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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(cè)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(tái)兩位式電動(dòng)閥。通過(guò)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(duì)罐內(nèi)麥汁溫度的控制。某廠的冷媒體采用液氨來(lái)降溫。上、中、下三臺(tái)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(shuō)三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)與三套冷卻套不是一一對(duì)應(yīng)的。上部測(cè)溫點(diǎn)由于安裝過(guò)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(cè)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(guò)上閥控制為主，以中閥為輔。在發(fā)酵的過(guò)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(guò)酒精在冷卻管內(nèi)循環(huán)使罐內(nèi)的溫度降下來(lái)。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(guò)程大約20多天完成。因此，控制好啤酒發(fā)酵過(guò)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(jí)控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮它的優(yōu)點(diǎn)，合理準(zhǔn)確的測(cè)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(wèn)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(jí)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(jí)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(duì)象所受的主要干擾，當(dāng)對(duì)象具有較長(zhǎng)純滯后時(shí)間時(shí)，應(yīng)盡量將純滯后部分包含在主對(duì)象中。

2.1.2主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇

    串級(jí)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(jí)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(duì)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(jí)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(duì)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(jí)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，串級(jí)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(wú)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(duì)象的放大系數(shù)為“+”根據(jù)副環(huán)放大系數(shù)符號(hào)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(duì)象放大系數(shù)符號(hào)。主對(duì)象的輸入信號(hào)是液氨的供給流量，輸出信號(hào)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(duì)應(yīng)區(qū)域溫度下降，因此主對(duì)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(jí)系統(tǒng)的整定

    串級(jí)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(duì)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(jí)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(guò)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(guò)程中，由于發(fā)酵過(guò)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(guò)程控制的要求，我們爭(zhēng)取在不增加對(duì)過(guò)程模型要求的同時(shí)，使無(wú)辨識(shí)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(guò)程控制。針對(duì)被控對(duì)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(jiǎn)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(guó)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(duì)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(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、物理概念清晰等，容易被現(xiàn)場(chǎng)工程師所接受。

     3.  在近半個(gè)世紀(jì)的PID算法發(fā)展過(guò)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(duì)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(duì)PID的認(rèn)識(shí)和改進(jìn)還遠(yuǎn)沒(méi)有完成。到目前為止對(duì)PID的機(jī)理、適用范圍、魯棒性等問(wèn)題還沒(méi)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(duì)PID的控制機(jī)理進(jìn)行全面的分析，并對(duì)在上述場(chǎng)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(wèn)題是PID參數(shù)整定，傳統(tǒng)的整定方法是在獲得被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上按照某種整定原則來(lái)進(jìn)行PID參數(shù)值的整定。而實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(chǎng)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(duì)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(lái)顯示儀表和計(jì)算機(jī)配套，直接測(cè)量各種生產(chǎn)過(guò)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(guó)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(hào)Pt100，銅電阻分度號(hào)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(hào)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(cè)量汽體或液體的溫度特別適用于低溫范圍測(cè)量，克服了冷凝水對(duì)測(cè)溫所帶來(lái)的影響特點(diǎn)。 Pt100溫度變送器用于Pt100鉑電阻信號(hào)需要遠(yuǎn)距離傳送、現(xiàn)場(chǎng)有較強(qiáng)干擾源存在或信號(hào)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(hào)調(diào)理電路，上層電路可定義傳感器類型和測(cè)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(cè)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(cè)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。孔板流量計(jì)節(jié)流裝置與差壓變送器配套使用，可測(cè)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(guò)測(cè)量壓差來(lái)衡量流體流量的大小。這種測(cè)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(hào)：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(wú)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(duì)溫度：0～。遷移后的上下限值均不應(yīng)超過(guò)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(guò)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度、流量等各種信號(hào)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(cè)量范圍，可顯示四位的瞬時(shí)流量測(cè)量值、入口/出口溫度測(cè)量值、流量（差壓、頻率）測(cè)量值等，及整11位的流量累積測(cè)量值，0.2％級(jí)測(cè)量精度，0.1％級(jí)累積精度。具備多種信號(hào)輸入功能，可配接各種差壓信號(hào)（孔板裝置）、線性信號(hào)（電磁流量計(jì)）及脈沖信號(hào)（渦街流量計(jì)）。可帶兩路模擬量變送輸出。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(chǎng)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(hào)（0-10V或4-20mA）來(lái)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(guò)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。