过程控制课程设计-啤酒生产糊化锅温度控制系统.doc

内蒙古科技大学课程设计论文

内蒙古科技大学
过程控制课程设计说明书

题 目：啤酒生产糊化锅温度控制系统
学生姓名：
学 号：
专 业：测控技术与仪器
班 级：2011-2
指导教师：

2014年09月06日
II

目录
绪论 1
一、 糊化锅的技术背景 2
1.1糊化锅的工艺流程 2
1.2糊化原理 2
1.3影响淀粉糊化的的因素 2
1.4 大米的糊化和液化的过程 3
二、 糊化锅温度控制基本工艺 4
2.1 糊化锅温度控制系统 4
2.2 分程控制系统的概念 4
三、 糊化锅的温度控制设计 4
3.1 糊化锅的分程控制原理图 4
3.2 温度控制要求 4
四、仪表选型 4
4.1 调节器的选型 4
4.1.1控制器概况 4
4.1.2控制器技术参数 4
4.2变送器选型 4
4.2.1产品描述 4
4.2.2量程规格 4
4.2.3原理和结构 4
4.3调节阀选型 4
4.3.1产品概况 4
4.3.2主要特点 4
4.3.3产品执行机构 4
五、系统整定 4
参考文献 4

Ⅰ

绪论
啤酒经过几千年的发展，已经成为世界上产量最大、酒精含量最低，营养丰富的酒种，是广大消费者普遍喜爱的大众型饮料。啤酒的原料是大麦。大麦是世界上种植最早的谷物之一，它的产量在谷物排名之上，而且大麦不是人类的主食，习惯上用作饲料，而白酒浪费粮食，使得啤酒从城市走向农村，成为人民大众最喜爱的饮料之一。
近几年我国啤酒产量继续增长，啤酒集团进一步优化，啤酒的生产方式及改进受到各个企业的高度关注。本次糊化锅的设计目的是为糖化更好的做准备，以及为以后酿造做准备。选择合适的糊化锅能充分的利用资源节省物力，并且还可以很好的提高啤酒的产量和质量。
啤酒的生产工艺流程可分为制麦、糖化、发酵、包装四个工序。本次设计主要针对糖化过程中糊化锅的温度控制。
1

内蒙古科技大学课程设计论文
一、 糊化锅的技术背景
1.1糊化锅的工艺流程
糊化锅是个巨大的回旋金属容器，装有热水与蒸汽入口，搅拌装置如搅拌棒、搅拌桨或者螺旋桨，以及大量的温度控制装置。如图1.1所示。在糊化锅中，麦芽和水经加热后沸腾，这时天然酸将难溶性的淀粉和蛋白质转变成为可溶性的麦芽提取物，称作“麦芽汁”。然后麦芽汁被送至被称作分离塔的滤过容器。
图1.1 糊化锅的工艺

1.2糊化原理
生淀粉在水中加热至胶束结构全部崩溃，淀粉分子形成单分子，并为水所包围而成溶液状态。由于淀粉分子是链状或分支状，彼此牵扯，结果形成具有粘性的糊状溶液，这种现象称为糊化。淀粉糊化温度必须达到一定程度，不同淀粉的糊化温度不一样，同一种淀粉，颗粒大小不一样，糊化温度也不一样，颗粒大的先糊化，颗粒小的后糊化。
1.3影响淀粉糊化的的因素
（1）淀粉的种类和颗粒大小；
（2）食品中的含水量；
（3）添加物：高浓度糖降低淀粉的糊化，脂类物质能与淀粉形成复合物降低糊化程度，提高糊化温度，食盐有时会使糊化温度提高，有时会使糊化温度低；
（4）酸度：在pH4-7的范围内酸度对糊化的影响不明显，当pH大于10.0，降低酸度会加速糊化。
1.4 大米的糊化和液化的过程
作为啤酒酿造辅料的大米，未经过发芽变化其淀粉存在与胚乳，以大小不等的颗粒存在于淀粉细胞中，颗粒被包裹在细胞壁（半纤维为主）中，在淀粉细胞之间还塞了蛋白质、葡萄糖等物质，淀粉颗粒中的直链淀粉中葡萄糖苷以螺旋状长链绕着重叠，并有大量氢键相互连接，直链淀粉包裹在直链淀粉外部及直链淀粉之间，在冷水中不溶解也很难被麦芽中淀粉酶分解，当淀粉颗粒经过加热迅速吸水膨胀至温度升到70℃左右，淀粉细胞上出现裂纹，淀粉颗粒被裂成多层淀粉进入水中，链淀粉折叠，绕卷的长链，开始舒展，氢键断裂，淀粉亲水基团充分暴露并和大量水结合，再升高温度继续吸水膨胀，形成凝状物。此淀粉受热膨胀从细胞壁中释放，破坏晶状结构并形成凝胶的过程称“糊化”。此时的淀粉遇碘液呈蓝色、紫红色，达到此程度的温度叫“糊化温度”。不同来源的植物淀粉，因为细胞的差异，淀粉颗粒的大小绕折紧密和氢键数目不同，糊化温度也不相同。
3

二、 糊化锅温度控制基本工艺
2.1 糊化锅温度控制系统
控制糊化锅的温度，既要使糊化锅中的温度达到设定的温度值，又要控制糊化锅中的温度不能超过设定值，超过设定值会导致麦芽糊化过程中的淀粉酶失去作用，使麦芽中的酶都被破坏，导致啤酒质量不佳，而且还会发生“溢锅”的现象。发生“溢锅”现象会造成生产事故。采用分程控制系统，当温度低于设定值时，使蒸汽阀打开，冷凝阀关闭，温度升高；当温度高于设定值时，使冷凝阀打开，蒸汽阀关闭，温度降低。从而使得啤酒生产的辅助原料液化和糊化，达到预期的效果。故采用分程控制系统来控制糊化锅的温度。
2.2 分程控制系统的概念
一般来说，一台调节器去操纵两只调节阀，实施（动作过程）是借助调节阀上的阀门定位器对信号的转换功能。基本原理如图2.1所示。 图2.1 分程控制系统基本原理图
例如图2.2中的A、B两阀，要求A阀在调节器输出信号压力为0.02～0.06MPa变化时，作阀得全行程动作，则要求附在A阀上的阀门定位器，对输入信号0.02～0.06MPa时，相应输出为0.02～0.1MPa，而B阀上的阀门定位器，应调整成在输入信号为0.06～0.1MPa时，相应输出为0.02～0.1MPa。按照这些条件，当调节器（包括电/气转换器）输出信号小于0.06MPa时A阀动作，B阀不动；当输出信号大于0.06MPa时，而B阀动作，A阀已动至极限；由此实现分程控制 《过程控制》，李文涛主编，科学出版社。
过程。

图2.2 分程控制调节阀原理示意图
在分程控制系统中，调节阀的开、闭形式可分为同向和异向两种。图2.3中为两个调节阀同向动作示意图，图2.4中为两个调节阀异向动作示意图。
气开
气开
气闭
气闭
气开
气开
气闭
气闭
图2.3
图2.4

5

三、 糊化锅的温度控制设计
3.1 糊化锅的分程控制
图3.1 糊化锅的分程控制原理
如图3.1所示，A阀控制冷水流量，B阀控制蒸汽流量。在该控制系统中，从安全生产考虑为了避免因起源中断而引起反因温度过高，冷水调节阀（A阀）选择气关式，蒸汽调节阀（B阀）选择气开式。一旦气源中断，A阀处于全开，B阀处于全关，这样就不会因为糊化锅温度太高而产生“溢锅”现象。温度调节器TC选择发作用方式。两个调节阀的分程特性曲线如图3.2所示。

图3.2 分程特性曲线
3.2 温度控制要求
（1）50℃保温阶段。这一阶段温度由糊化混水器控制，在此阶段，完成糊化进水（控温）与糊化进粉工作．在进粉阶段，应将搅拌电机从低速开到高速运行，蒸汽开关阀与调节阀不开启；
（2）第一升温阶段。温度从50℃以1 ℃／min的升温速率升温至85℃，搅拌电机运行于高速；
（3）85℃保温阶段。保温时间为20min，蒸汽开关阀关闭，用调节阀保温，搅拌电机运行于低速；
（4）第二升温阶段。温度从85℃以1℃／min的升温速率升温至101℃，在温度小于97℃前，搅拌电机运行于高速，97℃后，搅拌电机运行于低速，以防溢锅，同时通过安装在糊化锅上部的测温点，判断是否有溢锅现象，在发生溢锅的情况下，将所有蒸汽阀关闭，并适时重新开阀继续糊化过程；
（5）101℃保温阶段。保温时间为20min，蒸汽开关阀关闭，用调节阈保温，搅拌电机运行于低速，在此阶段，应防止产生溢锅，处理方法与上一阶段相同；
（6）降温阶段。通过检测糖化锅内物料温度与物料重量，启动冷水阀将糊化锅内物料温度降至一指定温度—— 使糊化锅内物料打到糖化锅内后(称为并醪)，糖化锅内混合后的物料温度为63℃。
7

四、仪表选型
4.1 调节器的选型
ST-803S-96E智能型精密数显温度控制器,如图4.1

图4.1 ST-803S-96E智能型精密数显温度控制器
4.1.1控制器概况
ST-803S-96E智能型精密数显温度控制器有三路温度自动控制，可同时对三个独立被测环境的温度进行实时精密监控；使环境温度指标符合工作要求。用数字显示温度的设定值或测量值；用户通过按钮自行设定温度控制值；有加热升温和风扇降温双控功能；并能对加热（降温）负载的断路故障自动报警；同时首创传感器断路报警并自动切断负载的功能，有效防止由于传感器断路造成负载失控长期运行。
4.1.2控制器技术参数
供电电压:AC / DC  85~264V
测量控制范围：温度 -50℃～150℃ 显示精度 ±0.1℃（＜100℃）；
检测精度：±0.5℃；
参数设置：
控制值：全量程0～100％；
回差：温度1~30℃；
传感器误差修正：温度-50℃～150℃；
显示方式：三位LED数码管显示，1位小数；
加热控制：
启动：温度≤设定温度（下限）；     
停止：温度≥设定温度（下限）＋温度回差；   
风扇控制：
启动：温度≥设定温度（上限）；
停止：温度≤设定温度（上限）－温度回差。
功率消耗： ≤ 5W；
负载继电器输出容量：AC220V / 7A（阻性负载时）六路；
报警继电器触头容量：AC220V / 7A（阻性负载时）一路；
外形尺寸：
控制器96ⅹ96ⅹ125mm；传感器 75×80×28.5mm。
4.2变送器选型
WZP系列隔爆型铂热电阻,如图4.2

图4.2 WZP系列隔爆型铂热电阻
4.2.1产品描述
工业用隔爆铂电阻是一种温度传感器。在工业自控系统中应用极广，通过温度传感器，可将控制对象的温度参数变成电信号,传递给显示、记录和调节仪表,对系统实行检测、调节和控制。
在化工厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体、蒸气，如果使用普通的铂电阻非常 不安全，极易引起环境气体爆炸。因此，在这些场合必须使用隔爆热电偶作温度传感器，本厂生产的隔爆铂电阻产品适用在dIIBT4~dIICT6 温度组别区间内具有爆炸性气体危险的场所内。
本厂生产的隔爆热电偶采用引进元件作感温元件，其技术性能符合 ZBY301-85工业铂电技术条件和分度表。同时产品符合爆炸性环境用防爆电气设备通用要求 GB3836.1-83 、 GB3836.2-83标准。
4.2.2量程规格
如表4.1所示
表4.1
型号
分度号
测温范围/℃
精度等级
允许偏差/Δt℃
WZP
Pt100
-200~500
A级
±（0.15+0.002|t|）
WZP2
Pt100
-200~500
B级
±（0.30+0.005|t|）
WZPK
Pt100
-200~500
B级
±（0.30+0.005|t|）
WZPK2
Pt100
-200~500
B级
±（0.30+0.005|t|）
注：“t”为感温元件实测温度绝对值，双支铂热电阻只供应B级。
4.2.3原理和结构
隔爆热电阻和装配式热电阻的结构，原理基本相同，所区别的是，隔爆型产品的接线盒（外壳）在设计上采用防爆特殊的结构，接线盒用高强度铝合金压铸而成，并具有足够的内部空间、壁厚和机械强度，橡胶密封圈的热稳定性均符合国定防爆标准，所以，当接线盒内部的爆炸性混合气体发生爆炸时，其内压不会破坏接线盒，而由此产生的热能不能向外扩散一传爆，由于产品采用是上述防爆特殊结构，使产品完全符合使用在dIIBT4至dIICT6防爆温度级别区间范围内，只要用户严格遵守产品使用规则，产品就能达到可靠的防爆效果。
4.3调节阀选型
Q647F/H固定式气动球阀(气动固定式球阀),如图4.3。

图4.3 Q647F/H固定式气动球阀
4.3.1产品概况
本固定式气动球阀是由角行程气动执行器与固定式球阀组成，采用上下阀杆固定阀芯(轴支式)和可动密封座设计，工作更稳定。固定式气动球阀可配阀门定位器输入控制信号(4-20mADC或1-5VDC)气源即可控制运转。亦可配行程限位开关、电磁阀、三联件及0.4-0.7MPa气源可实现开关操作，并送出二对无源触点信号指示阀门的开关。固定式气动球阀具有自动补偿功能、双向密封阀座之间无间隙回转时具有很大的剪切力及自洁功能。尤其适用于帝制纤维和有微小固体颗粒的悬浊液及粘性介质的通断。气动固定式球阀可广泛应用于造纸、石化、化工、冶金、电力、环保、石油、轻工等工业部门的自动化控制系统中。
4.3.2主要特点
（1）气动固定式球阀采用固定球设计，相对运动部位均采用磨擦系数极小自润滑材料，因而操作扭矩小，此外密封润滑脂的长期密封，使得操作更加灵活。
（2）阀门可采用高平台结构，ISO5211连接标准，能使安装电/气动执行器更为专业化。
（3）固定式气动球阀采用全通径或缩径设计，流通阻力小。
（4）金属硬密封固定式气动球阀采用双向金属可动密封结构，具有自动补偿及自洁功能，密封性能优越。
（5）气动固定式球阀采用固定球设计，并增加了预紧力弹簧，使得球阀具有自动泄压功能。
（6）每个球阀都有两个可动密封座，两个方向都能密封，因而安装时不须考虑介质的流向。
（7）具有防火防静电结构，在阀杆与阀体及阀杆与球体之间设置导电弹簧，避免静电打火点燃易燃介质。确保系统安全。
（8）耐火结构双重保护，当万一发生火灾而使密封圈烧损时，球阀的各个密封部位均能形成金属对金属的硬密封结构。
（9）自动泄压结构，当滞留在阀门中腔的液体介质由于温度升高而气化，从而中腔压力异常升高时，中腔介质能依靠本身的推力推动阀座而自动泄压，从而确保阀门安全。
4.3.3产品执行机构
如表4.2所示
表4.2
执行器型号
GT、SR、ST、AT、AW系列单双作用气动执行器
供气压力
0.4~0.7MPa
气源接口
G1/4”、G1/8”、G3/8”、G1/2”
环境温度
-20~+90℃
作用形式
单作用执行机构：气关式(B)--失气时阀位开(FO)；
气开式(K)--失气时阀位关(FC)
双作用执行机构：气关式(B)--失气时阀位保持(FL)；
气开式(K)-- 失气时阀位保持(FL)
可配附件
定位器、电磁阀、空气过滤减压器、保位阀、行程开关、阀位传送器、手轮机构等

12

五、系统整定
分程控制系统属于单回路控制系统相关参数整定参照单回路控制系统。可采用临界比例度法、衰减曲线法、反应曲线法以及现场试验法。而啤酒生产过程需要专业工人操作实践，故采用现场实验整定法。
现场实验整定法，实质上是一种经验试凑法，所以也称为经验法。
在现场的应用中，将各类过程控制系统调节器的整定参数按先比例、后积分、最后微分的顺序置于某些经验数值后，把系统闭合起来，然后再作给定值扰动，观察系统过渡过程曲线。若曲线还不够理想，则改变调节器的δ、Ti和Td的数值，进行反复试凑，以寻求“最佳”的整定参数，直到控制质量符合要求为止
13

参考文献
[1] 李文涛，《过程控制》，科学出版社，2012
[2] 吴勤勤，《控制仪表及装置》，化学工业出版社，2007
[3] 李忠虎，李希胜，《过程参数及检测仪表》，中国计量出版社，2009
[4] 黄亚东，《啤酒生产技术》，中国轻工业出版社，2010
[5] 周广田，《现代啤酒工艺技术》，化学工业出版社，2007
14