【文章內(nèi)容簡介】 酒發(fā)酵設備概述發(fā)酵罐是啤酒生產(chǎn)的主要設備，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。整個罐體除罐頂裝置和罐底的進出口以外，全部用絕熱材料包裹起來，用其來阻隔與外界的熱交換。這樣使得罐內(nèi)發(fā)酵液與外界的熱交換量和發(fā)酵液產(chǎn)生的生化熱相比較可忽略不計，控溫中通過冷卻夾套由冷卻介質(zhì)帶走的熱量主要是生化熱。錐形發(fā)酵罐的直徑與高度之比一般為1：~4 。錐底內(nèi)角，不銹鋼罐錐角一般為60度，內(nèi)有涂料的鋼罐錐角通常為75度，使排污時可強制酵母滑出。罐的有效容量是每批麥汁的整數(shù)倍，應在16~24小時內(nèi)裝滿一個錐形罐，罐的容量系數(shù)取80%~85% 。發(fā)酵是一個放熱的過程，如果讓啤酒自然發(fā)酵，發(fā)酵液的溫度會逐漸上升，因此在發(fā)酵罐外部罐壁設置有上、中、下三段冷卻套，相應的設立上、中、下三個測溫點和三個調(diào)節(jié)閥，通過閥門調(diào)節(jié)冷卻套內(nèi)冷卻液的流量來實現(xiàn)對酒體溫度的控制 [7]。 啤酒發(fā)酵溫控基本要求由于啤酒酵母的作用，麥汁在發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵，在發(fā)酵過程中釋放出的生化反應熱和CO2 熱量釋放導致發(fā)酵溫度上升，同時 CO2 的產(chǎn)生使罐內(nèi)壓力升高。在整個發(fā)酵過程中，根據(jù)麥芽發(fā)酵的反應規(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行，提高啤酒質(zhì)量和口味，減輕工人的勞動強度，節(jié)約能源的關(guān)鍵。罐類容器的主要工況參數(shù)有溫度、液位、氣體壓力。溫度參數(shù)的高低來提醒罐內(nèi)物料已加熱時間的長短，以便指導操作者進行物料儲存及物料反應。液位間接反應了物料的多少，以便控制物料的儲存量，實時調(diào)控或者進行物料反應等。氣體壓力的大小反應了罐內(nèi) CO2 的多少，壓力到一定程度時需從罐頂排出一定的 CO2 以減小罐內(nèi)的壓力，防止爆炸。所以需要對發(fā)酵罐內(nèi)液溫的變化進行實時控制，同時罐內(nèi)的壓力也是安全生產(chǎn)的必要控制量 [8]。啤酒發(fā)酵生產(chǎn)工藝對控制的要求是：發(fā)酵罐上、中、下液溫的實時測控，控制罐溫在特定階段與標準的工藝生產(chǎn)曲線相符；控制罐內(nèi)氣體的有效排放，使罐內(nèi)壓力符合不同階段的需要控制。啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)流程圖如圖 241 所示。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。在發(fā)酵開始前，根據(jù)工藝要求預先設定工藝控制的溫度、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的控制策略，從而達到預期的控制效果 [9]。主要分為以下階段： (l) 麥汁充氧和酵母添加麥汁在泵入發(fā)酵罐進行發(fā)酵之前，麥汁中需要加入適量的酵母，整個發(fā)酵過程可以簡單理解為酵母把麥汁中的糖類分解成 C2H50H、H 2O 及其它產(chǎn)物的過程。這個階段麥汁原料經(jīng)由連接管道由糖化罐進入發(fā)酵罐中。(2) 發(fā)酵啤酒發(fā)酵是一個復雜的微生物代謝過程，這是啤酒生產(chǎn)過程中耗時最長的一個環(huán)節(jié)。在發(fā)酵期間，一般是往附著于罐壁上的冷卻夾套內(nèi)通入致冷酒精水或液氨來吸收生化反應熱，以維持適宜的發(fā)酵溫度，致冷量通過調(diào)節(jié)冷媒流量來控制。整個發(fā)酵過程可以分為主酵和后酵兩個階段：(a) 主酵—這個階段又稱為前酵。麥汁接種酵母進入發(fā)酵罐幾小時以后逐漸開始主發(fā)酵，麥汁糖度下降，產(chǎn)生 CO2，反應熱的釋放使整個罐內(nèi)的溫度逐漸上升。經(jīng)過 2~3 天后進入發(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，進行封罐發(fā)酵。此時，前酵基本結(jié)束，進行降溫轉(zhuǎn)入后酵階段。普通啤酒在前酵時的工藝要求控制在 12℃左右，從前酵進入后酵的降溫過程。(b) 后酵—當罐內(nèi)溫度從前酵的 12℃降到 3℃左右時，后酵階段開始了，這一階段最主要的目的是進行雙乙酰還原。此外，后酵階段還完成了殘?zhí)前l(fā)酵，充分沉淀蛋白質(zhì)、降低氧含量，提高啤酒的穩(wěn)定性。一旦雙乙酰指標合格，發(fā)酵罐進入第二個降溫過程，把罐內(nèi)發(fā)酵溫度從 3℃降到 0～－1℃左右進行貯酒，以提高啤酒的風味和質(zhì)量。經(jīng)過一段時間的貯酒，整個發(fā)酵環(huán)節(jié)基本結(jié)束?！　?通常，發(fā)酵液溫度要求控制在給定溫度的177?！娣秶畠?nèi)，以期達到理想的發(fā)酵狀況。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溫度梯度，便于酵母的沉淀和排出。(3) 啤酒過濾和殺菌　　主酵、后酵結(jié)束以后，啤酒將通過過濾機和高溫瞬時殺菌進行生物以及膠體穩(wěn)定處理然后灌裝。啤酒過濾是一種分離過程，其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母細胞和其它混濁物從啤酒中分離出去，否則這些物質(zhì)會在以后的時間里從啤酒中析出，導致啤酒混濁，目前多采用硅藻土過濾方式。如果啤酒中仍含有微生物(雜菌)，則微生物可以在啤酒中迅速繁殖，導致啤酒混濁，其排泄的代謝產(chǎn)物甚至使啤酒不能飲用。殺菌就是啤酒在灌裝之前對其進行生物穩(wěn)定性處理的最后一個環(huán)節(jié)。啤酒發(fā)酵工藝曲線如圖 251 所示。圖中，0 a 段為自然升溫段，不須外部控制；ab 段為主發(fā)酵階段；主酵階段，典型的控制溫度為 12℃； bc 段為降溫逐漸進入后酵，典型降溫速度為 ℃/ｈ；cd 段為后酵階段，典型控制點 3℃；de 段為降溫進入貯酒階段，典型降溫速度為 ℃/ｈ；e f 段為貯酒階段。啤酒口味和實際要求的不同，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，就應嚴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。024681 01 21 40a bc def T/℃t / h圖 251 啤酒發(fā)酵工藝曲線3 應用 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(微處理器)為核心的通用工業(yè)控制裝置。早期可編程序控制器主要用于開關(guān)量的邏輯控制，被稱為可編程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱 PLC，這個名稱被一直沿用?，F(xiàn)代 PLC 采用微處理器作為中央處理單元，其功能大大增強，不僅具有邏輯控制功能，還具有算術(shù)運算、模擬量處理和通信聯(lián)網(wǎng)等功能，目前已經(jīng)被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。自 1969 年DEC 公司研制出世界上第一臺 PLC 后，經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，有的已經(jīng)使用 RISC(精簡指令系統(tǒng) CPU)芯片。最快的 PLC 處理一步程序僅需幾十納秒；軟件上使用容錯技術(shù)，硬件上使用多 CPU 技術(shù)，具有二三百步以上的高級指令，使 PLC 具有強大的數(shù)值運算、函數(shù)運算和大批量數(shù)據(jù)處理能力 [10]。PLC 的迅猛發(fā)展和廣泛應用是與其自身的性能特點密切相關(guān)的，與繼電器、微機控制相比，PLC 具有以下特點：(1) 高可靠性PLC 是為了適應工業(yè)環(huán)境而專門設計的控制裝置，可靠性高、抗干擾能力強是它的最重要的特點。PLC 在硬件和軟件方面采取了如下一系列可靠性設計方法。硬件設計方面：采用可靠性高的元件，對干擾的屏蔽、隔離和濾波，對電源的掉電保護，存儲器內(nèi)容保護，采用看門狗和其他自診斷措施等。軟件設計方面：采用軟件濾波，軟件自診斷，簡化編程語言，信息保護和恢復，報警和運行信息的顯示等。這些措施的采用使 PLC 的可靠性和抗干擾能力大大優(yōu)于一般的計算機控制系統(tǒng)，PLC 的平均故障間隔時間(MTBF)可達幾十萬小時。(2) 易操作性PLC 的易操作性表現(xiàn)為編程簡單，使用方便。考慮到大多數(shù)電氣技術(shù)人員的讀圖習慣和應用微機的水平，PLC 采用了面向控制過程、面向問題的“ 自然語言”編程，易于掌握。例如目前大多數(shù) PLC 采用的梯形圖語言，繼承了繼電器控制線路的清晰直觀感，很容易被電氣技術(shù)人員所接受和掌握。PLC 的輸入輸出接口可直接與控制現(xiàn)場的用戶設備相連接，可拆卸的接線端子排使接線工作及其簡單。PLC 的自診斷功能使在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時候，維護人員可根據(jù)各種異常狀態(tài)的指示或自診結(jié)果，快速確定故障的位置，以便迅速處理和修復。(3) 通用性現(xiàn)代 PLC 不僅具有邏輯運算、定時、計數(shù)、順序控制等功能，而且還具有A/D、D/A 轉(zhuǎn)換，PID 控制、數(shù)值運算和數(shù)據(jù)處理等功能。因此，它既可對開關(guān)量進行控制，也可對模擬量進行控制；既可以控制單臺設備，也可以控制一條生產(chǎn)線或全部生產(chǎn)工藝過程。PLC 還具有通信聯(lián)網(wǎng)功能，可與相同或不同類型的 PLC 聯(lián)網(wǎng)，并可與上位機通信構(gòu)成分布式的控制系統(tǒng)。(4) 易于實現(xiàn)機電一體化由于 PLC 采用半導體集成電路，因此具有體積小、重量輕、功耗低的特點。而且由于 PLC 是專為工業(yè)控制而設計的專用計算機，其結(jié)構(gòu)緊湊、堅固耐用，并具有很強的可靠性和抗干擾能力，易于裝入機械設備內(nèi)部，因而成為實現(xiàn)機電一體化十分理想的控制設備。 PLC 的組成與基本原理 PLC 的組成結(jié)構(gòu)PLC 本質(zhì)上是一臺用于控制的專用計算機，因此它與一般的控制機在結(jié)構(gòu)上有很大的相似性。PLC 的主要特點是與控制對象有更強的接口能力，也就是說，它的基本結(jié)構(gòu)主要是圍繞著適宜于過程控制的要求來進行設計的。按結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC 可分為整體式和組合式兩類。整體式 PLC 是將中央處理器(CPU) 、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機。另外還有獨立的 I/O擴展單元與主機配合使用。主機中 CPU 是 PLC 的核心，I/O 單元是連接 CPU 與現(xiàn)場設備之間的接口電路，通信接口用于 PLC 與編程器和上位機等外部設備的連接。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。裝有 CPU 單元的底板稱為 CPU 底板，其它稱為擴展底板。CPU 底板與擴展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過 10m。無論哪知結(jié)構(gòu)類型的 PLC，都可根據(jù)需要進行配置與組合。例如 SIEMENS S7224型 PLC 為整體式結(jié)構(gòu)，通過主機連接 I/O 擴展單元，I/O 點數(shù)可在 24 點到 168 點的范圍內(nèi)進行配置。組合式 PLC 則在 I/O 配置上更方便、更靈活 [11]。圖 321 為 PLC 的組成示意圖。 PLC 的工作原理與其它計算機系統(tǒng)相同，PLC 的 CPU 采用分時操作原理，每一時刻執(zhí)行一個操作，隨時間順序執(zhí)行各個操作。這種分時操作進程稱為 CPU 對程序的掃描。PLC 的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按序號順序排列。CPU 從第一條指令開始，順序逐條的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束。然后返回第一條指令開始，新一輪掃描。除了執(zhí)行用戶程序外，在每次掃描過程中好要完成系統(tǒng)自檢測，輸入輸出處理，處理外設請求等工作。以上幾個過程共同構(gòu)成了 PLC 工作的一個工作周期。PLC 按工作周期方式周而復始的循環(huán)工作。PLC 上電后，首先進行初始化，然后進圖循環(huán)工作過程，一次循環(huán)可歸納為五個工作階段，如圖 322 所示。各個階段完成的任務如下：(1) 公共處理。復位監(jiān)控定時器(WDT)，進行硬件檢查、用戶內(nèi)存檢查等。檢查正常后，方可進行下面的操作。如果有異常情況，則根據(jù)錯誤的嚴重程度發(fā)出報警或停止PLC 運行。(2) I/O 刷新。輸入刷新時，CPU 從輸入電路中讀出各輸入點狀態(tài)，并將此狀態(tài)寫入輸入映像寄存器中；輸出刷新時候，將輸出繼電器的元件影響寄存器的狀態(tài)傳送到輸出圖 321 PLC 組成示意圖鎖存電路，再經(jīng)輸出電路隔離和功率放大，驅(qū)動外部負載。(3) 執(zhí)行用戶程序。在程序執(zhí)行階段，CPU 按先左后右，先上后下的順序?qū)γ織l指令進行解釋、執(zhí)行，CPU 從輸入映像寄存器和輸出映像寄存器中讀出各繼電器的狀態(tài)，根據(jù)用戶程序給出的邏輯關(guān)系進行邏輯運算，運算結(jié)果再寫入輸出映像寄存器中。(4) 外設端口服務。完成與外設端口連接的外圍設備(如編程器)或通訊適配器的通信圖 322 PLC 工作流程圖電源接上初始化檢查硬件和用戶程序存儲器檢 查 結(jié) 果 正常 ？采樣輸入信號，刷新 I/O數(shù)據(jù)，更新輸出信號監(jiān)控定時器復位逐條執(zhí)行用戶程序指令程 序 結(jié) 束 ？外設端口服務錯誤標志置位，故障燈亮故 障 性 質(zhì)I/O 內(nèi) 部 繼 電 器 清 零 ；定 時 器 復 位 ； 檢 查 I/O單 元 連 接否報警異常是 否初始化公共處理I/O 刷新執(zhí)行用戶程序外設端口服務（a） （b）處理。 PLC 的主要功能和應用可編程控制器的設計思想是盡可能地利用當前先進的計算機技術(shù)去滿足用戶的需要，PLC 與繼電器接觸器控制電路的一個本質(zhì)區(qū)別就是除了必要的與外部物理世界的接口(即I/O 點)外，其它的邏輯功能均在其內(nèi)部實現(xiàn)。這些邏輯功能不僅可以取代，而且遠遠超過諸如中間繼電器、時間繼電器等硬件邏輯所能達到的功能，從而為 PLC 在可靠性和便利性上形成特色奠定了基礎(chǔ) [12]。PLC 的主要功能：邏輯控制、定時控制、計數(shù)控制、步進(順序)控制、PID 控制、數(shù)