發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上內(nèi)蒙古科技大學(xué)過程控制工程課程設(shè)計說明書題 目：發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計學(xué)生姓名：學(xué) 號：專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器班 級：2009-3指導(dǎo)教師：目錄前 言過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。其教學(xué)目的是：運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實際，以儀表控制系統(tǒng)的工程設(shè)計為核心，是學(xué)生初步了解生產(chǎn)過程檢測與控制系統(tǒng)的設(shè)計方法、設(shè)計規(guī)范和設(shè)計步驟，并通過實踐設(shè)計、繪圖等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，掌握一定的工程設(shè)計技能，初步具備獨(dú)立承接科研課題或工程設(shè)計的能力，受到一次工程師的基本訓(xùn)練。本次過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計主題為啤酒廠發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計，要求我們了解發(fā)

2、酵罐溫度控制的工藝背景、設(shè)計控制方案。1 工藝過程概述1.1工藝背景啤酒發(fā)酵過程是啤酒酵母在一定的條件下，利用麥汁中的可發(fā)酵性物質(zhì)而進(jìn)行的正常生命活動，其代謝的產(chǎn)物就是所要的產(chǎn)品-啤酒。啤酒發(fā)酵是放熱反應(yīng)的過程。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，罐內(nèi)的溫度會逐漸升高。發(fā)酵過程中的溫度的變化直接影響到啤酒質(zhì)量和生產(chǎn)的效率。因此，對發(fā)酵過程中的溫度進(jìn)行控制顯得十分重要。啤酒發(fā)酵的全過程分成多個階段，各個階段都有對應(yīng)的溫度曲線。為了使啤酒有更好的品質(zhì)，需要讓發(fā)酵罐的溫度根據(jù)工藝溫度曲線變化。1.2溫度對發(fā)酵的影響 溫度對發(fā)酵過程的影響是多方面的，它會影響各種酶反應(yīng)的速率，改變菌體代謝產(chǎn)物的合成方向，影響微生物的代謝調(diào)

3、控機(jī)制 除這些直接影響外，溫度還對發(fā)酵液的理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，如發(fā)酵液的粘度。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)的分解和吸收速率等，進(jìn)而影響發(fā)酵的動力學(xué)特性和產(chǎn)物的生物合成。1.2.1溫度影響微生物細(xì)胞生長隨著溫度的上升，細(xì)胞的生長繁殖加快。這是由于生長代謝以及繁殖都是酶參加的。根據(jù)酶促反應(yīng)的動力學(xué)來看，溫度升高，反應(yīng)速度加快，呼吸強(qiáng)度增加，最終導(dǎo)致細(xì)胞生長繁殖加快。但隨著溫度的上升，酶失活的速度也越大，使衰老提前，發(fā)酵周期縮短，這對發(fā)酵生產(chǎn)是極為不利的。1.2.2溫度影響產(chǎn)物的生成量1.2.3溫度影響生物合成的方向1.2.4溫度影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)溫度除了影響發(fā)酵過程中各種反應(yīng)速率

4、外，還可以通過改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)間接影響微生物的生物合成。1.3影響發(fā)酵溫度變化的因素：發(fā)酵熱就是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。是生產(chǎn)菌在生長繁殖時產(chǎn)生的大量熱量。生物熱主要是培養(yǎng)基中碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等物質(zhì)被分解為CO2、NH3時釋放出的大量能量。主要用于合成高能化合物，供微生物生命代謝活動及熱能散發(fā)。菌體在生長繁殖過程中，釋放出大量熱量。生物熱的大小與菌種遺傳特性、菌齡有關(guān)，還與營養(yǎng)基質(zhì)有關(guān)。在相同條件下，培養(yǎng)基成分越豐富，產(chǎn)生的生物熱也就越大。1.4發(fā)酵熱的測定通過測量一定時間冷卻水的流量和冷卻水的進(jìn)、出口溫度，由下式計算出發(fā)酵熱： Q發(fā)酵=G.CW.（t2-t1）/V (1-1)

5、 式中：G冷卻水的流量(kg/h)；CW水的比熱kJ(kg)； t2 t1分別為冷卻水的進(jìn)、出口溫度()； V-發(fā)酵液的體積(m3)。通過發(fā)酵罐溫度的自動控制，先使罐溫達(dá)到恒定，再關(guān)閉自動控制裝置,測定溫度隨時間上升的速率，按下式計算發(fā)酵熱： Q發(fā)酵=(MlCl+M2c2).S (1-2)Ml一系統(tǒng)中發(fā)酵液的質(zhì)量(kg)；M2一發(fā)酵罐的質(zhì)量(kg)；Cl發(fā)酵液的比熱kJ(kg)；C2發(fā)酵罐材料的比熱kJ(kg)；S溫度上升速率(h)。1.5最適溫度的選擇與發(fā)酵溫度的控制1.5.1溫度的選擇最適溫度是一種相對概念，是指在該溫度下最適于菌的生長或發(fā)酵產(chǎn)物的生成。選擇最適溫度應(yīng)該考慮微生物生長的最適

6、溫度和產(chǎn)物合成的最適溫度。最適發(fā)酵溫度與菌種，培養(yǎng)基成分，培養(yǎng)條件和菌體生長階段有關(guān)。   工業(yè)上使用大體積發(fā)酵罐的發(fā)酵過程，一般不須要加熱，因為釋放的發(fā)酵熱常常超過微生物的最適培養(yǎng)溫度，所以需要冷卻的情況較多。2發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計2.1總體設(shè)計方案發(fā)酵罐的溫度控制選擇了檢測發(fā)酵罐的上、中、下段溫度的方法，通過上、中、下3段液氨進(jìn)口的兩位式電磁閥來實現(xiàn)發(fā)酵罐溫度控制，其原理圖如圖1所示。2.1.1 系統(tǒng)總框圖設(shè)計在本設(shè)計中采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，溫度采集電路從發(fā)酵罐中采集溫度，通過模擬量控制模塊，把采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)值信號送入PLC中，與給定的溫度信號進(jìn)

7、行比較，經(jīng)過PID運(yùn)算后，通過輸出差值信號來調(diào)節(jié)電磁閥的開關(guān)狀態(tài)，從而來控制進(jìn)入發(fā)酵罐冷卻夾套中液氨的多少來調(diào)節(jié)發(fā)酵罐的溫度。圖2是發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)總框圖。22硬件設(shè)計2.2.1溫度采集電路圖3是實際的測量電路。圖中，AD581輸出一個標(biāo)準(zhǔn)的+10V電壓，RP1用于調(diào)零，RP2用于調(diào)滿刻度。AD590輸出電流在R1和RP1上產(chǎn)生壓降，該電壓經(jīng)過運(yùn)算放大（R2+RP2）/（R1+RP1）倍后輸出。調(diào)整過程分別在0（冰水混合物中）和100（沸水中）兩點(diǎn)溫度進(jìn)行，通過運(yùn)算放大器A放大使輸出靈敏度為100mV/， 即在0時， 調(diào)整RP1時輸出0V，在100時，調(diào)整RP2使輸出為10V。2.2.2 P

8、LC與計算機(jī)的通信設(shè)計系統(tǒng)中，采用一臺PC機(jī)和多臺PLC組成控制系統(tǒng)，計算機(jī)實行圖形顯示數(shù)據(jù)處理打印報表以及中文顯示等功能，PLC則執(zhí)行控制功能。圖4是FX2N PLC與計算機(jī)連接圖。2.3軟件部分圖5 是發(fā)酵罐控制過程的程序流程圖。本設(shè)計選擇FX2N-4AD模塊，并且選擇通道和相應(yīng)的量程。序的作用是選擇通道一、A/D轉(zhuǎn)換和將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)放在地址D201中。A/D采樣時間是選用了15s，這是根據(jù)采樣定理確定的，并參考了工程手冊上的參數(shù)設(shè)定。罐狀態(tài)操作包括：溫度控制自動調(diào)諧程序、 長定時子程序和各階段溫度控制。 圖6是長定時子程序:各階段溫度控制分為：（1） 進(jìn)料階段，溫度保持在8，流程圖如圖7所

9、示: （2） 還原雙乙酰階段，溫度保持在12，流程圖如圖8所示:（3） 停留觀察，溫度保持在6，流程圖如圖9所示；具體停留觀察階段設(shè)定為10個小時，用于檢測發(fā)酵液體內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)含量，并將發(fā)酵液中的酵母排出。在沒有到達(dá)停留觀察階段時，其PID輸出值為零；（4） 儲酒階段，將溫度控制到-1，直到發(fā)酵周期結(jié)束，流程圖如圖10所示。3總結(jié)在李剛老師的指導(dǎo)下，我經(jīng)過了歷時兩個星期的過程控制工程課程設(shè)計我從開始的迷茫逐漸走向清晰的過程，我在其中收獲頗多。對于過程控制系統(tǒng)這門課程我從最初的僅僅對其的書面層次的認(rèn)識提升到了實際應(yīng)用。并自己親自動手設(shè)計了啤酒發(fā)酵溫度控制的過程控制系統(tǒng)。通過對資料的查找，我對啤酒

10、的生產(chǎn)工藝也有了更多地了解。此外，為了這次設(shè)計我還學(xué)會了如何使用visio畫制流程圖。這次過程控制課程設(shè)計持續(xù)了兩周，這也是我第一次做設(shè)計，雖然過程中遇到了許多困難，但在李老師的指導(dǎo)以及同學(xué)們的幫助下我最終克服了困難，完成了設(shè)計。雖然我做的不是完美的，但我從中的收益是無窮的。在此，再次感謝指導(dǎo)老師李老師的指導(dǎo)和同學(xué)的幫助。參考文獻(xiàn)：1 李文濤，李忠虎.過程控制M.北京：科學(xué)出版社，2012.22 黃桂梅.計算機(jī)控制技術(shù)與系統(tǒng)M.北京：中國電力出版社，20083 林錦國.過程控制M.2版.南京：東南大學(xué)出版社，20064 牛超，徐定偉，王軍，呂冰.發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計.自動化與儀器儀表，2008(05)5 刁育群.微機(jī)在啤酒發(fā)酵生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.儀器儀表分析與檢測，1990(3)6 顧慶才. 啤酒發(fā)酵期間溫度和壓力對酵母生長/雜醇/酯比例的影響J.啤酒科技，2002(8)7 杜