CN108504479A - 一种啤酒发酵罐温度的自动控制方法及系统 - Google Patents

一种啤酒发酵罐温度的自动控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及啤酒发酵酿造控制技术领域，尤其是一种啤酒发酵罐温度的自动控制方法及系统。其中，方法包括以下步骤：S1、以开关阀作为控制冷媒流量的执行装置；以可编程控制器作为开关阀的控制装置；S2、预设发酵罐工艺要求的温度并采样发酵罐的实际温度；S3、采样并比较预设温度与采样温度的偏差，采用PID算法计算开关阀的开度,然后将模拟量开度控制信号转换为数字量开关控制信号后经由可编程控制器向开关阀输出开关控制信号以控制开关阀动作。本发明由于最终采用的是数字量开关控制信号可使开关阀以周期性的形式进行开关动作，从而减少了阀门的动作次数、减少了对冷媒的消耗；同时，开关阀成本低廉，有利于降低硬件控制系统的配置、使用及维护成本。

Description

一种啤酒发酵罐温度的自动控制方法及系统
技术领域
本发明涉及啤酒发酵酿造控制技术领域，尤其是一种啤酒发酵罐温度的自动控制方法以及基于此方法所形成的啤酒发酵罐温度的自动控制系统。
背景技术
目前，在啤酒酿造领域，行业内普遍采用如下控制方案对啤酒发酵罐内的发酵液温度进行自动调节控制，即：如图1所示，以调节阀TV所具有的连续调节功能作为调节进入发酵罐A冷带中的冷媒流量的主体调控部件，控制器B依据预先设定的温度及实时采样的温度并通过PID算法向调节阀TV输出模拟量信号(一般为4-20mA)，从而实现对调节阀TV开度的连续调控，进而通过控制冷媒进入发酵罐A的冷带中的流量来实现控制发酵液温度的目的。
然而，上述温度控制方案却存在如下缺陷：1、调节阀的单体配置成本较高(如：与同一口径的开关阀进行对比，其成本价格大概为开关阀的3-5倍)，从而使得发酵罐的温度控制系统的工程造价普遍较高；2、在啤酒发酵过程中，调节阀是被连续调节的，而调节阀的连续动作也会持续地消耗能量，从而容易造成能源浪费或者调节阀的使用寿命缩短；3、由于发酵过程中调节阀是持续动态调节的，当整个发酵罐群中的发酵罐大都处于发酵过程中时，则需要较高的冷媒供给压力，从而无形中提高了对相关制冷配套装置能力的要求。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明的其中一个目的在于提供一种啤酒发酵罐温度的自动控制方法；本发明的另一个目的在于提供一种基于此方法所形成的啤酒发酵罐温度的自动控制系统。
为了实现上述目的，本发明采用的第一个技术方案为：
一种啤酒发酵罐温度的自动控制方法，它包括以下步骤：
S1、以开关阀作为控制冷媒进入发酵罐换热冷带内的流量的执行装置，以可编程控制器作为向开关阀输出控制信号的控制装置；
S2、预设发酵罐的工艺要求温度并得到预设温度，采样发酵罐的实际温度并得到采样温度；
S3、采样并比较采样温度与预设温度的偏差，采用PID算法计算开关阀的开度，然后将模拟量开度控制信号转换为数字量开关控制信号，再由可编程控制器向开关阀输出开关控制信号以控制开关阀动作。
优选地，在所述步骤S3中，预先设定开关阀的启闭控制周期并结合经PID算法计算的一个阀门开度的模拟量数值，依公式一：T0N＝T*V向开关阀输出在一个启闭控制周期内保持一个阀门开度所需要的时间以及依公式二：TOFF＝T-TON向开关阀输出在一个启闭控制周期内所需要的阀门关闭时间；其中，公式一和公式二中，T为启闭控制周期，单位为秒；V为阀门开度的模拟量数值，范围为0-100％；TON为开关阀的开启时间，单位为秒；TOFF为开关阀的关闭时间，单位为秒。
优选地，在所述步骤S3中，根据发酵罐在发酵工艺中的要求来预先设定开关阀的启闭控制周期或根据发酵罐的大小来预先设定开关阀的启闭控制周期。
优选地，在步骤S3中，预先设定开关阀的控制周期计时值Tt，当发酵罐处于发酵工艺运行过程后，开始计时；当控制周期计时值Tt达到启闭控制周期T时，控制周期计时值Tt清零并重新开始计时，周而复始并直至发酵罐的发酵工艺运行结束；当控制周期计时值Tt≦开关阀的开启时间TON时，可编程控制器执行输出“开”阀门控制信号；当控制周期计时值Tt≧开关阀的开启时间TON时，可编程控制器执行“关”阀门控制信号；其中，控制周期计时值Tt的单位为秒。
优选地，在所述步骤S3中，预先设定的开关阀的启闭控制周期为：T≤300s。
优选地，在所述步骤S2中，预先设定温度偏差临界值，当采样温度与预设温度的偏差超出温度偏差临界值后，采用Bang-Bang控制算法来计算开关阀的开度以形成模拟量开度控制信号；当采样温度在一段时间内趋于平稳时，采用带有死区的PID算法来计算开关阀的阀门开度的模拟量数值以形成模拟量开度控制信号。
本发明采用的第二个技术方案为：
一种啤酒发酵罐温度的自动控制系统，它包括可编程控制器、发酵罐、冷媒供给管、冷媒回流管、至少一个安装于冷媒供给管上的冷媒供给流量执行装置、至少一个安装于冷媒回流管上的冷媒回流流量执行装置以及至少一个装设于发酵罐上以向可编程控制器反馈实时采样的发酵罐的温度信号和/或压力信号的采样装置，所述冷媒回流流量执行装置为手动截止阀；其特征在于：
所述冷媒供给流量执行装置为气动开关阀，所述可编程控制器内植入有用于计算气动开关阀的阀门开度的模拟量数值以形成模拟量开度控制信号的PID算法模块和用于将PID算法模块输出的模拟量开度控制信号转换为数字量开关控制信号并通过可编程控制器的I/O通道输出至气动开关阀以控制气动开关阀作启闭动作的模拟/数字转换算法模块。
优选地，所述PID算法模块为一带有死区的PID算法模块，且所述可编程控制器内植入有Bang-Bang控制算法模块。
由于采用了上述方案，本发明最终采用的是数字量开关控制信号可大大减少开关阀的动作次数，以周期性或间歇性的形式进行开关动作，从而可极大地降低对冷媒能源的消耗，有利于提高能源的利用率；同时，开关阀的成本相较于调节阀的配置成本极为低廉，有利于降低采用本实施例方法的硬件控制系统的配置、使用及维护成本；利用开关阀作为控制冷媒流量的执行装置并配合数字量开关控制信号的输出形式，可使得多个开关阀能够分批次间歇轮流启闭，在整个发酵罐群处于发酵过程中为降低冷媒供给压力提供了条件，从而也降低了工厂用于制冷电能的消耗。
附图说明
图1是现有的啤酒发酵罐温度的自动控制系统的结构布局图；
图2是本发明实施例的系统结构布局图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图2所示，并结合图1，本实施例提供的一种啤酒发酵罐温度的自动控制方法，包括以下步骤：
S1、以开关阀KV作为控制冷媒进入发酵罐A的换热冷带内的流量的执行装置；以可编程控制器B作为向开关阀KV输出控制信号的控制装置；
S2、预设发酵罐的工艺要求温度并得到预设温度TSET，采样发酵罐的实际温度并得到采样温度TT；
S2、采样并比较采样温度TT与预设温度TSET之间的偏差，并采用PID算法计算开关阀KV的开度以形成模拟量开度控制信号,然后将模拟量开度控制信号转换为数字量开关控制信号后经由可编程控制器B向开关阀KV输出开关控制信号以控制开关阀KV动作。
在方法的实际应用过程中，可将如图1所示的传统的啤酒发酵罐温度的自动控制系统作为整个方法实现的硬件基础，即：将调节阀TV全部替换为气动开关阀，而发酵罐上的其他诸如管路布置、压力及温度采样点等等均保持不变即可；同时，改变传统啤酒发酵罐温度的控制过程中仅采用PID算法并以模拟量开度控制信号向调节阀TV输出控制指令以控制进入发酵罐A内的冷媒流量的方式，本实施例在采用PID算法输出模拟量开度控制信号的基础上，通过将模拟量开度控制信号转换为数字量开关控制信号进行输出来配合开关阀KV进行启闭动作，从而实现对进入发酵罐A的冷媒流量的控制以最终达到控制发酵罐温度的目的；基于此，由于最终采用的是数字量开关控制信号可避免开关阀KV进行连续动态调节，而是以周期性的形式进行启闭动作，从而可大大减少开关阀KV的动作并极大地减少对冷媒能源的消耗，有利于提高能源的利用率；同时，开关阀KV的配置成本相较于调节阀TV的配置成本极为低廉，有利于降低采用本实施例方法的硬件控制系统的配置、使用及维护成本；3、利用开关阀KV作为控制冷媒流量的执行装置并配合数字量开关控制信号的输出形式，可使得多个开关阀KV能够分批次间歇轮流启闭，在整个发酵罐群处于发酵过程中为降低冷媒供给压力提供了条件，从而也降低了工厂用于制冷电能的消耗。
为能够有效实现将经PID算法计算并输出的阀门开度的模拟量信号转换为数字量信号(相当于以二进制开关量的模式对控制信号作最终输出)，在步骤S3中，在整个发酵工艺控制阶段可根据工艺要求或者发酵罐A的大小来预先设定开关阀KV的启闭控制周期T并结合经PID算法计算的一个阀门开度V的模拟量数值，依照公式一：T0N＝T*V向开关阀KV输出在一个启闭控制周期T内保持一个阀门开度V所需要的时间以及依公式二：TOFF＝T-TON向开关阀KV输出在一个启闭控制周期T内所需要的阀门关闭时间；其中，公式一和公式二中，T为启闭控制周期，单位为秒；V为阀门开度的模拟量数值，范围为0-100％；TON为开关阀的开启时间，单位为秒；TOFF为开关阀的关闭时间，单位为秒。由此，在每一个启闭控制周期T内可执行运算一次，即：计算一次开关阀KV的开关时间，从而控制开关阀KV动作一次，并最终实现开关阀KV的周期性开关动作。
为保证开关阀KV能够进行周期性开关动作，在步骤S3中，预先设定开关阀的控制周期计时值Tt，当发酵罐A处于发酵工艺运行过程后(即：可理解为是本实施例的发酵罐温度控制方法启动后)，开始计时；当控制周期计时值Tt达到启闭控制周期T时，控制周期计时值Tt清零并重新开始计时，周而复始并直至发酵罐A的发酵工艺运行结束；在此过程中，当控制周期计时值Tt≦开关阀的开启时间TON时，可编程控制器B执行输出“开”阀门控制信号给开关阀KV，开关阀KV开启，冷媒经过开关阀KV进入发酵罐A的冷带中，从而进行发酵制冷；当控制周期计时值Tt≧开关阀的开启时间TON时，可编程控制器B执行“关”阀门控制信号给开关阀KV，开关阀KV关闭，冷媒停止进入发酵罐A的冷带中；其中，控制周期计时值Tt的单位为秒。
作为一个优选方案，在步骤S3中，预先设定的开关阀的启闭控制周期为：T≤300s，以便满足现有的大多数啤酒发酵工艺中对冷媒供给流量的控制要求。
为优化整个方法，保证对开关阀KV的精密控制效果，在步骤S3中，可预先设定温度偏差临界值(包括上限值和下限值)，当采样温度TT与预设温度TSET之间的偏差超出温度偏差临界值后，则采用Bang-Bang控制算法来计算开关阀KV的阀门开度V以形成模拟量开度控制信号(即：相当于替代PID控制算法)；而当采样温度TT在一段时间内趋于平稳时，则采用带有死区的PID算法来计算开关阀KV的阀门开度V以形成模拟量开度控制信号。当然，需要作出说明的，本实施例的整个方法所述及的PID算法(如经典PID算法或带有死区的PID算法)、Bang-Bang控制算法等均可参考现有的成型的算法进行设置。
基于上述的控制方法，如图2所示，本实施例还提供了一种啤酒发酵罐温度的自动控制系统，它包括可编程控制器B、发酵罐A、冷媒供给管L1、冷媒回流管L2、至少一个通过冷媒供给管L1连接于发酵罐A的冷媒入口的冷媒供给流量执行装置(其相当于安装于冷媒供给管L1上)、至少一个通过冷媒回流管L2连接于发酵罐A的冷媒出口的冷媒回流流量执行装置(其相当于安装于冷媒回流管L2上)以及至少一个装设于发酵罐A上以向可编程控制器B反馈实时采样的发酵罐A的温度信号和/或压力信号的采样装置(图中未示出，其主要由温度或压力传感器等构成，图2中，在发酵罐A上设置了温度测量点T和压力测量点P)，其中，冷媒回流流量执行装置为手动截止阀HV；而冷媒供给流量执行装置则为气动开关阀KV，同时，在可编程控制器B内植入有用于计算气动开关阀KV的阀门开度的模拟量数值以形成模拟量开度控制信号的PID算法模块1和用于将PID算法模块1输出的模拟量开度控制信号转换为数字量开关控制信号并通过可编程控制器B的I/O通道输出至气动开关阀KV以控制气动开关阀KV作周期性启闭动作的模拟/数字转换算法模块2。基于此，整个系统可有效减少阀门动作的次数，延长阀门的使用寿命；而由于以气动开关阀KV作为控制冷媒供给量的执行装置，相对于传统的调节阀可有效降低阀门的采购成本以及整个系统的配置、使用及维护成本；而通过气动开关阀KV的周期性启闭动作，在存在多个气动开关阀KV或者同时具有多个发酵罐A的情况下，则有利于平衡冷媒供给压力，提高制冷效果。
另外，优化整个系统的性能，本实施例的PID算法模块1优选为一带有死区的PID算法模块，以在发酵罐的温度采样值在某一时间段内趋于平稳时，来保证对阀门开关的精确控制；同时，作为对PID算法模块1的功能补充，在可编程控制器B内植入有Bang-Bang控制算法模块3，以在温度偏差超出设定的临界范围后(即：无法满足PID算法模块1对阀门开度的计算要求时)，可利用Bang-Bang控制算法模块3对阀门开度进行计算输出。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种啤酒发酵罐温度的自动控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、以开关阀作为控制冷媒进入发酵罐换热冷带内的流量的执行装置，以可编程控制器作为向开关阀输出控制信号的控制装置；
S2、预设发酵罐的工艺要求温度并得到预设温度，采样发酵罐的实际温度并得到采样温度；
S3、采样并比较采样温度与预设温度的偏差，采用PID算法计算开关阀的开度，然后将模拟量开度控制信号转换为数字量开关控制信号，再由可编程控制器向开关阀输出开关控制信号以控制开关阀动作。
2.如权利要求1所述的一种啤酒发酵罐温度的自动控制方法，其特征在于：在所述步骤S3中，预先设定开关阀的启闭控制周期并结合经PID算法计算的一个阀门开度的模拟量数值，依公式一：T0N＝T*V向开关阀输出在一个启闭控制周期内保持一个阀门开度所需要的时间以及依公式二：TOFF＝T-TON向开关阀输出在一个启闭控制周期内所需要的阀门关闭时间；其中，公式一和公式二中，T为启闭控制周期，单位为秒；V为阀门开度的模拟量数值，范围为0-100％；TON为开关阀的开启时间，单位为秒；TOFF为开关阀的关闭时间，单位为秒。
3.如权利要求2所述的一种啤酒发酵罐温度的自动控制方法，其特征在于：在所述步骤S3中，根据发酵罐在发酵工艺中的要求来预先设定开关阀的启闭控制周期或根据发酵罐的大小来预先设定开关阀的启闭控制周期。
4.如权利要求3所述的一种啤酒发酵罐温度的自动控制方法，其特征在于：在步骤S3中，预先设定开关阀的控制周期计时值Tt，当发酵罐处于发酵工艺运行过程后，开始计时；当控制周期计时值Tt达到启闭控制周期T时，控制周期计时值Tt清零并重新开始计时，周而复始并直至发酵罐的发酵工艺运行结束；当控制周期计时值Tt≦开关阀的开启时间TON时，可编程控制器执行输出“开”阀门控制信号；当控制周期计时值Tt≧开关阀的开启时间TON时，可编程控制器执行“关”阀门控制信号；其中，控制周期计时值Tt的单位为秒。
5.如权利要求3所述的一种啤酒发酵罐温度的自动控制方法，其特征在于：在所述步骤S3中，预先设定的开关阀的启闭控制周期为：T≤300s。
6.如权利要求1所述的一种啤酒发酵罐温度的自动控制方法，其特征在于：在所述步骤S2中，预先设定温度偏差临界值，当采样温度与预设温度的偏差超出温度偏差临界值后，采用Bang-Bang控制算法来计算开关阀的开度以形成模拟量开度控制信号；当采样温度在一段时间内趋于平稳时，采用带有死区的PID算法来计算开关阀的阀门开度的模拟量数值以形成模拟量开度控制信号。
7.一种啤酒发酵罐温度的自动控制系统，它包括可编程控制器、发酵罐、冷媒供给管、冷媒回流管、至少一个安装于冷媒供给管上的冷媒供给流量执行装置、至少一个安装于冷媒回流管上的冷媒回流流量执行装置以及至少一个装设于发酵罐上以向可编程控制器反馈实时采样的发酵罐的温度信号和/或压力信号的采样装置，所述冷媒回流流量执行装置为手动截止阀；其特征在于：
所述冷媒供给流量执行装置为气动开关阀，所述可编程控制器内植入有用于计算气动开关阀的阀门开度的模拟量数值以形成模拟量开度控制信号的PID算法模块和用于将PID算法模块输出的模拟量开度控制信号转换为数字量开关控制信号并通过可编程控制器的I/O通道输出至气动开关阀以控制气动开关阀作启闭动作的模拟/数字转换算法模块。
8.如权利要求7所述的一种啤酒发酵罐温度的自动控制系统，其特征在于：所述PID算法模块为一带有死区的PID算法模块，且所述可编程控制器内植入有Bang-Bang控制算法模块。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180907

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