【正文】 實際要求的不同，啤酒的發(fā)酵工藝曲線也就不同，但是對于確定好的啤酒發(fā)酵工藝，就應(yīng)嚴(yán)格按照工藝曲線去控制溫度和壓力等，這樣才能保證啤酒的質(zhì)量?！娣秶畠?nèi)，以期達(dá)到理想的發(fā)酵狀況。經(jīng)過 2~3 天后進(jìn)入發(fā)酵最為旺盛的高泡期，再過 2~3 天，降糖速度變慢，糖度很低，酵母開始沉淀，進(jìn)行封罐發(fā)酵。P I C0 1T I C0 1T I C0 2T I C0 3L I0 1電磁閥 關(guān)排放 C O2上層溫度中層溫度下層溫度罐內(nèi)壓力罐內(nèi)液位冷媒出口冷媒入口圖241 啤酒發(fā)酵罐控制系統(tǒng)流程圖 啤酒發(fā)酵工藝流程根據(jù)錐形發(fā)酵大罐的特性將發(fā)酵的全過程分為多個階段，在各個階段，對象的特性相對穩(wěn)定，溫度和壓力的控制方面存在一定的規(guī)律性。在整個發(fā)酵過程中，根據(jù)麥芽發(fā)酵的反應(yīng)規(guī)律來控制發(fā)酵的溫度和時間是保證發(fā)酵過程正常安全地進(jìn)行，提高啤酒質(zhì)量和口味，減輕工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)約能源的關(guān)鍵。 啤酒發(fā)酵設(shè)備概述發(fā)酵罐是啤酒生產(chǎn)的主要設(shè)備，目前，我國絕大部分啤酒廠均采用園柱錐底式發(fā)酵罐簡稱錐形罐，—般在圓柱部分焊有兩到三段冷卻夾套，錐底還有一冷卻夾套。(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流大為減弱，酒液在不同溫度下密度差形成對流的作用漸占主導(dǎo)，根據(jù)啤酒最大密度溫度計算公式可知，酒液最大密度時溫度約為 3 攝氏度，3 攝氏度上下的酒液對流方向相反，控溫時應(yīng)據(jù)此區(qū)別對待。當(dāng)溫度到達(dá)1攝氏度以下時發(fā)酵進(jìn)入低溫儲酒階段，在低溫儲酒階段溫度控制在0. 5~10攝氏度。同時溫度控制開始實施，以保證滿罐后發(fā)酵液的溫度在規(guī)定范圍內(nèi)。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。近十年來，我國的啤酒工業(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，這都是我國啤酒工業(yè)急待解決的問題。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，同時系統(tǒng)本身安全性差，難以建立有效的操作等級和權(quán)限制度。對溫度、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采用常規(guī)分散儀表進(jìn)行采集，然后集中或現(xiàn)場顯示，操作人員在現(xiàn)場或集中操作盤(柜)上控制主要設(shè)置啟停，閥門由工人到現(xiàn)場操作。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，同時還可以減輕勞動強(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。如何提高啤酒生產(chǎn)的綜合自動化水平，增強(qiáng)我國啤酒產(chǎn)業(yè)的綜合實力是一個很好的研究課題 [1]。利用PLC來實現(xiàn)整個過程溫度的控制。盡管如此，我國的啤酒生產(chǎn)工業(yè)目前還存在較大的提升空間。由于起步較晚及啤酒生產(chǎn)的工藝復(fù)雜，目前我國大多數(shù)啤酒生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)裝備落后，自動化程度低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。該系統(tǒng)性能/價格比高、可靠、技術(shù)先進(jìn)，完全滿足啤酒生產(chǎn)發(fā)酵工藝的技術(shù)要求，并兼顧了實用的需求。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。因此，優(yōu)化啤酒發(fā)酵控制應(yīng)用前景樂觀，能產(chǎn)生較大的社會經(jīng)濟(jì)效益，具有很大的應(yīng)用價值。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]。c ．系統(tǒng)的可擴(kuò)充性差。啤酒發(fā)酵對象的時變性、時滯性及其不確定性，決定了發(fā)酵罐控制必須采用特殊的控制算法。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)酵液滿罐后1小時工人開始測量發(fā)酵液的滿罐糖度，以后每隔八小時測量一次。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。(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，對流方向仍為自下而上，酒液沿罐壁向下流動，由于此時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。整個罐體除罐頂裝置和罐底的進(jìn)出口以外，全部用絕熱材料包裹起來，用其來阻隔與外界的熱交換。罐類容器的主要工況參數(shù)有溫度、液位、氣體壓力。在發(fā)酵開始前，根據(jù)工藝要求預(yù)先設(shè)定工藝控制的溫度、壓力曲線；在發(fā)酵工程中，根據(jù)發(fā)酵進(jìn)行的程度(發(fā)酵時間、糖度、雙乙酰含量等)，發(fā)酵罐上、中、下 3 段溫度的差異，以及 3 段溫度各自的變化趨勢，自動正確選擇各個階段相應(yīng)的控制策略，從而達(dá)到預(yù)期的控制效果 [9]。此時，前酵基本結(jié)束，進(jìn)行降溫轉(zhuǎn)入后酵階段。另外，在不同的發(fā)酵階段，對發(fā)酵罐內(nèi)溫度場也有相應(yīng)的要求：在前酵階段希望發(fā)酵罐內(nèi)從罐頂?shù)焦薜子幸徽臏囟忍荻?上段溫度低于下段溫度)，以利于發(fā)酵液對流和酵母在罐內(nèi)的均勻混合；在后酵階段，則要求發(fā)酵液由上到下必須有一定的負(fù)溫度梯度，便于酵母的沉淀和排出。024681 01 21 40a bc def T/℃t / h圖 251 啤酒發(fā)酵工藝曲線3 應(yīng)用 PLC 實現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度控制的可行性分析 可編程序控制器 PLC 的特點可編程序控制器(Programmable Controller)是一種以計算機(jī)(微處理器)為核心的通用工業(yè)控制裝置。軟件設(shè)計方面：采用軟件濾波，軟件自診斷，簡化編程語言，信息保護(hù)和恢復(fù)，報警和運(yùn)行信息的顯示等。因此，它既可對開關(guān)量進(jìn)行控制，也可對模擬量進(jìn)行控制；既可以控制單臺設(shè)備，也可以控制一條生產(chǎn)線或全部生產(chǎn)工藝過程。另外還有獨立的 I/O擴(kuò)展單元與主機(jī)配合使用。圖 321 為 PLC 的組成示意圖。PLC 按工作周期方式周而復(fù)始的循環(huán)工作。(3) 執(zhí)行用戶程序。各個種類 PLC 的容量、結(jié)構(gòu)形式、性能、指令系統(tǒng)、編程方法、價格各不相同，適應(yīng)的工作場合也有差異。PLC 的容量包括主機(jī)用戶存儲器的內(nèi)存容量和 I/O 控制點數(shù)兩個方面，選擇時應(yīng)留有適當(dāng)?shù)脑Ａ孔鰝溆?。本系統(tǒng)選用了 SIMENS SIMATIC S7系列 PLC 組件。此外，PLC 采用周期循環(huán)掃描方式工作，對輸入輸出集中進(jìn)行處理。此外，PLC 配置著大量內(nèi)含 CPU 的智能模板，有些專用于 PID 控制，有些用于運(yùn)動控制，有些用于高速計數(shù)器，有些用于連網(wǎng)通信，它們采用模塊結(jié)構(gòu)，通過背板并行總線連成有機(jī)的整體。為了使罐內(nèi)酒液循環(huán)并有利于不同發(fā)酵期的酵母沉淀，一般采用分三段間冷方式，控制罐內(nèi)酒液溫度，使之形成自上而下的溫度梯度。 能監(jiān)視每個發(fā)酵罐的溫度、壓力周期曲線，當(dāng)累積酒齡達(dá)到時，自動出信號，以便人工確定是否執(zhí)行下步操作。此外，為確保系統(tǒng)工作安全，系統(tǒng)設(shè)計了手動裝置。(1) CPU 221CPU221，輸入輸出點數(shù)只有 10 點，而且無擴(kuò)展能力，具有高速計數(shù)器和高速脈沖輸出端，CPU221 多用于點數(shù)較少的開關(guān)量控制系統(tǒng)中。表 51 S7200CPU 主要的性能指標(biāo)特性 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226外形尺寸 80*80*62 90*80*62 *80*62 190*8.*62存儲器用戶程序 2048 字 2048 字 4096 字 4096 字用戶數(shù)據(jù) 1024 字 1024 字 2560 字 2560 字用戶存儲器類型 EEPROM EEPROM EEPROM EEPROM數(shù)據(jù)后備(超級電容)典型值 50 小時 50 小時 50 小時 50 小時輸入輸出本機(jī) I/O 6 入 4 出 8 入/6 出 14 入/10 出 24 入/16 出擴(kuò)展模塊數(shù)量 無 2 個模塊 7 個模塊 72 個模塊數(shù)字量 I/O 映像區(qū)大小 256 256 256 256模擬量 I/O 映像區(qū)大小 無 16 如/16 出 32 入/32 出 32 入/32 出指令系統(tǒng)33MHZ 下布爾指令執(zhí)行速度 FOR/NEXT 循環(huán) 有 有 有 有實數(shù)指令 有 有 有 有整數(shù)指令 有 有 有 有主要內(nèi)部繼電器I/O 映像寄存器 128I 和 128Q 128I 和 128Q 128I 和 128Q 128I 和 128Q內(nèi)部通用繼電器 256 256 256 256計數(shù)器/定時器 256/256 256/256 256/256 256/256寫入/寫出 無 16/16 32/32 32/32順序控制繼電器 256 256 256 256附加功能內(nèi)置高速計數(shù)器 4H/W(20KHZ) 4H/W(20KHZ) 6H/W(20KHZ) 6H/W(20KHZ)模塊量調(diào)節(jié)電位器 1 1 2 2脈沖輸出 2(20KHZ，DC) 2(20KHZ，DC) 2(20KHZ，DC) 2(20KHZ，DC)通信中斷 1 發(fā)送/2 接收 1 發(fā)送/2 接收 1 發(fā)送/2 接收 1 發(fā)送/4 接收硬件輸入中斷 4，輸入濾波器 4，輸入濾波器 4，輸入濾波器 4，輸入濾波器定時中斷 2(1~255ms) 2(1~255ms) 2(1~255ms) 2(1~255ms)定時時鐘 有(時鐘卡) 有(時鐘卡) 有(內(nèi)置) 有 (內(nèi)置)口令保護(hù) 有 有 有 有通信功能通信口數(shù)量 1(RS485) 1(RS485) 1(RS485)支持協(xié)議0 號口1 號口PPI，DP/T自由口N/APPI，DP/T自由口N/A PPI，DP/T自由口N/APPI，DP/T自由口(同 0 號口 ) 模擬量擴(kuò)展模塊 PLC 對模擬量信號的 PID 控制方式用可編程控制器對模擬量進(jìn)行 PID 控制時，可采用以下方式：(1) 用 PID 過程控制模塊：這種模塊的 PID 控制程序是可編程控制器生產(chǎn)廠家設(shè)計的，并存放在模塊中，用戶在使用時只需設(shè)置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路，但是，這種模塊價格昂貴，一般在大型的控制系統(tǒng)能中使用。 模擬量擴(kuò)展模塊EM231模塊提供了模擬量輸入/輸出的功能，優(yōu)點如下：? 最佳適應(yīng)性：可適用于復(fù)雜的控制場合? 直接與傳感器和執(zhí)行器相連，12 位的分辨率和多種輸入 /輸出范圍能夠不用外加放大器而與傳感器和執(zhí)行器直接相連，例如 EM235 CN 模塊可直接與 PT100 熱電阻相連? 靈活性：當(dāng)實際應(yīng)用變化時，PLC 可以相應(yīng)地進(jìn)行擴(kuò)展，并可非常容易的調(diào)整用戶程序。根據(jù)啤酒發(fā)酵的特點，啤酒發(fā)酵過程的溫度范圍最低可以到1 攝氏度以下，最高到12 攝氏度以上，一般可以選擇的量程為10～90 攝氏度的溫度變送器；壓力變送器可以選擇量程為 0～200Kpa 或者 0～400Kpa 。S7200 系列 PLC 主機(jī)中有兩類基本指令集： SIMATIC 指令集和 IEC 11313 指令集，程序員可以任選一種。一般來說，語句表語言在選用時主要應(yīng)作如下考慮：①它更適合與熟悉可編程序控制器結(jié)構(gòu)原理及邏輯編程的有經(jīng)驗的程序員。③用這種語言可以編寫出梯形圖和功能圖無法實現(xiàn)的程序。SIMATIC 指令集：是為 S7200 系列 PLC 設(shè)計的，本指令通常執(zhí)行時間短，而且可以用 LAD、STL 和 FBD 三種編程語言。本機(jī)及擴(kuò)展模塊 I/O 地址分配見表 52。需要連接的擴(kuò)展模塊較多時，模塊連接起來會過長，兩組模塊之間可使用擴(kuò)展連接電纜，將模塊安裝成兩排。它們實際上是用于 PID 控制的子程序，與模擬量輸入/輸出模塊一起使用，可以得到類似于使用 PID 過程控制模塊的效果，但是價格便宜的多。它的適應(yīng)范圍更廣。系統(tǒng)采用上下位機(jī)兩級遞階結(jié)構(gòu)。通過對系統(tǒng)的整體分析，可以分析出來系統(tǒng)要提供 21 個開關(guān)量輸入，16 個開關(guān)量輸出，五路模擬量的輸入，實現(xiàn)啤酒發(fā)酵各階段溫度控制。整個發(fā)酵過程的溫度控制在不同發(fā)酵時期是不同的，根據(jù)主酵→雙己酰還原→冷卻→酵母回收→后貯的階段，分別設(shè)定曲線進(jìn)行控制，并采用 PI、PID 等控制方法，使系統(tǒng)控制精度符合工藝要求按啤酒發(fā)酵工藝要求，其中從 12℃保溫向 3℃下降的轉(zhuǎn)折點取決于酒液殘?zhí)橇慷蝗Q于發(fā)酵時間。正是由于 PLC 具有多種功能，集三電于一體，PLC 網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)良的性能價格比和PLC 具有高可靠性等等，使得 PLC 在工廠中倍受歡迎，用量高居首位，成為現(xiàn)代工業(yè)自動化的支柱。在一個循環(huán)掃描周期 T 中，僅只有一小段時間集中進(jìn)行 I/O 處理，也只有在這一小段集中I/O 時間中的干擾才會被引入 PLC 內(nèi)部，在掃描周期的其余大部分時間，干擾都被阻擋在 PLC 之外。舊式的啤酒發(fā)酵過程控制是用許多單回路的溫度控制儀表控制每個發(fā)酵罐上的各點溫度，根據(jù)溫度變化情況去控制冷媒閥的開度，達(dá)到溫度調(diào)節(jié)的目的。輸入模塊有直流 24VDC 和交流 220VAC 兩種。PLC 的選擇包括機(jī)型、容量、I/O 模塊等幾個方面的內(nèi)容。(4) 外設(shè)端口服務(wù)。各個階段完成的任務(wù)如下：(1) 公共處理。這種分時操作進(jìn)程稱為 CPU 對程序的掃描。組合式 PLC 將 CPU 單元、輸入單元、輸出單元、智能 I/O 單元、通信單元等分別做成相應(yīng)的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯(lián)系。(4