最新发酵罐的温度控制系统

关于发酵罐的控制系统关于发酵罐的控制系统一 参数控制参数控制1温度控制a 信号输入为4-20mA 电流,对应输出为0-150℃温度℃温度b 输出温度需通过校对调整，输出温度需通过校对调整，可编在程序内，可编在程序内，可编在程序内，也可以做个人机界面，也可以做个人机界面，也可以做个人机界面，使用人调整使用人调整（a+bx ）c 工作温度设定，通过人机界面由使用人输入工作温度设定，通过人机界面由使用人输入d 控制温度设定，分上限和下限，可采用工作温度加偏差温度（如0.5℃、1℃等）由使用人设定，也可以采用直接的温度值由使用人设定，也可以以0.50.5℃的偏℃的偏差直接写入程序差直接写入程序e 控制方式：控制方式：低于下限温度自动启动加热，低于下限温度自动启动加热，低于下限温度自动启动加热，高于上限温度自动启动冷却；高于上限温度自动启动冷却；高于上限温度自动启动冷却；加热和加热和冷却过程需分别由使用人通过人机界面设定参数，冷却过程需分别由使用人通过人机界面设定参数，参数为：参数为：参数为：加热时间加热时间加热时间（热水阀（热水阀开启的时间，范围0-5分钟）和加热间隔时间（可设置为两次加热的间隔时间，也可以设置为热水阀关闭的时间，可以0-10分钟，由于加热过程中，热水进入发酵罐夹套后，入发酵罐夹套后，发酵罐的温度上升要滞后一段时间，发酵罐的温度上升要滞后一段时间，发酵罐的温度上升要滞后一段时间，所以，所以，所以，关闭热水阀后要关闭热水阀后要等一段时间，避免频繁启动而温度波动过大；同理，冷却过程也需要设置“冷却时间”和“冷却间隔时间”却时间”和“冷却间隔时间”2 酸碱度（pH ）控制a 信号输入为4-20mA 电流,对应输出为0-14的pH 值b 输出pH 需通过校对调整，需通过人机界面，使用人调整（a+bx ）c pH 值设定，通过人机界面由使用人输入值设定，通过人机界面由使用人输入d 控制pH 值设定，分上限和下限，分上限和下限，可采用工作可采用工作pH 值加偏差pH 值（如0.1、0.2等）由使用人设定，也可以采用直接的pH 值由使用人设定，值由使用人设定，e 控制方式：低于下限pH 值自动启动加碱，高于上限温度自动启动加酸；加碱和加酸过程需分别由使用人通过人机界面设定参数，和加酸过程需分别由使用人通过人机界面设定参数，参数为：参数为：参数为：加碱时间加碱时间加碱时间（加碱（加碱蠕动泵开启的时间，蠕动泵开启的时间，范围范围0-5分钟）分钟）和加碱间隔时间和加碱间隔时间和加碱间隔时间（可设置为两次加碱的间（可设置为两次加碱的间隔时间，隔时间，也可以设置为加碱蠕动泵也可以设置为加碱蠕动泵也可以设置为加碱蠕动泵 关闭的时间，关闭的时间，可以可以0-10分钟，由于加碱过程中，氨水进入发酵罐后，发酵罐的pH 值上升要滞后一段时间，所以，关闭加碱蠕动泵后要等一段时间，避免频繁启动而pH 值波动过大；同理，加酸过程也需要设置“加酸时间”和“加酸间隔时间”程也需要设置“加酸时间”和“加酸间隔时间”3 溶氧值（Do ）控制a 信号输入为4-20mA 电流,对应输出为0-100的Do 值b 输出Do 需通过校对调整，需通过人机界面，使用人调整（a+bx ）c Do 值设定，通过人机界面由使用人输入值设定，通过人机界面由使用人输入d 控制Do 值设定，分上限和下限，可以采用直接的Do 值由使用人设定，值由使用人设定，e 搅拌电机的转速可设定为手动和自动，手动时由使用人通过人机界面直接输入，自动时则需要设定一个初始值和最低值，然后与溶氧（入，自动时则需要设定一个初始值和最低值，然后与溶氧（Do Do Do）相关联）相关联）相关联f 控制方式：低于下限Do 值自动启动搅拌电机加速，高于上限Do 值自动启动搅拌电机减速；加速和减速过程需分别由使用人通过人机界面设定参数，参数为：加速的速度值（范围可50转/分钟）和加速间隔时间（可设置为0-5分钟，由于加速过后，溶氧的提高要滞后一段时间，所以，关闭加速后要等一段时间，如Do 值符合要求则维持在调整后的转速工作，如Do 值仍偏低，则继续提高一档转速，直至达到最高转速，避免频繁启动而Do 值波动过大）；同理，减速过程也需要设置“减速的速度值”（也可以50转/分钟一档）和“减速间隔时间”，转速减到最低值就不再减速，转速减到最低值就不再减速4 消泡控制a 信号为开关量信号为开关量b 控制参数为自动状态下的消泡剂添加量（以毫升显示，实际对应为1毫升/秒种）和间隔时间（0-5分钟）分钟）c 控制方式为手动/自动切换，手动时钮子开关人工确定添加量，自动时控制蠕动泵的添加时间（添加量）和间隔时间，考虑消泡剂作用的滞后时间动泵的添加时间（添加量）和间隔时间，考虑消泡剂作用的滞后时间 5 补料控制补料控制全部为人工设定，设定参数两个：补料的时间（按绝对时间，即×月×日×时×分）和补料量（以毫升显示，按1毫升/秒种控制），每次可设定3个时间点（即每次进入补料的人机界面可预设定3次补料）次补料）二 报警报警报警可以直接写入报警值，每个参数设一个报警上限值和一个报警下限值报警可以直接写入报警值，每个参数设一个报警上限值和一个报警下限值 三 记录记录采用表格和曲线两种方式，查询和输出的时间段由使用人选择，表格的输出还需要使用人确定时间间隔，默认时间间隔为10分钟，消泡和补料控制不需要曲线输出要曲线输出。

题目：发酵罐温度控制系统设计课程设计（论文）任务及评语院（系）：教研室：Array注：成绩：平时40% 论文质量40% 答辩20% 以百分制计算摘要本题要设计的是温度控制系统，发酵是放热反应的过程。

随着反应的进行，罐内的温度会逐渐升高。

而温度对发酵过程具有多方面的影响。

因此，对发酵过程中的温度进行检测和控制就显得十分重要。

本课题设计了发酵罐温度控制系统，选择的传感器为Cu100，由于信号很小，所以就需要通过差动放大电路进行放大并且经过了滤波电路滤波，然后将处理后的电压信号经过V/I转换，输出4~20mA的电流信号，最后进行仿真分析以及参数的计算，以达到通过对冷水阀开度的控制对发酵罐温度控制的目的。

本系统应用温度控制系统，有助于提高发酵效率，有助于提高工厂产值，并且可以使资源得到更充分的作用。

关键词：温度控制；PID控制器；V/I转换；比较机构目录第1章绪论 (1)第2章课程设计的方案 (2)2.1 概述 (2)2.2 系统组成总体结构 (2)2.3 传感器选择 (2)第3章电路设计 (4)3.1 传感器电路 (4)3.2 比较机构电路 (7)3.3 PID调节器并联实现电路 (7)3.4 V/I转换电路 (8)3.5 直流稳压电源电路 (9)第4章仿真与分析 (10)4.1 传感器电路仿真 (10)4.2 PID控制器电路 (11)4.3 V/I转换电路 (12)第5章课程设计总结 (14)参考文献 (15)附录Ⅰ (16)附录Ⅱ (18)附录Ⅲ (20)第1章绪论在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。

其中，温度控制也越来越重要。

在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉、发酵罐和锅炉中的温度进行检测和控制。

本次课设要求设计发酵罐的温度控制系统。

发酵是放热反应的过程。

随着反应的进行，罐内的温度会逐渐升高。

而温度对发酵过程具有多方面的影响：它会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制，除这些直接影响外；温度还对发酵液的理化性质产生影响，如发酵液的粘度；基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率。

1.概述发酵工程是应用生物（主要是微生物）为工业大规模生产服务的一门工程技术，也称微生物工程。

发酵工程是包括微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。

现代发酵工程不但应用于生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且还可以生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。

发酵反应器（发酵罐）是发酵企业中最重要的设备。

发酵罐式必须具有适宜于微生物生长和形成产物的各种条件，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高产量。

例如，发酵罐的结构应尽可能简单，便于灭菌和清洗；循环冷却装置维持适宜的培养温度；由于发酵时采用的菌种不同、产物不同或发酵类型不同，培养或发酵条件又各有不同，还要根据发酵工程的特点和要求来设计和选择发酵罐的类型和结构。

通风发酵设备要将空气不断通入发酵液中，供给微生物所需的氧，气泡越小，气泡的表面积越大，氧的溶解速率越快，氧的利用率也越高，产品的产率就越高。

通风发酵罐有鼓泡式、气升式、机械搅拌式、溢流喷射自吸式等多种类型。

机械搅拌通风发酵罐是发酵工厂常用的类型之一，它是利用机械搅拌器的作用，使空气和賿液充分混合促使氧在賿液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气，同时强化热量传递。

无论是微生物发酵、酶催化或动物植物细胞培养的微生物工程工厂都应用此类设备，占目前发酵罐总数的70%～80%，常用语抗生素、氨基酸、有机酸和酶的发酵生产。

机械搅拌通风发酵罐是属于一种搅拌釜式反应器，除用作化学反应和生物反应器外搅拌反应器还大量用于混合、分散、溶解、结晶、萃取、吸收或解吸传热等操作。

搅拌反应器由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。

加班容器包括筒体、换热原件及内构件、搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。

1.1温度对发酵的影响微生物药品发酵所用的菌体绝大多数十中温菌，如丝状真菌、放线菌和一般细菌。

专业课程设计报告题目：发酵罐温度控制课程：MATLAB学生姓名：任晨曦学生学号：1714010117年级：17级专业：自动化班级：1班指导教师：贾文晶机械与电气工程学院制2020年5月目录1、概述 (3)1.1温度对发酵的影响 (3)1.2发酵对温度的控制要求 (3)2、设计任务与要求 (4)2.1设计任务 (4)2.2设计要求 (4)3、控制方案设计 (5)3.1控制系统的选择 (5)3.2控制参数的选择 (5)3.3控制系统的方框图 (5)3.4调节规律的选择 (6)3.5调节器作用方式的选择 (7)4、simulink建模及仿真实验 (7)4.1Matlab简介 (7)4.2控制系统simulink建模 (7)4.2.1发酵罐温度数学模型的建立 (7)4.2.2执行器与温度检测变送器建立 (8)4.2.3主、副回路控制器建模 (8)4.3系统simulink仿真结果 (9)4.4系统优化及稳定性分析 (10)5、总结与体会 (10)六、参考文献 (11)1、概述1.1温度对发酵的影响微生物的生长繁殖及合成代谢产物都需要在合适的温度下才能进行。

温度的变化影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质。

温度对菌体生长的酶反应和代谢产物合成的酶反应的影响往往是不同的。

温度能改变菌体合成代谢产物的方向。

并且发酵液的粘度、基质和氧气在发酵液中的溶解度和传递速率、某些机制的分解吸收速率等都受温度变化的影响，进而影响发酵动力学特性和产物的生物合成。

而温度的变化是发酵过程热能产生和散失的综合效应。

产生的因素有生物热、搅拌热，散热的因素有蒸发热、辐射热——向大气辐射的热、以及显热——水的蒸汽热和废弃因温度差异排放时所带走的热量。

1.2发酵对温度的控制要求开始可适当升高温度，以利于孢子萌发和菌体的生长繁殖，待发酵温度开始上升后，应保持在菌体的最适生长温度，到主发酵旺盛阶段，温度应控制在比最适生长温度低一些，既代谢产物合成的最适温度，到发酵后期，温度下降，此时适当升温可提高产量。

内蒙古科技大学信息工程学院过程控制课程设计报告题目：啤酒发酵罐的温度控制系统设计学生姓名：***学号：**********专业：测控技术及仪器班级：09测控2班指导教师：***前言啤酒生产是一个利用生物加工进行生产的过程，生产周期长，过程参数分散性大，传统操作方式难以保证产品的质量。

近年来，国外的各大啤酒生产厂家纷纷进军中国市场，凭借技术优势与国内的啤酒生产厂家争夺市场份额。

国内的啤酒行业迫切要求进行技术改造，提高生产率，保证产品质量，以确保在激烈的市场竞争中立于不败之地。

啤酒的发酵过程是一个微生物代谢过程。

它通过多种酵母的多种酶解作用，将可发酵的糖类转化为酒精和CO2,以及其他一些影响质量和口味的代谢物。

在发酵期间，工艺上主要控制的变量是温度、糖度和时间。

啤酒发酵对象的时变性、时滞性及其不确定性，决定了发酵罐控制必须采用特殊的控制算法。

由于每个发酵罐都存在个体的差异，而且在不同的工艺条件下，不同的发酵菌种下，对象特性也不尽相同。

因此很难找到或建立某一确切的数学模型来进行模拟和预测控制我国大部分啤酒生产厂家目前仍然采用常规仪表进行控制，人工监控各种参数，人为因素较多。

这种人工控制方式很难保证生产工艺的正确执行，导致啤酒质量不稳定，波动性大且不利于扩大再生产规模。

在啤酒生产过程中，糖度的控制是由控制发酵的温度来完成的，而在一定麦芽汁浓度、酵母数量和活性的条件下时间的控制也取决于发酵的温度。

因此控制好啤酒发酵过程的温度及其升降速率是解决啤酒质量和生产效率的关键。

在本次啤酒发酵温度控制系统设计过程中各种工艺参数的控制采用串级控制系统实现，主要控制锥形发酵罐的中部温度，采用常规自动化仪表及装置来实现温度及其他参数的检测与控制、显示。

1 工艺过程概述1．1啤酒生产工艺过程啤酒生产过程主要包括糖化、发酵以及过滤分装三个环节。

1.1.1糖化糖化过程是把生产啤酒的主要原料与温水混合，利用麦芽的水解酶把淀粉、蛋白质等分解成可溶性低分子糖类、氨基酸、脉、肤等物质，形成啤酒发酵原液-麦汁。

发酵罐的温度控制
发酵罐的温度控制分为人工控制和自动控制。

人工控制是指操作人员根据发酵罐温度表的变化，随时开关冷带进口阀门控制冷媒进出量达到降温目的。

而自动控制是在发酵罐体适当高度处安装温度传感器，在冷带进口处安装电磁阀，并设定控温参数。

当测量值高于设定值时，说明罐温高需要降温，控制器发出开阀信号,发酵罐冷媒电磁阀打开,冷媒从发酵罐冷带低端进入环绕一圈从高端流出,此时冷媒在冷带的流动过程中,将罐内的热量带出;反之,当检测值低于设定值时,控制器发出关闭信号,发酵罐冷媒电磁阀关闭,冷带冷媒停止流动。

同时冷带与罐内物料的热交换停止。

原理图如图1。

图1 发酵罐温控系统图。

2 发酵罐温度控制系统的数学模型发酵罐温度控制系统实验平台是以一个7L 发酵罐为主体，罐壁设置有冷却套,相应的设立测温点和调节阀,通过阀门调节冷却套内冷却液的流量来实现对发酵罐内温度的控制，发酵罐示意图如图1所示。

图1 发酵罐示意图在白酒发酵的过程中，发酵罐内由于酵母的作用，在发酵过程中会产生生化反应热，热量的逐渐释放导致发酵温度逐渐上升。

在整个发酵过程中，发酵温度必须根据具体的生产工艺进行严格控制，罐内温度通过控制冷却夹套内的冷却水的流量进行降温，整套系统没有外部加热措施。

罐内发酵反应热有一部分使罐内温度升高，一部分热量散失到罐壁和冷媒中，在此不考虑发酵体与罐壁之间的热量传递，罐内的热平衡方程为：⎰=-Tdt mC Q Q 21 （2-1） 式中 1Q ：发酵过程产生的热量；2Q :发酵过程散失的热量；m ：反应物质量 C ：发酵罐内反应物的比热容；T 发酵罐温度。

公式1-1可以写成：⎰=∆Tdt MC Q （2-2） 式中 21Q Q Q -=∆对公式1-2求拉普拉斯变换得：s m C T Q S S )()(=∆ （2-3）即可由罐内的热平衡方程式可以得到发酵罐内的传递函数为:m C sQ T G S S S 1)()()(=∆=（2-4） 考虑到在实际的过程中的干扰因素,所以被控对象的数学模型中添加一个滞后环节。

因此,用一阶惯性加纯滞后环节来表示,其传递函数为mCse Q T G sS S S τ-=∆=)()()( （2-5）3 模糊预测控制器的设计及仿真结果针对发酵罐中发酵对象大时滞、大时变、严格的非线性、多变量耦合等特点。

采用了将模糊控制与预测控制结合的方法，利用模糊建模方法建立对象预测模型。

将设定值与预测输入值之间的预测误差值及预测误差值的变化率作为模糊控制器的输入，模糊控制器再根据模糊规则来推理得到控制量，通过执行机构控制被控对象。

其结构图如图2所示。

图2模糊控制系统结构图 3.1预测控制部分预测控制算法与动态矩阵控制算法类似, 主要通过预测模型,利用系统的输入输出数据预测未来时刻系统输出,作为糊控制器的输入。

温度控制：发酵罐控制冷带上的阀门以调节不同的供冷量，使大罐内温度在不同的工艺阶段按工艺要求呈不同的温度梯度状态。

目前国内啤酒厂家发酵较普遍采用低温(9～10℃)发酵，高温(12～14℃)还原双乙酰，0～-1℃贮酒成熟的工艺温度曲线。

在此温度控制曲线中，可分为自然升温期、主发酵期和双乙酰还原期、酵母回收期、降温保温期及贮酒期，温度控制应针对各阶段特点进行。

自然升温期(12-18小时)糖化冷麦汁分锅次经过麦汁充氧和酵母添加进发酵罐后自然升温,每锅的进罐温度应当逐渐递增,满罐温度的确定应考虑麦汁分锅次进罐后酵母繁殖使温度上升因素的影响，一般以满罐后低于主酵温度1℃较适宜，满罐后的自然升温段使酵母尽快增殖。

主发酵期：(4 - 5天)主发酵阶段酵母大量繁殖产生较多的热量，生成大量CO2，使罐内中下部酒体密度发生变化，为使酵母活动性增强，利于发酵，通过控制温度,促进罐内液体的循环更加充分，自下而上的对流更强。

因此，控制时，以罐内中部温度为基准,通过程序控制达到大罐内上部和靠罐壁的发酵液因温度低而下沉，下部和中间的发酵液因温度高而上升，形成合理的循环对流 (如图二所示) 。

双乙酰还原期：(2 - 3天)主发酵期结束后的保温期。

主要任务是控制双乙酰的还原情况，我们定义为双乙酰还原期。

双乙酰还原阶段发酵速度趋缓，热量产生少，对流慢，控温应缓慢、慎重，不可急剧冷却，防止罐内温度出现较大幅度下滑，酵母大量沉淀，影响双乙酰还原。

降温期(2-3天)可能包含降温段和低温保温段。

此阶段原CO2上升拖拉力等形成的自下而上对流大为减弱，酒液在不同温度下密度差形成对流的作用渐占主导，根据啤酒最大密度温度(TMD)计算公式TMD(℃)=4-(0.65E-0.24A)(A 为酒精含量，E为真正浸出物)可知，酒液最大密度时温度约3℃， 3℃上、下的酒液对流方向相反，控温时应据此区别对待。

本期有两点要注意：·在降温的末端要考虑到系统惯性太大造成的过冲，使用预估方法使温度平稳过度到保温状态；·在保温段不可采用长时期、大开度的降温措施，防止局部结冰。