【正文】 of control, temperature control of fermentation tank selected the detection of the fermentation tank, in the next paragraph 3 of the temperature, through the upper, middle and lower imports of liquid ammonia in paragraph three Electromagic valve to achieve fermentation tank temperature control method. To solute the whole process temperature control by plc. The system performance higher than price, reliable, advanced technology, to fully meet the fermentation process of beer production technology requirements, taking into account the practical needs.Keywords: PLC。Fermentation temperature。object1 緒論 選題的目的和意義啤酒是世界上產(chǎn)量及消費(fèi)最大的一種酒，特別是北美及歐洲國(guó)家的總產(chǎn)量及人均消費(fèi)量均居世界前列，我國(guó)隨著改革開放現(xiàn)代化建設(shè)，人民生活水平不斷斷提高，啤酒己成為人們的時(shí)尚飲品，市場(chǎng)的寵兒，生產(chǎn)直線上升，進(jìn)入九十年代后產(chǎn)量逐年增加，目前已成為僅次于美國(guó)的世界第二大啤酒產(chǎn)銷國(guó)，令世界啤酒界人士刮目相看。但是我國(guó)人均啤酒消費(fèi)水平只有 8 升，僅相當(dāng)于世界水平的 1/3 差距很大；近年來，雖然我國(guó)的啤酒裝備配套水平有很大提高，但與國(guó)外的主要啤酒生產(chǎn)廠家相比大部分企業(yè)技術(shù)落后，國(guó)內(nèi)的啤酒行業(yè)迫切要求進(jìn)行技術(shù)改造，提高生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，以確保在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。由于啤酒生產(chǎn)的工藝復(fù)雜，目前我國(guó)大多數(shù)啤酒生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)裝備落后，自動(dòng)化程度低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。如何提高啤酒生產(chǎn)的綜合自動(dòng)化水平，增強(qiáng)我國(guó)啤酒產(chǎn)業(yè)的綜合實(shí)力是一個(gè)很好的研究課題 [1]。啤酒發(fā)酵是啤酒生產(chǎn)過程非常重要的環(huán)節(jié)，是決定啤酒質(zhì)量的最關(guān)鍵的一步，特別是對(duì)發(fā)酵過程中溫度、壓力的控制尤其重要，控制指標(biāo)的好壞將直接影響啤酒的質(zhì)量。早期，由于人們對(duì)發(fā)酵機(jī)理認(rèn)識(shí)不深，再加上采用控制器的限制，對(duì)發(fā)酵采取自動(dòng)控制未能成功。隨著人們對(duì)發(fā)酵機(jī)理的逐步認(rèn)識(shí)，并隨著可靠性高、能經(jīng)受惡劣環(huán)境器件的引用，對(duì)發(fā)酵采用自動(dòng)控制逐漸取得成功。啤酒發(fā)酵具有非線性、時(shí)間滯后和大慣性等特征，發(fā)酵過程的精密控制一直是自動(dòng)控制領(lǐng)域較難解決的問題之一。按啤酒發(fā)酵的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)周期一般在十五天左右，要求發(fā)酵液的溫度嚴(yán)格按照一定的工藝曲線變化。溫度控制精度在 ?℃范圍內(nèi)，這樣的控制精度單憑傳統(tǒng)的熱工儀表加上手工操作方式是完全不能滿足要求的，但目前國(guó)內(nèi)的不少生產(chǎn)廠家都是采用這種生產(chǎn)方式。隨著控制領(lǐng)域新技術(shù)、新方法的不斷涌現(xiàn)，這些問題也在不斷地得到改進(jìn)。改進(jìn)啤酒發(fā)酵生產(chǎn)過程控制是釀造業(yè)技術(shù)進(jìn)步的有效措施，它可以在不增加原材料及動(dòng)力消耗的前提下，增加產(chǎn)品產(chǎn)量、提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)還可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善工作條件、提高發(fā)酵工藝水平及生產(chǎn)管理水平。因此，優(yōu)化啤酒發(fā)酵控制應(yīng)用前景樂觀，能產(chǎn)生較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。利用 PLC 實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵罐溫度的自動(dòng)控制的選題。對(duì)提高啤酒發(fā)酵溫度控制精度，優(yōu)化啤酒溫度控制過程，使用效果好且性能穩(wěn)定可靠，編程簡(jiǎn)單，具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。同時(shí)我個(gè)人可以通過這次設(shè)計(jì)更加鞏固 PLC 知識(shí)，更好地掌握梯形圖等編程。熟悉啤酒的制造工藝及過程，并通過此次設(shè)計(jì)鍛煉將理論應(yīng)用于實(shí)際的能力。 啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)方案綜述目前，國(guó)內(nèi)啤酒生產(chǎn)(糖化、發(fā)酵工段)的控制水平基本上可以分為四個(gè)檔次。1) 完全手動(dòng)操作方式——其主要特點(diǎn)是閥門為手動(dòng)。對(duì)溫度、壓力、液位、流量、濁度、電導(dǎo)率等生產(chǎn)過程中的模擬量信號(hào)采用常規(guī)分散儀表進(jìn)行采集，然后集中或現(xiàn)場(chǎng)顯示，操作人員在現(xiàn)場(chǎng)或集中操作盤(柜)上控制主要設(shè)置啟停，閥門由工人到現(xiàn)場(chǎng)操作。這種方式下啤酒生產(chǎn)工藝參數(shù)得不到可靠執(zhí)行，一致性較差，啤酒質(zhì)量受人為因素影響較大，而且工人的操作勞動(dòng)強(qiáng)度很大，主要生產(chǎn)設(shè)備與裝置不能工作在較佳狀態(tài)，原材料利用率低，產(chǎn)品能耗大，不可能采用較復(fù)雜的先進(jìn)工藝生產(chǎn)啤酒，生產(chǎn)成本較高 [2]。2) 半自動(dòng)控制方式 (集中手動(dòng)控制方式)——其主要特點(diǎn)為閥門多采用氣動(dòng)或電動(dòng)自動(dòng)閥門。采取諸如數(shù)據(jù)采集器等手段采集各種過程量進(jìn)入控制室，一般設(shè)有馬賽克模擬屏或上位機(jī)。在模擬屏或上位機(jī)上顯示各種溫度、流量、壓力、液位等過程參數(shù)和電機(jī)、閥門的開啟狀態(tài)，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，操作人員根據(jù)顯示的參數(shù)和工藝參數(shù)對(duì)比，在模擬屏或操作臺(tái)上遙控閥門開啟和電機(jī)啟停從而滿足工藝要求，生產(chǎn)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)由人工記錄。但由于需要操作工人的頻繁介入，其啤酒質(zhì)量和口味也有較大的波動(dòng)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度也比較大。3) PC 機(jī)+ 數(shù)據(jù)采集插卡方式 ——以工業(yè) PC 機(jī)加各種數(shù)據(jù)采集卡為代表，過程控制中的各種信號(hào)在外圍通過相應(yīng)的變送器送入插在工業(yè) PC 機(jī)插槽中的數(shù)據(jù)采集卡，在 PC機(jī)畫面上顯示各種生產(chǎn)過程參數(shù)，同時(shí)控制閥門與泵、電機(jī)等設(shè)備的啟、停來滿足工藝生產(chǎn)要求，目前國(guó)內(nèi)不少啤酒廠發(fā)酵車間采用這種系統(tǒng)進(jìn)行控制。一定程度上解決了啤酒生產(chǎn)過程控制問題，但存在以下缺點(diǎn)：a．系統(tǒng)可靠性差。b．畫面呆板，缺乏一般工控組態(tài)軟件靈活的程序腳本控制功能，同時(shí)系統(tǒng)本身安全性差，難以建立有效的操作等級(jí)和權(quán)限制度。c ．系統(tǒng)的可擴(kuò)充性差。 d．由于外圍器件的漂移較大，系統(tǒng)控制精度受一年四季影響大，控制效果不理想 [3]。4) 分布式控制系統(tǒng)——采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)加先進(jìn)的控制算法對(duì)生產(chǎn)工序進(jìn)行自動(dòng)控制，主要特點(diǎn)是采用 PLC 作為下位機(jī)。目前有 DCS(分布式控制系統(tǒng)) 控制系統(tǒng)與 FCS 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) )控制系統(tǒng)兩種。在這種控制方式中，下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)中控制單元一般采用 PLC，其可靠性非常高(一般可連續(xù)可靠工作 20 年)，性能穩(wěn)定，上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)可兼容多種通訊協(xié)議(如 TCP/IP 協(xié)議)，和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，掛在局域以太子網(wǎng)上，便于信息集成管理，和功能拓展。但主要缺點(diǎn)是一次投入資金較大 [4]。目前啤酒工業(yè)總的技術(shù)特點(diǎn)是向設(shè)備大型化、自動(dòng)化、生產(chǎn)周期短，經(jīng)濟(jì)效益高的方向發(fā)展。近十年來，我國(guó)的啤酒工業(yè)得到了迅速發(fā)展，但是由于起步較晚，生產(chǎn)設(shè)備都比較落后，自動(dòng)化程度低，因而產(chǎn)品效率較低，產(chǎn)品質(zhì)量也不高，噸酒能耗較大，這都是我國(guó)啤酒工業(yè)急待解決的問題。啤酒發(fā)酵對(duì)象的時(shí)變性、時(shí)滯性及其不確定性，決定了發(fā)酵罐控制必須采用特殊的控制算法。由于每個(gè)發(fā)酵罐都存在個(gè)體的差異，而且在不同的工藝條件下，不同的發(fā)酵菌種下，對(duì)象特性也不盡相同。因此很難找到或建立某一確切的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)控制我國(guó)大部分啤酒生產(chǎn)廠家目前仍然采用常規(guī)儀表進(jìn)行控制，人工監(jiān)控各種參數(shù)，人為因素較多。這種人工控制方式很難保證生產(chǎn)工藝的正確執(zhí)行，導(dǎo)致啤酒質(zhì)量不穩(wěn)定，波動(dòng)性大且不利于擴(kuò)大再生產(chǎn)規(guī)模。 實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵罐溫度 PLC 控制的主要研究工作(1) 熟悉啤酒發(fā)酵的工藝過程，詳細(xì)分析控制要求，選定裝置所需檢測(cè)和控制的參數(shù)，確定系統(tǒng)的控制方案。(2) 完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及其系統(tǒng)選型，包括系統(tǒng)的硬件連線，PLC 的選型，PLC 點(diǎn)數(shù)確定、PLC ，擴(kuò)展模擬量處理模塊等部分。(3) 采用的是德國(guó) SIEMENS 公司的 S7200 系列 PLC，運(yùn)用與之相配的 STEP7 編程軟件，通過 STL 和 LAD 兩種編程語言編制了下位機(jī)的控制程序，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度自動(dòng)控制的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2 啤酒發(fā)酵工藝概述 啤酒發(fā)酵概述啤酒是采用麥芽和水為主要原料，加酒花，經(jīng)酵母發(fā)酵釀制而成的一種含有二氧化碳、氣泡的低酒精度飲料。啤酒生產(chǎn)工藝主要由麥汁制備(俗稱糖化)、啤酒發(fā)酵、啤酒罐裝等工藝流程組成。發(fā)酵過程是啤酒生產(chǎn)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，啤酒發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的生化過程，這個(gè)過程可以理解為把麥汁轉(zhuǎn)化為啤酒的過程，整個(gè)發(fā)酵過程同樣也包含若干個(gè)生產(chǎn)工序，如：麥汁充氧、酵母添加、發(fā)酵、過濾、修飾以及酵母擴(kuò)培等等。生產(chǎn)周期都在十幾天以上，要求發(fā)酵液的溫度嚴(yán)格按照一定的工藝曲線變化，溫度控制精度在 ℃范圍內(nèi)如果溫度控制偏低，就會(huì)使得發(fā)酵過程緩慢，影響生產(chǎn)進(jìn)度。如果溫度?偏高，又會(huì)造成生化參數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)，影響啤酒的質(zhì)量。啤酒發(fā)酵整個(gè)過程分為：主發(fā)酵階段、還原雙乙酰階段和低溫貯酒階段。從原麥汁入罐時(shí)刻起，就開始進(jìn)行主發(fā)酵，這一階段的溫度控制在12攝氏度(不同工藝數(shù)值不同)。發(fā)酵液直接由糖化車間經(jīng)管道灌入，初始的溫度大約為8攝氏度左右，糖度為10度左右，每一罐發(fā)酵液需要分幾批入罐，每一次入罐后都要由化驗(yàn)員測(cè)定一次糖度并把信息反饋到糖化車間，保證最后整罐發(fā)酵液的初始糖度符合標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)溫度控制開始實(shí)施，以保證滿罐后發(fā)酵液的溫度在規(guī)定范圍內(nèi)。發(fā)酵液滿罐后1小時(shí)工人開始測(cè)量發(fā)酵液的滿罐糖度，以后每隔八小時(shí)測(cè)量一次。，每?jī)尚r(shí)測(cè)量一次，度。，主發(fā)酵階段約歷時(shí)4天。發(fā)酵進(jìn)入還原雙乙酰階段，這一階段要求溫度控制在12~18攝氏度 (不同工藝數(shù)值)。進(jìn)入第二階段后，要求化驗(yàn)員每隔2小時(shí)測(cè)量一次雙乙酞的濃度和糖度。當(dāng)雙乙酰濃度下降到合格標(biāo)準(zhǔn) ()時(shí)，且糖度降至極限42~48 小時(shí)后，如果此時(shí)距離裝罐時(shí)間已大于 6天，發(fā)酵就可以進(jìn)入降溫階段，分兩個(gè)階段按不同的速率降溫，此時(shí)把所有冷媒閥打開，使發(fā)酵液全速降溫。當(dāng)溫度到達(dá)1攝氏度以下時(shí)發(fā)酵進(jìn)入低溫儲(chǔ)酒階段，在低溫儲(chǔ)酒階段溫度控制在0. 5~10攝氏度。這一階段主要是讓酵母和一些固態(tài)物進(jìn)行充分沉淀并進(jìn)行回收。正常情況下，全過程必須在14天以上 [5] [6]。 發(fā)酵各階段溫度控制機(jī)理(1) 自然升溫階段麥汁滿罐溫度高低直接關(guān)系到發(fā)酵工藝的準(zhǔn)確執(zhí)行，酵母前期增值速度，發(fā)酵周期的長(zhǎng)短，發(fā)酵度的高低，酵母還原雙乙酰能力以及副產(chǎn)物形成、泡沫、口味等，過低和過高的滿罐溫度均不利于酵母和成品酒質(zhì)量。滿罐溫度的確定應(yīng)考慮麥汁分鍋次進(jìn)罐中酵母繁殖代謝使溫度上升因素的影響，滿罐后的自然升溫階段切忌因各種失誤出現(xiàn)的控溫，應(yīng)通過此過程，使酵母盡快其發(fā)酵增殖適應(yīng)新的麥汁環(huán)境形成良好的酒液對(duì)流。(2) 主發(fā)酵及雙乙酰還原階段主發(fā)酵階段酵母大量繁殖并產(chǎn)生較多的熱量，隨著發(fā)酵液中氧的迅速消耗，酵母在無氧呼吸下轉(zhuǎn)化為生成大量的 ，使罐內(nèi)中下部酒液中 含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上部，酒體密度發(fā)生變化，在 釋放及密度變化的共同作用下，發(fā)酵液發(fā)生自下而上的強(qiáng)烈對(duì)抗，此階段溫控應(yīng)促進(jìn)對(duì)流充分進(jìn)行，保持旺盛發(fā)酵并均衡罐內(nèi)酒液狀態(tài)，以控制上段溫度為主，適度輔以中段，形成的溫度梯度，三帶溫差在 ℃左右。雙乙酰還原階段控溫原理與主酵段類似，但此過程發(fā)酵速度趨緩，熱量產(chǎn)生少，對(duì)流慢，對(duì)上段控溫應(yīng)緩慢、慎重，不可急劇冷卻，防止罐內(nèi)溫度出現(xiàn)較大幅度下滑，酵母大量沉積將影響雙乙酞還原。此過程以保持發(fā)酵液適度對(duì)流和一定數(shù)量懸浮酵母為主，溫度梯度為 T 上 T 中 T 下 ，三帶溫差在 ~ 攝氏度左右。(3) 降溫保溫階段發(fā)酵液雙乙酰還原達(dá)標(biāo)后即開始轉(zhuǎn)入降溫階段，此過程應(yīng)按照工藝設(shè)定的速度將酒液均勻了冷卻至貯酒溫度，由于此時(shí)酒液發(fā)酵已基本結(jié)束，二氧化碳生成和放熱趨于停止，原二氧化碳上升托拉力等形成的自下而上對(duì)流大為減弱，酒液在不同溫度下密度差形成對(duì)流的作用漸占主導(dǎo)，根據(jù)啤酒最大密度溫度計(jì)算公式可知，酒液最大密度時(shí)溫度約為 3 攝氏度，3 攝氏度上下的酒液對(duì)流方向相反，控溫時(shí)應(yīng)據(jù)此區(qū)別對(duì)待。(4) 雙乙酰還原溫度冷卻至 3 攝氏度酒液在此階段降溫中密度逐漸增大，對(duì)流方向仍為自下而上，酒液沿罐壁向下流動(dòng)，由于此時(shí)冷媒與酒液溫差較大，降溫及罐內(nèi)均衡過程不容易控制，應(yīng)以上帶和中帶控溫為主，須防止冷卻過于強(qiáng)烈造成貼近罐壁處部分酒液結(jié)冰，影響降溫效果及啤酒質(zhì)量。(5) 三攝氏度保溫過程在整體降溫過程中，3 攝氏度以前的降溫速度較快，降溫慣性大，在接近 3 攝氏度對(duì)流方向變化過程中，易出現(xiàn)罐內(nèi)各點(diǎn)酒液溫度的紊亂，或溫度出現(xiàn)突升突降，或溫度持續(xù)變化，無法按工序執(zhí)行，且難以總結(jié)出變化規(guī)律。針對(duì)此情況，在生產(chǎn)中采用了 3 攝氏度保溫工藝，目的是穩(wěn)定酒液流態(tài)，是對(duì)流過程放緩或停頓，罐內(nèi)溫度均衡準(zhǔn)確，并在保溫過程徹底排放剩余的廢酵母和沉積物，3 攝氏度保溫結(jié)束后開始進(jìn)行新的對(duì)流降溫過程，實(shí)踐證明此工藝有效的保證了降溫速率及酒液澄清。(6) 三攝氏度以下深冷過程酒液降溫至 3 攝氏度最高密度時(shí)將形成密度相同而溫度不同的酒液，自行區(qū)域性對(duì)流，狀態(tài)紊亂，酒液溫度形成梯度，冷卻加套冷量傳遞達(dá)不到要求，冷卻速度和酒液溫度下降緩慢，此時(shí)應(yīng)以下部控溫為主，加大錐罐底酒液控溫強(qiáng)度，降低酒液密度，使對(duì)流方向由自下而上轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨隙?，打破形成的溫度梯度，滿足溫度控制效果，此過程下段溫度應(yīng)低于中、上段溫度 1~2 攝氏度。(7) 貯酒階段貯酒階段的溫控對(duì)發(fā)酵液成熟及酒液澄清等影響很大，控溫不當(dāng)將可能造成發(fā)酵液結(jié)冰。此階段溫度控制應(yīng)以上、中、下三段均衡控溫為主，縮小罐內(nèi)發(fā)酵液溫差。在貯酒過程中罐內(nèi)下段二氧化碳的密度梯度高于中上段，而下段發(fā)酵液的密度高于中、上段，同時(shí)存在自下而上和自上而下的對(duì)流，狀態(tài)紊亂，緩慢而不規(guī)則，使用調(diào)節(jié)閥控制冷媒可采用長(zhǎng)時(shí)間小流量的操作方法，對(duì)于開關(guān)閥則可采用高頻短時(shí)間開啟控制，避免長(zhǎng)時(shí)問深度冷卻，溫控精度要求在 ? 攝氏度，嚴(yán)禁出現(xiàn)溫度回升。 啤