【正文】 展。通過本文設(shè)定的PID控制算法決定每層控制閥的開度，從而實現(xiàn)了啤酒發(fā)酵罐內(nèi)部三層溫度的精確控制，進(jìn)而解決了啤酒發(fā)酵罐內(nèi)部溫度控制系統(tǒng)控制精度不高的問題，提高了啤酒生產(chǎn)的綜合自動化水平。其中發(fā)酵過程中的溫度控制是影響產(chǎn)品質(zhì)量最重要的測控參數(shù)之一，也是最難控制的回路之一，究其原因是對象特性包含了大時滯、時變及其它一些不確定的因素。 國內(nèi)啤酒發(fā)酵技術(shù)的控制水平[2]目前國內(nèi)的發(fā)酵水平可以分為3個檔次：（1）完全手動操作方式。主要特點為閥門多采用氣動或電動自動閥門。例如DCS(分布式控制系統(tǒng))控制系統(tǒng)，在該控制系統(tǒng)中，下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)中控制單元采用 PLC，其可靠性非常高，性能穩(wěn)定，上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)可兼容多種通訊協(xié)議，便于下一步與管理網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)結(jié)，完全有效克服了PC機(jī)+數(shù)據(jù)采集卡控制方式的缺點。為適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求，提高、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量與口味，提高勞動生產(chǎn)率，降低成本，同時使企業(yè)的生產(chǎn)管理水平和競爭能力更上一層樓，在發(fā)酵的生產(chǎn)過程中進(jìn)行自動化控制可以很好的提高競爭能力。一致性很高，同時可記錄下真實的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，并可隨時調(diào)用查閱這些數(shù)據(jù)，作為改進(jìn)生產(chǎn)工藝的可靠依據(jù)。 發(fā)酵生產(chǎn)過程自動控制的意義啤酒發(fā)酵的自動控制具有很大的意義：（1）對發(fā)酵工段進(jìn)行自動化控制、擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模是國內(nèi)企業(yè)發(fā)展的主流，中國已經(jīng)加入 WTO，完全靠手動控制的企業(yè)將難以維持生計。例如，在發(fā)酵罐控制中，目前所用的控制系統(tǒng)大多采用簡單PID控制，無法解決發(fā)酵罐上、中、下3個冷卻帶的耦合問題，也難以解決發(fā)酵罐大慣性，系統(tǒng)超調(diào)、控制精度等問題。不少企業(yè)的酵母自動添加裝置、麥芽粉碎裝置、脫氧水裝置、過濾裝置等采用國外進(jìn)口設(shè)備，這些設(shè)備自身帶有控制系統(tǒng)，接口標(biāo)準(zhǔn)隨廠家而變，若不能與總自控系統(tǒng)很好銜接，則需要人工干預(yù)生產(chǎn)過程，降低生產(chǎn)自動化程度。 本課題研究的主要內(nèi)容（1）發(fā)酵過程是啤酒生產(chǎn)中一個非常重要的環(huán)節(jié)，這個過程可以理解為把麥汁轉(zhuǎn)化為啤酒的過程，整個發(fā)酵過程同樣也包含若干道生產(chǎn)工序。所能控制的只有降溫的速度。如今正確看待我國發(fā)酵控制技術(shù)的現(xiàn)狀，提高我國在發(fā)酵領(lǐng)域的控制水平，進(jìn)而提高啤酒的產(chǎn)量與質(zhì)量具有非凡的意義。貯酒期結(jié)束并過濾得清酒，即完成了整個釀造過程。經(jīng)過 2～3天后進(jìn)入發(fā)酵最為旺盛的高泡期，再過2～3天，降糖速度變慢，糖度很低，酵母開始沉淀，進(jìn)行封罐發(fā)酵。當(dāng)罐內(nèi)溫度從前發(fā)酵的 12℃降到 5℃左右時，后發(fā)酵階段開始了，這一階段最主要的目的是進(jìn)行雙乙酰還原?！娣秶畠?nèi)，以期達(dá)到理想的發(fā)酵狀況。發(fā)酵溫度的上升會使發(fā)酵速度明顯加快。發(fā)酵罐的形狀一般為圓錐狀，容積較大，大部分在 100立方米左右，目前國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)采用的是露天發(fā)酵罐，材質(zhì)一般為碳鋼或不銹鋼。在冷媒的選用上，一般是采用乙醇或25%的乙二醇間接冷卻，也有用液氨直接冷卻的。因此，控制好啤酒發(fā)酵過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。T3 第三恒溫段溫度 設(shè)定：018176。主要包括對啤酒酵母的選育，對啤酒成熟的新認(rèn)識，發(fā)酵工藝改變并保持， 啤酒需要量增加，生產(chǎn)成本不斷提高，迫使人們加速啤酒生產(chǎn)，增加啤酒產(chǎn)量，使生產(chǎn)日趨合理化。它的高低與發(fā)酵中的酶反應(yīng)速率、氧在培養(yǎng)液中的溶解度和傳遞速率、菌體生長速率和產(chǎn)物生成速率等有密切關(guān)系。（4）壓力（P）：這是發(fā)酵過程中發(fā)酵罐維持的壓力。pH值對微生物的生長繁殖和產(chǎn)物合成的影響有以下幾個方面：（1）影響酶的活性，當(dāng)pH值抑制菌體中某些酶的活性時，會阻礙菌體的新陳代謝；（2）影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)，改變細(xì)胞膜的通透性，影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的排泄；（3）影響培養(yǎng)基中某些組分的解離，進(jìn)而影響微生物對這些成分的吸收；（4）pH值不同，會引起菌體代謝過程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。由于pH值的高低對菌體生長和產(chǎn)物的合成產(chǎn)生明顯的影響，所以在工業(yè)發(fā)酵中，維持最適應(yīng)pH值已成為生產(chǎn)成敗的關(guān)鍵因素之一。除上述直接影響外，溫度還對發(fā)酵液的物理性質(zhì)產(chǎn)生影響，如發(fā)酵液的黏度、基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶解度和傳遞速率、某些基質(zhì)的分解吸收速率等，都受溫度變化的影響，進(jìn)而影響發(fā)酵動力學(xué)特性和產(chǎn)物的生物合成。（3）發(fā)酵條件影響耗氧：在最適應(yīng)條件下發(fā)酵，耗氧量比較大。因此，供氧對于好氧微生物來說是非常重要的。h)。由于氧在水中的溶解度很小，在發(fā)酵液中的溶解度更小，因此，需要不斷調(diào)整通風(fēng)和攪拌，才能滿足不同發(fā)酵過程對氧的需求。微生物發(fā)酵過程中，壓力通常作為常量操作。針對某些發(fā)酵產(chǎn)物，適當(dāng)提高壓力有利于加快產(chǎn)物的合成。pH低，氨氮低，補(bǔ)氨水；pH高，氨氮低，補(bǔ)硫酸銨 。pH控制如下圖31所示。罐內(nèi)溫度控制如下圖32所示。罐內(nèi)壓力控制如下圖33所示。對溶氧量（DO）值的控制主要集中在氧的溶解和傳遞兩個方面。如啤酒發(fā)酵，麥汁充氧和酵母接種階段，一般要求氧含量達(dá)到810PPM；而啤酒發(fā)酵階段，一般啤酒中的含氧量不得超過2PPM。(2)控制氧傳遞速率。操作變量包括溫度、壓力，通風(fēng)量和轉(zhuǎn)速(攪拌功率)等發(fā)酵液的理化性質(zhì)包括發(fā)酵液的黏度、表面張力、氧的溶解度、發(fā)酵液的組成成分、發(fā)酵液的流動狀態(tài)、反應(yīng)器的類型、反應(yīng)器各部分尺寸的比例、空氣分布器的形式等。過量的氧形成新生氧，超氧化物和過氧化物基，破壞許多細(xì)胞組分，進(jìn)而破壞微生物生長。除了基本的pH，溫度，壓力，溶解氧模擬量測定外，還包括體積，流量，溶CO2等等其他物理化學(xué)量的測定。與此同時，需要引起注意的是如何消除外界干擾。 微處理系統(tǒng) 單片機(jī)AT89S52[11]單片機(jī)型號的選擇[12]應(yīng)當(dāng)根據(jù)控制系統(tǒng)的目標(biāo)、功能、可靠性、性價比、精度和速度等來決定。是80C51 單片機(jī)的增強(qiáng)型并且指令完全兼容。AT89S52 中 ISP 引腳有：RST、MOSI、MISO和 SCK。在這種非編碼鍵盤的單片機(jī)[15]系統(tǒng)中，鍵盤處理程序首先執(zhí)行有無按鍵按下的程序段，當(dāng)確認(rèn)有按鍵按下后，下一步就要識別哪一個按鍵被按下，對鍵的識別常采用逐行（逐列）掃描的方法。方法是：一次給行線送低電平，然后查所有列線狀態(tài)，稱為行掃描，如果全為1，則所按下鍵不在此行，如果不全為1，則所按下鍵必在此行，而且是在與零電平列線相交的交點上的那個鍵。74LS48用作七段數(shù)碼管數(shù)值顯示譯碼器，使得數(shù)碼管能夠正確顯示數(shù)值。74LS48的作用是接受來自單片機(jī)的BCD碼型的輸入信號，經(jīng)鎖存、譯碼和放大后，輸出七段字型碼到LED顯示器，完成對BCD碼到七段字型碼的鎖存、譯碼和驅(qū)動的功能。因此出于主從機(jī)之間的通訊考慮，在電路中設(shè)計了與上位機(jī)的接口電路。 電路由 RS422 標(biāo)準(zhǔn)接口的發(fā)送、接收驅(qū)動器 DS348DS3487 和 RS232 標(biāo)準(zhǔn)電平轉(zhuǎn)換器件 ICL 組成。采用了自升壓電平轉(zhuǎn)換集成芯片 ICL232，主要功能是在單一的+5V 電源下，由 TTL 信號輸入到 RS232 輸出的功能和 RS232 輸入到 TTL 輸出的功能。RS422 在發(fā)送端通過傳輸線驅(qū)差分信號的差分電壓低于某一閾值或高于某一閾值分別表示兩個邏輯電平。作為單片機(jī)與上位機(jī)之間的以 RS422 標(biāo)準(zhǔn)的接口，電路采用 DS348DS3487 來對其電平轉(zhuǎn)換器件。 數(shù)據(jù)采集電路工作原理 溫度傳感器LM35LM35是一種得到廣泛使用的溫度傳感器。其引腳如下圖所示，正負(fù)雙電源的供電模式可提供負(fù)溫度的量測。℃；靜態(tài)電流為80uA。放大電路采用集成運(yùn)放組成。圖47 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。表42 ADC0809輸入量通道選擇ABC值000001010011100101110111通道號IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7物理量溫度TpH罐內(nèi)壓力P溶解氧DO通氣量Q攪拌轉(zhuǎn)速nADC0809轉(zhuǎn)換器主要特性如下：(1）8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。蜂鳴器報警電路由晶體管和蜂鳴器組成。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。DAC0832邏輯輸入滿足TTL電平，可直接與TTL電路或微機(jī)電路連接。AD694引腳圖如下： 圖410 V/I轉(zhuǎn)換器引腳圖各引腳功能:表42 AD694各引腳功能引腳名稱功能1FB緩沖放大器輸出引腳2SIG緩沖放大器負(fù)輸入引腳3+SIG緩沖放大器正輸入引腳42V FS輸入量程選擇：接地2V；懸空10V5COM公共端64mA ADJ4mA偏置電流微調(diào)端710V10V參考電壓輸出端82V2V參考電壓輸出端94mA ON/OFF4mA偏置電流選通端10ALARM輸出開路或越限報警端11Iout電流輸出端12BOOST增壓引腳13Vs電源14BW ADJ帶寬調(diào)節(jié)端15Vos ADJ輸入緩沖放大器偏置調(diào)節(jié)端16Vos ADJ輸入緩沖放大器偏置調(diào)節(jié)端電動控制閥以單相交流220 V 電源為動力,接受4～20 mA 直流信號, 自動地控制閥門的開度, 從而達(dá)到對冷媒流量的連續(xù)調(diào)節(jié), 實現(xiàn)發(fā)酵罐內(nèi)溫度的控制, 使實際溫度向著給定溫度變化并最終達(dá)到給定溫度。在整個控制系統(tǒng)中主要起到信號檢測的作用，可以檢測發(fā)酵罐上、中、下三個位置麥汁的溫度。第五章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計方法,便于功能擴(kuò)展,程序可采用匯編語言進(jìn)行編程。本系統(tǒng)利用定時循環(huán)輪流對發(fā)酵罐的溫度進(jìn)行實時采樣,為了能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的巡回測量,必須有相應(yīng)的程序來選擇溫度輸入通道。下圖是常規(guī)PID控制系統(tǒng)的原理圖：圖52 PID控制系統(tǒng)原理圖其中上圖中間部分是PID控制器，其輸入為設(shè)定值與被調(diào)量實測值構(gòu)成的控制偏差信號: (1) 其輸出為該偏差信號的比例、積分、微分的線性組合，也即PID控制律： (2)式中，為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)。（2）數(shù)字PID控制算法當(dāng)計算機(jī)要實現(xiàn) PID 控制時，首先必須將上述 PID 控制規(guī)律的連續(xù)形式變成離散形式，然后才能編程實現(xiàn)。由上述式子得數(shù)字PID位置型控制算式為： (6)PID增量型控制算法根據(jù)上式不難寫出第k1次采樣時的控制算式： (7) 將上兩式相減，即得數(shù)字PID增量型控制算式為： (8)其中稱為比例增益；稱為積分系數(shù)；稱為微分系數(shù)。但是對于溫度這種響應(yīng)緩慢、滯后性大的過程,不能用標(biāo)準(zhǔn)的PID 算法進(jìn)行控制。當(dāng)偏差絕對值小于某一設(shè)定值 M 時,才將積分作用投入。由于偏差大,說明系統(tǒng)溫度遠(yuǎn)離設(shè)定值,應(yīng)快速降溫,采用PD 控制,可以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度,避免產(chǎn)生過大的超調(diào),減小動態(tài)誤差。在實際使用中，常常要應(yīng)用交流電源供電，因此，必須采取措施克服來自電源的干擾。然而對模擬量輸入、輸出也必須采取隔離措施，大多數(shù)人尚認(rèn)識不足。對于模擬量、開關(guān)量的輸入、輸出都采取隔離措施，才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 系統(tǒng)硬件防干擾措施（1）交流電源盡量采用電壓穩(wěn)定的電網(wǎng)。（5）A/D轉(zhuǎn)換用隔離放大器或采用現(xiàn)場轉(zhuǎn)換，減少誤差。（3）多次重復(fù)輸出，輸出信號保持在RAM中，防止干擾信號輸出。 其他防干擾措施（1） 抑制干擾源措施：例如給繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷電時產(chǎn)生的反電動勢?！?本章小結(jié)本溫控系統(tǒng)采用的數(shù)字PID 算法由軟件實現(xiàn),增量PID 控制算法的優(yōu)點是編程簡單,數(shù)據(jù)可以遞推使用,占用存儲空間少,運(yùn)算快。影響單片機(jī)系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的主要因素主要來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，并受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、元器件選擇、安裝、制造工藝影響。目前我國啤酒生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)已經(jīng)比較先進(jìn)，但是如何提高自動化程度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高啤酒生產(chǎn)的綜合自動化水平，使企業(yè)的生產(chǎn)和管理達(dá)到一個更高的水平，是一個比較有意義的研究課題。由于本系統(tǒng)可靠性高，調(diào)試簡單，可以作為一種先進(jìn)的啤酒發(fā)酵溫度控制方法來取代現(xiàn)在常用的單路檢測量監(jiān)控系統(tǒng)。本論文是在朱湘臨老師的悉心指導(dǎo)下完成的，幾個月來老師在畢業(yè)論文方面給予了我很大的幫助，一方面給我提供一些必要的資料，讓我有更多的精力投入到論文的內(nèi)容；另一方面朱老師每周都對我們的學(xué)習(xí)進(jìn)行指導(dǎo)，改出我們的不