1.发酵罐

      发酵罐是啤酒生产的主要设备之一，罐内灌有百吨以上的麦汁，冷媒酵母在罐内发生化学反应产生热量，使罐内麦汁温度上升。罐内设有三个测温点，传感器采用Ptl00热电阻(RTD)，其铂电阻探头插入灌内0.5米左右。罐的外壁设置有上、中、下三段冷却套和三台两位式电动阀。通过电动阀调节冷却套内的冷媒体流量以实现对罐内麦汁温度的控制。某厂的冷媒体采用液氨来降温。上、中、下三台电动阀都可独立开关的，该厂情况较为特殊，上阀开关主要影响的是中部温度，中阀开关主要影响下部温度，下阀安装在出口处附近，也就是说三个测温点与三套冷却套不是一一对应的。上部测温点由于安装过高，酒体(把主要由麦汁和酵母组成的发酵罐内的液体称之为酒体)较浅的话，测量的温度为气液混和物的温度，因此一般不作为被控量，同样由于酵母沉积在发酵罐的锥底部，故下温也不宜作为被控量。所以以控制中温为主，兼顾上温和下温，以通过上阀控制为主，以中阀为辅。在发酵的过程中，温度在不断的升高，当达到上限温度时，要打开制冷设备，通过酒精在冷却管内循环使罐内的温度降下来。当发酵温度低于工艺要求的温度时，关闭冷媒，则啤酒按工艺要求继续发酵，整个发酵过程大约20多天完成。因此，控制好啤酒发酵过程中温度及其升降速率是决定啤酒质量和生产效率的关键。

2 锥形发酵罐温度控制系统

2.1啤酒发酵温控系统设计

    根据发酵罐的结构以及发酵工艺特点，采用串级控制系统，充分发挥它的优点，合理准确的测量并控制发酵罐温度。

      在系统设计时，必须明白主、副被控参数的选择；副回路的设计；主、副回路的关系以及主副调节器控制规律的选择及其正反作用方式的确定等问题。

2.1.1发酵温控系统主、副被控参数的选取

     设计被控系统时，选取的参数要能有效的反映工艺状况。根据工艺主参数为发酵罐中麦汁的温度。而副参数的选取是串级控制系统的关键所在，副回路设计的合理与否决定了串级控制的特点能否发挥。根据副回路的设计原则，副被控参数的选择应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏，副回路包含被控对象所受的主要干扰，当对象具有较长纯滞后时间时，应尽量将纯滞后部分包含在主对象中。

2.1.2主、副调节器调节规律的选择

    串级控制系统中主副调节器的类型是根据控制要求进行选择的。

    （1）主调节器调节规律的选择

    在串级控制系统中，主参数是生产工艺的主要指标，直接关系着产品质量，工艺要求比较严格。因为主被控参数为发酵罐的温度，对象控制通道容量滞后较大，为了克服容量滞后，所以就要选用PID调节规律。

   （2）副调节器调节规律的选择

    串级控制系统设置副参数的目的在于保证和提高主参数的控制质量，副回路是一个随动系统，它的给定值随主调节器输出的变化而变化。在选择流量为副被控参数时，由于比例调节规律对噪声敏感，为保持系统稳定，比例度必须选得较大，比例控制作用较弱，为此引入积分作用，采用PI调节规律。

2.1.3主、副调节正、反作用方式的选择

    为保证串级控制系统的正常运行，串级系统中主、副调节器的正、反作用必须正确选择。副调节器的正反作用只和副回路有关，与主回路无关。根据工艺要求，为保证产品质量，调节阀选择关闭形式，其放大系数为“-”，当阀门开度增大时，进入冷却套的流量增加，则副对象的放大系数为“+”根据副环放大系数符号为“+”的原则，副调节器为“-”，所以选择正作用方式。

    主调节器的正反作用只取决于主对象放大系数符号。主对象的输入信号是液氨的供给流量，输出信号是发酵罐内部区域的温度。当液氨流量增大时，罐体对应区域温度下降，因此主对像放大系数为“-”,主调节器的放大系数为“-”。所以主调节器选择正作用方式。

2.2串级系统的整定

    串级系统的整定方法比较多，逐步逼近法、两步整定法和一步整定法等。整定的顺序都是先整副环后整主环。

在这里采用一步整定法，所谓一步整定法就是根据经验先将副调节器参数设置好，不再变动，然后按一般单回路系统的整定方法直接整定主调节器参，具体步骤：

    1．按副参数类型，根据对应的经验值选择副调节器参数，并将其置于副调节器上。当副被控参数为流量时，副调节器比例度设为40~80，副调节器比例放大倍数设为2.5~1.25。

    2．将串级系统投运后，按照单回路系统整定方法直接整定主调节器参数。

    3．观察控制过程，根据K值匹配的原理，适当调整主调节器的参数，使主参数的品质指标达到  规定的质量要求。

    4．如果系统出现振荡，只要加大主、副调节器的任一比例度，就可消除。多次整定直到满意为止。

2.3控制算法

2.3.1控制算法的特性分析

    在啤酒生产过程中，由于发酵过程具有大惯性、时滞和非线性等特点。所以，采用常规的控制算法难以得到理想的效果。这也是制约啤酒生产质量和效率的重要原因。因而为了满足啤酒生产发酵过程控制的要求，我们争取在不增加对过程模型要求的同时，使无辨识自适应控制算法同样适用于大滞后、建模困难的复杂工业过程控制。针对被控对象的特性，本系统采用两种控制算式。

2.3.2 常规PID控制器

    常规的PID调节方法，即比例、积分、微分控制规律。是在工业生产中应用zui广泛、研究得zui成熟的一种简单的自适应控制方式，即使在欧、美、日等工业发达的国家，采用现代的控制算法的回路数也仅占很小的比例，90%以上的控制回路基本上还是采用PID控制算法。其原因主要有以下几个方面:

     1.  PID控制不要求严格掌握被控对象的数学模型，而现代的控制算法是以的数学模型为基础的。

     2.  PID控制算法结构简单、稳定性好、物理概念清晰等，容易被现场工程师所接受。

     3.  在近半个世纪的PID算法发展过程中，广大工程技术人员已经积累了丰富的经验，摸索出了一系列整定PID参数的方法。

    对于PID控制尽管取得了一系列的研究成果和应用经验，但人们对PID的认识和改进还远没有完成。到目前为止对PID的机理、适用范围、鲁棒性等问题还没有*的全面的分析研究。事实上，PID并非的控制器，在存在多变量祸合、时变、大时滞、强干扰等复杂动态特性的系统中，PID很难获得理想的控制效果，甚至产生不稳定。因此，有必要对PID的控制机理进行全面的分析，并对在上述场合中的应用提出改进的办法。

    PID控制中的一个关键问题是PID参数整定，传统的整定方法是在获得被控对象数学模型的基础上按照某种整定原则来进行PID参数值的整定。而实际的工业生产过程往往具有非线性，时变不确定性，难以建立的数学模型，应用常规的PID控制不能达到理想的控制效果。另外，在实际生产现场中，PID参数整定与自整定的方法很多，但往往难以实施或不太理想，常规PID控制器参数常常整定不良，性能欠佳，对运行工况的适应性差。因此，在PID参数的整定及自整定方面还有待进一步深入研究。

3 仪表选型

（1）温度传感器

      工业装配式热电阻通常用来显示仪表和计算机配套，直接测量各种生产过程中-200℃～+500℃范围内液体、蒸汽和气体介质及固体表面的温度。我厂生产热电阻全部符合ICE标准和国家有关规定，有铂热电阻和铜热电阻两大类，铂电阻又分为云母骨架、陶瓷骨架、厚膜电阻和薄膜电阻等。铜电阻的骨架有聚碳酸酯制成。铂电阻分度号Pt100，铜电阻分度号Cu50。BA1、BA2、Pt100铂电阻和Cu100铜电阻可订做。在此，我们选择Pt100。

（2）温度变送器

      HAKK-WB系列温度变送器为24V供电、二线制的一体化变送器。产品采用进口集成电路，将热电阻的信号放大，并转换成4-20mA或0-10mA的输出电流,或0～5V的输出电压。其中铠装变送器可以直接测量汽体或液体的温度特别适用于低温范围测量，克服了冷凝水对测温所带来的影响特点。 Pt100温度变送器用于Pt100铂电阻信号需要远距离传送、现场有较强干扰源存在或信号需要接入DCS系统使用。铂电阻温度变送器采用*的双层电路板结构，下层是信号调理电路，上层电路可定义传感器类型和测量范围。

（3）孔板流量计

    HYG系列孔板流量计（又称节流装置、差压式流量计）是测量流量的差压发生装置，配合各种差压计或差压变送器可测量管道中各种流体的流量。孔板流量计节流装置包括环室孔板，喷嘴等。孔板流量计节流装置与差压变送器配套使用，可测量液体、蒸汽、气体的流量，孔板流量计广泛应用于石油、化工、冶金、电力、轻工等部门。

充满管道的流体，当它们流经管道内的节流装置时，流束将在节流装置的节流件处形成局部收缩，从而使流速增加，静压力低，于是在节流件前后便产生了压力降，即压差，介质流动的流量越大，在节流件前后产生的压差就越大，所以孔板流量计可以通过测量压差来衡量流体流量的大小。这种测量方法是以能量守衡定律和流动连续性定律为基准的。

（4）差压变送器

      3051X高精度差压变送器具备EJA原装表所有功能，还扩展了一些实用功能。旋转开关可PV值清零，顺时针增大，逆时针减小,可以1μA调整，也可大范围调整。3051X高精度差压变送器主要性能和参数：（1）输出信号：4～20mA.DC,二线制。（2）供电电压：12V～45V.DC。（3）电源影响：＜0.005%/V。（4）负载影响：电源稳定时无负载影响。（5）启动时间：＜2秒，不需预热（6）工作环境：-25℃～+70℃ 相对温度：0～。迁移后的上下限值均不应超过zui大量程范围的上限值。（7）负载特征：RL≤（u-12）/i，式中：u---供电电压，i---回路电流。（8）振动影响：任何方向200Hz振动±0.5%/g。（9）安装位置：膜片未垂直安装时，可能产生小于0.24Kpa的误差，但可通过调零消除。（10）防爆类型：隔爆型ExdllCT5,本安ExiallCT6.

（5）流量积算仪

        厦门宇电AI-708H流量积算控制仪针对现场温度、流量等各种信号进行采集、显示、控制、远传、通讯、打印等处理，构成数字采集系统及控制系统。双屏LED数码显示，具有极宽的显示测量范围，可显示四位的瞬时流量测量值、入口/出口温度测量值、流量（差压、频率）测量值等，及整11位的流量累积测量值，0.2％级测量精度，0.1％级累积精度。具备多种信号输入功能，可配接各种差压信号（孔板装置）、线性信号（电磁流量计）及脉冲信号（涡街流量计）。可带两路模拟量变送输出。支持RS485、RS232串行接口，采用标准MODBUS RTU通讯协议。仪表可带RS232C打印功能，具有手动、定时、报警打印功能。带DC24V馈电输出，为现场变送器配电。输入、输出、电源、通讯相互之间采用光电隔离技术

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（6）电动调节阀

      RC系列电动调节阀包括驱动器，接受驱动器信号（0-10V或4-20mA）来控制阀门进行调节，也可根据控制需要，组成智能化网络控制系统，优化控制实现远程监控。 

（7）厦门宇电AI-808P温控器

      LED显示高性能程序表，具有50段程序、多种强大的调节功能。还具有便于查看的大屏数字显示，用于交互式程序模式与参数设定的LCD显示特性。标配有自动协调功能、“SUPER”抑制过冲功能以及新增加的“SUPER”hunting抑制功能。位置比例调节与加热/冷却模式适合于多种应用。