Styresystem for gjæringsprosessen ved Jåttå gårdsbryggeri AS

Abstract

Oppgaven har gått ut på å konstruere et styresystem for temperaturregulering av gjæringsprosessen ved Jåttå gårdsbryggeri AS. For å styre temperaturen benyttes kun utstyr for nedkjøling av gjæringsprosessen, ettersom gjæringsprosessen utvikler varme. Nedkjøling av ølet foregår ved at en reguleringsventil på hver tank styrer gjennomstrømming av kjølevæske i tankenes kjølekapper.

Vi har benyttet det eksisterende kjøleanlegget i bryggeriet, som består av en kjøle- kolonne, tank for oppsamling av kjølevæske, pumpe og rør ut til hver enkelt gjæ- ringstank. Pumpepådraget står da konstant døgnet rundt og det ble derfor bare implementert styring av reguleringsventilene inn til hver av gjæringskarene.

For temperaturovervåking ble det kjøpt inn Pt100-sensorer og transmittere. Bryg- geriet hadde reguleringsventiler de ønsket å gjenbruke, og styresystemet ble dermed skreddersydd for bruk av disse. Bryggeriet har videre bidratt med finansiering av nødvendig utstyr for å bygging av styreskap. Det har vært fokus på å holde utgiftene lave og gjenbruke det man kan fra eksisterende styresystem.

Styreskapet ble bygget, testet og ferdigstilt på et av UiS sine laboratorium. Deretter ble produksjonen i bryggeriet stanset i en uke mens montasje av reguleringsventiler, styreskap og kabeltrekking ble gjennomført. For å få produksjonen i gang så fort som mulig ble det midlertidig implementert en enkel av/på-regulering for kjøling av ølet mens arbeidet med modellering og avdekking av PID-parametere fortsatte.

Det ble utviklet en matematisk modell for temperaturen i øl og kjølevæske, som ble verifisert mot loggede data fra en gjæringsprosess. I forbindelse med modelleringen ble det gjennomført eksperiment på bryggerianlegget. Det ble da funnet estimat for væskeflyt gjennom kjølekappene, ventilkarakteristikk og varmeoverføringskoeffisient fra øl til kjølevæske.

Modellen ble verifisert mot måledata, og basert på den lineære modellen og Skoge- stads metode ble det beregnet regulatorparametere.

Avsluttende testing i bryggeriet avdekket betydelig ventilsvikt. Det er grunn til å tro at ventilene fungerte som forventet i de innledende eksperimentene, men har deretter gradvis opparbeidet seg større og større lekkasjer. Innledningsvis ble det konkludert med at lekkasjene kom fra oppbygging av is på ventilene, men problemene fortsatte selv etter at det ble gjort tiltak mot isen. Ingen øl har gått til spille som følge av ventilsvikten, da lekkasjene har falt i balanse med varmeproduksjonen fra gjærens metabolyse. Det ble til slutt konkludert med at gjenbruken av de gamle regulerings- ventilene ikke lot seg gjøre, og at bryggeriet må vurdere en investering i nye og tette ventiler.

Parallelt med modellutvikling og testing har det vært fokus på utvikling av et mest mulig funksjonelt og enkelt brukergrensesnitt. Det har vært kontinuerlig kommuni- kasjon mellom forfatterne av rapporten og bryggeriledelsen, slik at endelig produkt har blitt i henhold til bryggeriets ønsker. Brukergrensesnitt er likevel utformet på en universell måte, slik at det kan implementeres og brukes i andre bryggerier.

The task was to design a control system for temperature control of the fermentation process at Jåttå gårdsbryggeri AS. To control the temperature there was used only equipment for cooling the fermentation process, as the fermentation process it self develops heat. Cooling of the beer takes place by a control valve on each tank controlling flow of coolant in the tanks' cooling jackets.

We have used the existing refrigeration equipment in the brewery, which consists of a refrigeration column, tank for collecting coolant, pump and pipe out to each individual ringstank. The pump is working at constant power around the clock and it was therefore only implemented control of the control valves into each of the fermentation vessels.

Pt100 sensors and transmitters were purchased for temperature monitoring. The brewery had control valves they wanted to reuse, and the control system was thus tailored for the use of these. The brewery has also contributed with financing of necessary equipment for the construction of the control cabinets. There has been a focus on keeping expenses low and reuse equipment from existing control systems where possible.

The control cabinet was built, tested and completed at one of UiS's laboratories. Then production in the brewery was stopped for a week while installation of control valves, control cabinets and cable routing were carried out. To get production started as soon as possible, a simple on / off control for cooling the beer was temporarily implemented while work on modeling and uncovering PID parameters continued.

A mathematical model for the temperature of beer and coolant was developed, which was verified against logged data from a fermentation process. In connection with the modeling several experiment was carried out at the brewery. An estimate was then found for fluid flow through the cooling jackets, valve characteristics and heat transfer coefficient from beer to coolant.

The model was verified against measurement data, and based on the linear model and Skogestads method, controller parameters were calculated.

Final testing in the brewery revealed significant valve failure. There is reason to believe that the valves worked as expected in the initial experiments, but have thereafter gradually accumulated larger and larger leaks. Initially, it was initially concluded that the leaks came from the buildup of ice on the valves, but the problems continued even after action was taken against the ice. No beer has been wasted as a result the valve failure, as the leaks have fallen in balance with the heat production from the yeast metabolysis. It was finally concluded that the reuse of the old regulatory the valves could not be made, and that the brewery must consider an investment in new and functional valves.

In parallel with model development and testing, there has been a focus on developing the most possible functional and simple user interface. There has been continuous communication between the authors of the report and the brewery management, so that the final product has been in accordance with the brewery's wishes. User interface is still designed in a universal way, so that it can be implemented and used in other breweries.