工程师的基本训练。

本次过程控制系统课程设计主题为啤酒厂发酵罐温度控制系统的设计，要求我们了解发酵罐温度控制的工艺背景、设计控制方案。

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1 工艺过程概述

1.1工艺背景

啤酒发酵过程是啤酒酵母在一定的条件下，利用麦汁中的可发酵性物质而进行的正常生命活动，其代谢的产物就是所要的产品--啤酒。

啤酒发酵是放热反应的过程。随着反应的进行，罐内的温度会逐渐升高。发酵过程中的温度的变化直接影响到啤酒质量和生产的效率。因此，对发酵过程中的温度进行控制显得十分重要。啤酒发酵的全过程分成多个阶段，各个阶段都有对应的温度曲线。为了使啤酒有更好的品质，需要让发酵罐的温度根据工艺温度曲线变化。

1.2温度对发酵的影响

温度对发酵过程的影响是多方面的，它会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制 除这些直接影响外，温度还对发酵液的理化性质产生影响，如发酵液的粘度。基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率。某些基质的分解和吸收速率等，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。

1.2.1温度影响微生物细胞生长

随着温度的上升，细胞的生长繁殖加快。这是由于生长代谢以及繁殖都是酶参加的。根据酶促反应的动力学来看，温度升高，反应速度加快，呼吸强度增加，最终导致细胞生长繁殖加快。但随着温度的上升，酶失活的速度也越大，使衰老提前，发酵周期缩短，这对发酵生产是极为不利的。 1.2.2温度影响产物的生成量 1.2.3温度影响生物合成的方向 1.2.4温度影响发酵液的物理性质

温度除了影响发酵过程中各种反应速率外，还可以通过改变发酵液的物理性质间接影响微生物的生物合成。 1.3影响发酵温度变化的因素：

发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。生物热主要是培养基中碳水化合物、脂肪、蛋白质等物质被分解为CO2、

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NH3时释放出的大量能量。主要用于合成高能化合物，供微生物生命代谢活动及热能散发。菌体在生长繁殖过程中，释放出大量热量。

生物热的大小与菌种遗传特性、菌龄有关，还与营养基质有关。在相同条件下，培养基成分越丰富，产生的生物热也就越大。 1.4发酵热的测定

通过测量一定时间冷却水的流量和冷却水的进、出口温度，由下式计算出发酵热：

Q发酵=G.CW.（t2-t1）/V (1-1) 式中：G——冷却水的流量(kg/h)；CW——水的比热[kJ／(kg?℃)]； t2 t1——分别为冷却水的进、出口温度(℃)； V--发酵液的体积(m)。

通过发酵罐温度的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自动控制装置,测定温度随时间上升的速率，按下式计算发酵热：

Q发酵=(MlCl+M2c2).S (1-2)

Ml一系统中发酵液的质量(kg)；M2一发酵罐的质量(kg)；

Cl—发酵液的比热[kJ／(kg?℃)]；C2—发酵罐材料的比热[kJ／(kg?℃))； S—温度上升速率(℃／h)。 1.5最适温度的选择与发酵温度的控制 1.5.1温度的选择

最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌的生长或发酵产物的生成。选择最适温度应该考虑微生物生长的最适温度和产物合成的最适温度。最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。

工业上使用大体积发酵罐的发酵过程，一般不须要加热，因为释放的发酵热常

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常超过微生物的最适培养温度，所以需要冷却的情况较多。

2发酵罐温度控制系统的设计

2.1总体设计方案

发酵罐的温度控制选择了检测发酵罐的上、中、下段温度的方法，通过上、中、下3段液氨进口的两位式电磁阀来实现发酵罐温度控制，其原理图如图1所示。

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发酵罐液氨进液氨出液氨罐图1 发酵罐控制过程原理图

2.1.1 系统总框图

设计在本设计中采用闭环控制系统，温度采集电路从发酵罐中采集温度，通过模拟量控制模块，把采集的模拟信号转换成对应的数值信号送入PLC中，与给定的温度信号进行比较，经过PID运算后，通过输出差值信号来调节电磁阀的开关状态，从而来控制进入发酵罐冷却夹套中液氨的多少来调节发酵罐的温度。图2是发酵罐温度控制系统总框图。

变送器温度采集给定温度-调节器调节阀对象图2 发酵罐温度控制系统总框图

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2．2硬件设计

2.2.1温度采集电路

图3是实际的测量电路。图中，AD581输出一个标准的+10V电压，RP1用于调零，RP2用于调满刻度。AD590输出电流在R1和RP1上产生压降，该电压经过运算放大（R2+RP2）/（R1+RP1）倍后输出。调整过程分别在0℃（冰水混合物中）和100℃（沸水中）两点温度进行，通过运算放大器A放大使输出灵敏度为100mV/℃， 即在0℃时， 调整RP1时输出0V，在100℃时，调整RP2使输出为10V。

R1Pt-100RP11KR291K -15V-OP07++15VRP210KAD58136KR327KAD590Uo-15V图3 温度采集电路

2.2.2 PLC与计算机的通信

设计系统中，采用一台PC机和多台PLC组成控制系统，计算机实行图形显示数据处理打印报表以及中文显示等功能，PLC则执行控制功能。图4是FX2N PLC与计算机连接图。

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TXD DTRRXD DSRRXD接收DSR对方就绪TXD发送DTR自己就绪PLC RTSCTS转换器RTS请求发送CTS允许发送计算机图4 PLC与计算机连接图

2.3软件部分

图5 是发酵罐控制过程的程序流程图。本设计选择FX2N-4AD模块，并且选择通道和相应的量程。序的作用是选择通道一、A/D转换和将转换的数据放在地址D201中。A/D采样时间是选用了15s，这是根据采样定理确定的，并参考了工程手册上的参数设定。罐状态操作包括：温度控制自动调谐程序、 长定时子程序和各阶段温度控制。 图6是长定时子程序:

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开始初始化A/D转换子程序度设定温度值PID计算电磁阀控制输出发酵罐状态操作图5 发酵罐控制过程程序流程图

开始进料、给PID运算中的给定值赋值PID运算对发酵罐降温定时(20小时)停止进料返回图6 长定时程序流程图

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各阶段温度控制分为：

（1） 进料阶段，温度保持在8℃，流程图如图7所示:

开始时间到否否PID 输出为零是PID 运算对发酵罐降温时间到(70小时)，停止PID 运算返回图7 进料阶段流程图

（2） 还原双乙酰阶段，温度保持在12℃，流程图如图8所示:

开始对计数器C0清零定时器定时，定时到自身清零，计数器加1计数器满否否是将发酵液输送到发酵罐中返回 图8 还原双乙酰阶段流程图

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（3） 停留观察，温度保持在6℃，流程图如图9所示；具体停留观察阶段设

定为10个小时，用于检测发酵液体内的化学物质含量，并将发酵液中的酵母排出。在没有到达停留观察阶段时，其PID输出值为零；

开始时间到否否PID 输出为零是PID 运算输出对发酵罐降温时间到（10小时），停止PID 运算返回图9 停留观察阶段程序流程图

（4） 储酒阶段，将温度控制到-1℃，直到发酵周期结束，流程图如图10所示。

开始时间到否否PID 输出为零是PID 运算输出对发酵罐降温时间到（70小时），移动到储存罐中返回图10 存储阶段程序流程图

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3总结

在李刚老师的指导下，我经过了历时两个星期的过程控制工程课程设计我从开始的迷茫逐渐走向清晰的过程，我在其中收获颇多。对于过程控制系统这门课程我从最初的仅仅对其的书面层次的认识提升到了实际应用。并自己亲自动手设计了啤酒发酵温度控制的过程控制系统。通过对资料的查找，我对啤酒的生产工艺也有了更多地了解。此外，为了这次设计我还学会了如何使用visio画制流程图。

这次过程控制课程设计持续了两周，这也是我第一次做设计，虽然过程中遇到了许多困难，但在李老师的指导以及同学们的帮助下我最终克服了困难，完成了设计。虽然我做的不是完美的，但我从中的收益是无穷的。

在此，再次感谢指导老师李老师的指导和同学的帮助。

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参考文献：

[1] 李文涛，李忠虎.过程控制[M].北京：科学出版社，2012.2 [2] 黄桂梅.计算机控制技术与系统[M].北京：中国电力出版社，2008 [3] 林锦国.过程控制[M].2版.南京：东南大学出版社，2006

[4] 牛超，徐定伟，王军，吕冰.发酵罐温度控制系统的设计[Ｊ].自动化与仪器

仪表，2008(05)

[5] 刁育群.微机在啤酒发酵生产控制系统中的应用[Ｊ].仪器仪表分析与检测，

1990(3)

[6] 顾庆才. 啤酒发酵期间温度和压力对酵母生长/杂醇/酯比例的影响[J].啤

酒科技，2002(8)

[7] 杜锋，雷鸣. 啤酒发酵过程温度控制策略[J].酿酒，2002(2)

[8] 王国安，张利波.发酵罐恒温供冷控制系统[J].赤峰学院学报，2009(7) [9] 孙波，陈刚，王尔智，张炳义.啤酒发酵中温度的测控方法[J].控制工程，

2008(5)

[10] 杨德，畅福善，沈俊霞. 基于PLC的发酵罐温度控制系统[J].自动化仪表，

2012(5)

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